Naidheachdan

Feumaidh tagraidhean giollachd dàta san t-saoghal siostaman coimpiutaireachd teann, ìosal, cumhachd ìosal. Le comasan coimpiutaireachd air a stiùireadh le tachartas, tha ailtireachd memristive neuromorphic hybrid meatailt-oxide-semiconductor a’ toirt seachad bunait bathar-cruaidh air leth freagarrach airson gnìomhan mar sin. Gus làn chomas nan siostaman sin a nochdadh, tha sinn a’ moladh agus gu deuchainneach a’ taisbeanadh fuasgladh giullachd mothachaidh coileanta airson tagraidhean sgìreachadh nithean san t-saoghal fhìor. A’ tarraing brosnachadh bho neuroanatomy comhachag sabhal, tha sinn air siostam ionadailachadh nithean bioinspired, stèidhichte air tachartas, a leasachadh a tha a’ cothlamadh transducer transducer micromechanical piezoelectric ùr-nodha le cuimhne resistive neuromorphic stèidhichte air graf. Bidh sinn a’ sealltainn tomhais de shiostam dèanta a tha a’ toirt a-steach lorgaire co-thuiteamas resistive stèidhichte air cuimhne, cuairteachadh loidhne dàil, agus transducer ultrasonic làn-ghnàthaichte. Bidh sinn a’ cleachdadh nan toraidhean deuchainneach sin gus samhlaidhean a chalpachadh aig ìre an t-siostaim. Bithear an uairsin a’ cleachdadh na samhlaidhean sin gus measadh a dhèanamh air rùn ceàrnach agus èifeachdas lùtha modal sgìreachadh nithean. Tha na toraidhean a’ sealltainn gum faod an dòigh-obrach againn a bhith grunn òrdughan meudachd nas lùth-èifeachdaiche na microcontrollers a’ coileanadh an aon ghnìomh.
Tha sinn a’ dol a-steach do àm coimpiutaireachd uile-làthaireach far a bheil an àireamh de dh’ innealan is shiostaman a thathas a’ cleachdadh a’ fàs gu mòr gus ar cuideachadh nar beatha làitheil. Thathas an dùil gun ruith na siostaman sin gu leantainneach, a’ caitheamh cho beag de chumhachd ’s a ghabhas fhad ‘s a tha iad ag ionnsachadh an dàta a chruinnicheas iad bho ioma-mhothadairean ann an àm fìor a mhìneachadh agus toradh binary a thoirt gu buil mar thoradh air gnìomhan seòrsachaidh no aithneachaidh. Is e aon de na ceumannan as cudromaiche a tha riatanach gus an amas seo a choileanadh a bhith a’ toirt a-mach fiosrachadh feumail agus teann bho dhàta mothachaidh fuaimneach agus gu tric neo-choileanta. Mar as trice bidh dòighean innleadaireachd gnàthach a’ samplachadh comharran mothachaidh aig ìre sheasmhach agus àrd, a’ gineadh tòrr dàta eadhon às aonais cuir a-steach feumail. A bharrachd air an sin, bidh na dòighean sin a’ cleachdadh dòighean giullachd chomharran didseatach iom-fhillte gus dàta cuir a-steach (gu tric fuaimneach) a ro-phròiseasadh. An àite sin, tha bith-eòlas a’ tabhann fuasglaidhean eile airson a bhith a’ giullachd dàta mothachaidh fuaimneach a’ cleachdadh dòighean-obrach lùth-èifeachdach, asyncronach, air a stiùireadh le tachartas (spikes)2,3. Bidh coimpiutaireachd neuromorphic a’ toirt brosnachadh bho shiostaman bith-eòlasach gus cosgaisean coimpiutaireachd a lughdachadh a thaobh riatanasan lùtha is cuimhne an coimeas ri modhan giullachd chomharran traidiseanta4,5,6. O chionn ghoirid, chaidh siostaman ùr-ghnàthach ùr-ghnàthach stèidhichte air eanchainn a chuir an gnìomh lìonraidhean neural impulse (TrueNorth7, BrainScaleS8, DYNAP-SE9, Loihi10, Spinnaker11) a nochdadh. Bidh na pròiseasairean sin a’ toirt seachad fuasglaidhean cumhachd ìosal, latency ìosal airson ionnsachadh innealan agus modaladh cuairteachaidh cortical. Gus làn fheum a dhèanamh den èifeachdas lùtha aca, feumaidh na pròiseasairean neuromorphic sin a bhith ceangailte gu dìreach ri mothachairean air an stiùireadh le tachartas12,13. Ach, an-diugh chan eil ann ach beagan innealan suathaidh a bheir seachad dàta stèidhichte air tachartas gu dìreach. Tha eisimpleirean follaiseach mar luchd-mothachaidh lèirsinneach fiùghantach (DVS) airson tagraidhean lèirsinn leithid tracadh agus lorg gluasad14,15,16,17 an cochlea18 silicon agus mothachairean claisneachd neuromorphic (NAS)19 airson giollachd comharran claisneachd, mothachairean olfactory20 agus grunn eisimpleirean21,22 de suathadh. . mothachairean inneach.
Anns a’ phàipear seo, tha sinn a’ taisbeanadh siostam giullachd claisneachd a tha air a stiùireadh le tachartas a tha air a chuir an sàs ann an sgìreachadh nithean. An seo, airson a’ chiad uair, tha sinn a’ toirt cunntas air siostam deireadh-gu-deireadh airson sgìreachadh stuthan a gheibhear le bhith a’ ceangal transducer ultrasonic piezoelectric micromachined (pMUT) ùr-nodha le graf coimpiutaireachd stèidhichte air cuimhne resistive neuromorphic (RRAM). Tha ailtireachd coimpiutaireachd cuimhneachaidh a’ cleachdadh RRAM na fhuasgladh gealltanach airson caitheamh cumhachd a lughdachadh23,24,25,26,27,28,29. Tha an neo-luaineachd gnèitheach aca - gun a bhith feumach air caitheamh cumhachd gnìomhach airson fiosrachadh a stòradh no ùrachadh - gu math iomchaidh airson nàdar asyncronach, air a stiùireadh le tachartas ann an coimpiutaireachd neuromorphic, a’ leantainn gu caitheamh cumhachd cha mhòr nuair a tha an siostam leisg. Tha transducers ultrasonic piezoelectric micromachined (pMUTs) nan transducers ultrasonic mion-reic stèidhichte air silicon a tha comasach air a bhith nan luchd-sgaoilidh agus luchd-glacaidh30,31,32,33,34. Gus na comharran a fhuair na mothachairean togte a phròiseasadh, tharraing sinn brosnachadh bho neuroanatomy comhachag-seilg35,36,37. Tha a’ chomhachag-sheillein Tyto alba ainmeil airson a chomasan seilge iongantach air an oidhche le taing do shiostam ionadail èisteachd fìor èifeachdach. Gus suidheachadh creiche obrachadh a-mach, bidh siostam ionadail na comhachag-beithe a’ còdachadh àm an itealaich (ToF) nuair a ruigeas tonnan fuaim creiche gach cluasan no gabhadairean fuaim na comhachag. Leis an astar eadar na cluasan, tha an eadar-dhealachadh eadar an dà thomhas ToF (eadar-dhealachadh ùine eadar-ama, ITD) ga dhèanamh comasach obrachadh a-mach gu anailiseach suidheachadh azimuth an targaid. Ged nach eil siostaman bith-eòlais gu math freagarrach airson fuasgladh fhaighinn air co-aontaran ailseabra, faodaidh iad fuasgladh fhaighinn air duilgheadasan sgìreachd gu fìor èifeachdach. Bidh siostam nearbhach comhachag an t-sabhail a’ cleachdadh seata de lorgaire co-thuiteamas (CD) 35 neurons (ie, neurons a tha comasach air co-dhàimhean ùineail a lorg eadar spìcean a bhios a’ gluasad sìos gu crìochnachaidhean convergent excitatory) 38,39 air an eagrachadh ann an grafaichean coimpiutaireachd gus fuasgladh fhaighinn air duilgheadasan suidheachaidh.
Tha rannsachadh roimhe air sealltainn gu bheil bathar-cruaidh meatailt-ocsaid-semiconductor (CMOS) co-phàirteach agus bathar-cruaidh neuromorphic stèidhichte air RRAM air a bhrosnachadh leis an colliculus inferior (“ cortex claisneachd ”) den chomhachag-shneachda na dhòigh èifeachdach airson suidheachadh a thomhas a’ cleachdadh ITD13, 40, 41, 42, 43 , 44, 45, 46. Ach, an comas siostaman neuromorphic iomlan a tha a 'ceangal cuisean èisteachd ri neuromorphic chan eil grafaichean àireamhachd air an taisbeanadh fhathast. Is e am prìomh dhuilgheadas an caochlaidheachd gnèitheach de chuairtean analog CMOS, a bheir buaidh air neo-mhearachdachd lorg maids. O chionn ghoirid, chaidh buileachadh àireamhach eile de na tuairmsean ITD47 a nochdadh. Anns a’ phàipear seo, tha sinn a’ moladh comas RRAM a chleachdadh gus an luach giùlain atharrachadh ann an dòigh neo-luaineach gus cuir an-aghaidh caochlaidheachd ann an cuairtean analog. Chuir sinn an gnìomh siostam deuchainneach air a dhèanamh suas de aon membran tar-chuir pMUT ag obair aig tricead 111.9 kHz, dà membran faighinn pMUT (mothachaidhean) a’ dèanamh atharrais air cluasan comhachag, agus aon . Chomharraich sinn gu deuchainneach an siostam lorg pMUT agus graf coimpiutaireachd ITD stèidhichte air RRAM gus an siostam ionadail againn a dhearbhadh agus gus an rùn ceàrnach aige a mheasadh.
Bidh sinn a’ dèanamh coimeas eadar an dòigh-obrach againn le buileachadh didseatach air microcontroller a’ coileanadh an aon ghnìomh ionadail a’ cleachdadh modhan àbhaisteach beamforming no neuromorphic, a bharrachd air raon geata prògramaichte achadh (FPGA) airson tuairmse ITD a thathar a’ moladh san iomradh. 47. Tha an coimeas seo a' comharrachadh èifeachdas cumhachd farpaiseach an t-siostam analog neuromorphic stèidhichte air RRAM.
Gheibhear aon de na h-eisimpleirean as drùidhtiche de shiostam ionadailachadh stuthan ceart agus èifeachdach ann an comhachag-sabhail35,37,48. Aig beul na h-oidhche agus sa mhadainn, tha a’ chomhachag bhàn (Tyto Alba) gu mòr an urra ri èisteachd fulangach, gu gnìomhach a’ sireadh creach bheag leithid lamhallan no luchagan. Faodaidh na h-eòlaichean èisteachd seo comharran claisneachd bho chreiche a shuidheachadh gu h-ionadail le mionaideachd iongantach (timcheall air 2 °)35, mar a chithear ann am Fig. 1a. Bidh comhachagan-dubha a 'toirt a-steach suidheachadh stòran fuaim anns a' phlèana azimuth (còmhnard) bhon eadar-dhealachadh ann an ùine itealaich a tha a 'tighinn a-steach (ITD) bhon stòr fuaim chun an dà chluais. Chaidh an uidheamachd coimpiutaireachd ITD a mholadh le Jeffress49,50 a tha an urra ri geoimeatraidh neural agus a dh ’fheumas dà phrìomh phàirt: axon, snàithleach neoni neuron ag obair mar loidhne dàil, agus sreath de neurons lorgaire co-thuiteamas air an eagrachadh ann an siostam coimpiutaireachd. graf mar a chithear ann am Figear 1b. Bidh am fuaim a’ ruighinn na cluaise le dàil ùine an urra ri azimuth (ITD). Tha am fuaim an uairsin air a thionndadh gu pàtran spìc anns gach cluais. Bidh axons nan cluasan clì is deas ag obair mar loidhnichean dàil agus a’ tighinn còmhla air neurons CD. Gu teòiridheach, chan fhaigh ach aon neuron ann an sreath de neurons maidsichte a-steach aig àm (far a bheil an dàil a’ cuir dheth gu dìreach) agus a’ losgadh gu mòr (bidh ceallan faisg air làimh cuideachd a’ losgadh, ach aig tricead nas ìsle). Le bhith a’ gnìomhachadh cuid de neurons a’ còdachadh suidheachadh an targaid san fhànais gun a bhith ag atharrachadh an ITD gu ceàrnan tuilleadh. Tha geàrr-chunntas air a’ bhun-bheachd seo ann am Figear 1c: mar eisimpleir, ma tha am fuaim a’ tighinn bhon taobh cheart nuair a bhios an comharra cuir a-steach bhon chluais dheis a’ siubhal slighe nas fhaide na an t-slighe bhon chluais chlì, a’ dèanamh dìoladh airson an àireamh de ITDn, mar eisimpleir, nuair a tha neuron 2 a’ maidseadh. Ann am faclan eile, bidh gach CD a’ freagairt ri ITD sònraichte (ris an canar cuideachd an dàil as fheàrr) air sgàth dàil axonal. Mar sin, bidh an eanchainn ag atharrachadh fiosrachadh ùineail gu fiosrachadh spàsail. Chaidh fianais anatomical airson an uidheamachd seo a lorg37,51. Bidh neurons macronucleus glaiste aig ìre a’ stòradh fiosrachadh ùineail mu fhuaimean a tha a’ tighinn a-steach: mar a tha an t-ainm a’ ciallachadh, bidh iad a’ losgadh aig ìrean comharran sònraichte. Gheibhear neurons lorgaire co-thuiteamas de mhodail Jeffress anns a’ chridhe laminar. Bidh iad a’ faighinn fiosrachadh bho neurons macronuclear, aig a bheil axons ag obair mar loidhnichean dàil. Faodar an ìre de dhàil a bheir an loidhne dàil a mhìneachadh le fad an axon, a bharrachd air pàtran myelination eile a dh’ atharraicheas an luaths giùlain. Air a bhrosnachadh le siostam èisteachd na comhachag-seilg, tha sinn air siostam biomimetic a leasachadh airson stuthan ionadail. Tha an dà chluais air an riochdachadh le dà ghlacadair pMUT. Is e an stòr fuaim an inneal-sgaoilidh pMUT a tha suidhichte eatorra (Fig. 1a), agus tha an graf coimpiutaireachd air a chruthachadh le cliath de chuairtean CD stèidhichte air RRAM (Fig. 1b, uaine), a’ cluich pàirt neurons CD aig a bheil dàil air cuir a-steach. tron chuairt, tha na loidhnichean dàil (gorm) ag obair mar axons anns a’ bhuidheann bith-eòlasach. Tha an siostam mothachaidh a thathar a’ moladh eadar-dhealaichte ann am tricead obrachaidh bhon chomhachag, aig a bheil siostam sgrùdaidh ag obair anns an raon 1-8 kHz, ach thathas a’ cleachdadh mothachairean pMUT a tha ag obair aig timcheall air 117 kHz san obair seo. Thathas a’ beachdachadh air taghadh transducer ultrasonic a rèir slatan-tomhais teicnigeach agus optimization. An toiseach, le bhith a’ cuingealachadh leud-bann faighinn gu aon tricead tha e na b’ fheàrr a bhith a’ leasachadh cruinneas tomhais agus a’ sìmpleachadh a’ cheum iar-ghiollachd. A bharrachd air an sin, tha buannachd aig obrachadh ann an ultrasound nach eil na buillean sgaoilte ri chluinntinn, mar sin na cuir dragh air daoine, leis gu bheil an raon sgrùdaidh aca ~ 20-20 kHz.
bidh a’ chomhachag-sabhail a’ faighinn tonnan fuaim bho thargaid, sa chùis seo a’ gluasad creach. Tha an ùine itealaich (ToF) den tonn fuaim eadar-dhealaichte airson gach cluais (mura h-eil a’ chreach dìreach air beulaibh a’ chomhachag). Tha an loidhne dhotagach a' sealltainn an t-slighe a ghabhas tonnan fuaim gus cluasan a' chomhachag-sheillein a ruighinn. Faodar creach a shuidheachadh gu ceart anns a’ phlèana chòmhnard stèidhichte air an eadar-dhealachadh faid eadar an dà shlighe fuaimneach agus an eadar-dhealachadh ùine eadar-roinneil (ITD) (dealbh clì air a bhrosnachadh le ref. 74, dlighe-sgrìobhaidh 2002, Society for Neuroscience). Anns an t-siostam againn, bidh an inneal-sgaoilidh pMUT (gorm dorcha) a’ gineadh tonnan fuaim a bhreabadh far an targaid. Bidh dà ghlacadair pMUT (uaine aotrom) a ’faighinn tonnan ultrasound meòrachail agus air an giullachd leis a’ phròiseasar neuromorphic (deas). b Modail coimpiutaireachd ITD (Jeffress) a’ toirt cunntas air mar a tha fuaimean a’ dol a-steach do chluasan a’ chomhachag-sheillein air an còdachadh an-toiseach mar spìcean glaiste ìre anns a’ niuclas mhòr (NM) agus an uairsin a’ cleachdadh cliath air a rèiteachadh gu geoimeatrach de neurons lorgaidh co-ionnan anns an niuclas lamellar. Giullachd (An Òlaind) (clì). Dealbh de ghraf coimpiutaireachd neuroITD a ’cothlamadh loidhnichean dàil agus neurons lorgaidh co-thuiteamas, faodar an siostam biosensor comhachag a mhodaladh le bhith a’ cleachdadh chuairtean neuromorphic stèidhichte air RRAM (deas). c Sgeamatach de phrìomh uidheamachd Jeffress, mar thoradh air an eadar-dhealachadh ann an ToF, bidh an dà chluais a’ faighinn brosnachaidhean fuaim aig amannan eadar-dhealaichte agus a ’cur axons bhon dà cheann chun lorgaire. Tha na h-axons mar phàirt de shreath de neurons lorgaire co-thuiteamas (CD), gach fear dhiubh a’ freagairt gu roghnach ri cuir a-steach làidir co-cheangailte ri ùine. Mar thoradh air an sin, chan eil ach CDan aig a bheil an cuir a-steach a’ ruighinn leis an eadar-dhealachadh ùine as lugha air bhioran (tha ITD air a dhìoladh gu dìreach). An uairsin còdaichidh an CD suidheachadh ceàrnach an targaid.
Tha transducers ultrasonic piezoelectric micromechanical nan transducers ultrasonic scalable a ghabhas amalachadh le teicneòlas CMOS adhartach31,32,33,52 agus tha bholtadh tùsail agus caitheamh cumhachd nas ìsle aca na transducers tomhas-lìonaidh traidiseanta53. Anns an obair againn, is e trast-thomhas na membran 880 µm, agus tha an tricead athshondach air a chuairteachadh anns an raon 110–117 kHz (Fig. 2a, faic Dòighean airson mion-fhiosrachadh). Ann am baidse de dheich innealan deuchainn, bha am bàillidh càileachd cuibheasach timcheall air 50 (ref. 31). Tha an teicneòlas air ìre inbheachd gnìomhachais a ruighinn agus chan eil e bioinspired per se. Is e dòigh aithnichte a th’ ann a bhith a’ cothlamadh fiosrachadh bho dhiofar fhilmichean pMUT, agus gheibhear fiosrachadh ceàrn bho pMUTn a’ cleachdadh, mar eisimpleir, dòighean beamforming31,54. Ach, chan eil an giullachd chomharran a dh’ fheumar gus am fiosrachadh ceàrn a thoirt a-mach freagarrach airson tomhas cumhachd ìosal. Tha an siostam a thathar a’ moladh a’ cothlamadh pMUT cuairteachadh ro-ghiollachd dàta neuromorphic le graf coimpiutaireachd neuromorphic stèidhichte air RRAM air a bhrosnachadh le modal Jeffress (Figear 2c), a’ toirt seachad fuasgladh bathar-cruaidh eile a tha èifeachdach a thaobh lùtha agus a tha cuibhrichte le stòras. Rinn sinn deuchainn anns an deach dà inneal-mothachaidh pMUT a chuir timcheall air 10 cm bho chèile gus brath a ghabhail air na diofar fhuaimean ToF a fhuair an dà membran faighinn. Bidh aon pMUT ag obair mar inneal-sgaoilidh na shuidhe eadar an luchd-glacaidh. B 'e an targaid plàta PVC 12 cm a leud, suidhichte aig astar D air beulaibh an inneal pMUT (Fig. 2b). Bidh an cuidhteas a’ clàradh an fhuaim a chithear bhon nì agus ag ath-fhreagairt cho mòr ‘s as urrainn nuair a bhios an tonn fuaim a’ dol seachad. Dèan an deuchainn a-rithist le bhith ag atharrachadh suidheachadh an nì, air a dhearbhadh leis an astar D agus an ceàrn θ. Air a bhrosnachadh le ceangal. 55, tha sinn a’ moladh ro-ghiollachd neuromorphic de chomharran amh pMUT gus tonnan meòrachail a thionndadh gu stùcan gus graf coimpiutaireachd neuromorphic a chuir a-steach. Tha an ToF a tha co-chosmhail ris an leud as àirde air a thoirt a-mach às gach aon den dà sheanail agus air a chòdachadh mar fhìor àm nan stùcan fa leth. Air fige. Tha 2c a’ sealltainn an cuairteachadh a dh’ fheumar gus an sensor pMUT a cheangal ri graf coimpiutaireachd stèidhichte air RRAM: airson gach aon den dà ghlacadair pMUT, tha an comharra amh air a shìoladh pas-còmhlain gus a dhèanamh rèidh, ceartachadh, agus an uairsin air a chuir chun integrator aodion ann am modh faighinn thairis. tha an stairsneach fiùghantach (Fig. 2d) a’ cruthachadh tachartas toraidh (spike) agus losgadh (LIF) neuron: tha an ùine spìc toraidh a’ còdachadh an ùine itealaich a chaidh a lorg. Tha stairsneach LIF air a calibratadh an aghaidh freagairt pMUT, agus mar sin a’ lughdachadh caochlaidheachd pMUT bho inneal gu inneal. Leis an dòigh-obrach seo, an àite a bhith a’ stòradh an tonn fuaim gu lèir mar chuimhneachan agus ga ghiullachd nas fhaide air adhart, bidh sinn dìreach a’ gineadh stùc a tha co-chosmhail ri ToF na tonn fuaim, a tha mar an cuir a-steach don ghraf àireamhachd cuimhne resistive. Tha na spìcean air an cur gu dìreach gu na loidhnichean dàil agus air an co-thaobhadh le modalan lorg maids ann an grafaichean coimpiutaireachd neuromorphic. Leis gu bheil iad air an cur gu geataichean nan transistors, chan eil feum air cuairteachadh leudachaidh a bharrachd (faic Fig. 4 Leasachail airson mion-fhiosrachadh). Gus measadh a dhèanamh air cruinneas ceàrnach sgìreil a thug pMUT seachad agus an dòigh giollachd chomharran a chaidh a mholadh, thomhais sinn an ITD (is e sin, an eadar-dhealachadh ùine eadar prìomh thachartasan a chaidh a chruthachadh le dà ghlacadair) leis gu robh astar agus ceàrn an nì ag atharrachadh. Chaidh an anailis ITD an uairsin atharrachadh gu ceàrnan (faic Dòighean) agus a dhealbhadh mu choinneamh suidheachadh an nì: mheudaich a’ mhì-chinnt san ITD tomhais le astar agus ceàrn ris an nì (Fig. 2e,f). Is e am prìomh dhuilgheadas an co-mheas stùc-gu-fuaim (PNR) ann am freagairt pMUT. Mar as fhaide an nì, is ann as ìsle a bhios an comharra fuaimneach, agus mar sin a’ lughdachadh an PNR (Fig. 2f, loidhne uaine). Tha lùghdachadh ann am PNR a 'leantainn gu àrdachadh ann an mì-chinnt ann an tuairmse ITD, a' leantainn gu àrdachadh ann an cruinneas ionadail (Fig. 2f, loidhne ghorm). Airson nì aig astar 50 cm bhon inneal-sgaoilidh, tha cruinneas ceàrnach an t-siostaim timcheall air 10 °. Faodar an cuingealachadh seo a chuir feartan an sensor a leasachadh. Mar eisimpleir, faodar an cuideam a chuir an neach-sgaoilidh a mheudachadh, agus mar sin àrdachadh air an bholtadh a tha a’ draibheadh ​​​​an membran pMUT. Is e fuasgladh eile airson an comharra tar-chuir àrdachadh a bhith a’ ceangal ioma-chraoladairean 56. Meudaichidh na fuasglaidhean sin an raon lorgaidh aig cosgais barrachd chosgaisean lùtha. Faodar leasachaidhean a bharrachd a dhèanamh air an taobh faighinn. Faodar làr fuaim cuidhteas pMUT a lughdachadh gu mòr le bhith ag adhartachadh a ’cheangail eadar am pMUT agus an amplifier ciad ìre, a tha an-dràsta air a dhèanamh le ceanglaichean uèir agus càballan RJ45.
Ìomhaigh de chriostal pMUT le sia membran 880 µm ceangailte aig pitch 1.5 mm. b Diagram den t-suidheachadh tomhais. Tha an targaid suidhichte aig suidheachadh azimuth θ agus aig astar D. Bidh an inneal-sgaoilidh pMUT a’ gineadh comharra 117.6 kHz a bhios a’ breabadh far an targaid agus a’ ruighinn dà ghlacadair pMUT le diofar ùine-itealaich (ToF). Tha an eadar-dhealachadh seo, air a mhìneachadh mar an eadar-dhealachadh ùine eadar-èisteachd (ITD), a’ còdachadh suidheachadh nì agus faodar a thomhas le bhith a’ toirt tuairmse air an ìre as àirde de fhreagairt an dà neach-mothachaidh glacadair. c Sgeama de cheumannan ro-ghiollachd airson an comharra pMUT amh a thionndadh gu sreathan spìc (ie cuir a-steach don ghraf coimpiutaireachd neuromorphic). Chaidh na mothachairean pMUT agus grafaichean coimpiutaireachd neuromorphic a dhèanamh agus a dhearbhadh, agus tha an ro-ghiollachd neuromorphic stèidhichte air atharrais bathar-bog. d Freagairt an membran pMUT nuair a gheibhear comharra agus a chruth-atharrachadh gu bhith na raon spìc. e Cruinneas ceàrnach sgìreachadh deuchainneach mar ghnìomh aig ceàrn nì (Θ) agus astar (D) chun an nì targaid. Feumaidh an dòigh às-tharraing ITD rùn ceàrnach as ìsle de mu 4 ° C. f Cruinneas ceàrnach (loidhne ghorm) agus co-mheas stùc-gu-fuaim (loidhne uaine) an coimeas ri astar nì airson Θ = 0.
Bidh cuimhne ath-sheasmhach a’ stòradh fiosrachadh ann an staid giùlain neo-luaineach. Is e prionnsapal bunaiteach an dòigh gu bheil atharrachadh an stuth aig ìre atamach ag adhbhrachadh atharrachadh ann an giùlan dealain57. An seo bidh sinn a’ cleachdadh cuimhne resistive stèidhichte air ocsaidean anns a bheil còmhdach 5nm de hafnium dà-ogsaid air a cheangal eadar titanium aig a’ mhullach is a’ bhonn agus electrodan titanium nitride. Faodar giùlan innealan RRAM atharrachadh le bhith a’ cur a-steach cruth tonn sruth / bholtachd a chruthaicheas no a bhriseas filamentan giùlain de bheàrnan ocsaidean eadar na dealanan. Cho-aonaich sinn innealan mar seo58 a-steach do phròiseas àbhaisteach 130 nm CMOS gus cuairt neuromorphic ath-dhealbhaichte dèanta a chruthachadh a’ cur an gnìomh lorgaire co-thuiteamas agus cuairt loidhne dàil (Fig. 3a). Tha nàdar neo-luaineach agus analog an inneil, còmhla ri nàdar a tha air a stiùireadh le tachartas den chuairt neuromorphic, a’ lughdachadh caitheamh cumhachd. Tha gnìomh sa bhad air / dheth aig a’ chuairt: bidh e ag obair sa bhad às deidh a thionndadh air, a ’leigeil leis a’ chumhachd a chuir dheth gu tur nuair a tha an cuairteachadh leisg. Tha prìomh bhlocaichean togail an sgeama a thathar a’ moladh air an sealltainn ann am fige. 3b. Tha e air a dhèanamh suas de structaran aon-transistor aon-aghaidh N co-shìnte (1T1R) a bhios a’ còdachadh cuideaman synaptic às an tèid sruthan cuideam a thoirt, air an stealladh a-steach don synapse cumanta de integrator paidhir eadar-dhealaichte (DPI)59, agus mu dheireadh air an stealladh a-steach don synapse le amalachadh agus aoidionach. neuron gnìomhaichte (LIF) 60 (faic Dòighean airson mion-fhiosrachadh). Thathas a’ cur na h-ionadan a-steach air geata structar 1T1R ann an cruth sreath de bhuillean bholtachd le fad air òrdugh ceudan de nanoseconds. Faodar cuimhne ath-sheasmhach a chuir ann an staid giùlain àrd (HCS) le bhith a’ cur a-steach iomradh dearbhach bhon taobh a-muigh air Vtop nuair a tha Vbottom stèidhichte, agus ath-shuidheachadh gu staid giùlain ìosal (LCS) le bhith a’ cur bholtadh dearbhach an sàs ann an Vbottom nuair a tha Vtop stèidhichte. Faodar smachd a chumail air luach cuibheasach HCS le bhith a’ cuingealachadh sruth prògramadh (gèilleadh) an SET (ICC) le bholtadh stòr geata an transistor sreath (Fig. 3c). Tha gnìomhan RRAM anns a’ chuairt dà-fhillte: bidh iad a’ stiùireadh agus a’ cuideam nam buillean a-steach.
Ìomhaigh sganaidh microsgop dealanach (SEM) de inneal gorm HfO2 1T1R RRAM ceangailte ann an teicneòlas 130 nm CMOS le transistors roghnaiche (650 nm de leud) ann an uaine. b Blocaichean togail bunaiteach den sgeama neuromorphic a thathar a’ moladh. Bidh na buillean bholtachd cuir a-steach (binneanan) Vin0 agus Vin1 ag ithe Iweight gnàthach, a tha co-rèireach ris na stàitean giùlain G0 agus G1 den structar 1T1R. Tha an sruth seo air a thoirt a-steach do na synapses DPI agus a’ togail inntinn nan neurons LIF. Tha RRAM G0 agus G1 air an stàladh ann an HCS agus LCS fa leth. c Gnìomh dùmhlachd giùlain tionalach airson buidheann de dh’ innealan 16K RRAM mar ghnìomh maidsidh sruth ICC, a bhios gu h-èifeachdach a’ cumail smachd air an ìre giùlain. d Tomhais cuairteachaidh ann an (a) a’ sealltainn gu bheil G1 (anns an LCS) gu h-èifeachdach a’ bacadh cuir a-steach bho Vin1 (uaine), agus gu dearbh tha bholtaids membran an toraidh neuron a’ freagairt a-mhàin ris an cuir a-steach gorm bho Vin0. Bidh RRAM gu h-èifeachdach a’ dearbhadh na ceanglaichean sa chuairt. e Tomhais a’ chuairteachaidh ann an (b) a’ sealltainn buaidh an luach giùlain G0 air bholtaids an membran Vmem às deidh a bhith a’ cur a-steach cuisle bholtachd Vin0. Mar as motha de ghiùlan, is ann as làidire am freagairt: mar sin, bidh an inneal RRAM a’ cur an gnìomh cuideam ceangail I / O. Chaidh tomhasan a dhèanamh air a’ chuairt agus tha iad a’ nochdadh gnìomh dùbailte RRAM, slighe agus cuideam buillean cuir a-steach.
An toiseach, leis gu bheil dà stàit giùlain bunaiteach ann (HCS agus LCS), faodaidh RRAM buillean cuir a-steach a bhacadh no a chall nuair a tha iad anns na stàitean LCS no HCS, fa leth. Mar thoradh air an sin, bidh RRAM gu h-èifeachdach a’ dearbhadh na ceanglaichean sa chuairt. Tha seo na bhunait airson a bhith comasach air an ailtireachd ath-dhealbhadh. Gus seo a shealltainn, bheir sinn cunntas air cur an gnìomh cuairteachaidh dèanta den bhloc cuairteachaidh ann am Fig. 3b. Tha an RRAM a tha co-chosmhail ri G0 air a phrògramadh a-steach don HCS, agus tha an dàrna RRAM G1 air a phrògramadh a-steach don LCS. Bithear a’ cur buillean a-steach an dà chuid air Vin0 agus Vin1. Chaidh buaidhean dà shreath de bhuillean cuir a-steach a sgrùdadh anns na neurons toraidh le bhith a’ cruinneachadh bholtadh membran neuron agus an comharra toraidh a ’cleachdadh oscilloscope. Bha an deuchainn soirbheachail nuair nach robh ach an inneal HCS (G0) ceangailte ri cuisle an neuron gus teannachadh membran a bhrosnachadh. Tha seo ri fhaicinn ann am Figear 3d, far a bheil an trèana builleag ghorm ag adhbhrachadh gum bi bholtachd na membran a’ togail suas air capacitor an membran, fhad ‘s a tha an trèana cuisle uaine a’ cumail bholtadh an membran seasmhach.
Is e an dàrna gnìomh cudromach aig RRAM cur an gnìomh cuideaman ceangail. A’ cleachdadh atharrachadh giùlan analog RRAM, faodar cuideam a chuir air ceanglaichean I/O a rèir sin. Anns an dàrna deuchainn, chaidh an inneal G0 a phrògramadh gu diofar ìrean de HCS, agus chaidh a’ chuisle cuir a-steach a chuir a-steach don in-chur VIn0. Bidh an cuisle cuir a-steach a’ tarraing sruth (Iweight) bhon inneal, a tha co-rèireach ris an giùlan agus an drop drop co-fhreagarrach Vtop - Vbot. Tha an sruth cuideamach seo an uairsin air a thoirt a-steach do na synapses DPI agus neurons toraidh LIF. Chaidh bholtadh membran nan neurons toraidh a chlàradh le bhith a’ cleachdadh oscilloscope agus air a thaisbeanadh ann am Fig. 3d. Tha stùc bholtachd an membran neuron mar fhreagairt air aon chuisle cuir a-steach co-rèireach ri giùlan na cuimhne resistive, a’ sealltainn gum faodar RRAM a chleachdadh mar eileamaid prògramaichte de chuideam synaptic. Tha an dà dheuchainn tòiseachaidh seo a’ sealltainn gu bheil an àrd-ùrlar neuromorphic stèidhichte air RRAM comasach air na h-eileamaidean bunaiteach de uidheamachd bunaiteach Jeffress a chuir an gnìomh, is e sin an loidhne dàil agus an cuairteachadh lorgaire co-thuiteamas. Tha an àrd-ùrlar cuairteachaidh air a thogail le bhith a’ cruachadh bhlocaichean leantainneach taobh ri taobh, leithid na blocaichean ann am Figear 3b, agus a’ ceangal an geataichean ri loidhne cuir a-steach cumanta. Dhealbhaich sinn, rinn sinn, agus rinn sinn deuchainn air àrd-ùrlar neuromorphic anns an robh dà neurons toraidh a’ faighinn dà chuir a-steach (Fig. 4a). Tha an diagram cuairteachaidh ri fhaicinn ann am Figear 4b. Tha am matrix àrd 2 × 2 RRAM a’ leigeil le buillean cuir a-steach a bhith air an stiùireadh gu dà neurons toraidh, fhad ‘s a tha am matrix 2 × 2 as ìsle a’ ceadachadh ceanglaichean ath-chuairteach de dhà neurons (N0, N1). Tha sinn a’ sealltainn gum faodar an àrd-ùrlar seo a chleachdadh le rèiteachadh loidhne dàil agus dà ghnìomh lorgaidh co-thuiteamas eadar-dhealaichte, mar a chithear le tomhasan deuchainneach ann am Fig. 4c-e.
Diagram cuairteachaidh air a chruthachadh le dà neurons toraidh N0 agus N1 a’ faighinn dà chur-a-steach 0 agus 1. Tha na ceithir innealan as àirde san raon a’ mìneachadh ceanglaichean synaptic bho chuir a-steach gu toradh, agus tha na ceithir ceallan as ìsle a’ mìneachadh ceanglaichean ath-chuairteach eadar neurons. Tha na RRAMan dathte a’ riochdachadh na h-innealan a tha air an rèiteachadh san HCS air an taobh cheart: tha na h-innealan anns an HCS a’ ceadachadh ceanglaichean agus a’ riochdachadh cuideaman, fhad ‘s a bhios na h-innealan anns an LCS a’ cuir a-steach buillean agus a’ cuir à comas ceanglaichean ri toraidhean. b Diagram de chuairt (a) le ochd modalan RRAM air an comharrachadh ann an gorm. c Tha loidhnichean dàil air an cruthachadh le bhith dìreach a’ cleachdadh daineamaigs synapses DPI agus neurons LIF. Tha an RRAM uaine deiseil airson giùlan àrd gu leòr gus a bhith comasach air glitch a bhrosnachadh aig an toradh às deidh an dàil cuir a-steach Δt. d Dealbh sgeamach de lorg CD neo-mhothachail air comharran a tha an urra ri ùine. Bidh neuron toraidh 1, N1, a’ losgadh air cuir a-steach 0 agus 1 le dàil ghoirid. e Cuairt CD mothachail air stiùireadh, cuairt a lorgas nuair a thig cuir a-steach 1 gu cuir a-steach 0 agus a ruigeas às deidh cuir a-steach 0. Tha toradh a’ chuairt air a riochdachadh le neuron 1 (N1).
Tha an loidhne dàil (Figear 4c) dìreach a’ cleachdadh giùlan fiùghantach synapses DPI agus neurons LIF gus an spìc cuir a-steach bho Vin1 gu Vout1 ath-riochdachadh le bhith a’ cur dàil air Tdel. Chan eil ach an G3 RRAM ceangailte ri Vin1 agus Vout1 air a phrògramadh ann an HCS, tha an còrr de na RRAMn air am prògramadh ann an LCS. Chaidh an inneal G3 a phrògramadh airson 92.6 µs gus dèanamh cinnteach gu bheil gach cuisle cuir a-steach ag àrdachadh bholtadh membran an neuron toraidh gu leòr gus an stairsneach a ruighinn agus buille toraidh dàil a ghineadh. Tha an dàil Tdel air a dhearbhadh leis na h-ìrean ùine synaptic agus neural. Bidh lorgairean co-thuiteamas a’ lorg mar a thachair comharran cuir a-steach a tha co-cheangailte ri ùine ach air an cuairteachadh gu spàsail. Tha CD neo-mhothachail air stiùireadh an urra ri cuir a-steach fa leth a’ tighinn còmhla ri neuron toraidh cumanta (Figear 4d). Tha an dà RRAM a tha a’ ceangal Vin0 agus Vin1 ri Vout1, G2 agus G4 fa leth air am prògramadh airson giùlan àrd. Bidh ruighinn spìcean aig an aon àm air Vin0 agus Vin1 ag àrdachadh bholtachd an membran neuron N1 os cionn na stairsnich a dh’ fheumar gus spìc toraidh a ghineadh. Ma tha an dà chuir a-steach ro fhada bho chèile ann an ùine, is dòcha gum bi ùine aig a’ chosgais air bholtaids an membran a chruinnich a’ chiad chur-a-steach a dhol sìos, a’ cur casg air comas membran N1 bho bhith a’ ruighinn luach na stairsnich. Tha G1 agus G2 air am prògramadh airson timcheall air 65 µs, a nì cinnteach nach àrdaich aon àrdachadh cuir a-steach bholtachd an membran gu leòr gus àrdachadh toraidh adhbhrachadh. Tha lorg co-thuiteamas eadar tachartasan air an cuairteachadh ann an àite agus ùine na ghnìomhachd bunaiteach a thathas a’ cleachdadh ann an raon farsaing de ghnìomhan mothachaidh leithid seachnadh cnap-starra stèidhichte air sruthadh optigeach agus sgìreachadh stòr fuaim. Mar sin, tha CDan mothachail air stiùireadh coimpiutaireachd agus neo-mhothachail na bhloc togail bunaiteach airson siostaman ionadailachadh lèirsinneach is claisneachd a thogail. Mar a chithear le feartan nan cuibhreannan ùine (faic Fig. 2 Leasachail), tha an cuairteachadh a thathar a’ moladh a’ cur an gnìomh raon iomchaidh de cheithir òrduighean meud sgèile-tìm. Mar sin, faodaidh e aig an aon àm coinneachadh ri riatanasan siostaman lèirsinneach is fuaim. Is e cuairt a th’ ann an CD a tha mothachail air stiùireadh a tha mothachail air òrdugh spàsail nuair a thig buillean: bho dheas gu clì agus a chaochladh. Tha e na bhloc togail bunaiteach ann an lìonra lorg gluasad bunaiteach siostam lèirsinneach Drosophila, air a chleachdadh gus stiùiridhean gluasad obrachadh a-mach agus tubaistean a lorg62. Gus CD a tha mothachail air stiùir a choileanadh, feumaidh dà chur-a-steach a bhith air an stiùireadh gu dà neurons eadar-dhealaichte (N0, N1) agus feumar ceangal stiùiridh a stèidheachadh eatorra (Fig. 4e). Nuair a gheibhear a’ chiad chur-a-steach, bidh NO ag ath-fhreagairt le bhith ag àrdachadh an bholtaids thairis air an membran os cionn luach na stairsnich agus a’ cur a-mach àrdachadh. Bidh an tachartas toraidh seo, an uair sin, a’ losgadh N1 le taing don cheangal stiùiridh air a chomharrachadh ann an uaine. Ma ruigeas tachartas cuir a-steach Vin1 agus a bheir spionnadh dha N1 fhad ‘s a tha an bholtadh membran aige fhathast àrd, bidh N1 a’ gineadh tachartas toraidh a ’nochdadh gun deach maids a lorg eadar an dà chuir a-steach. Leigidh ceanglaichean stiùiridh leis an N1 toradh a chuir a-mach a-mhàin ma thig cuir a-steach 1 às deidh cuir a-steach 0. Tha G0, G3, agus G7 air am prògramadh gu 73.5 µS, 67.3 µS, agus 40.2 µS, fa leth, a’ dèanamh cinnteach gu bheil aon spìc air an in-chur Vin0 ag adhbhrachadh dàil spìc toraidh, fhad ‘s nach ruig comas membran N1 ach an ìre nuair a thig an dà spreadhadh a-steach gu sioncranachadh. .
Tha caochlaideachd na thùs de neo-fhoirfeachd ann an siostaman neuromorphic modail63,64,65. Bidh seo a’ leantainn gu giùlan ioma-ghnèitheach de neurons agus synapses. Tha eisimpleirean de na h-eas-bhuannachdan sin a’ toirt a-steach 30% (claonadh àbhaisteach cuibheasach) caochlaideachd ann am buannachd cuir a-steach, seasmhach ùine, agus ùine teasairginn, gus beagan ainmeachadh (faic Dòighean). Tha an duilgheadas seo eadhon nas fhollaisiche nuair a tha ioma-chuairtean neural ceangailte ri chèile, leithid CD a tha mothachail air treòrachadh anns a bheil dà neurons. Gus obrachadh gu ceart, bu chòir gum biodh ìrean ùine buannachd is crìonadh an dà neurons cho coltach ‘s a ghabhas. Mar eisimpleir, faodaidh eadar-dhealachadh mòr ann am buannachd cuir a-steach toirt air aon neuron cus freagairt a thoirt do bhuille cuir a-steach fhad ‘s a tha an neuron eile gann a’ freagairt. Air fige. Tha Figear 5a a’ sealltainn gu bheil neurons a tha air an taghadh air thuaiream a’ freagairt gu eadar-dhealaichte ris an aon bhuille cuir a-steach. Tha an caochlaidheachd neòil seo buntainneach, mar eisimpleir, ri obair CDan a tha mothachail air stiùireadh. Anns an sgeama a chithear ann am fige. 5b, c, tha buannachd cur-a-steach neuron 1 mòran nas àirde na buannachd neuron 0. Mar sin, feumaidh neuron 0 trì buillean cuir a-steach (an àite 1) gus an stairsneach a ruighinn, agus feumaidh neuron 1, mar a bhiodh dùil, dà thachartas cuir a-steach. Tha a bhith a’ cur an gnìomh plastachd biomimetic biomimetic a tha an urra ri ùine (STDP) na dhòigh comasach air buaidh chuairtean neòil is synaptic neo-mhearachdach agus slaodach air coileanadh siostam43 a lughdachadh. An seo tha sinn a’ moladh giùlan plastaigeach cuimhne resistive a chleachdadh mar dhòigh air buaidh a thoirt air àrdachadh cuir-a-steach neural agus lughdachadh buaidh caochladair ann an cuairtean neuromorphic. Mar a chithear ann am fige. 4e, rinn ìrean giùlain co-cheangailte ri tomad synaptic RRAM atharrachadh gu h-èifeachdach air freagairt bholtachd membran neural co-fhreagarrach. Bidh sinn a’ cleachdadh ro-innleachd prògramadh RRAM ath-aithriseach. Airson cuir a-steach sònraichte, tha luachan giùlain nan cuideaman synaptic air an ath-chlàradh gus am faighear giùlan targaid a’ chuairt (faic Dòighean).
a Tomhais deuchainneach air freagairt naoi neurons fa leth air an taghadh air thuaiream don aon bhuille cuir a-steach. Tha am freagairt ag atharrachadh thar àireamhan-sluaigh, a’ toirt buaidh air buannachd in-chur agus seasmhachd ùine. b Tomhais deuchainneach air buaidh neurons air caochlaideachd neurons a’ toirt buaidh air CD a tha mothachail air stiùireadh. Bidh an dà neuron toraidh CD a tha mothachail air stiùir a’ freagairt gu eadar-dhealaichte ri brosnachaidhean cuir a-steach mar thoradh air caochlaideachd neuron-to-neuron. Tha buannachd cuir a-steach nas ìsle aig Neuron 0 na neuron 1, agus mar sin bheir e trì buillean cuir a-steach (an àite 1) gus spìc toraidh a chruthachadh. Mar a bhiodh dùil, bidh neuron 1 a’ ruighinn na stairsnich le dà thachartas cuir a-steach. Ma ruigeas cuir a-steach 1 Δt = 50 µs às deidh teintean neuron 0, bidh CD fhathast sàmhach leis gu bheil Δt nas motha na seasmhach ùine neuron 1 (timcheall air 22 µs). c air a lughdachadh le Δt = 20 µs, gus am bi cuir a-steach 1 a’ tighinn gu àirde nuair a tha losgadh neuron 1 ′ fhathast àrd, agus mar thoradh air an sin lorgar dà thachartas cuir a-steach aig an aon àm.
Is e an dà eileamaid a thathar a’ cleachdadh sa cholbh àireamhachaidh ITD an loidhne dàil agus an CD neo-mhothachail air an stiùireadh. Feumaidh an dà chuairt calibration mionaideach gus dèanamh cinnteach à deagh choileanadh suidheachadh nithean. Feumaidh an loidhne dàil dreach le dàil shònraichte a lìbhrigeadh den stùc cuir a-steach (Fig. 6a), agus feumaidh an CD a bhith air a chuir an gnìomh dìreach nuair a tha an cuir a-steach taobh a-staigh an raon lorg targaid. Airson an loidhne dàil, chaidh cuideaman synaptic nan ceanglaichean cuir a-steach (G3 ann am Fig. 4a) ath-chlàradh gus an deach an dàil targaid fhaighinn. Suidhich fulangas timcheall air an dàil targaid gus stad a chuir air a’ phrògram: mar as lugha am fulangas, is ann as duilghe a bhios e an loidhne dàil a shuidheachadh gu soirbheachail. Air fige. Tha Figear 6b ​​a’ sealltainn toraidhean a’ phròiseas calibration loidhne dàil: chìthear gum faod an sgeama a thathar a’ moladh a bhith a’ toirt seachad a h-uile dàil a tha a dhìth san sgeama dealbhaidh (bho 10 gu 300 μs). Tha an àireamh as motha de iterations calibration a’ toirt buaidh air càileachd a’ phròiseas calibration: faodaidh 200 iterations a’ mhearachd a lughdachadh gu nas lugha na 5%. Tha aon tionndadh calibration a’ freagairt ri obrachadh seata/ath-shuidheachadh cealla RRAM. Tha am pròiseas gleusaidh cuideachd deatamach ann a bhith ag adhartachadh cruinneas lorgadh tachartas dlùth modal CD sa bhad. Thug e deich ath-aithrisean calibration gus fìor reat dearbhach a choileanadh (ie, ìre nan tachartasan a chaidh a chomharrachadh gu ceart mar a bha iomchaidh) os cionn 95% (loidhne ghorm ann am Figear 6c). Ach, cha tug am pròiseas gleusaidh buaidh air tachartasan dearbhach meallta (is e sin, tricead thachartasan a chaidh an comharrachadh gu mearachdach mar rud iomchaidh). Is e dòigh eile a chaidh fhaicinn ann an siostaman bith-eòlasach airson faighinn thairis air na cuingeadan ùine a th’ ann a bhith a’ cur an gnìomh slighean gu luath gun fheum (is e sin, thathas a’ cleachdadh mòran leth-bhreacan den aon nì gus gnìomh sònraichte a choileanadh). Air a bhrosnachadh le bith-eòlas66, chuir sinn grunn chuairtean CD anns gach modal CD eadar an dà loidhne dàil gus buaidh nithean ceàrr a lughdachadh. Mar a chithear ann am fige. 6c (loidhne uaine), le bhith a’ cur trì eileamaidean CD anns gach modal CD faodaidh e an ìre rabhaidh meallta a lughdachadh gu nas lugha na 10-2.
a Buaidh caochlaideachd neuronal air cuairtean loidhne dàil. b Faodar cuairtean loidhne dàil a chuir gu dàil mhòr le bhith a’ suidheachadh ìrean ùine nan neurons LIF co-fhreagarrach agus synapses DPI gu luachan mòra. Le bhith ag àrdachadh na h-àireimh de chuairtean de mhodh calibration RRAM bha e comasach piseach mòr a thoirt air cruinneas an dàil targaid: lughdaich 200 iterations a’ mhearachd gu nas lugha na 5%. Tha aon tionndadh a’ freagairt ri gnìomhachd SET/RESET air cealla RRAM. Faodar gach modal CD ann am modal c Jeffress a chuir an gnìomh le bhith a’ cleachdadh eileamaidean CD co-shìnte N airson barrachd sùbailteachd a thaobh fàilligidhean siostaim. d Bidh barrachd itealain calibration RRAM ag àrdachadh an fhìor ìre dearbhach (loidhne ghorm), fhad ‘s a tha an ìre dearbhach meallta neo-eisimeileach bhon àireamh de thursan (loidhne uaine). Le bhith a’ cur barrachd eileamaidean CD aig an aon àm a’ seachnadh lorg meallta air maidsean modal CD.
Bidh sinn a-nis a’ measadh coileanadh agus caitheamh cumhachd an t-siostam sgìreachadh stuthan aonaichte deireadh-gu-deireadh a chithear ann am Figear 2 a’ cleachdadh tomhais de fheartan fuaimneach an sensor pMUT, CD, agus cuairtean loidhne dàil a tha a’ dèanamh suas an graf coimpiutaireachd neuromorphic. Modail Jeffress (Fig. 1a). A thaobh graf coimpiutaireachd neuromorphic, mar as motha an àireamh de mhodalan CD, is ann as fheàrr a bhios an rùn ceàrnach, ach cuideachd mar as àirde lùth an t-siostaim (Fig. 7a). Faodar co-rèiteachadh a ruighinn le bhith a’ dèanamh coimeas eadar cruinneas phàirtean fa leth (mothachaidhean pMUT, neurons, agus cuairtean synaptic) le cruinneas an t-siostam gu lèir. Tha fuasgladh na loidhne dàil air a chuingealachadh leis na h-ìrean ùine de na synapses agus na neurons samhlachail, a tha san sgeama againn nas àirde na 10 µs, a tha a’ freagairt ri rùn ceàrnach de 4 ° (faic Dòighean). Leigidh nodan nas adhartaiche le teicneòlas CMOS le dealbhadh chuairtean neural agus synaptic le cuibhreannan ùine nas ìsle, a’ leantainn gu cinnt nas àirde de na h-eileamaidean loidhne dàil. Ach, san t-siostam againn, tha an cruinneas air a chuingealachadh leis a’ mhearachd pMUT ann a bhith a’ toirt tuairmse air an t-suidheachadh ceàrnach, ie 10 ° (loidhne chòmhnard ghorm ann am Fig. 7a). Shuidhich sinn an àireamh de mhodalan CD aig 40, a fhreagras ri rùn ceàrnach de mu 4 °, is e sin, cruinneas ceàrnach a’ ghraf àireamhachd (loidhne chòmhnard ghorm aotrom ann am Fig. 7a). Aig ìre an t-siostaim, tha seo a 'toirt seachad rùn de 4 ° agus cruinneas 10 ° airson nithean a tha suidhichte 50 cm air beulaibh an t-siostam mothachaidh. Tha an luach seo an coimeas ris na siostaman ionadail fuaim neuromorphic a chaidh aithris ann an ref. 67. Gheibhear coimeas eadar an siostam a thathar a’ moladh agus an t-suidheachadh as ùire ann an Clàr Leasachail 1. Le bhith a’ cur pMUTan a bharrachd, a’ meudachadh ìre nan comharran fuaimneach, agus a’ lughdachadh fuaim dealanach nan dòighean comasach air tuilleadh leasachaidh a dhèanamh air cruinneas ionadail. ) air a mheas aig 9.7. nz. 55. Le 40 aonad CD air a' ghraf àireamhachd, bha an samhladh SPICE a' meas gur e 21.6 nJ an lùth airson gach gnìomh (ie, lùth suidheachadh nì). Chan eil an siostam neuromorphic air a chuir an gnìomh ach nuair a thig tachartas cuir a-steach, ie nuair a ruigeas tonn fuaimneach cuidhteas pMUT sam bith agus a dhol thairis air an ìre lorgaidh, air neo bidh e fhathast neo-ghnìomhach. Bidh seo a’ seachnadh caitheamh cumhachd neo-riatanach nuair nach eil comharra cuir a-steach ann. A’ beachdachadh air tricead gnìomhachd ionadail de 100 Hz agus ùine gnìomhachaidh de 300 µs gach gnìomh (an ITD as àirde a tha comasach), is e caitheamh cumhachd a’ ghraf coimpiutaireachd neuromorphic 61.7 nW. Le ro-ghiollachd neuromorphic air a chuir an sàs anns gach inneal-glacaidh pMUT, tha caitheamh cumhachd an t-siostaim gu lèir a’ ruighinn 81.6 nW. Gus tuigse fhaighinn air èifeachdas lùtha an dòigh neuromorphic a chaidh a mholadh an coimeas ri bathar-cruaidh àbhaisteach, rinn sinn coimeas eadar an àireamh seo agus an lùth a dh’ fheumar gus an aon obair a dhèanamh air microcontroller cumhachd ìosal ùr-nodha a ’cleachdadh an dàrna cuid neuromorphic no àbhaisteach beamforming68 Skill. Tha an dòigh-obrach neuromorphic a’ beachdachadh air ìre tionndaidh analog-gu-didseatach (ADC), air a leantainn le sìoltachan pas-còmhlain agus ìre tarraing cèis (modh Teeger-Kaiser). Mu dheireadh, thèid gnìomhachd stairsneach a dhèanamh gus an ToF a thoirt a-mach. Tha sinn air dearmad a dhèanamh air àireamhachadh ITD stèidhichte air ToF agus an atharrachadh gu suidheachadh ceàrnach tuairmseach leis gu bheil seo a’ tachairt aon uair airson gach tomhas (faic Dòighean). A’ gabhail ris gu bheil ìre samplachaidh de 250 kHz air an dà sheanail (glacadairean pMUT), 18 gnìomhachd sìoltachain pas-còmhlain, 3 obair às-tharraing cèisean, agus obrachadh stairsnich 1 gach sampall, thathas a’ meas gu bheil an caitheamh cumhachd iomlan aig 245 microwatts. Bidh seo a’ cleachdadh modh cumhachd ìosal an microcontroller69, a thionndaidheas air adhart nuair nach eil na h-algorithms gan cur an gnìomh, a lughdaicheas caitheamh cumhachd gu 10.8 µW. Caitheamh cumhachd an fhuasglaidh giollachd chomharran beamforming a thathar a’ moladh san iomradh. Is e 31, le glacadairean 5 pMUT agus 11 sailean air an cuairteachadh gu co-ionnan anns an itealan azimuth [-50 °, +50 °], 11.71 mW (faic an roinn Dòighean airson mion-fhiosrachadh). A bharrachd air an sin, bidh sinn ag aithris air caitheamh cumhachd Encoder Difference Time (TDE) stèidhichte air FPGA47 air a mheas aig 1.5 mW an àite modal Jeffress airson sgìreachadh stuthan. Stèidhichte air na tuairmsean sin, tha an dòigh-obrach neuromorphic a thathar a’ moladh a’ lughdachadh caitheamh cumhachd le còig òrdughan meudachd an coimeas ri microcontroller a’ cleachdadh dòighean cruth-atharrachaidh clasaigeach airson obair sgìreachaidh nithean. Le bhith a’ gabhail ri dòigh-obrach neuromorphic a thaobh giullachd chomharran air microcontroller clasaigeach, lughdaich sin caitheamh cumhachd le timcheall air dà òrdugh meudachd. Faodar èifeachdas an t-siostam a thathar a’ moladh a mhìneachadh leis a’ chothlamadh de chuairt analog asyncronach resistive-memory a tha comasach air àireamhachadh cuimhne a dhèanamh agus an dìth tionndadh analog-gu-didseatach a dh’ fheumar gus comharran fhaicinn.
Fuasgladh ceàrnach (gorm) agus caitheamh cumhachd (uaine) den obair ionadail a rèir an àireamh de mhodalan CD. Tha am bàr còmhnard dorcha gorm a’ riochdachadh cruinneas ceàrnach a’ PMUT agus tha am bàr còmhnard gorm aotrom a’ riochdachadh cruinneas ceàrnach a’ ghraf coimpiutaireachd neuromorphic. b Caitheamh cumhachd an t-siostam a chaidh a mholadh agus coimeas ris an dà bheachdachadh air buileachadh microcontroller agus buileachadh didseatach an Encoder Difference Time (TDE)47 FPGA.
Gus caitheamh cumhachd an t-siostam sgìreachadh targaid a lughdachadh, chruthaich sinn, dhealbhaich agus chuir sinn an gnìomh cuairt neuromorphic èifeachdach, stèidhichte air tachartas RRAM, a bhios a’ giullachd an fhiosrachaidh chomharran a thig bho na mothachairean togte gus suidheachadh an nì targaid obrachadh a-mach ann am fìor uair. . Fhad ‘s a bhios dòighean giullachd traidiseanta a’ samplachadh comharran a chaidh a lorg gu leantainneach agus a ’dèanamh àireamhachadh gus fiosrachadh feumail a thoirt a-mach, bidh am fuasgladh neuromorphic a tha san amharc a’ dèanamh àireamhachadh gu co-shìnte mar a thig fiosrachadh feumail, a ’meudachadh èifeachdas cumhachd siostam le còig òrdughan meudachd. A bharrachd air an sin, bidh sinn a’ soilleireachadh sùbailteachd chuairtean neuromorphic stèidhichte air RRAM. Tha comas RRAM airson giùlan atharrachadh ann an dòigh neo-luaineach (plastaigeachd) a’ dèanamh dìoladh airson caochlaideachd gnèitheach chuairtean synaptic agus neural analog cumhachd ultra-ìosal DPI. Tha seo a’ fàgail a’ chuairt seo stèidhichte air RRAM ioma-chruthach agus cumhachdach. Chan e ar n-amas gnìomhan no pàtrain iom-fhillte a thoirt a-mach à comharran, ach nithean a chuir gu àite ann an àm fìor. Faodaidh an siostam againn cuideachd an comharra a dhlùthadh gu h-èifeachdach agus mu dheireadh a chuir gu ceumannan giullachd eile gus co-dhùnaidhean nas iom-fhillte a dhèanamh nuair a bhios feum air. Ann an co-theacsa thagraidhean ionadail, faodaidh an ceum ro-ghiollachd neuromorphic againn fiosrachadh a thoirt seachad mu shuidheachadh nithean. Faodar am fiosrachadh seo a chleachdadh, mar eisimpleir, airson lorg gluasad no aithneachadh gluasadan-bodhaig. Tha sinn a’ cur cuideam air cho cudromach sa tha e a bhith a’ cothlamadh mothachairean cumhachd ultra ìosal leithid pMUTs le electronics cumhachd ultra ìosal. Airson seo, tha dòighean-obrach neuromorphic air a bhith cudromach oir tha iad air ar toirt gu bhith a’ leasachadh buileachadh cuairteachaidh ùra de dhòighean coimpiutaireachd bith-eòlasach leithid modal Jeffress. Ann an co-theacsa tagraidhean fusion sensor, faodar an siostam againn a chur còmhla ri grunn luchd-mothachaidh stèidhichte air tachartas gus fiosrachadh nas cruinne fhaighinn. Ged a tha comhachagan sàr-mhath air creach a lorg anns an dorchadas, tha deagh fhradharc aca agus bidh iad a’ dèanamh sgrùdadh claisneachd is lèirsinneach còmhla mus glac iad creach70. Nuair a thèid neuron claisneachd sònraichte a losgadh, gheibh a’ chomhachag am fiosrachadh a dh’ fheumas i gus faighinn a-mach dè an taobh airson an sgrùdadh lèirsinneach aice a thòiseachadh, agus mar sin a ’cuimseachadh aire air pàirt bheag den t-sealladh lèirsinneach. Bu chòir measgachadh de luchd-mothachaidh lèirsinneach (camara DVS) agus mothachadh èisteachd a thathar a’ moladh (stèidhichte air pMUT) a sgrùdadh airson leasachadh riochdairean fèin-riaghailteach san àm ri teachd.
Tha an sensor pMUT suidhichte air PCB le dà ghlacadair timcheall air 10 cm bho chèile, agus tha an inneal-sgaoilidh suidhichte eadar na glacadairean. Anns an obair seo, tha gach membran na structar bimorph crochte air a dhèanamh suas de dhà shreath de piezoelectric alùmanum nitride (AlN) 800 nm tiugh eadar trì sreathan de molybdenum (Mo) 200 nm tiugh agus còmhdaichte le còmhdach 200 nm tiugh. an ìre SiN fulangach as àirde mar a chaidh a mhìneachadh san iomradh. 71. Tha na dealanan a-staigh agus a-muigh air an cur an sàs anns na sreathan as ìsle agus as àirde de molybdenum, fhad 'sa tha an dealan molybdenum meadhanach gun phàtran agus air a chleachdadh mar thalamh, a' ciallachadh gu bheil membran le ceithir paidhrichean de eleactrothan.
Tha an ailtireachd seo a’ ceadachadh deformachadh membran cumanta a chleachdadh, a’ leantainn gu mothachadh tar-chuir agus faighinn nas fheàrr. Mar as trice bidh pMUT mar seo a’ nochdadh cugallachd excitation de 700 nm / V mar emitter, a ’toirt seachad cuideam uachdar de 270 Pa / V. Mar ghlacadair, tha aon fhilm pMUT a ’nochdadh cugallachd cuairt ghoirid de 15 NA / Pa, a tha gu dìreach co-cheangailte ri co-èifeachd piezoelectric AlN. Tha caochlaideachd teignigeach an bholtachd anns an ìre AlN a’ leantainn gu atharrachadh anns an tricead athshondach, a dh’ fhaodar a dhìoladh le bhith a’ cur claonadh DC ris a’ pMUT. Chaidh cugallachd DC a thomhas aig 0.5 kHz / V. Airson comharrachadh fuaimneach, thathas a’ cleachdadh microfòn air beulaibh an pMUT.
Gus an echo-pulse a thomhas, chuir sinn truinnsear ceart-cheàrnach le farsaingeachd de mu 50 cm2 air beulaibh an pMUT gus na tonnan fuaim a chaidh a sgaoileadh a nochdadh. Tha an dà chuid an astar eadar na truinnsearan agus an ceàrn an coimeas ris an itealan pMUT air an smachd le bhith a’ cleachdadh luchd-gleidhidh sònraichte. Bidh stòr bholtachd Tectronix CPX400DP a’ claonadh trì buill-bodhaig pMUT, a’ gleusadh an tricead athshondach gu 111.9 kHz31, fhad ‘s a tha an luchd-sgaoilidh air an stiùireadh le gineadair pulse Tectronix AFG 3102 air a ghleusadh ris an tricead athshondach (111.9 kHz) agus cearcall dleastanais de 0.01. Tha na sruthan a thèid a leughadh bho na ceithir puirt toraidh de gach inneal-glacaidh pMUT air an tionndadh gu bholtaids a’ cleachdadh ailtireachd eadar-dhealaichte sònraichte sruth is bholtaids, agus tha na comharran a thig às air an digiteachadh le siostam togail dàta Spektrum. Bha an ìre lorgaidh air a chomharrachadh le togail chomharran pMUT fo chumhachan eadar-dhealaichte: ghluais sinn an sgàthan gu diofar astaran [30, 40, 50, 60, 80, 100] cm agus dh’ atharraich sinn ceàrn taic pMUT ([0, 20, 40] o ) Tha Figear 2b a’ sealltainn an rùn lorg ITD ùineail a rèir an t-suidheachaidh ceàrnach co-fhreagarrach ann an ceumannan.
Bidh an artaigil seo a’ cleachdadh dà chuairt RRAM far-na-sgeilp eadar-dhealaichte. Is e a’ chiad fhear sreath de 16,384 (16,000) innealan (innealan 128 × 128) ann an rèiteachadh 1T1R le aon transistor agus aon resistor. Is e an dàrna chip an àrd-ùrlar neuromorphic a chithear ann am Fig. 4a. Tha an cealla RRAM air a dhèanamh suas de fhilm HfO2 tiugh 5 nm freumhaichte ann an cruach TiN / HfO2 / Ti / TiN. Tha an stac RRAM air fhilleadh a-steach do chùl-loidhne (BEOL) den phròiseas àbhaisteach 130nm CMOS. Tha cuairtean neuromorphic stèidhichte air RRAM a ’toirt dùbhlan dealbhaidh airson siostaman dealanach uile-analog anns a bheil innealan RRAM a’ fuireach còmhla ri teicneòlas CMOS traidiseanta. Gu sònraichte, feumar staid giùlain an inneal RRAM a leughadh agus a chleachdadh mar chaochladair gnìomh airson an t-siostaim. Chun na crìche seo, chaidh cuairt a dhealbhadh, a dhèanamh agus a dhearbhadh a leughas an sruth bhon inneal nuair a gheibhear buille cuir a-steach agus a chleachdas an sruth seo gus cuideam a chuir air freagairt synapse integrator paidhir eadar-dhealaichte (DPI). Tha an cuairteachadh seo air a shealltainn ann am Figear 3a, a tha a’ riochdachadh na blocaichean togail bunaiteach den àrd-ùrlar neuromorphic ann am Figear 4a. Bidh cuisle cuir a-steach a ’gnìomhachadh geata an inneal 1T1R, ag adhbhrachadh sruth tro RRAM a tha co-rèireach ri giùlan an inneil G (Iweight = G (Vtop - Vx)). Tha bholtaids claonadh DC seasmhach aig Vtop inverting a’ chuairt amplifier obrachaidh (op-amp). Bheir fios air ais àicheil an op-amp seachad Vx = Vtop le bhith a’ toirt seachad sruth co-ionann bho M1. Tha an cuideam Iweight gnàthach a chaidh fhaighinn air ais bhon inneal air a thoirt a-steach don synapse DPI. Mar thoradh air sruth nas làidire bidh barrachd dì-pholarachadh, agus mar sin bidh giùlan RRAM gu h-èifeachdach a’ cur an gnìomh cuideaman synaptic. Tha an sruth synaptic exponential seo air a thoirt a-steach tro inneal membran nan neurons Leaky Integration and Excitation (LIF), far a bheil e ceangailte mar bholtadh. Ma thèid faighinn thairis air bholtadh stairsneach an membran (bholtaid suidse an inverter), thèid pàirt toraidh an neuron a chuir an gnìomh, a’ toirt a-mach spìc toraidh. Bidh an cuisle seo a’ tilleadh agus a’ slugadh capacitor membran an neuron gu làr, ag adhbhrachadh gun tèid a leigeil ma sgaoil. Thathas an uairsin a’ cur ris a’ chuairt seo le inneal leudachaidh cuisle (nach eil ri fhaicinn ann am Fig. 3a), a bhios a’ cumadh cuisle toraidh an LIF neuron gu leud na cuisle targaid. Tha ioma-fhillteadairean cuideachd air an togail a-steach do gach loidhne, a 'leigeil le bholtaids a bhith air a chur an sàs ann an dealanan àrd is ìosal an inneal RRAM.
Tha deuchainn dealain a’ toirt a-steach mion-sgrùdadh agus clàradh giùlan fiùghantach chuairtean analog, a bharrachd air prògramadh agus leughadh innealan RRAM. Feumaidh an dà cheum innealan sònraichte, agus tha iad uile ceangailte ris a 'bhòrd mothachaidh aig an aon àm. Tha cothrom air innealan RRAM ann an cuairtean neuromorphic air a dhèanamh bho innealan taobh a-muigh tro ioma-fhillteadair (MUX). Bidh an MUX a’ sgaradh a’ chill 1T1R bhon chòrr den chuairt-chuairt dham buin e, a’ leigeil leis an inneal a bhith air a leughadh agus/no air a phrògramadh. Gus innealan RRAM a phrògramadh agus a leughadh, thathas a’ cleachdadh inneal Keithley 4200 SCS ann an co-bhonn ri microcontroller Arduino: a’ chiad fhear airson gineadh cuisle neo-mhearachdach agus leughadh gnàthach, agus an dàrna fear airson ruigsinneachd luath gu eileamaidean 1T1R fa leth anns an raon cuimhne. Is e a’ chiad obair an inneal RRAM a chruthachadh. Tha na ceallan air an taghadh aon às deidh aon agus tha bholtadh dearbhach air a chuir an sàs eadar na dealanan àrd is ìosal. Anns a ’chùis seo, tha an sruth air a chuingealachadh ri òrdugh deichean de microamperes mar thoradh air solar bholtachd geata co-fhreagarrach don transistor roghnaichear. Faodaidh an cealla RRAM an uairsin rothaireachd eadar staid giùlain ìosal (LCS) agus staid giùlain àrd (HCS) a’ cleachdadh gnìomhachd RESET agus SET, fa leth. Tha an obrachadh SET air a dhèanamh le bhith a’ cur a-steach cuisle bholtachd ceart-cheàrnach le fad 1 μs agus bholtadh stùc de 2.0-2.5 V chun an dealan àrd, agus cuisle sioncranachaidh den aon chumadh le bholtaids stùc de 0.9-1.3 V gu geata an transistor roghnaichear. Tha na luachan sin a’ ceadachadh giùlan RRAM atharrachadh aig amannan 20-150 µs. Airson RESET, tha buille stùc 1 µs de leud, 3 V air a chuir an sàs ann an electrode bun (loidhne bit) na cealla nuair a tha bholtadh a’ gheata anns an raon 2.5-3.0 V. Tha cuir a-steach agus toraidhean nan cuairtean analog nan comharran fiùghantach . Airson cuir a-steach, chuir sinn eadar dà ghineadair pulse HP 8110 le gineadairean comharran Tektronix AFG3011. Tha leud 1 µs aig a’ chuis cuir a-steach agus oir èirigh/tuiteam 50 ns. Thathas den bheachd gu bheil an seòrsa seo de chuisle mar glitch àbhaisteach ann an cuairtean stèidhichte air glitch analog. A thaobh a’ chomharra toraidh, chaidh an comharra toraidh a chlàradh le bhith a’ cleachdadh oscilloscope Teledyne LeCroy 1 GHz. Tha astar togail oscilloscope air a dhearbhadh gun a bhith na fheart cuibhrichte ann am mion-sgrùdadh agus togail dàta cuairteachaidh.
Tha cleachdadh dinamics electronics analog gus giùlan neurons agus synapses a shamhlachadh na fhuasgladh eireachdail is èifeachdach gus èifeachdas coimpiutaireachd a leasachadh. Is e an ana-cothrom a th’ aig an fho-chòmhdach coimpiutaireachd seo gum bi e eadar-dhealaichte bho sgeama gu sgeama. Rinn sinn tomhas air caochlaidheachd neurons agus cuairtean synaptic (Fig. 2a, b). A-mach às a h-uile taisbeanadh de chaochlaideachd, tha a’ bhuaidh as motha aig an fheadhainn a tha co-cheangailte ri cuibhreannan ùine agus buannachd cur-a-steach aig ìre an t-siostaim. Tha seasmhach ùine an LIF neuron agus an synapse DPI air a dhearbhadh le cuairt RC, far a bheil luach R air a smachdachadh le bholtadh claon air a chuir gu geata an transistor (Vlk airson an neuron agus Vtau airson an synapse), a’ dearbhadh an ìre aoidionachd. Tha buannachd cuir a-steach air a mhìneachadh mar an bholtadh as àirde a ruigear leis na capacitors membran synaptic agus neuronal air a bhrosnachadh le buille cuir a-steach. Tha buannachd cuir a-steach air a smachdachadh le transistor bias eile a bhios ag atharrachadh an t-sruth cuir a-steach. Chaidh atharrais Monte Carlo air a calibratadh air pròiseas 130nm ST Microelectronics a dhèanamh gus beagan buannachd cuir a-steach agus staitistig seasmhach ùine a chruinneachadh. Tha na toraidhean air an taisbeanadh ann am Figear Leasachail 2, far a bheil buannachd cuir a-steach agus seasmhach ùine air an tomhas mar ghnìomh den bholtachd claon a tha a’ cumail smachd air an ìre aoidionachd. Bidh comharran uaine a’ tomhas an claonadh àbhaisteach den ùine seasmhach bhon mheadhan. Bha an dà neurons agus cuairtean synaptic comasach air raon farsaing de chuingealachaidhean ùine a chuir an cèill anns an raon de 10-5-10-2 s, mar a chithear ann an sgeama Fig. Bha leudachadh cuir a-steach (Fig. 2e,d) de chaochlaideachd neuronal agus synapse timcheall air 8% agus 3%, fa leth. Tha an leithid de dh’ easbhaidh air a dheagh chlàradh anns an litreachas: chaidh diofar thomhasan a dhèanamh air an raon de chips DYNAP gus measadh a dhèanamh air a’ cho-chòrdalachd eadar àireamhan de neurons LIF63. Chaidh na synapses anns a’ chip chomharran measgaichte BrainScale a thomhas agus chaidh na neo-chunbhalachd aca a sgrùdadh, agus chaidh modh calibration a mholadh gus buaidh caochlaideachd ìre siostam a lughdachadh64.
Tha gnìomh RRAM ann an cuairtean neuromorphic dà-fhillte: mìneachadh ailtireachd (slighe a-steach gu toraidhean) agus buileachadh cuideaman synaptic. Faodar an togalach mu dheireadh a chleachdadh gus fuasgladh fhaighinn air an duilgheadas a thaobh caochlaideachd nan cuairtean neuromorphic modail. Tha sinn air modh calibration sìmplidh a leasachadh a tha a’ toirt a-steach ath-chlàradh an inneal RRAM gus am bi an cuairteachadh a thathar a’ sgrùdadh a’ coinneachadh ri riatanasan sònraichte. Airson cuir a-steach sònraichte, thathas a’ cumail sùil air an toradh agus tha an RRAM air ath-chlàradh gus an tèid an giùlan targaid a choileanadh. Chaidh ùine feitheimh de 5 s a thoirt a-steach eadar gnìomhachd prògramadh gus fuasgladh fhaighinn air duilgheadas fois RRAM a dh’ adhbhraicheas caochlaidhean giùlain neo-ghluasadach (Fiosrachadh Leasachail). Tha cuideaman synaptic air an atharrachadh no air an calibadh a rèir riatanasan a’ chuairt neuromorphic a thathar a’ modaladh. Tha geàrr-chunntas air a’ mhodh calibration ann an algorithms a bharrachd [1, 2] a tha a’ cuimseachadh air dà fheart bunaiteach de àrd-ùrlaran neuromorphic, loidhnichean dàil agus CD neo-mhothachail stiùiridh. Airson cuairt le loidhne dàil, is e an giùlan targaid buille toraidh a thoirt seachad le dàil Δt. Ma tha an fhìor dàil cuairteachaidh nas ìsle na an luach targaid, bu chòir cuideam synaptic G3 a lughdachadh (bu chòir G3 ath-shuidheachadh agus an uairsin a shuidheachadh gu Icc gnàthach nas ìsle). Air an làimh eile, ma tha an fhìor dàil nas àirde na an luach targaid, feumar giùlan G3 a mheudachadh (feumaidh G3 ath-shuidheachadh an toiseach agus an uairsin a shuidheachadh gu luach Icc nas àirde). Bidh am pròiseas seo air ath-aithris gus am bi an dàil a thig bhon chuairt a rèir an luach targaid agus gu bheil fulangas air a shuidheachadh gus stad a chuir air a’ phròiseas calibration. Airson CDan nach eil mothachail air treòrachadh, tha dà inneal RRAM, G1 agus G3, an sàs sa phròiseas calibration. Tha dà chur-a-steach aig a’ chuairt seo, Vin0 agus Vin1, le dàil le dt. Cha bu chòir don chuairt freagairt ach ri dàil fon raon maidsidh [0,dtCD]. Mura h-eil stùc toraidh ann, ach gu bheil an stùc cuir a-steach faisg, bu chòir an dà inneal RRAM a bhrosnachadh gus an neuron a chuideachadh gus an stairsneach a ruighinn. Air an làimh eile, ma fhreagras an cuairteachadh dàil a tha nas àirde na an raon targaid de dtCD, feumar an giùlan a lughdachadh. Dèan ath-aithris air a 'phròiseas gus am faighear an giùlan ceart. Faodar sruth gèillidh atharrachadh leis a’ chuairt analog togte ann an ref. 72.73. Leis a ’chuairt thogte seo, faodar modhan leithid seo a choileanadh bho àm gu àm gus an siostam a chalpachadh no ath-chleachdadh airson tagradh eile.
Bidh sinn a’ measadh caitheamh cumhachd ar dòigh giollachd chomharran neuromorphic air microcontroller àbhaisteach 32-bit68. Anns a’ mheasadh seo, tha sinn a’ gabhail ris gu bheil sinn ag obair leis an aon suidheachadh sa phàipear seo, le aon inneal-sgaoilidh PMUT agus dà ghlacadair PMUT. Bidh an dòigh seo a’ cleachdadh sìoltachan bandpass, air a leantainn le ceum às-tharraing cèis (Teeger-Kaiser), agus mu dheireadh thèid gnìomhachd stairsneach a chuir an sàs air a’ chomharra gus an ùine itealaich a thoirt a-mach. Tha àireamhachadh an ITD agus a thionndadh gu ceàrnan lorgaidh air am fàgail air falbh sa mheasadh. Bidh sinn a’ beachdachadh air buileachadh sìoltachan pas bann a ’cleachdadh sìoltachan freagairt impulse 4mh òrdugh a dh’ fheumas 18 gnìomhachd puing fleòdraidh. Bidh às-tharraing cèis a’ cleachdadh trì obrachaidhean puing-fleòdraidh eile, agus thathas a’ cleachdadh an obrachaidh mu dheireadh gus an stairsneach a shuidheachadh. Tha feum air 22 gnìomhachd puing-fleòdraidh gu h-iomlan gus an comharra a phròiseasadh ro-làimh. Tha an comharra tar-chuir na spreadhadh goirid de chruth tonn sine 111.9 kHz air a ghineadh gach 10 ms agus mar thoradh air sin bidh tricead obrachaidh suidheachaidh 100 Hz. Chleachd sinn ìre samplachaidh de 250 kHz gus gèilleadh ri Nyquist agus uinneag 6 ms airson gach tomhas gus raon de mheatair 1 a ghlacadh. Thoir an aire gur e 6 milliseconds an ùine itealaich aig nì a tha 1 meatair air falbh. Bheir seo seachad caitheamh cumhachd de 180 µW airson tionndadh A/D aig 0.5 MSPS. Is e ro-phròiseasadh comharran 6.60 MIPS (stiùireadh gach diog), a’ gineadh 0.75 mW. Ach, faodaidh am microcontroller atharrachadh gu modh cumhachd ìosal 69 nuair nach eil an algairim a’ ruith. Tha am modh seo a’ toirt seachad caitheamh cumhachd statach de 10.8 μW agus ùine dùsgadh de 113 μs. Leis gu bheil tricead gleoc de 84 MHz, bidh am microcontroller a’ crìochnachadh a h-uile gnìomhachd den algairim neuromorphic taobh a-staigh 10 ms, agus bidh an algairim a’ tomhas cearcall dleastanais de 6.3%, mar sin a’ cleachdadh modh cumhachd ìosal. Is e an sgaoileadh cumhachd a thig às a sin 244.7 μW. Thoir an aire gu bheil sinn a’ fàgail às an toradh ITD bho ToF agus an tionndadh gu ceàrn lorgaidh, agus mar sin a’ dèanamh dì-meas air caitheamh cumhachd a’ mhicro-smachdadair. Bheir seo luach a bharrachd airson èifeachdas lùtha an t-siostam a tha san amharc. Mar chumha coimeas a bharrachd, bidh sinn a’ measadh caitheamh cumhachd nan dòighean cruth-atharrachaidh clasaigeach a thathar a’ moladh san iomradh. 31.54 nuair a thèid a stèidheachadh san aon microcontroller68 aig bholtadh solair 1.8V. Bithear a’ cleachdadh còig membran pMUT le farsaingeachd chothromach gus dàta fhaighinn airson cumadh beam. A thaobh a’ ghiollachd fhèin, is e dàil suimeachadh an dòigh beamforming a thathar a’ cleachdadh. Tha e dìreach a’ toirt a-steach dàil a chuir air na slighean a fhreagras ris an eadar-dhealachadh ris a bheil dùil anns na h-amannan ruighinn eadar aon sreath agus an t-sreath iomraidh. Ma tha na comharran aig ìre, bidh lùth àrd aig suim nan comharran sin às deidh gluasad ùine. Ma tha iad a-mach à ìre, cuiridh bacadh millteach bacadh air lùth an t-suim aca. ann an dàimh. Air fige. 31, tha ìre samplachaidh de 2 MHz air a thaghadh gus an dàta a ghluasad le àireamh iomlan de shamhlaichean. Is e dòigh-obrach nas lugha a bhith a’ cumail suas ìre sampall nas garbh de 250 kHz agus criathrag Freagairt Impulse Crìochnaichte (FIR) a chleachdadh gus dàil bloighteach a cho-chur. Gabhaidh sinn ris gu bheil iom-fhillteachd an algairim beamforming air a dhearbhadh sa mhòr-chuid leis an gluasad ùine, leis gu bheil gach seanal ceangailte ri sìoltachan FIR le 16 gocan anns gach taobh. Gus an àireamh de MIPS obrachadh a-mach airson an obrachaidh seo, bidh sinn a’ beachdachadh air uinneag de 6ms gach tomhais gus raon de 1 meatair, 5 seanalan, 11 stiùireadh beamforming a ghlacadh (raon +/- 50 ° ann an ceumannan 10 °). Bhrùth 75 tomhas gach diog am microcontroller chun ìre as àirde de 100 MIPS. Ceangal. 68, a’ leantainn gu sgaoileadh cumhachd de 11.26 mW airson sgaoileadh cumhachd iomlan de 11.71 mW às deidh dha an tabhartas ADC air bòrd a chuir ris.
Tha dàta a’ toirt taic do thoraidhean an sgrùdaidh seo ri fhaighinn bhon ùghdar fa-leth, FM, ma thèid iarraidh reusanta.
Indiveri, G. & Sandamirskaya, Y. Cho cudromach sa tha àite agus ùine airson giullachd chomharran ann an riochdairean neuromorphic: An dùbhlan a bhith a’ leasachadh riochdairean cumhachd ìosal, fèin-riaghailteach a bhios ag eadar-obrachadh leis an àrainneachd. Indiveri, G. & Sandamirskaya, Y. Cho cudromach sa tha àite agus ùine airson giullachd chomharran ann an riochdairean neuromorphic: An dùbhlan a bhith a’ leasachadh riochdairean cumhachd ìosal, fèin-riaghailteach a bhios ag eadar-obrachadh leis an àrainneachd.Indieri G. agus Sandamirskaya Y. Cho cudromach sa tha àite agus ùine airson giullachd chomharran ann an riochdairean neuromorphic: an dùbhlan a bhith a’ leasachadh riochdairean fèin-riaghlaidh cumhachd ìosal ag eadar-obrachadh leis an àrainneachd. Indieri, G. & Sandamirskaya, Y.空间和时间对于神经形态代理中信号处理的重要性:开发与环境交互的低功耗、自主代理的挑战。 Indieri, G. & Sandamirskaya, Y.Indieri G. agus Sandamirskaya Y. Cho cudromach sa tha àite agus ùine airson giullachd chomharran ann an riochdairean neuromorphic: an dùbhlan a bhith a’ leasachadh riochdairean fèin-riaghlaidh cumhachd ìosal ag eadar-obrachadh leis an àrainneachd.Giullachd chomharran IEEE. Iris 36, 16–28 (2019).
Thorpe, SJ Ùine Ruigsinneachd: Sgeama Còdaidh Lìonra Neural Èifeachdach. ann an Eckmiller, R., Hartmann, G. & Hauske, G. (deas). ann an Eckmiller, R., Hartmann, G. & Hauske, G. (deas).ann an Eckmiller, R., Hartmann, G. agus Hauske, G. (deas.).Ann an Eckmiller, R., Hartmann, G., agus Hauske, G. (deas.). Giullachd co-shìnte ann an siostaman neural agus coimpiutairean 91–94 (North-Holland Elsevier, 1990).
Bidh Levy, WB & Calvert, VG Communication ag ithe 35 uair nas motha de lùth na àireamhachadh anns an cortex daonna, ach tha feum air an dà chosgais gus àireamh synapse a ro-innse. Bidh Levy, WB & Calvert, VG Communication ag ithe 35 uair nas motha de lùth na àireamhachadh anns an cortex daonna, ach tha feum air an dà chosgais gus àireamh synapse a ro-innse.Bidh Levy, WB agus Calvert, WG Communication ag ithe 35 tursan nas lùth na àireamhachadh ann an cortex daonna, ach tha feum air an dà chosgais gus an àireamh de synapses a ro-innse. Levy, WB & Calvert, VG Communication 消耗的能量是人类皮层计算的35 倍，但这两种成本都需要预测测窕逰 Cìs, WB & Calvert, Conaltradh VGBidh Levy, WB agus Calvert, WG Communication a’ caitheamh 35 uair nas motha de lùth na àireamhachadh ann an cortex daonna, ach feumaidh an dà chosgais ro-innse a dhèanamh air an àireamh de synapses.pròiseas. Acadamaidh Nàiseanta Saidheans. an saidheans. Na SA 118, https://doi.org/10.1073/pnas.2008173118 (2021).
Dalgaty, T., Vianello, E., De Salvo, B. & Casas, J. Coimpiutaireachd neuromorphic air a bhrosnachadh le biastagan. Dalgaty, T., Vianello, E., De Salvo, B. & Casas, J. Coimpiutaireachd neuromorphic air a bhrosnachadh le biastagan.Dalgati, T., Vianello, E., DeSalvo, B. agus Casas, J. Coimpiutaireachd neuromorphic air a bhrosnachadh le biastagan.Dalgati T., Vianello E., DeSalvo B. agus Casas J. Coimpiutaireachd neuromorphic air a bhrosnachadh le biastagan. Gnàthach. Beachd. Saidheans meanbh-bhiastagan. 30, 59–66 (2018).
Roy, K., Jaiswal, A. & Panda, P. A dh’ ionnsaigh fiosrachadh inneal stèidhichte air spìc le coimpiutaireachd neuromorphic. Roy, K., Jaiswal, A. & Panda, P. A dh’ ionnsaigh fiosrachadh inneal stèidhichte air spìc le coimpiutaireachd neuromorphic. Roy, K., Jaiswal, A. & Panda, P. A dh’ ionnsaigh fiosrachadh inneal stèidhichte air spike le coimpiutaireachd neuromorphic.Roy K, Jaiswal A, agus Panda P. Eòlas fuadain stèidhichte air Pulse a’ cleachdadh coimpiutaireachd neuromorphic. Nàdar 575, 607–617 (2019).
Indieri, G. & Liu, S.-C. Indieri, G. & Liu, S.-C.Indieri, G. agus Liu, S.-K. Indieri, G. & Liu, S.-C. Indieri, G. & Liu, S.-C.Indieri, G. agus Liu, S.-K.Cuimhne agus làimhseachadh fiosrachaidh ann an siostaman neuromorphic. pròiseas. IEEE 103, 1379–1397 (2015).
Tha Akopyan F. et al. Truenorth: Dealbhadh agus inneal airson chip synaptic prògramaichte 65 mW 1 millean neuron. Eachdraidh prìsean stoc IEEE. Dealbhadh coimpiutair de shiostaman cuairteachaidh aonaichte. 34, 1537–1557 (2015).
Schemmel, J. et al. Demo beò: dreach nas lugha den t-siostam neuromorphic BrainScaleS aig sgèile truinnsear. 2012 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), (IEEE ed.) 702–702 (2012).
Moradi, S., Qiao, N., Stefanini, F. & Indieri, G. Ailtireachd multicore scalable le structaran cuimhne heterogeneous airson pròiseasairean asyncronach neuromorphic fiùghantach (DYNAPs). Moradi, S., Qiao, N., Stefanini, F. & Indieri, G. Ailtireachd multicore scalable le structaran cuimhne heterogeneous airson pròiseasairean asyncronach neuromorphic fiùghantach (DYNAPs).Moradi S., Qiao N., Stefanini F. agus Indiviri G. Ailtireachd multicore scalable le structaran cuimhne heterogeneous airson pròiseasairean asyncronach neuromorphic fiùghantach (DYNAP). Moradi, S. 、 Qiao, N. 、 Stefanini, F. & Indiveri, G. 一 种可扩展的多核架构,具有用于动态神经形态夂(AP)的异构内存结构. Moradi, S. 、 Qiao, N. 、 Stefanini, F. & Indiveri, G. Seòrsa de dh'ailtireachd ioma-cridhe a ghabhas leudachadh, le structar cuimhne sònraichte airson giullachd neural fiùghantach (DYNAP).Moradi S., Qiao N., Stefanini F. agus Indiviri G. Ailtireachd multicore scalable le structaran cuimhne heterogeneous airson pròiseasairean asyncronach neuromorphic fiùghantach (DYNAP).Gnìomhan IEEE air saidheans bith-mheidigeach. siostam dealain. 12, 106–122 (2018).
Davis, M. et al. Loihi: Pròiseasar ioma-cridhe neuromorphic le ionnsachadh freumhaichte. IEEE Micro 38, 82–99 (2018).
Furber, SB, Galluppi, F., Teampall, S. & Plana, LA Am pròiseact SpiNNaker. Furber, SB, Galluppi, F., Teampall, S. & Plana, LA Am pròiseact SpiNNaker.Ferber SB, Galluppi F., Teampall S. agus pròiseact Plana LA SpiNNaker.Ferber SB, Galluppi F., Teampall S. agus pròiseact Plana LA SpiNNaker. pròiseas. IEEE 102, 652–665 (2014).
Liu, S.-K. & Delbruck, T. Siostaman mothachaidh neuromorphic. & Delbruck, T. Siostaman mothachaidh neuromorphic.agus Delbrück T. Siostaman mothachaidh neuromorphic. & Delbruck, T. 神经形态感觉系统. & Delbruck, T.agus Delbrück T. Siostam mothachaidh neuromorphic.Gnàthach. Beachd. Neurobiology. 20, 288–295 (2010).
Chope, T. et al. Amalachadh mothachaidh neuromorphic airson sgìreachadh stòr fuaim còmhla agus seachnadh thubaistean. Ann an 2019 aig Co-labhairt IEEE air Cuairtean agus Siostaman Bith-mheidigeach (BioCAS), (IEEE Ed.) 1–4 (2019).
Risi, N., Aimar, A., Donati, E., Solinas, S. & Indiveri, G. Ailtireachd neuromorphic stèidhichte air spìc de lèirsinn stereo. Risi, N., Aimar, A., Donati, E., Solinas, S. & Indiveri, G. Ailtireachd neuromorphic stèidhichte air spìc de lèirsinn stereo.Risi N, Aymar A, Donati E, Solinas S, agus Indiveri G. Ailtireachd stereovision neuromorphic stèidhichte air spike. Risi, N., Aimar, A., Donati, E., Solinas, S. & Indiveri, G. 一种基于脉冲的立体视觉神经形态结构。 Risi, N., Aimar, A., Donati, E., Solinas, S. & Indiveri, G.Risi N, Aimar A, Donati E, Solinas S, agus Indieri G. Ailtireachd neuromorphic stèidhichte air Spike airson lèirsinn stereo.aghaidh. Neurorobotics 14, 93 (2020).
Osswald, M., Ieng, S.-H., Benosman, R. & Indiveri, G. Modail lìonra neural spìosrach de 3Dperception airson siostaman lèirsinn stereo neuromorphic stèidhichte air tachartas. Osswald, M., Ieng, S.-H., Benosman, R. & Indiveri, G. Modail lìonra neural spìosrach de 3Dperception airson siostaman lèirsinn stereo neuromorphic stèidhichte air tachartas.Oswald, M., Ieng, S.-H., Benosman, R., agus Indiveri, G. Modail Seallaidh Lìonra Neural Pulsed 3D airson Siostaman Lèirsinn Stereo Neuromorphic stèidhichte air Tachartas. Osswald, M., Ieng, S.-H., Benosman, R. & Indiveri, G. Osswald, M., Ieng, S.-H., Benosman, R. & Indiveri, G. 3Dperception 脉冲神经网络模型.Oswald, M., Ieng, S.-H., Benosman, R., agus Indiveri, G. Modail Lìonra Neural spiked 3Dperception airson Siostam Lèirsinn Stereo Neuromorphic stèidhichte air Tachartas.an saidheans. Aithisg 7, 1–11 (2017).
Dalgaty, T. et al. Tha lorg gluasad bunaiteach air a bhrosnachadh le biastagan a’ toirt a-steach cuimhne resistive agus lìonraidhean neural bursty. Bionic biohybrid siostam. 10928, 115–128 (2018).
D'Angelo, G. et al. Lorg gluasad annasach stèidhichte air tachartas a’ cleachdadh còdadh eadar-dhealachaidh ùineail. aghaidh. Neurology. 14, 451 (2020).