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L'applicazioni di trattamentu di dati in u mondu reale necessitanu sistemi di calculu compatti, di bassa latenza è di bassa putenza. Cù capacità di computing guidate da l'avvenimenti, l'architetture neuromorfiche memristive ibride cumplementarii di l'ossidu di metallu-semiconductor furnisce una basa hardware ideale per tali compiti. Per dimustrà u pienu potenziale di tali sistemi, prupunemu è dimustrà sperimentalmente una soluzione cumpleta di trasfurmazioni di sensori per l'applicazioni di localizazione di l'ughjettu in u mondu reale. Ispirandosi da a neuroanatomia di civette, avemu sviluppatu un sistema di localizazione di l'ughjettu bioinspiratu, guidatu da l'avvenimenti, chì combina un trasduttore micromeccanicu piezoelettricu di punta cù una memoria resistiva neuromorfica basata in grafici computazionali. Mostremu e misurazioni di un sistema fabricatu chì include un detector di coincidenza resistiva basatu in memoria, circuiti di linea di ritardu, è un trasduttore ultrasonicu cumplettamente persunalizabile. Avemu aduprà sti risultati spirimintali per calibre simulazioni à u livellu di u sistema. Queste simulazioni sò allora aduprate per valutà a risuluzione angulare è l'efficienza energetica di u mudellu di localizazione di l'ughjettu. I risultati mostranu chì u nostru approcciu pò esse parechji ordini di grandezza più efficiente di l'energia cà i microcontrollers chì facenu a stessa operazione.
Entramu in una era di l'informatica omnipresente induve u numeru di dispusitivi è sistemi implementati cresce in modu esponenziale per aiutà in a nostra vita di ogni ghjornu. Questi sistemi sò previsti per eseguisce continuamente, cunsumendu u minimu putere pussibule mentre amparà à interpretà e dati chì recullanu da parechji sensori in tempu reale è pruducenu output binariu in u risultatu di e funzioni di classificazione o ricunniscenza. Unu di i passi più impurtanti necessarii per ottene stu scopu hè di estrazione di informazioni utili è compatte da dati sensoriali rumorosi è spessu incompleti. L'avvicinamenti di l'ingegneria cunvinziunali tipicamente mostranu i segnali di i sensori à un ritmu constantu è altu, generendu grandi quantità di dati ancu in assenza di input utili. Inoltre, sti metudi utilizanu tecnichi cumplessi di trasfurmazioni di signali digitale per pre-processà i dati di input (spessu rumorosi). Invece, a biologia offre soluzioni alternative per u processu di dati sensoriali rumorosi utilizendu approcci energetichi, asincroni, guidati da l'avvenimenti (picchi)2,3. L'informatica neuromorfica s'ispira à i sistemi biologichi per riduce i costi di computazione in termini di esigenze energetiche è di memoria in paragunà à i metudi tradiziunali di trasfurmazioni di signali4,5,6. Recentemente, sò stati dimustrati sistemi innovatori di u cervellu generale chì implementanu e rete neurali di impulsu (TrueNorth7, BrainScaleS8, DYNAP-SE9, Loihi10, Spinnaker11). Questi prucessori furniscenu suluzioni di bassa putenza, bassa latenza per l'apprendimentu di machine è a modellazione di circuiti corticali. Per sfruttà cumplettamente a so efficienza energetica, sti processori neuromorfichi devenu esse direttamente cunnessi à i sensori guidati da l'avvenimenti12,13. Tuttavia, oghje ci sò solu uni pochi di dispusitivi touch chì furnisce direttamente dati event-driven. Esempi prominenti sò i sensori visuali dinamichi (DVS) per l'applicazioni di visione cum'è u seguimentu è a rilevazione di u muvimentu14,15,16,17 a coclea di siliciu18 è i sensori auditivi neuromorfici (NAS)19 per l'elaborazione di signali auditivi, sensori olfattivi20 è numerosi esempi21,22 di u toccu. . sensori di texture.
In questu articulu, prisintàmu un sistema di processazione auditiva guidata da l'avvenimentu di novu sviluppatu appiicatu à a localizazione di l'ughjettu. Quì, per a prima volta, descrivimu un sistema end-to-end per a localizazione di l'ughjettu ottenuta da a cunnessione di un trasduttore ultrasonicu micromachined piezoelectric (pMUT) di punta cun un graficu computazionale basatu in memoria resistiva neuromorfica (RRAM). L'architetture di l'informatica in memoria chì utilizanu RRAM sò una soluzione promettente per riduce u cunsumu di energia23,24,25,26,27,28,29. A so non-volatilità intrinseca, chì ùn hà micca bisognu di cunsumu di energia attiva per almacenà o aghjurnà l'infurmazioni, hè perfetta cù a natura asincrona, guidata da l'avvenimentu di l'informatica neuromorfica, chì risulta in quasi nisun cunsumu di energia quandu u sistema hè inattivu. I trasduttori ultrasonici piezoelettrici micromachined (pMUTs) sò trasduttori ultrasonici miniaturizati, miniaturizati, capaci di agisce cum'è trasmettitori è ricevitori30,31,32,33,34. Per processà i segnali ricevuti da i sensori integrati, avemu inspiratu da a neuroanatomia di a civette35,36,37. A civette Tyto alba hè cunnisciuta per e so capacità di caccia notturna notevuli grazia à un sistema di localizazione auditiva assai efficace. Per calculà u locu di a preda, u sistema di localizazione di u civetta codifica u tempu di volu (ToF) quandu l'onda di u sonu da a preda ghjunghjenu à ognuna di l'arechje di u civetta o u receptore di u sonu. Data a distanza trà l'arechje, a diffarenza trà e duie misurazioni ToF (Interaural Time Difference, ITD) permette di calculà analiticamente a pusizione azimutale di u mira. Ancu se i sistemi biologichi sò pocu adattati per risolve equazioni algebriche, ponu risolve i prublemi di localizazione assai efficace. U sistema nervoso di a civette usa un inseme di detettore di coincidenza (CD) 35 neuroni (vale à dì, neuroni capaci di detectà correlazioni temporali trà spikes chì si propaganu in discendenza à terminazioni eccitatori convergenti) 38,39 organizzati in grafici computazionali per risolve i prublemi di posizionamentu.
Ricerche precedenti anu dimustratu chì l'hardware cumplementarii di u metal-oxide-semiconductor (CMOS) è l'hardware neuromorficu basatu in RRAM ispiratu da u colliculus inferjuri ("cortica auditiva") di u civetta hè un metudu efficace per calculà a pusizione cù ITD13, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46. In ogni casu, u putenziale di sistemi neuromorfichi cumpleti chì liganu cues auditive à i grafici computazionali neuromorfi ùn anu ancu esse dimustratu. U prublema principali hè a variabilità inherente di i circuiti CMOS analogichi, chì affetta a precisione di a rilevazione di partita. Ricertamenti, implementazioni numeriche alternative di l'estimazioni ITD47 sò state dimustrate. In questu articulu, prupunemu di utilizà a capacità di RRAM per cambià u valore di conductance in una manera non volatile per contru à a variabilità in i circuiti analogichi. Avemu implementatu un sistema sperimentale custituitu da una membrana di trasmissione pMUT chì opera à una frequenza di 111.9 kHz, duie membrane (sensori) di ricezione pMUT chì simulanu orecchie di civette, è una . Avemu carattarizatu sperimentalmente u sistema di rilevazione pMUT è u graficu computazionale ITD basatu in RRAM per pruvà u nostru sistema di localizazione è valutà a so risoluzione angulare.
Paragunemu u nostru metudu cù una implementazione digitale nantu à un microcontrollore chì esegue u listessu compitu di localizazione utilizendu metudi convenzionali di beamforming o neuromorfi, è ancu un array di porta programmabile in campu (FPGA) per l'estimazione ITD pruposta in a riferenza. 47. Questa paraguna mette in risaltu l'efficienza di a putenza competitiva di u sistema neuromorficu analogicu prupostu basatu in RRAM.
Unu di l'esempii più impressiunanti di un sistema di localizazione di l'ughjettu precisu è efficaci pò esse truvatu in barn owl35,37,48. À u crepuscolo è à l'alba, a civette (Tyto Alba) s'appoghja principalmente à l'ascolta passiva, chì cerca attivamente e piccule prede cum'è campagnoli o topi. Questi esperti auditivi ponu localize signali auditivi da a preda cù una precisione stupente (circa 2 °) 35, cum'è mostra in Fig. 1a. L'arbureti inferiscenu a situazione di e fonti di sonu in u pianu azimut (orizzontale) da a diffarenza di u tempu di volu (ITD) da a fonte di sonu à e duie orecchie. U meccanismo computazionale ITD hè statu prupostu da Jeffress49,50 chì si basa in a geometria neurale è richiede dui cumpunenti chjave: un axone, una fibra nervosa di un neurone chì agisce cum'è una linea di ritardo, è una serie di neuroni detector di coincidenza organizzati in un sistema computazionale. graficu cum'è mostra in Figura 1b. U sonu ghjunghje à l'arechja cù un ritardu di tempu dipendente di l'azimuth (ITD). U sonu hè poi cunvertitu in un mudellu di spike in ogni orechja. L'assoni di l'orechja sinistra è destra agisce cum'è linee di ritardo è cunvergenu in i neuroni CD. Teoricamente, una sola neurona in una serie di neuroni accoppiati riceverà input à u mumentu (induve u ritardu annulla esattamente) è spararà à u massimu (i celi vicini spararanu ancu, ma à una frequenza più bassa). L'attivazione di certi neuroni codifica a pusizione di u mira in u spaziu senza più cunvertisce l'ITD in anguli. Stu cuncettu hè riassuntu in a Figura 1c: per esempiu, se u sonu vene da u latu drittu quandu u signale di input da l'arechja diritta viaghja un percorsu più longu cà u percorsu da l'arechja manca, cumpensendu u numeru di ITD, per esempiu, quandu u neurone 2 currisponde. In altre parolle, ogni CD risponde à un certu ITD (cunnisciutu ancu com'è ritardu ottimale) per via di ritardu assonale. Cusì, u cervu cunvertisce l'infurmazione tempurale in infurmazione spaziale. L'evidenza anatomica di stu mecanismu hè stata trovata37,51. I neuroni macronucleus in fase di bloccu almacenanu l'infurmazioni temporali nantu à i soni entranti: cum'è u so nome implica, sparanu à certe fasi di signale. I neuroni detector di coincidenza di u mudellu Jeffress ponu esse truvati in u core laminar. Ricevenu infurmazioni da i neuroni macronucleari, chì l'assoni funnu cum'è linee di ritardo. A quantità di ritardu furnita da a linea di ritardu pò esse spiegata da a lunghezza di l'axone, è ancu un altru mudellu di mielinizazione chì cambia a velocità di cunduzzione. Ispirati da u sistema auditivu di u civetta, avemu sviluppatu un sistema biomimeticu per localizà l'uggetti. E duie orecchie sò rapprisentate da dui ricevitori pMUT. A fonte di u sonu hè u trasmettitore pMUT situatu trà elli (Fig. 1a), è u graficu computazionale hè furmatu da una griglia di circuiti CD basati in RRAM (Fig. 1b, verde), ghjucanu u rolu di neuroni CD chì l'inputs sò ritardati. attraversu u circuitu, e linee di ritardu (blu) agisce cum'è assoni in a contraparti biologica. U sistema sensoriale prupostu difiere in a freccia di u funziunamentu da quella di u civettu, chì u so sistema auditivo opera in a gamma 1-8 kHz, ma i sensori pMUT chì operanu à circa 117 kHz sò usati in stu travagliu. A selezzione di un transducer ultrasonicu hè cunsideratu secondu i criterii tecnichi è ottimisazioni. Prima, a limitazione di a larghezza di banda di ricezione à una freccia unica migliurà idealmente a precisione di misurazione è simplifica u passu di post-processamentu. Inoltre, l'operazione in ultrasound hà u vantaghju chì l'impulsi emessi ùn sò micca audibili, per quessa ùn disturbanu micca a ghjente, postu chì u so intervallu auditivo hè ~ 20-20 kHz.
a civetta riceve l'onda sonora da una mira, in questu casu muvimenti preda. U tempu di volu (ToF) di l'onda sonora hè diversu per ogni orechja (salvo chì a preda hè direttamente davanti à u civettu). A linea tratteggiata mostra u percorsu chì l'onde sonore piglianu per ghjunghje à l'arechje di a civette. A preda pò esse localizata accuratamente in u pianu horizontale basatu nantu à a diffarenza di lunghizza trà i dui percorsi acustici è a diffarenza di u tempu interaural (ITD) currispundente (imagine di manca inspirata da ref. 74, copyright 2002, Society for Neuroscience). In u nostru sistema, u trasmettitore pMUT (blu scuru) genera onde sonore chì rimbalzanu da u mira. Onde ultrasound riflesse sò ricevuti da dui receptori pMUT (verde chjaru) è processati da u processatore neuromorficu (diritta). b Un mudellu di calculu ITD (Jeffress) chì descrive cumu i soni chì entranu in l'arechje di u civetta sò prima codificati cum'è punte di fasi bloccate in u grande nucleu (NM) è dopu aduprendu una griglia disposta geomètricamente di neuroni detector in u nucleu lamellare. Trattamentu (Paesi Bassi) (a manca). Illustrazione di un graficu computazionale di neuroITD chì combina linee di ritardo è neuroni di rilevatori di coincidenza, u sistema di biosensore di civetta pò esse modellatu utilizendu circuiti neuromorfichi basati in RRAM (a destra). c Schematic di u mekanismu Jeffress principali, a causa di a diffarenza in ToF, i dui arechje riceve stimuli sonu à i tempi diffirenti è mandà axons da tramindui fini à u detector. Gli assoni fanno parte di una serie di neuroni di rilevatore di coincidenza (CD), ognuno dei quali risponde selettivamente a input fortemente correlati al tempo. In u risultatu, solu i CD chì l'inputs ghjunghjenu cù a più chjuca differenza di tempu sò massimamente eccitati (ITD hè cumpensu esattamente). U CD codificarà a pusizione angulare di u mira.
I trasduttori ultrasonici micromeccanici piezoelettrici sò transducers ultrasonici scalabili chì ponu esse integrati cù a tecnulugia CMOS avanzata31,32,33,52 è anu una tensione iniziale è un cunsumu di energia più bassu cà i transducers volumetrichi tradiziunali53. In u nostru travagliu, u diametru di a membrana hè 880 µm, è a freccia di resonante hè distribuitu in a gamma di 110-117 kHz (Fig. 2a, vede Methods for details). In un batch of ten devices test, u fattore di qualità mediu era di circa 50 (ref. 31). A tecnulugia hà righjuntu a maturità industriale è ùn hè micca bioinspirata per se. Cumminendu l'infurmazioni da diverse filmi pMUT hè una tecnica ben cunnisciuta, è l'infurmazioni d'angle pò esse ottenute da pMUT utilizendu, per esempiu, tecniche di beamforming31,54. Tuttavia, u trattamentu di u signale necessariu per caccià l'infurmazioni di l'angulu ùn hè micca adattatu per e misurazioni di bassa putenza. U sistema prupostu combina u circuitu di preprocessazione di dati neuromorfi pMUT cù un graficu di computazione neuromorfa basata in RRAM ispiratu da u mudellu Jeffress (Figura 2c), chì furnisce una soluzione hardware alternativa efficiente in energia è risorsa limitata. Avemu realizatu un esperimentu in quale dui sensori pMUT sò stati posti à circa 10 cm l'una di l'altra per sfruttà i diversi soni ToF ricivuti da e duie membrane riceventi. Un pMUT chì funge da trasmettitore si trova trà i ricevitori. U mira era un pianu di PVC 12 cm largu, situatu à una distanza D davanti à u dispusitivu pMUT (Fig. 2b). U receptore registra u sonu riflessu da l'ughjettu è reagisce quantu pussibule durante u passaghju di l'onda sonora. Repetite l'esperimentu cambiendu a pusizione di l'ughjettu, determinata da a distanza D è l'angulu θ. Ispiratu da un ligame. 55, prupunemu un pre-processamentu neuromorficu di i segnali crudi pMUT per cunvertisce l'onda riflessa in picchi per inserisce un graficu computazionale neuromorficu. U ToF chì currisponde à l'amplitude di u piccu hè estrattu da ognunu di i dui canali è codificati cum'è u timing esatta di i picchi individuali. Nantu à fig. 2c mostra i circuiti necessarii per interfaccia u sensoru pMUT cun un graficu computazionale basatu in RRAM: per ognuna di i dui ricevitori pMUT, u signale crudu hè filtratu in passa di banda per liscia, rettificà, è dopu passatu à l'integratore leaky in modu di superazione. u threshold dinamica (Fig. 2d) crea un avvenimentu output (spike) è spara (LIF) neurone: u tempu spike output encodes u tempu volu detect. U limitu LIF hè calibratu contru a risposta pMUT, riducendu cusì a variabilità pMUT da u dispositivu à u dispusitivu. Cù stu approcciu, invece di almacenà tutta l'onda di sonu in memoria è di trasfurmà dopu, simpricimenti generà un piccu currispundenti à u ToF di l'onda sonora, chì forma l'input à u graficu di calculu di memoria resistiva. I picchi sò mandati direttamente à e linee di ritardu è parallelizzati cù moduli di rilevazione di partite in grafici di computazione neuromorfica. Perchè sò mandati à e porte di i transistors, ùn hè micca necessariu circuitu di amplificazione supplementu (vede Supplementary Fig. 4 per i dettagli). Per valutà a precisione angulare di localizazione furnita da pMUT è u metudu di trasfurmazione di u signale prupostu, avemu misuratu l'ITD (vale à dì, a diffarenza di u tempu trà l'avvenimenti di punta generati da dui ricevitori) cum'è a distanza è l'angolo di l'ughjettu variava. L'analisi di l'ITD hè stata cunvertita in anguli (vede Methods) è tracciate contr'à a pusizione di l'ughjettu: l'incertezza in l'ITD misurata cresce cù a distanza è l'angolo à l'ughjettu (Fig. 2e, f). U prublema principali hè u rapportu peak-to-noise (PNR) in a risposta pMUT. U più luntanu l'ughjettu, u più bassu u signale acusticu, riducendu cusì u PNR (Fig. 2f, linea verde). A diminuzione di PNR porta à un incrementu di incertezza in l'estimazione ITD, risultatu in un incrementu di a precisione di localizazione (Fig. 2f, linea blu). Per un ughjettu à una distanza di 50 cm da u trasmettitore, a precisione angulare di u sistema hè di circa 10 °. Questa limitazione imposta da e caratteristiche di u sensoru pò esse migliuratu. Per esempiu, a pressione mandata da l'emettitore pò esse aumentata, aumentandu cusì a tensione chì guida a membrana pMUT. Una altra suluzione per amplificà u signale trasmessu hè di cunnette parechji trasmettitori 56. Queste suluzioni aumenteranu a gamma di deteczione à a spesa di l'aumentu di l'energia. Migliuramenti supplementari ponu esse fatti da u latu di riceve. U pianu di u rumore di u receptore pMUT pò esse ridutta significativamente per migliurà a cunnessione trà u pMUT è l'amplificatore di u primu stadiu, chì hè attualmente fattu cù cunnessione di filu è cavi RJ45.
a Immagine di un cristallo pMUT con sei membrane da 880 µm integrate a un passo di 1,5 mm. b Schema di a stallazione di misura. U target hè situatu à azimuth position θ è à a distanza D. U trasmettitore pMUT genera un signalu 117.6 kHz chì rimbalza nantu à u target è righjunghji dui receptori pMUT cù u tempu di volu (ToF) diffirenti. Sta diffarenza, definita cum'è a diffarenza di u tempu inter-aural (ITD), codifica a pusizione di un ughjettu è pò esse stimata per stima di a risposta di punta di i dui sensori di u receptore. c Schema di i passi di pre-processazione per cunvertisce u signale pMUT crudu in sequenze di spike (vale à dì input à u graficu di computazione neuromorfica). I sensori pMUT è i grafici computazionali neuromorfi sò stati fabbricati è pruvati, è u pre-processamentu neuromorficu hè basatu annantu à a simulazione di software. d Risposta di a membrana pMUT à a ricezione di un signalu è a so trasfurmazioni in un duminiu di spike. e Précision angulaire de localisation expérimentale en fonction de l'angle de l'objet (Θ) et de la distance (D) à l'objet cible. U metudu di estrazione ITD richiede una risoluzione angulare minima di circa 4 ° C. f Précision angulaire (ligne bleue) et rapport crête-bruit correspondant (ligne verte) en fonction de la distance de l'objet pour Θ = 0.
A memoria resistiva guarda l'infurmazioni in un statu conduttivu non volatile. U principiu di basa di u metudu hè chì a mudificazione di u materiale à u livellu atomicu provoca un cambiamentu in a so conductività elettrica57. Quì usemu una memoria resistiva basata in l'ossidu custituita da una strata di 5 nm di diossidu di hafniu incruciatu trà l'elettrodi di titaniu è nitruru di titaniu in cima è in fondu. A conductività di i dispositi RRAM pò esse cambiata appliendu una forma d'onda di corrente / tensione chì crea o rompe filamenti conduttivi di vacanti d'ossigenu trà l'elettrodi. Avemu co-integratu tali dispusitivi58 in un prucessu CMOS standard 130 nm per creà un circuitu neuromorficu reconfigurable fabricatu chì implementa un detector di coincidenza è un circuitu di linea di ritardu (Fig. 3a). A natura non volatile è analogica di u dispusitivu, cumminata cù a natura guidata da l'avvenimentu di u circuitu neuromorficu, minimizza u cunsumu di energia. U circuitu hà una funzione di accensione / spegnimentu istantanea: opera immediatamente dopu à esse attivatu, permettendu chì a putenza sia spenta completamente quandu u circuitu hè inattivu. I blocchi principali di u schema prupostu sò mostrati in a fig. 3b. Hè custituitu da N strutture parallele di un transistor unicu resistore (1T1R) chì codificanu pesi sinaptici da quali sò pigliati i currenti ponderati, injected in a sinapsi cumuna di un integratore di coppia differenziale (DPI)59, è infine injected in a sinapsi cù integrazione è fuga. neurone attivatu (LIF) 60 (vede Methods for details). I surge di input sò appiicati à a porta di a struttura 1T1R in a forma di una sequenza di impulsi di tensione cù una durata di l'ordine di centinaie di nanosecondi. A memoria resistiva pò esse piazzata in un statu cunduttivu altu (HCS) applicà una riferimentu pusitivu esternu à Vtop quandu Vbottom hè in terra, è resettate à un statu cunduttivu bassu (LCS) applicà una tensione positiva à Vbottom quandu Vtop hè in terra. U valore mediu di HCS pò esse cuntrullatu da limità u currente di prugrammazione (cunformità) di u SET (ICC) da a tensione di porta-surghjente di u transistor serie (Fig. 3c). E funzioni di RRAM in u circuitu sò duie volte: dirigenu è pesanu i impulsi di input.
L'imaghjini di u microscopiu elettronicu à scanning (SEM) di un dispositivu blu HfO2 1T1R RRAM integratu in a tecnulugia CMOS 130 nm cù transistori selettori (larghezza 650 nm) in verde. b Elementi basi di u schema neuromorficu prupostu. L'impulsi di tensione di input (picchi) Vin0 è Vin1 cunsumu currenti Iweight, chì hè proporzionale à i stati di cunduzzione G0 è G1 di a struttura 1T1R. Questa corrente hè injectata in e sinapsi DPI è eccita i neuroni LIF. RRAM G0 è G1 sò stallati in HCS è LCS rispettivamente. c Funzione di densità di conductance cumulativa per un gruppu di dispusitivi 16K RRAM in funzione di l'adattamentu attuale ICC, chì cuntrolla in modu efficace u livellu di cunduzzione. d Misurazioni di u circuitu in (a) chì mostranu chì G1 (in u LCS) blocca in modu efficace l'input da Vin1 (verde), è veramente a tensione di a membrana di u neurone di output risponde solu à l'input blu da Vin0. RRAM determina in modu efficace e cunnessione in u circuitu. e Mesure du circuit en (b) montrant l'effet de la valeur de conductance G0 sur la tension de membrane Vmem après l'application d'une impulsion de tension Vin0. A più cunductanza, più forte a risposta: cusì, u dispusitivu RRAM implementa a ponderazione di cunnessione I / O. E misurazioni sò state fatte nantu à u circuitu è ​​dimustranu a doppia funzione di RRAM, routing è ponderazione di impulsi di input.
Prima, postu chì ci sò dui stati basi di cunduzzione (HCS è LCS), i RRAM ponu bluccà o miss impulsi di input quandu sò in i stati LCS o HCS, rispettivamente. In u risultatu, RRAM determina in modu efficace e cunnessione in u circuitu. Questa hè a basa per esse capace di cunfigurà l'architettura. Per dimustrà questu, avemu da descriverà una implementazione di circuitu fabricatu di u bloccu di circuitu in Fig. 3b. U RRAM chì currisponde à G0 hè programatu in l'HCS, è a seconda RRAM G1 hè programata in u LCS. L'impulsi di input sò applicati à Vin0 è Vin1. L'effetti di duie sequenze di impulsi di input sò stati analizati in i neuroni di output cullendu a tensione di a membrana di a neurona è u segnu di output utilizendu un oscilloscopiu. L'esperimentu hà successu quandu solu u dispusitivu HCS (G0) era cunnessu à u pulsu di u neurone per stimulà a tensione di a membrana. Questu hè dimustratu in a Figura 3d, induve u trenu di impulsi turchinu face chì a tensione di a membrana si accumule nantu à u condensatore di a membrana, mentre chì u trenu di impulsi verdi mantene a tensione di a membrana constante.
A seconda funzione impurtante di RRAM hè l'implementazione di pesi di cunnessione. Utilizendu l'aghjustamentu di a conduttanza analogica di RRAM, e cunnessione I / O ponu esse ponderate in cunseguenza. In u sicondu esperimentu, u dispusitivu G0 hè stata programata à diversi livelli di HCS, è u pulse di input hè stata appiicata à l'input VIn0. L'impulsu d'ingressu tira un currente (Iweight) da u dispusitivu, chì hè proporzionale à a conduttanza è a caduta potenziale currispundente Vtop - Vbot. Questa corrente ponderata hè poi iniettata in i sinapsi DPI è i neuroni di output LIF. A tensione di a membrana di i neuroni di output hè stata arregistrata cù un oscilloscope è mostra in Fig. 3d. U piccu di tensione di a membrana di neurone in risposta à un unicu impulsu di input hè proporzionale à a conduttanza di a memoria resistiva, dimustrendu chì RRAM pò esse usatu cum'è un elementu programable di pesu sinapticu. Questi dui testi preliminari mostranu chì a piattaforma neuromorfica pruposta basata in RRAM hè capace di implementà l'elementi basi di u mecanismu Jeffress di basa, vale à dì a linea di ritardu è u circuitu di detector di coincidenza. A piattaforma di u circuitu hè custruita impilando blocchi successivi fiancu à fiancu, cum'è i blocchi in Figura 3b, è cunnetta e so porte à una linea di input cumuni. Avemu disignatu, fabricatu è pruvatu una piattaforma neuromorfica custituita da dui neuroni di output chì ricevenu dui inputs (Fig. 4a). U schema di circuitu hè mostratu in Figura 4b. A matrice superiore 2 × 2 RRAM permette à i impulsi di input per esse diretti à dui neuroni di output, mentre chì a matrice 2 × 2 inferiore permette cunnessione recurrenti di dui neuroni (N0, N1). Avemu dimustratu chì sta piattaforma pò esse usata cù una cunfigurazione di linea di ritardu è duie funzioni di detector di coincidenza diffirenti, cum'è mostratu da e misurazioni sperimentali in Fig. 4c-e.
Schema di u circuitu furmatu da dui neuroni di output N0 è N1 chì ricevenu dui inputs 0 è 1. I primi quattru dispositi di l'array definenu cunnessione sinaptica da input à output, è i quattru celluli di fondu definiscenu ligami recurrenti trà neuroni. I RRAM culurati rapprisentanu i dispositi cunfigurati in l'HCS à a diritta: i dispusitivi in ​​l'HCS permettenu cunnessione è rapprisentanu pesi, mentre chì i dispositi in u LCS bluccanu impulsi di input è disattivanu e cunnessione à i outputs. b Schema di u circuitu (a) cù ottu moduli RRAM evidenziati in blu. c E linee di ritardu sò furmate da solu aduprendu a dinamica di sinapsi DPI è neuroni LIF. A RRAM verde hè stallata à una conductance abbastanza alta per pudè induce un glitch à l'output dopu u ritardu di input Δt. d Illustrazione schematica di a rilevazione di CD insensibile à a direzzione di i signali dipendenti di u tempu. A neurona di output 1, N1, spara nantu à l'inputs 0 è 1 cù un brevi ritardu. e Circuitu CD sensitivu à a direzzione, un circuitu chì detecta quandu l'input 1 si avvicina à l'input 0 è ghjunghje dopu à l'input 0. L'output di u circuitu hè rapprisintatu da a neurona 1 (N1).
A linea di ritardu (Figura 4c) usa simpricimenti u cumpurtamentu dinamicu di sinapsi DPI è neuroni LIF per riproduce u spike di input da Vin1 à Vout1 ritardandu Tdel. Solu u G3 RRAM cunnessu à Vin1 è Vout1 hè programatu in HCS, u restu di i RRAM sò programati in LCS. U dispusitivu G3 hè stata programata per 92,6 µs per assicurà chì ogni impulsu di input aumenta a tensione di membrana di u neurone di output abbastanza per ghjunghje à u sogliu è generà un impulsu di output ritardatu. U ritardu Tdel hè determinatu da i custanti di u tempu sinapticu è neurale. I rilevatori di coincidenza rilevanu l'occurrence di segnali di input temporalmente correlati ma distribuiti spazialmente. CD insensibile à a direzzione si basa in inputs individuali cunvergenti à un neurone di output cumuni (Figura 4d). I dui RRAM chì culliganu Vin0 è Vin1 à Vout1, G2 è G4 rispettivamente sò programati per una alta conduzione. L'arrivata simultanea di picchi nantu à Vin0 è Vin1 aumenta a tensione di a membrana di a neurona N1 sopra u sogliu necessariu per generà u spike di output. Sì i dui inputs sò troppu alluntanati in u tempu, a carica nantu à a tensione di a membrana accumulata da u primu input pò avè u tempu di decadenza, impediscendu chì u putenziale di a membrana N1 ghjunghje à u valore di soglia. G1 è G2 sò programati per circa 65 µs, chì assicura chì una sola surge di input ùn aumenta micca a tensione di a membrana abbastanza per causà un surge di output. A rilevazione di coincidenza trà l'avvenimenti distribuiti in u spaziu è u tempu hè una operazione fundamentale utilizata in una larga gamma di funzioni di sensazione cum'è l'evitazione di l'ostaculi basati in u flussu otticu è a localizazione di a fonte di sonu. Cusì, l'informatica di CD sensibili è insensibili à a direzzione hè un bloccu di custruzzione fundamentale per a custruzzione di sistemi di localizazione visuale è audio. Cum'è mostratu da e caratteristiche di e custanti di u tempu (vede Supplementary Fig. 2), u circuitu prupostu implementa un intervallu adattatu di quattru ordini di scala di u tempu. Cusì, si pò scuntrà simultaneamente i bisogni di sistemi visuale è sonu. CD sensibule di direzzione hè un circuitu chì hè sensibule à l'ordine spaziale di l'arrivu di impulsi: da diritta à manca è viceversa. Hè un bloccu di custruzzione fundamentale in a reta di basa di rilevazione di muvimentu di u sistema visuale di Drosophila, utilizatu per calculà e direzzione di muvimentu è detectà collisioni62. Per ottene un CD sensibule di direzzione, dui inputs deve esse diretta à dui neuroni diffirenti (N0, N1) è una cunnessione direzzione deve esse stabilitu trà elli (Fig. 4e). Quandu u primu input hè ricivutu, NO reagisce aumentendu a tensione à traversu a so membrana sopra u valore di u limitu è ​​mandendu un surge. Questu avvenimentu di output, à u turnu, spara N1 grazia à a cunnessione direzzione evidenziata in verde. Se un avvenimentu di input Vin1 arriva è energizes N1 mentre a so tensione di a membrana hè sempre alta, N1 genera un avvenimentu di output chì indica chì un match hè statu trovu trà i dui inputs. I cunnessione direzzione permettenu à l'N1 di emette output solu se l'input 1 vene dopu à l'input 0. G0, G3 è G7 sò programati à 73,5 µS, 67,3 µS è 40,2 µS, rispettivamente, assicurendu chì un unicu spike in l'input Vin0 provoca un ritardo. spike di output, mentri u putenziale di a membrana di N1 righjunghji solu u sogliu quandu i dui bursts di input arrivanu in sincronia. .
A variabilità hè una fonte di imperfezione in i sistemi neuromorfichi modellati63,64,65. Questu porta à un cumpurtamentu eterogeneu di neuroni è sinapsi. Esempii di tali disadvantages includenu 30% (deviazione standard media) variabilità in u guadagnu di input, u tempu constantu è u periodu refrattariu, per nome solu uni pochi (vede Methods). Stu prublema hè ancu più pronunzianu quandu parechji circuiti neurali sò cunnessi inseme, cum'è un CD sensibile à l'orientazione custituitu di dui neuroni. Per travaglià bè, i custanti di u tempu di guadagnu è di decadenza di i dui neuroni duveranu esse u più simili pussibule. Per esempiu, una grande diferenza in u guadagnu di input pò fà chì una neurona reagisce in modu eccessivu à un impulsu di input mentre l'altra neurona hè pocu responsiva. Nantu à fig. A figura 5a mostra chì i neuroni scelti aleatoriamente rispundenu in modu diversu à u stessu impulsu di input. Questa variabilità neurale hè pertinente, per esempiu, à a funzione di CD sensibule di direzzione. In u schema mostratu in fig. 5b, c, u guadagnu di input di a neurona 1 hè assai più altu ch'è quellu di a neurona 0. Cusì, a neurona 0 hà bisognu di trè impulsi di input (invece di 1) per ghjunghje à u limitu, è a neurona 1, cum'è s'aspittava, hà bisognu di dui eventi di input. L'implementazione di a plasticità biomimetica dipendente da u tempu di spike (STDP) hè un modu pussibule per mitigà l'impattu di circuiti neurali è sinaptici imprecisi è lenti nantu à u rendiment di u sistema43. Quì prupunemu d'utilizà u cumpurtamentu plasticu di a memoria resistiva cum'è un mezzu per influenzà l'aumentu di l'input neurale è riduce l'effetti di a variabilità in i circuiti neuromorfi. Comu mostra in fig. 4e, i livelli di conduttanza assuciati à a massa sinaptica RRAM modulavanu in modu efficace a risposta di tensione di a membrana neurale corrispondente. Utilizemu una strategia di prugrammazione RRAM iterativa. Per un input determinatu, i valori di conductance di i pesi sinaptici sò riprogrammati finu à chì u cumpurtamentu di destinazione di u circuitu hè ottenutu (vede Metudu).
a Misurazioni sperimentali di a risposta di nove neuroni individuali scelti aleatoriamente à u listessu impulsu di input. A risposta varieghja trà e pupulazioni, affettendu u guadagnu di input è a constante di tempu. b Misurazioni sperimentali di l'influenza di i neuroni nantu à a variabilità di i neuroni chì afectanu u CD sensitivu à a direzzione. I dui neuroni di output CD sensibili à a direzzione rispundenu in modu diversu à i stimuli di input per via di a variabilità di neurone à neurone. A neurona 0 hà un guadagnu di input più bassu cà a neurona 1, cusì ci vole trè impulsi di input (invece di 1) per creà un spike di output. Cum'è previstu, a neurona 1 righjunghji u limitu cù dui eventi di input. Se l'input 1 arriva Δt = 50 µs dopu l'incendia di u neurone 0, CD resta in silenziu perchè Δt hè più grande di a constante di tempu di u neurone 1 (circa 22 µs). c hè ridutta da Δt = 20 µs, cusì chì l'input 1 picchi quandu u focu di u neurone 1 hè sempre altu, risultatu in a rilevazione simultanea di dui eventi di input.
I dui elementi utilizati in a colonna di calculu ITD sò a linea di ritardu è a direzzione CD insensibile. I dui circuiti necessitanu una calibrazione precisa per assicurà una bona prestazione di posizionamentu di l'ughjettu. A linea di ritardu deve furnisce una versione ritardata precisamente di u piccu di input (Fig. 6a), è u CD deve esse attivatu solu quandu l'input cade in a gamma di deteczione di destinazione. Per a linea di ritardu, i pesi sinaptici di e cunnessione di l'input (G3 in Fig. 4a) sò stati riprogrammati finu à chì u ritardu di destinazione hè stata ottenuta. Stabbilisce una tolleranza intornu à u ritardu di destinazione per piantà u prugramma: più chjuca hè a tolleranza, u più difficiule hè di stabilisce a linea di ritardu. Nantu à fig. A Figura 6b mostra i risultati di u prucessu di calibrazione di a linea di ritardu: si pò vede chì u schema prupostu pò furnisce esattamente tutti i ritardi necessarii in u schema di cuncepimentu (da 10 à 300 μs). U numaru massimu di iterazioni di calibrazione afecta a qualità di u prucessu di calibrazione: 200 iterazioni ponu riduce l'errore à menu di 5%. Una iterazione di calibrazione currisponde à una operazione di set / reset di una cellula RRAM. U prucessu di sintonizazione hè ancu criticu per migliurà a precisione di a rilevazione immediata di l'avvenimentu vicinu à u modulu CD. Ci hè bisognu di dece iterazioni di calibrazione per ottene un veru ritmu pusitivu (vale à dì, u ritmu di l'avvenimenti identificati currettamente cum'è pertinenti) sopra u 95% (linea blu in Figura 6c). In ogni casu, u prucessu di sintonizazione ùn hà micca affettatu l'eventi falsi pusitivi (vale à dì, a freccia di l'avvenimenti chì eranu erroneamente identificati cum'è pertinenti). Un altru metudu osservatu in i sistemi biologichi per superà i limiti di u tempu di i camini di attivazione rapida hè a redundanza (vale à dì, parechje copie di u stessu ughjettu sò aduprate per fà una funzione determinata). Ispirati da a biologia66, avemu postu parechji circuiti CD in ogni modulu CD trà e duie linee di ritardu per riduce l'impattu di falsi pusitivi. Comu mostra in fig. 6c (linea verde), pusendu trè elementi CD in ogni modulu CD pò riduce a rata di falsa alarme à menu di 10-2.
Effettu di a variabilità neuronale nantu à i circuiti di linea di ritardu. b I circuiti di linea di ritardu ponu esse scalati à grandi ritardi mettendu e custanti di tempu di i neuroni LIF currispondenti è sinapsi DPI à grandi valori. Aumentà u nùmeru di iterazioni di a prucedura di calibrazione RRAM hà permessu di migliurà significativamente a precisione di u ritardu di destinazione: 200 iterazioni riduce l'errore à menu di 5%. Una iterazione currisponde à una operazione SET / RESET in una cellula RRAM. Ogni modulu CD in u mudellu c Jeffress pò esse implementatu cù N elementi CD paralleli per una flessibilità più grande in quantu à i fallimenti di u sistema. d Più iterazioni di calibrazione di RRAM aumentanu a vera tarifa positiva (linea blu), mentre chì a tarifa falsa positiva hè indipendente da u numeru di iterazioni (linea verde). Pone più elementi CD in parallelu evita a falsa rilevazione di partite di moduli CD.
Evaluemu avà u rendiment è u cunsumu di energia di u sistema di localizazione di l'ughjettu integratu end-to-end mostratu in Figura 2 utilizendu misurazioni di e proprietà acustiche di u sensore pMUT, CD, è circuiti di linea di ritardo chì custituiscenu u graficu di computazione neuromorfica. mudellu Jeffress (Fig. 1a). In quantu à u graficu di l'informatica neuromorfica, u più grande u numeru di moduli CD, u megliu a risuluzione angulare, ma ancu più l'energia di u sistema (Fig. 7a). Un cumprumissu pò esse ghjuntu paragunendu l'accuratezza di i cumpunenti individuali (sensori pMUT, neuroni è circuiti sinaptici) cù l'accuratezza di tuttu u sistema. A risuluzione di a linea di ritardu hè limitata da i custanti di u tempu di i sinapsi simulati è i neuroni, chì in u nostru schema superanu 10 µs, chì currisponde à una risuluzione angulare di 4 ° (vede Metodi). Nodi più avanzati cù a tecnulugia CMOS permetteranu u disignu di circuiti neurali è sinaptici cù custanti di tempu più bassi, risultatu in una precisione più alta di l'elementi di linea di ritardu. In ogni casu, in u nostru sistema, a precisione hè limitata da l'errore pMUT in l'estimazione di a pusizione angulare, vale à dì 10 ° (linea horizontale blu in Fig. 7a). Fixemu u nùmeru di moduli CD à 40, chì currisponde à una risuluzione angulare di circa 4 °, vale à dì, a precisione angulare di u graficu computazionale (linea horizontale blu chjaru in Fig. 7a). À u livellu di u sistema, questu dà una risoluzione di 4 ° è una precisione di 10 ° per l'uggetti situati 50 cm davanti à u sistema di sensori. Stu valore hè paragunabile à i sistemi di localizazione di u sonu neuromorficu riportati in rif. 67. Un paragone di u sistema prupostu cù u statu di l'arti pò esse truvatu in a Tabella Supplementaria 1. Adding pMUT supplementari, aumentendu u nivellu di signale acusticu, è riducendu u rumore elettronicu sò pussibuli modi per migliurà a precisione di localizazione. ) hè stimatu à 9,7. nz. 55. Data 40 unità CD nantu à u graficu computational, a simulazione SPICE hà stimatu l'energia per operazione (vale à dì, l'energia di posizionamentu di l'ughjettu) per esse 21,6 nJ. U sistema neuromorficu hè attivatu solu quandu un avvenimentu di input ghjunghje, vale à dì quandu una onda acustica ghjunghje à qualsiasi receptore pMUT è supera u sogliu di rilevazione, altrimenti ferma inattivu. Questu evita u cunsumu di energia innecessariu quandu ùn ci hè micca signale di input. In cunsiderà una frequenza di l'operazioni di localizazione di 100 Hz è un periodu di attivazione di 300 µs per operazione (l'ITD massimu pussibule), u cunsumu d'energia di u graficu di l'informatica neuromorfica hè 61,7 nW. Cù u pre-processamentu neuromorficu applicatu à ogni receptore pMUT, u cunsumu di energia di tuttu u sistema righjunghji 81,6 nW. Per capisce l'efficienza energetica di l'approcciu neuromorficu prupostu cumparatu cù l'hardware convenzionale, avemu paragunatu stu numeru à l'energia necessaria per fà u listessu compitu nantu à un microcontrollore mudernu di bassa putenza utilizendu un beamforming neuromorficu o cunvinziunali68 Skill. L'approcciu neuromorficu cunsidereghja un stadiu di cunvertitore analogicu à digitale (ADC), seguitu da un filtru passa-banda è un stadiu di estrazione di busta (metudu Teeger-Kaiser). Infine, una operazione di soglia hè realizata per estrattà u ToF. Avemu omessu u calculu di ITD basatu nantu à ToF è a cunversione à a pusizione angulare stimata postu chì questu accade una volta per ogni misurazione (vede Methode). Assumindu una freccia di campionamentu di 250 kHz nantu à i dui canali (ricevitori pMUT), 18 operazioni di filtru passa di banda, 3 operazioni di estrazione di busta, è 1 operazione di soglia per campione, u cunsumu tutale di energia hè stimatu à 245 microwatts. Questu usa u modu di bassa putenza di u microcontroller69, chì si accende quandu l'algoritmi ùn sò micca eseguiti, chì riduce u cunsumu di energia à 10,8 µW. U cunsumu di energia di a suluzione di trasfurmazioni di signali di beamforming pruposta in a riferenza. 31, cù 5 ricevitori pMUT è 11 fasci distribuiti uniformemente in u pianu azimuth [-50 °, +50 °], hè 11,71 mW (vede a sezione Methods per i dettagli). Inoltre, rappurtamu u cunsumu d'energia di un Codificatore di Differenza di Tempo (TDE) basatu in FPGA47 stimatu à 1.5 mW cum'è sustitutu per u mudellu Jeffress per a localizazione di l'ughjettu. Basatu annantu à queste stime, l'approcciu neuromorficu prupostu riduce u cunsumu di energia di cinque ordini di grandezza paragunatu à un microcontrollore chì utilizeghja tecniche classiche di beamforming per operazioni di localizazione di l'ughjettu. Aduttà un approcciu neuromorficu à u processu di signale nantu à un microcontroller classicu riduce u cunsumu di energia di circa dui ordini di grandezza. L'efficacezza di u sistema prupostu pò esse spiegatu da a cumminazione di un circuitu analogicu asincronu di memoria resistiva capace di fà calculi in memoria è a mancanza di cunversione analogica à digitale necessaria per percive i signali.
a Risoluzione angulare (blu) è u cunsumu di energia (verde) di l'operazione di localizazione secondu u numeru di moduli CD. A barra horizontale blu scuru rapprisenta l'accuratezza angulare di u PMUT è a barra horizontale blu chjaru rapprisenta l'accuratezza angulare di u graficu computazionale neuromorficu. b Cunsumu d'energia di u sistema prupostu è paraguni cù e duie implementazioni di microcontroller discussate è implementazione digitale di l'Encoder Time Difference (TDE) 47 FPGA.
Per minimizzà u cunsumu d'energia di u sistema di localizazione di destinazione, avemu cuncipitu, cuncepitu è ​​implementatu un circuitu neuromorficu RRAM efficace, guidatu da eventi chì processa l'infurmazioni di signale generate da i sensori integrati per calculà a pusizione di l'ughjettu di destinazione in realità. tempu. . Mentre i metudi di trasfurmazioni tradiziunali mostranu continuamente i segnali rilevati è realizanu calculi per estrae infurmazioni utili, a soluzione neuromorfica pruposta esegue calculi in modu asincronu cum'è l'informazione utile arriva, maximizendu l'efficienza di u putere di u sistema da cinque ordini di grandezza. Inoltre, mettemu in risaltu a flessibilità di i circuiti neuromorfichi basati in RRAM. L'abilità di RRAM di cambià a conduttanza in una manera non volatile (plasticità) compensa a variabilità inerente di i circuiti sinaptici è neurali di DPI analogici ultra-bassi. Questu rende stu circuitu basatu in RRAM versatile è putente. U nostru scopu ùn hè micca di caccià funzioni cumplessi o mudelli da i signali, ma di localizà l'uggetti in tempu reale. U nostru sistema pò ancu cumpressà in modu efficiente u signale è eventualmente invià à più passi di trasfurmazioni per piglià decisioni più cumplesse quandu hè necessariu. In u cuntestu di l'applicazioni di localizazione, u nostru passu di preprocessamentu neuromorficu pò furnisce infurmazioni nantu à a situazione di l'uggetti. Questa informazione pò esse aduprata, per esempiu, per a rilevazione di muvimentu o ricunniscenza di gestu. Enfatizemu l'impurtanza di cumminà sensori di putenza ultra bassa cum'è pMUTs cù elettronica ultra low power. Per questu, l'avvicinamenti neuromorfichi sò stati chjave perchè ci anu purtatu à sviluppà novi implementazioni di circuiti di metudi di computazione d'inspirazione biologica cum'è u mudellu Jeffress. In u cuntestu di l'applicazioni di fusione di sensori, u nostru sistema pò esse cumminatu cù parechji sensori diversi basati nantu à l'avvenimenti per ottene infurmazione più precisa. Ancu i civette sò eccellenti per truvà a preda in u bughju, anu una vista eccellente è facenu una ricerca auditiva è visuale cumminata prima di catturà a preda70. Quandu una neurona auditiva particulari spara, u civettu riceve l'infurmazioni chì deve esse determinate in quale direzzione principià a so ricerca visuale, focalizendu cusì a so attenzione nantu à una piccula parte di a scena visuale. Una cumminazione di sensori visuali (camera DVS) è un sensoru d'ascolta prupostu (basatu nantu à pMUT) deve esse esploratu per u sviluppu di futuri agenti autonomi.
U sensoru pMUT hè situatu nantu à una PCB cù dui ricevitori à circa 10 cm di distanza, è u trasmettitore hè situatu trà i ricevitori. In questu travagliu, ogni membrana hè una struttura bimorfa sospesa composta da dui strati di nitruru d'aluminiu piezoelettricu (AlN) 800 nm di grossu sandwich trà trè strati di molibdenu (Mo) 200 nm di spessore è rivestiti cù una strata di 200 nm di spessore. a capa superiore di SiN passivating cum'è descritta in a riferenza. 71. L'elettrodi di l'internu è di l'esterno sò appiicati à u fondu è a cima di molibdenu, mentre chì l'elettrodu di molibdenu mediu ùn hè micca modelatu è utilizatu com'è terra, risultatu in una membrana cù quattru parigli d'elettrodi.
Questa architettura permette l'usu di una deformazione di a membrana cumuna, risultatu in una sensibilità di trasmissione è riceve megliu. Un tali pMUT presenta tipicamente una sensibilità di eccitazione di 700 nm / V cum'è emettitore, chì furnisce una pressione di a superficia di 270 Pa / V. Cum'è un receptore, un film pMUT mostra una sensibilità di cortu circuitu di 15 nA / Pa, chì hè direttamente ligata à u coefficient piezoelectric di AlN. A variabilità tecnica di a tensione in a capa AlN porta à un cambiamentu di a freccia di resonante, chì pò esse compensatu da l'applicà un bias DC à u pMUT. A sensibilità DC hè stata misurata à 0,5 kHz / V. Per a carattarizazione acustica, un microfonu hè utilizatu davanti à u pMUT.
Per misurà u pulsu di l'eco, avemu postu una piastra rettangulare cù una zona di circa 50 cm2 davanti à u pMUT per riflette l'onda sonora emessa. Sia a distanza trà i piatti è l'angolo relative à u pianu pMUT sò cuntrullati cù supporti speciali. Una fonte di tensione Tectronix CPX400DP biases trè membrane pMUT, sintonizzandu a frequenza di risonanza à 111.9 kHz31, mentre chì i trasmettitori sò guidati da un generatore di impulsi Tectronix AFG 3102 sintonizatu à a frequenza di risonanza (111.9 kHz) è un duty cycle di 0. I currenti letti da i quattru porti di output di ogni ricevitore pMUT sò cunvertiti in tensioni utilizendu una architettura di corrente è tensione differenziale speciale, è i signali risultanti sò digitalizzati da u sistema di acquisizione di dati Spektrum. U limitu di deteczione era carattarizatu da l'acquistu di u signale pMUT in diverse cundizioni: avemu spustatu u riflettore à diverse distanze [30, 40, 50, 60, 80, 100] cm è cambiatu l'angolo di supportu pMUT ([0, 20, 40] o ) A figura 2b mostra a risoluzione di deteczione di l'ITD tempurale secondu a pusizione angulare currispundente in gradi.
Questu articulu usa dui circuiti RRAM off-the-shelf diffirenti. U primu hè un array di 16 384 (16 000) dispositi (dispositivi 128 × 128) in una cunfigurazione 1T1R cù un transistor è una resistenza. U sicondu chip hè a piattaforma neuromorfica mostrata in Fig. 4a. A cellula RRAM hè custituita da un film HfO2 di 5 nm di spessore incrustatu in una pila TiN/HfO2/Ti/TiN. A pila RRAM hè integrata in u back-of-line (BEOL) di u prucessu CMOS standard 130nm. I circuiti neuromorfichi basati in RRAM presentanu una sfida di cuncepimentu per i sistemi elettronici analoghi in quale i dispositi RRAM coexistanu cù a tecnulugia CMOS tradiziunale. In particulare, u statu di cunduzzione di u dispusitivu RRAM deve esse lettu è utilizatu cum'è una variabile di funzione per u sistema. Per questu scopu, hè statu cuncepitu, fabricatu è pruvatu un circuitu chì leghje u currente da u dispusitivu quandu un impulsu di input hè ricevutu è usa stu currente per ponderà a risposta di una sinapsi di integratore di coppia differenziale (DPI). Stu circuitu hè mostratu in Figura 3a, chì rapprisenta i blocchi basi di a piattaforma neuromorfica in Figura 4a. Un impulsu di input attiva a porta di u dispusitivu 1T1R, inducendu un currente attraversu RRAM proporzionale à a conduttanza di u dispusitivu G (Iweight = G(Vtop – Vx)). L'inversione di l'inversione di u circuitu di l'amplificatore operativu (op-amp) hà una tensione di bias DC constant Vtop. U feedback negativu di l'op-amp furnisce Vx = Vtop fornendu uguale corrente da M1. L'attuali Iweight recuperatu da u dispusitivu hè injected in a sinapsi DPI. Una corrente più forte risulterà in più depolarizazione, cusì a conduttanza RRAM implementa in modu efficace i pesi sinaptici. Stu currente sinapticu esponenziale hè injected through the membrane capacitor of the Leaky Integration and Excitation neurons (LIF), induve hè integratu cum'è voltage. Se a tensione di u sogliu di a membrana (a tensione di commutazione di l'inverter) hè superata, a parte di output di a neurona hè attivata, chì produce un spike di output. Stu impulsu torna è shunta u condensatore di a membrana di u neurone à a terra, pruvucannu a scaricamentu. Stu circuitu hè supplementatu cù un espansore di impulsu (micca indicatu in Fig. 3a), chì forma l'impulsu di output di a neurona LIF à a larghezza di u pulsu di destinazione. Multiplexers sò ancu integrati in ogni linea, chì permettenu a tensione per esse appiicata à l'elettrodi superiori è inferiori di u dispusitivu RRAM.
A prova elettrica include l'analisi è a registrazione di u cumpurtamentu dinamicu di i circuiti analogichi, è ancu a prugrammazione è a lettura di i dispositi RRAM. I dui passi necessitanu strumenti speciali, chì sò tutti cunnessi à u sensore à u stessu tempu. L'accessu à i dispositi RRAM in i circuiti neuromorfichi hè realizatu da strumenti esterni attraversu un multiplexer (MUX). U MUX separa a cellula 1T1R da u restu di i circuiti à quale appartene, permettendu chì u dispusitivu sia leghje è / o programatu. Per programà è leghje i dispositi RRAM, una macchina Keithley 4200 SCS hè aduprata in cungiunzione cù un microcontroller Arduino: u primu per a generazione di impulsi precisa è a lettura attuale, è u sicondu per un accessu rapidu à l'elementi individuali 1T1R in a memoria di memoria. A prima operazione hè di furmà u dispusitivu RRAM. I celluli sò scelti unu per unu è una tensione pusitiva hè appiicata trà l'elettrodi superiore è sottu. In questu casu, u currente hè limitatu à l'ordine di decine di microamperes per via di l'offerta di a tensione di porta currispondente à u transistor selettore. A cellula RRAM pò allora ciclu trà un statu cunduttivu bassu (LCS) è un statu conduttivu altu (HCS) utilizendu operazioni RESET è SET, rispettivamente. L'operazione SET hè realizata appliendu un impulsu di tensione rettangulare cù una durata di 1 μs è una tensione di punta di 2,0-2,5 V à l'elettrodu superiore, è un impulsu di sincronia di una forma simili cù una tensione di punta di 0,9-1,3 V à a porta di u transistor selettore. Questi valori permettenu di modulà a conduttanza RRAM à intervalli di 20-150 µs. Per RESET, un impulsu di punta di 1 µs di larghezza, 3 V hè appiicatu à l'elettrodu di fondu (linea di bit) di a cellula quandu a tensione di a porta hè in a gamma di 2.5-3.0 V. L'inputs è l'output di i circuiti analogichi sò signali dinamichi. . Per input, avemu intercalatu dui generatori di impulsi HP 8110 cù generatori di signali Tektronix AFG3011. L'impulsu di input hà una larghezza di 1 µs è un front di salita/discesa di 50 ns. Stu tipu di impulsu hè presumitu esse un glitch tipicu in i circuiti basati in glitch analogici. In quantu à u signale di output, u signale di output hè statu registratu cù un oscilloscope Teledyne LeCroy 1 GHz. A velocità di acquisizione di un oscilloscopiu hè statu pruvata chì ùn hè micca un fattore limitante in l'analisi è l'acquistu di dati di circuitu.
Utilizà a dinamica di l'elettronica analogica per simulà u cumpurtamentu di i neuroni è sinapsi hè una soluzione elegante è efficiente per migliurà l'efficienza computazionale. U svantaghju di sta basa di calculu hè chì varierà da schema à schema. Avemu quantificatu a variabilità di i neuroni è i circuiti sinaptici (Figura supplementaria 2a, b). Di tutte e manifestazioni di a variabilità, quelli assuciati cù custanti di tempu è guadagnu di input anu u più grande impattu à u livellu di u sistema. A constante di u tempu di a neurona LIF è a sinapsi DPI hè determinata da un circuitu RC, induve u valore di R hè cuntrullatu da una tensione bias applicata à a porta di u transistor (Vlk per a neurona è Vtau per a sinapsi), determinendu u tassu di fuga. U guadagnu di l'input hè definitu cum'è a tensione di punta righjunta da i condensatori di a membrana sinaptica è neuronale stimulati da un impulsu di input. U guadagnu di input hè cuntrullatu da un altru transistor bias chì modula u currente di input. Una simulazione di Monte Carlo calibrata nantu à u prucessu di 130nm di ST Microelectronics hè stata realizata per raccoglie alcune statistiche di guadagnu di input è constanti di tempu. I risultati sò presentati in a Figura Supplementaria 2, induve u guadagnu di input è a constante di tempu sò quantificati in funzione di a tensione di bias chì cuntrolla a rata di fuga. I marcatori verdi quantificanu a deviazione standard di a constante di tempu da a media. Tramindui i neuroni è i circuiti sinaptici sò stati capaci di spressione una larga gamma di custanti di u tempu in a gamma di 10-5-10-2 s, cum'è mostra in u schema Supplementary Fig. L'amplificazione di l'input (Figura Supplementaria 2e, d) di a variabilità neuronale è sinapsi era circa 8% è 3%, rispettivamente. Una tale carenza hè ben documentata in a literatura: diverse misurazioni sò state eseguite nantu à l'array di chips DYNAP per valutà a discrepanza trà pupulazioni di neuroni LIF63. I sinapsi in u chip di signale mistu BrainScale sò stati misurati è e so inconsistenze analizate, è hè stata pruposta una prucedura di calibrazione per riduce l'effettu di a variabilità di u sistema64.
A funzione di RRAM in i circuiti neuromorfi hè duppiu: definizione di l'architettura (ruting inputs to outputs) è implementazione di pesi sinaptici. L'ultima pruprietà pò esse usata per risolve u prublema di a variabilità di i circuiti neuromorfi mudeli. Avemu sviluppatu una prucedura di calibrazione simplice chì implica a riprogrammazione di u dispositivu RRAM finu à chì u circuitu chì hè analizatu risponde à certi requisiti. Per un input determinatu, l'output hè monitoratu è a RRAM hè riprogrammata finu à chì u cumpurtamentu di destinazione hè ottenutu. Un tempu d'attesa di 5 s hè statu introduttu trà l'operazioni di prugrammazione per risolve u prublema di rilassazione RRAM chì risulta in fluttuazioni transitori di conductance (Informazioni supplementari). I pesi sinaptici sò adattati o calibrati secondu e esigenze di u circuitu neuromorficu chì hè modellatu. A prucedura di calibrazione hè riassunta in algoritmi supplementari [1, 2] chì fucalizza nantu à duie caratteristiche fundamentali di e plataforme neuromorfiche, linee di ritardu è CD insensibile à a direzzione. Per un circuitu cù una linea di ritardu, u cumpurtamentu di destinazione hè di furnisce un impulsu di output cun un ritardu Δt. Se u ritardu di u circuitu attuale hè menu di u valore di destinazione, u pesu sinapticu di G3 deve esse ridutta (G3 deve esse resettatu è dopu stabilitu à una corrente Icc più bassa). À u cuntrariu, se u ritardu attuale hè più grande di u valore di destinazione, a conduttanza di G3 deve esse aumentata (G3 deve esse prima resettatu è dopu stabilitu à un valore Icc più altu). Stu prucessu hè ripetutu finu à chì u ritardu generatu da u circuitu currisponde à u valore di destinazione è una tolleranza hè stabilita per piantà u prucessu di calibrazione. Per i CD insensibili à l'orientazione, dui dispositi RRAM, G1 è G3, sò implicati in u prucessu di calibrazione. Stu circuitu hà dui inputs, Vin0 è Vin1, ritardati da dt. U circuitu deve risponde solu à i ritardi sottu à l'intervallu currispondente [0,dtCD]. Se ùn ci hè micca un piccu di output, ma u piccu di input hè vicinu, i dui dispositi RRAM anu da esse stimulati per aiutà a neurona à ghjunghje à u sogliu. À u cuntrariu, se u circuitu risponde à un ritardu chì supera a gamma di destinazione di dtCD, a conductance deve esse ridutta. Repetite u prucessu finu à ottene u cumpurtamentu currettu. U currente di conformità pò esse modulatu da u circuitu analogicu integratu in ref. 72,73. Cù stu circuitu integratu, tali prucedure ponu esse realizate periodicamente per calibre u sistema o riutilizà per un'altra applicazione.
Evaluemu u cunsumu di energia di u nostru approcciu di trasfurmazioni di signali neuromorfi nantu à un microcontroller standard 32-bit68. In questa valutazione, assumemu l'operazione cù a listessa configurazione cum'è in questu documentu, cù un trasmettitore pMUT è dui ricevitori pMUT. Stu metudu usa un filtru di bandpass, seguitu da un passu d'estrazione di l'envelope (Teeger-Kaiser), è infine una operazione di soglia hè appiicata à u signale per estrae u tempu di volu. U calculu di l'ITD è a so cunversione in anguli di rilevazione sò omessi in a valutazione. Cunsideremu una implementazione di filtru passa banda utilizendu un filtru di risposta di impulsu infinitu di 4th ordine chì richiede 18 operazioni in virgola flottante. L'estrazione di l'envelope usa trè operazioni in virgule flottante, è l'ultima operazione hè aduprata per stabilisce u sogliu. Un totale di 22 operazioni in virgule flottante sò richieste per preprocessà u signale. U signale trasmessu hè una breve burst di 111,9 kHz forma d'onda sinusoidale generata ogni 10 ms chì risulta in una frequenza operativa di posizionamentu di 100 Hz. Avemu usatu una freccia di campionamentu di 250 kHz per rispettà Nyquist è una finestra di 6 ms per ogni misurazione per catturà una gamma di 1 metru. Nota chì 6 millisecondi hè u tempu di volu di un ughjettu chì hè à 1 metru di distanza. Questu furnisce un cunsumu d'energia di 180 µW per a cunversione A/D à 0,5 MSPS. A preprocessazione di u signale hè 6.60 MIPS (istruzzioni per seconda), generendu 0.75 mW. Tuttavia, u microcontroller pò passà à un modu di bassa putenza 69 quandu l'algoritmu ùn hè micca in esecuzione. Stu modu furnisce un cunsumu di energia statica di 10,8 μW è un tempu di sveglia di 113 μs. Data una frequenza di clock di 84 MHz, u microcontroller cumpleta tutte l'operazioni di l'algoritmu neuromorficu in 10 ms, è l'algoritmu calcula un ciculu duty di 6.3%, cusì utilizendu un modu di bassa putenza. A dissipazione di putenza risultante hè 244,7 μW. Innota chì omettemu l'output ITD da ToF è a cunversione à l'angolo di rilevazione, sottvalutendu cusì u cunsumu di energia di u microcontroller. Questu furnisce un valore supplementu per l'efficienza energetica di u sistema prupostu. Cum'è una cundizione supplementaria di paraguni, valutemu u cunsumu di energia di i metudi classici di beamforming pruposti in a riferenza. 31.54 quandu sò incrustati in u stessu microcontroller68 à una tensione di furnimentu di 1.8V. Cinque membrane pMUT uniformemente spaziate sò aduprate per acquistà dati per beamforming. In quantu à u prucessu stessu, u metudu di beamforming utilizatu hè a somma di ritardu. Si tratta semplicemente di applicà un ritardu à e corsie chì currisponde à a diffarenza prevista di i tempi d'arrivu trà una corsia è a via di riferimentu. Sì i signali sò in fase, a summa di sti signali avarà una energia alta dopu un cambiamentu di tempu. S'elli sò fora di fase, l'interferenza distruttiva limitarà l'energia di a so summa. in una relazione. Nantu à fig. 31, una freccia di campionamentu di 2 MHz hè selezziunata per cambià u tempu di e dati da un numeru interu di campioni. Un approcciu più modestu hè di mantene una freccia di campionamentu più grossa di 250 kHz è aduprà un filtru di Risposta di Impulsione Finita (FIR) per sintetizà ritardi frazionari. Assumimu chì a cumplessità di l'algoritmu di beamforming hè principalmente determinata da u cambiamentu di u tempu, postu chì ogni canale hè cunvolutu cù un filtru FIR cù 16 taps in ogni direzzione. Per calculà u numeru di MIPS necessariu per questa operazione, cunsideremu una finestra di 6ms per misurazione per catturà un intervallu di 1 metru, 5 canali, 11 direzzione di beamforming (range +/- 50 ° in 10 ° passi). 75 misurazioni per seconda spinta u microcontroller à u so massimu di 100 MIPS. Link. 68, risultatu in una dissipazione di putenza di 11.26 mW per una dissipazione di putenza tutale di 11.71 mW dopu aghjunghje a cuntribuzione ADC à bordu.
I dati chì sustenenu i risultati di stu studiu sò dispunibuli da l'autore rispettivu, FM, nantu à una dumanda ragionevule.
Indiveri, G. & Sandamirskaya, Y. L'impurtanza di u spaziu è u tempu per u processu di signale in l'agenti neuromorfichi: u sfida di sviluppà agenti autonomi di bassa putenza chì interagiscenu cù l'ambiente. Indiveri, G. & Sandamirskaya, Y. L'impurtanza di u spaziu è u tempu per u processu di signale in l'agenti neuromorfichi: u sfida di sviluppà agenti autonomi di bassa putenza chì interagiscenu cù l'ambiente.Indiveri G. è Sandamirskaya Y. L'impurtanza di u spaziu è u tempu per u processu di signale in l'agenti neuromorfichi: a sfida di sviluppà agenti autonomi di bassa putenza chì interagiscenu cù l'ambiente. Indiveri, G. & Sandamirskaya, Y.主代理的挑战。 Indiveri, G. & Sandamirskaya, Y.Indiveri G. è Sandamirskaya Y. L'impurtanza di u spaziu è u tempu per u processu di signale in l'agenti neuromorfichi: a sfida di sviluppà agenti autonomi di bassa putenza chì interagiscenu cù l'ambiente.Trattamentu di u signale IEEE. Journal 36, 16-28 (2019).
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