Codsiyada habaynta xogta adduunka dhabta ah waxay u baahan yihiin nidaamyo kombuyuutar oo kooban, daahsoon, iyo awood hoose. Iyada oo la raacayo awoodaha xisaabinta ee ay wado dhacdo, biraha-oxide-semiconductor-ka-dhamaystirka memristive neuromorphic architectures ayaa bixiya aasaas qalabeed ku habboon hawlahan. Si loo muujiyo kartida buuxda ee nidaamyadan oo kale, waxaanu soo jeedinaynaa oo aanu si tijaabo ah u muujinaynaa xal habaysan oo dhamaystiran oo loogu talagalay codsiyada meelaynta shayga dhabta ah. Anaga oo ka soo jiidannay dhiirigelin ka timid guumaystaha neuroanatomy, waxaanu soo saarnay hab-nololeed-bioinspired, oo ah hab-meelaynta shayga ay wadaan dhacdada kaas oo isku daraya beddelaha qalabka-dhamaadka-makromechanical piezoelectric oo leh garaaf-ku-salaysan xusuusta iska caabinta neuromorphic. Waxaan tusnaa cabbiraadaha hab la soo dhoodhoobay oo ay ku jiraan qalabka wax baadha shil ee iska caabinta ku salaysan, xariiqda dib u dhigista, iyo transducer ultrasonic si buuxda loo habeyn karo. Waxaan u isticmaalnaa natiijooyinkan tijaabada ah si aan u cabbirno jilitaanka heerka nidaamka. Shayga ayaa markaa loo isticmaalaa in lagu qiimeeyo xallinta xagasha iyo waxtarka tamarta ee qaabka meelaynta shayga. Natiijooyinku waxay muujinayaan in habkayagu uu noqon karo dhawr amar oo baaxad weyn oo tamar ka waxtar badan marka loo eego microcontrollers ee fulinaya isla hawl isku mid ah.
Waxaan galeynaa xilli xisaabinta meel walba ay tahay iyadoo tirada aaladaha iyo nidaamyada la diray ay si aad ah u korayaan si ay nooga caawiyaan nolol maalmeedkeena. Nidaamyadan ayaa la filayaa inay si joogto ah u shaqeeyaan, iyagoo isticmaalaya awoodda ugu yar ee suurtogalka ah iyadoo la baranayo fasiraadda xogta ay ka soo ururiyaan dareemayaal badan wakhtiga dhabta ah oo ay soo saaraan wax soo saarka binary taasoo ka dhalatay kala soocida ama hawlaha aqoonsiga. Mid ka mid ah tillaabooyinka ugu muhiimsan ee loo baahan yahay si loo gaaro yoolkan waa in laga soo saaro xog faa'iido leh oo kooban oo laga helayo xogta buuqa iyo inta badan aan dhamaystirnayn. Hababka injineernimada caadiga ah waxay caadi ahaan muunadeeyaan calaamadaha dareemayaasha si joogto ah oo sarreeya, iyagoo soo saaraya xaddi badan oo xog ah xitaa haddii aysan jirin wax-soo-saarka waxtarka leh. Intaa waxaa dheer, hababkani waxay isticmaalaan farsamooyinka farsamaynta calaamadaha dhijitaalka ah ee adag si ay u sii diyaariyaan xogta gelinta (inta badan buuqa badan). Taa baddalkeeda, bayoolajigu wuxuu bixiyaa xalal kale oo lagu farsameeyo xogta dareenka buuqa leh iyadoo la adeegsanayo tamar-ku-ool ah, aan isku mid ahayn, habab-dhacdooyin-kooxeed (spikes)2,3. Xisaabinta Neuromorphic waxay ka qaadataa dhiirigelinta nidaamyada bayoolojiga si loo yareeyo kharashyada xisaabinta marka la eego shuruudaha tamarta iyo xusuusta marka la barbar dhigo hababka hab-socodka calaamadaha dhaqameed4,5,6. Dhowaan, habab maskaxeed ku salaysan ujeedo cusub oo guud oo fulinaya shabakadaha neerfaha (TrueNorth7, BrainScaleS8, DYNAP-SE9, Loihi10, Spinnaker11) ayaa la soo bandhigay. Soo-saareyaashani waxay bixiyaan awood hoose, xalal daahitaan hoose oo loogu talagalay barashada mashiinka iyo qaabaynta wareegga kortikal. Si ay si buuxda uga faa'iidaystaan waxtarkooda tamar, soo-saareyaashan neuromorphic waa inay si toos ah ugu xidhmaan dareemayaasha dhacdada-drive12,13. Si kastaba ha ahaatee, maanta waxaa jira dhowr qalab oo taabasho ah oo si toos ah u bixiya xogta ay wado dhacdada. Tusaalooyinka caanka ah waa dareemayaasha muuqaalka firfircoon (DVS) ee codsiyada aragga sida raadinta iyo ogaanshaha dhaqdhaqaaqa14,15,16,17 silikoon cochlea18 iyo dareemayaasha maqalka ee neuromorphic (NAS) 19 ee habka maqalka maqalka, dareemayaasha urta20 iyo tusaalooyin badan21,22 taabashada. . dareemayaasha texture.
Warqadan, waxaanu ku soo bandhigaynaa hab cusub oo la sameeyay oo habayn dhegaysi maqal oo lagu dabaqay meelaynta shayga. Halkan, markii ugu horeysay, waxaan ku qeexaynaa nidaamka dhamaadka-ilaa-dhamaadka ee sheyga deegaanaynta ee la helay iyadoo la isku xirayo qalab casri ah oo piezoelectric micromachined ultrasonic transducer (pMUT) oo leh garaaf xisaabeed oo ku salaysan xusuusta iska caabinta neuromorphic (RRAM). Nashqadaha xisaabinta xusuusta gudaha ee isticmaalaya RRAM waa xal rajo leh oo lagu dhimayo isticmaalka tamarta23,24,25,26,27,28,29. Isbedbeddella'aantooda asalka ah-aan u baahnayn isticmaalka tamarta firfircoon si loo kaydiyo ama loo cusboonaysiiyo macluumaadka - waa ku habboonaanta dabeecadda asynchronous, dabeecadda ay wadaan ee xisaabinta neuromorphic, taasoo keentay in isticmaalka koronto uusan jirin marka nidaamku shaqo la'aan yahay. Transducers ultrasonic Piezoelectric micromachined ultrasonic transducers (pMUTs) waa raqiis, transducers ultrasonic ku salaysan silikoon yar oo awood u leh inay u dhaqmaan sidii gudbiyeyaal iyo qaatayaal30,31,32,33,34. Si loo habeeyo calaamadaha ay heleen dareemayaasha ku dhex jira, waxaan ka soo qaadnay dhiirigelin ka timid guumays barn neuroanatomy35,36,37. Guryaha barn ee Tyto alba waxaa lagu yaqaanaa awoodeeda ugaarsiga habeenka ee cajiibka ah iyadoo ay ugu wacan tahay nidaamka meelaynta maqalka oo aad u hufan. Si loo xisaabiyo meesha ugaadha lagu hayo, nidaamka deegaanaynta guumaystaha barn-ku waxa uu dhigayaa wakhtiga duulimaadka (ToF) marka mowjadaha dhawaqa ka imanaya ugaadhsiga ay gaadhaan mid kasta oo ka mid ah dhegaha guumaystaha ama cod-qaadayaasha. Marka la eego masaafada u dhaxaysa dhegaha, farqiga u dhexeeya labada cabbir ee ToF (Interaural Time Difference, ITD) ayaa suurtogal ka dhigaya in si lafagur ah loo xisaabiyo booska azimuth ee bartilmaameedka. In kasta oo hababka bayoolojigu ay aad ugu habboon yihiin xallinta isla'egyada aljabrada, waxay si waxtar leh u xallin karaan dhibaatooyinka meelaynta. Nidaamka neerfaha ee guumaystaha barn waxa uu isticmaalaa set oo ah ogaanshaha shilka (CD) 35 neurons (ie, neerfayaasha awood u leh in ay ogaadaan xidhiidhka ku meel gaadhka ah ee ka dhexeeya cirbadaha kuwaas oo hoos u faafaya ilaa dhamaadka xiisaha isku dhafan)38,39 oo loo habeeyey garaafyo xisaabeed si loo xalliyo dhibaatooyinka meelaynta.
Cilmi-baaris hore ayaa muujisay in qalabka birta-oxide-semiconductor (CMOS) ee qalabka iyo RRAM-ku salaysan neuromorphic hardware ay dhiirigelisay colliculus hoose ("kortex maqal") ee guumaystaha barn waa hab wax ku ool ah oo lagu xisaabiyo booska iyadoo la adeegsanayo ITD13, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46. Si kastaba ha ahaatee, suurtogalnimada hababka neuromorphic oo dhamaystiran oo isku xira Tilmaamaha maqalka ee garaafyada xisaabinta neuromorphic weli lama muujin. Dhibaatada ugu weyni waa kala duwanaanshiyaha asalka ah ee wareegyada CMOS ee analooga ah, kaas oo saameeya saxnaanta ogaanshaha ciyaarta. Dhawaan, hirgelinta tirooyin beddelka ah ee qiyaasaha ITD47 ayaa la muujiyay. Warqadan, waxaan ku soo jeedineynaa in la isticmaalo awoodda RRAM si loo beddelo qiimaha dhaqdhaqaaqa si aan isbeddel lahayn si looga hortago isbeddelka wareegyada analoogga. Waxaan hirgelinay nidaam tijaabo ah oo ka kooban hal pMUT xuubka gudbinta oo ku shaqeeya inta jeer ee 111.9 kHz, laba pMUT oo hela xuubka (dareemaha) ee isu ekaysiinaya dhegaha guumaystaha, iyo hal . Waxaanu si tijaabo ah u astaysanay nidaamka ogaanshaha pMUT iyo garaafka xisaabinta ITD-ku salaysan ee RRAM si aanu u tijaabino nidaamkeena meelaynta oo aanu u qiimayno xalintiisa xagal.
Waxaan isbarbar dhignaa habkayaga iyo hirgelinta dhijitaalka ah ee microcontroller oo fulinaya isla hawsha deegaanaynta iyadoo la adeegsanayo hab-samaynta alwaaxyada caadiga ah ama hababka neuromorphic, iyo sidoo kale bar-bar-bar-aamineedka albaabbada (FPGA) ee qiyaasta ITD ee lagu soo jeediyay tixraaca. 47. Isbarbardhiggani wuxuu muujinayaa waxtarka awoodda tartanka ee nidaamka neuromorphic analog ee RRAM ee la soo jeediyay.
Mid ka mid ah tusaalooyinka ugu yaabka badan ee nidaamka deegaanaynta shay sax ah oo hufan waxa laga heli karaa owl35,37,48. Makhribka iyo waaberiga, guumaystaha barn (Tyto Alba) waxay ugu horreyntii ku tiirsan yihiin dhegeysi dadban, si firfircoon u raadsada ugaadh yar sida fiilooyin ama jiirar. Khubaradan maqalka ahi waxay soo dejin karaan calaamadaha maqalka ee ugaadhsiga si sax ah oo yaab leh (qiyaastii 2°)35, sida ku cad sawirka 1a. Guumaystaha Barn waxay ka fiirsadaan meesha ilaha dhawaaqa ee azimuth (horizontal) diyaaradda marka loo eego farqiga wakhtiga duulimaadka (ITD) ee isha codka ilaa labada dhegood. Habka xisaabinta ITD waxaa soo jeediyay Jeffress49,50 kaas oo ku tiirsan joomatari neerfaha wuxuuna u baahan yahay laba qaybood oo muhiim ah: axon, fiber neerfaha neerfaha oo u dhaqma sidii khadka daahista, iyo noocyo kala duwan oo dareemayaasha shilka ah oo loo habeeyey hab xisaabeed. garaafka sida ku cad sawirka 1b. Codku wuxuu dhegta ku gaaraa daahitaanka wakhtiga azimuth ku tiirsanaanta (ITD). Codka ayaa markaa loo beddelaa qaab bir ah oo dheg kasta ah. Axonnada dhegaha bidix iyo midig waxay u dhaqmaan sidii khadadka daahista waxayna isugu yimaadaan neerfayaasha CD-ga. Aragti ahaan, hal neuron oo isku xidhan oo isku-habboon ayaa heli doona gelinta markiiba (halkaas oo daahitaanku si sax ah u baabi'iyo) oo ay u shidi doonaan ugu badnaan (unugyada deriska ah sidoo kale way shidi doonaan, laakiin inta jeer ee hoose). Firfircoonida neurons-yada qaarkood waxay qeexaysaa booska bartilmaameedka ee meel bannaan iyada oo aan loo beddelin ITD-ga xaglaha. Fikradan waxaa lagu soo koobay Jaantuska 1c: tusaale ahaan, haddii codku ka imanayo dhinaca midig marka calaamadda gelinta ee dhegta midig ay u socoto waddo ka dheer jidka dhegta bidix, magdhowga tirada ITDs, tusaale ahaan. marka neuron 2 ku habboon. Si kale haddii loo dhigo, CD kastaa wuxuu ka jawaabaa ITD gaar ah (sidoo kale loo yaqaan daahitaanka ugu wanaagsan) sababtoo ah daahitaanka axonal. Markaa, maskaxdu waxay u beddeshaa macluumaadka ku meel gaadhka ah oo u beddela macluumaad meel bannaan. Caddaynta anatomical ee habkan ayaa la helay37,51. Neurons-ka-xiran ee macronucleus-ka waxay kaydiyaan macluumaadka ku meel gaarka ah ee ku saabsan dhawaaqyada soo socda: sida magacooda ka muuqata, waxay dab ku qaadaan wejiyada calaamadaha qaarkood. Dareemayaasha shilka ah ee qaabka Jeffress waxaa laga heli karaa xudunta laminarka. Waxay macluumaadka ka helaan neerfayaasha macronuclear, kuwaas oo axons u dhaqmaan sida khadadka dib u dhac. Qadarka daahitaanka ee ay bixiso xariiqda daahitaanka waxaa lagu sharxi karaa dhererka axon, iyo sidoo kale qaab kale oo myelination ah oo beddelaya xawaaraha socodka. Waxaa dhiirigeliyay habka maqalka ee guumaystaha barn-ka, waxaanu samaynay nidaam biomimetic ah oo loogu talagalay meelaynta walxaha. Labada dhegood waxaa matalaya laba qaata pMUT. Isha codku waa gudbiyaha pMUT ee dhexdooda ku yaal (Jaantuska 1a), garaafka xisaabinta waxaa sameeyay shabaqyo CD-yo ah oo ku salaysan RRAM (Jaantus. 1b, cagaar), oo ciyaaraya doorka neerfaha CD-ga kuwaas oo wax-soo-gelintooda dib loo dhigay. iyada oo loo marayo wareegga, xariiqyada dib u dhigista (buluug) waxay u dhaqmaan sida axon ee dhiggiisa noolaha. Nidaamka dareenka la soo jeediyay wuxuu ka duwan yahay inta jeer ee hawlgalka iyo kan guumaysta, kaas oo habka maqalkiisu uu ku shaqeeyo 1-8 kHz, laakiin pMUT dareemayaasha ka shaqeeya qiyaastii 117 kHz ayaa loo isticmaalaa shaqadan. Xulashada transducer ultrasonic waxaa loo tixgeliyaa iyadoo loo eegayo shuruudaha farsamada iyo hagaajinta. Marka hore, ku xaddidida xajinta xadhkaha xadhkaha goosashada ee hal jeer ayaa si fiican u wanaajisa saxnaanta cabbirka waxayna fududaynaysaa tillaabada habaynta ka dib. Intaa waxaa dheer, qalliinka ultrasound ayaa faa'iido u leh in garaaca garaaca wadnaha aan la maqli karin, sidaas darteed ha dhibin dadka, sababtoo ah qiyaasta maqalkoodu waa ~ 20-20 kHz.
guumaystaha maqsinku waxa ay heshaa mowjado dhawaaq ah oo ka imanaya bartilmaameedka, xaaladdan oo kale waxay guuraysaa ugaadhsi. Waqtiga duulimaadka (ToF) ee mowjadda dhawaaqu way ka duwan tahay dheg kasta (haddii uusan ugaadhsigu si toos ah uga horrayn guumaystaha). Xariiqda dhibco leh ayaa tuseysa waddada ay mawjadaha dhawaaqa u maraan si ay u gaaraan dhegaha guumaystaha maqsinka. Ugaadhsiga ayaa si sax ah loogu meelayn karaa diyaaradda jiifta iyadoo lagu saleynayo farqiga dhererka ee u dhexeeya labada waddo ee dhawaaqa iyo farqiga u dhigma wakhtiga interaural (ITD) (sawirka bidix waxa dhiirigeliyay tixraac 74, xuquuqda daabacaadda 2002, Society for Neuroscience). Nidaamkeena, gudbiyaha pMUT (buluug madow) wuxuu abuuraa mowjado dhawaaq ah oo ka soo booda bartilmaameedka. Mowjadaha ultrasound ee muuqda waxaa helaya laba qaata pMUT (cagaar khafiif ah) waxaana lagu farsameeyaa processor-ka neuromorphic (midig). Qaab xisaabeedka ITD (Jeffress) oo qeexaya sida dhawaqyada soo galaya dhegaha guumaystaha marka hore loogu codeeyay sidii weji-xiran oo ka samaysan xudunta wayn (NM) ka dibna la isticmaalayo jaangooyo joomatari ah oo habaysan oo ah neerfayaasha dareemayaasha lamellar nucleus. Processing (Netherlands) (bidix). Sawirka garaafka xisaabinta neuroITD ee isku daraya khadadka daahitaanka iyo neerfayaasha ogaanshaha shil, nidaamka biosensor-ka guumaysku waxa lagu qaabayn karaa iyadoo la adeegsanayo wareegyada neuromorphic-ku salaysan ee RRAM (midig). c Schematic ee habka ugu muhiimsan ee Jeffress, farqiga u dhexeeya ToF awgeed, labada dhegood waxay helayaan kicinta dhawaaqa wakhtiyo kala duwan waxayna u diraan faashado ka soo jeeda labada daraf ilaa qalabka wax baadha. Axon-yadu waa qayb ka mid ah taxane dareemayaal-wax-sheege (CD), oo mid walba si xushmad leh uga jawaaba gelinta waqti-ku-xiran. Natiijo ahaan, CD-yada wax-soo-gelinta ay la yimaadaan farqiga wakhtiga ugu yar ayaa si weyn u faraxsan (ITD waa la magdhabaa). CD-gu wuxuu markaas codeeyn doonaa booska xagal ee bartilmaameedka.
Transducers Piezoelectric micromechanical ultrasonic transducers waa transducers ultrasonic scalable kuwaas oo lagu dhex dari karo technology CMOS horumarsan31,32,33,52 oo leh danab bilowga ah iyo isticmaalka tamarta hoose ka badan transducers mugga dhaqanka53. Shaqadeena, dhexroorka xuubku waa 880 µm, inta jeer ee resonant ayaa loo qaybiyaa inta u dhaxaysa 110-117 kHz (Jaantus. 2a, eeg hababka faahfaahinta). Dufcaddii tobanka qalab ee tijaabada ah, celceliska tayada tayada waxay ahayd ilaa 50 (Tixraac 31). Tignoolajiyada ayaa gaadhay qaan-gaadhka warshadaha mana aha mid noole-dhaqaale ah halkii se. Isku darka macluumaadka filimada pMUT ee kala duwan waa farsamo si fiican loo yaqaan, iyo macluumaadka xagasha waxaa laga heli karaa pMUT-yada iyadoo la adeegsanayo, tusaale ahaan, farsamooyinka bimaynta31,54. Si kastaba ha ahaatee, farsamaynta calaamadaha loo baahan yahay si loo soo saaro macluumaadka xagasha kuma habboona cabbirada awoodda hoose. Nidaamka la soo jeediyay wuxuu isku daraa xogta neuromorphic ee diyaarinta wareegga pMUT oo leh garaaf kombuyuutar neuromorphic ah oo ku salaysan RRAM oo uu dhiirigeliyay moodalka Jeffress (Jaantus 2c), oo bixisa tamar-wax-ku-ool ah oo beddelka ah iyo xalka qalabka xaddidan ee kheyraadka. Waxaanu samaynay tijaabo kaas oo laba dareemayaal pMUT la dhigay qiyaastii 10 sentimitir isu jira si looga faa'iidaysto dhawaaqyada kala duwan ee ToF ee ay heleen labada xuub ee helaya. Mid ka mid ah pMUT oo u dhaqmaya sidii gudbiye ayaa u dhex fadhiya aqbaleyaasha. Bartilmaameedku wuxuu ahaa saxan PVC ah oo ballaciisu yahay 12 cm, oo ku yaal meel fog D ee hore ee aaladda pMUT (Jaantus. 2b). Qaaduhu wuxuu diiwaangeliyaa codka ka muuqda shayga wuxuuna ka falceliyaa intii suurtagal ah inta lagu jiro marinka hirarka dhawaaqa. Ku celi tijaabada adiga oo bedelaya booska shayga, waxaa lagu go'aamiyaa masaafada D iyo xagasha θ. Waxaa dhiirigeliyay xiriiriye 55, waxaanu soo jeedinaynaa habayn hore oo neuromorphic ah oo ah calaamadaha cayriin ee pMUT si loogu beddelo hirarka muuqda meelaha ugu sarreeya si loo galo garaafka xisaabinta neuromorphic. ToF-ga u dhigma baaxadda ugu sarreysa waxaa laga soosaaraa mid kasta oo ka mid ah labada kanaal waxaana loo calaamadeeyay sida waqtiga saxda ah ee qofka ugu sarreeya. On berde. 2c waxay tusinaysaa wareegga loo baahan yahay in lagu dhex geliyo dareeraha pMUT oo leh garaaf xisaabeed ku salaysan RRAM: mid kasta oo ka mid ah labada pMUT qaata, calaamada cayriin waa band-pass si loo sifeeyo, loo saxo, ka dibna loo gudbiyo is-dhexgalka qulqulaya ee habka ka adkaanta. marinka firfircooni leh (Jaantuska 2d) wuxuu abuuraa dhacdo wax soo saar leh (siken) iyo rasaas (LIF) neuron: wakhtiga sare u kaca wax-soo-saarka wuxuu qeexayaa wakhtiga duulimaadka ee la ogaaday. Xadka LIF waxaa lagu jaangooyay jawaabta pMUT, si loo yareeyo kala duwanaanshiyaha pMUT ee aaladda. Habkan, halkii aad ku kaydin lahayd dhammaan mowjadaha dhawaaqa ee xusuusta oo aan ka baaraandegi lahayn hadhow, waxaan si fudud u dhalineynaa heerka ugu sarreeya ee u dhigma ToF ee mowjadda dhawaaqa, taas oo ka dhigaysa gelinta garaafka xisaabinta xusuusta iska caabinta. Sariiraha waxaa si toos ah loogu diraa xariiqyada dib u dhaca waxaana barbar socda qaybaha ogaanshaha ciyaarta ee garaafyada xisaabinta neuromorphic. Sababtoo ah waxaa loo diraa irdaha transistor-ka, looma baahna wareegyo dheeri ah oo dheeri ah (fiiri sawirka dheeraadka ah ee 4 wixii faahfaahin ah). Si loo qiimeeyo saxnaanta xaglaha degenaansho ee ay bixiso pMUT iyo habka soo jeedinta calaamadaynta, waxaanu cabbirnay ITD (taas oo ah, farqiga u dhexeeya wakhtiga u dhexeeya dhacdooyinka ugu sarreeya ee ay abuuraan laba qaata) maaddaama masaafada iyo xagasha shayga ay kala duwan yihiin. Falanqaynta ITD ayaa markaa loo beddelay xaglo (fiiri Hababka) waxaana loo qorsheeyey ka soo horjeeda booska shayga: hubaal la'aanta ITD ee la qiyaasay ayaa kordhay masaafada iyo xagasha shayga (Jaantus. 2e,f). Dhibaatada ugu weyni waa saamiga ugu sarreeya-ilaa-qeylada (PNR) ee jawaabta pMUT. Marka uu shaygu sii dheeraado, ayaa hoos u dhigaya calaamada acoustic-ga, taas oo hoos u dhigaysa PNR (Jaantus. 2f, khadka cagaaran). Hoos u dhaca PNR wuxuu keenaa kororka hubin la'aanta qiyaasta ITD, taasoo keentay kororka saxnaanta deegaanaynta (Jaantus. 2f, khad buluug ah). Shayga fogaan ah 50 cm u jira gudbiyaha, saxnaanta xagasha ee nidaamku waa ku dhawaad 10°. Xaddidaaddan lagu soo rogay sifooyinka dareenka waa la hagaajin karaa. Tusaale ahaan, cadaadiska uu soo diro emitter-ku waa la kordhin karaa, taas oo kordhinaysa korontada wadista xuubka pMUT. Xalka kale ee lagu xoojinayo calaamadda la kala qaado waa in lagu xiro gudbiyeyaal badan 56. Xalalkani waxay kordhin doonaan qiyaasta ogaanshaha kharashka kororka kharashka tamarta. Horumarin dheeri ah ayaa lagu samayn karaa dhinaca hesha. Dabaqa qaylada qaataha pMUT si weyn ayaa loo yarayn karaa iyadoo la wanaajiyo xidhiidhka ka dhexeeya pMUT iyo cod-weyneeye heerka koowaad, kaas oo hadda lagu sameeyo isku xirka fiilooyinka iyo fiilooyinka RJ45.
Sawir kristal pMUT ah oo leh lix 880 µm xuub oo lagu dhex daray 1.5 mm garoonka. b Jaantuska habaynta cabbirka. Bartilmaameedku wuxuu ku yaalaa booska azimuth θ iyo fogaanta D. Gudbiyaha pMUT wuxuu abuuraa calaamad 117.6 kHz ah taas oo ka soo kacda bartilmaameedka oo gaarta laba pMUT qaatayaal leh waqti kala duwan oo duulimaad ah (ToF). Farqigaas, oo lagu qeexay kala duwanaanshaha waqtiga-maqalka (ITD), wuxuu qeexayaa booska shay waxaana lagu qiyaasi karaa iyadoo la qiyaasayo jawaabta ugu sarreysa ee labada dareeme ee qaataha. c Qaabaynta tillaabooyinka hore u socodsiinta ee loogu beddelayo calaamadda pMUT cayriin ee isku xigxiga (tusaale gelinta garaafka xisaabinta neuromorphic). Dareemayaasha pMUT iyo garaafyada xisaabinta neuromorphic ayaa la sameeyay oo la tijaabiyay, iyo habaynta neuromorphic ka hor waxay ku saleysan tahay jilitaanka software. d Ka jawaabida xuubka pMUT marka la helo calaamad e Tijaabada meelaynta saxnaanta xagal sida shaqada xagasha shayga (Θ) iyo fogaanta (D) shayga la beegsaday. Habka soo saarista ITD wuxuu u baahan yahay xal xagal ah ugu yaraan 4°C. f Saxnaanta xagasha (khadka buluuga ah) iyo saamiga u dhigma ee ugu sarreeya-ilaa-qeylada (khadka cagaaran) iyo masaafada shayga ee Θ = 0.
Xusuusta iska caabinta waxay ku kaydisaa macluumaadka xaalad aan kacsanayn. Mabda'a aasaasiga ah ee habka ayaa ah in wax ka beddelka walxaha heerka atomigu uu keeno isbeddel ku yimaada korantada57. Halkan waxaan ku isticmaalnaa xusuusta iska caabinta oksaydh-ku-saleysan oo ka kooban lakab 5nm ah oo hafnium dioxide sandwich ah oo u dhexeeya titaniumka sare iyo kan hoose iyo titanium nitride electrodes. Dhaqdhaqaaqa aaladaha RRAM waxa lagu bedeli karaa iyadoo la adeegsado qaab hirarka hadda/voltage ah ee abuura ama jebiya filaha hawada ee bannaannada ogsijiinta ee u dhexeeya electrodes-ka. Waxaan isku darnay aaladahaas58 habka caadiga ah ee 130 nm CMOS si aan u abuurno wareegga neuromorphic ee dib-u-habayn lagu samayn karo oo la farsameeyay oo fulinaya baaraha shilka ah iyo wareegga xariiqda daahitaanka (Jaantus. 3a). Dabeecadda aan isbeddelin iyo analoogga ee qalabka, oo ay weheliso dabeecadda dabeecadda ee wareegga neuromorphic, waxay yareysaa isticmaalka awoodda. Wareeggu wuxuu leeyahay shaqo degdeg ah oo shid/dami: waxay shaqeysaa isla markiiba ka dib marka la shido, taasoo u oggolaanaysa in korontadu si buuxda loo damiyo marka wareeggu aanu shaqayn. Dhismayaasha ugu muhiimsan ee qorshaha la soo jeediyay ayaa lagu muujiyay berdaha. 3b. Waxay ka kooban tahay qaab-dhismeedyada isku midka ah hal-iska-caabbinta hal-transistor (1T1R) kuwaas oo qeexaya miisaannada synaptik ee laga soo qaado qulqulka miisaanka leh, lagu duraa synapse-ka caadiga ah ee isku-darka lammaanaha kala duwan (DPI)59, oo ugu dambeyntii lagu duro synapse-ka is-dhexgalka iyo daadsanaan. firfircoon (LIF) neuron 60 (eeg hababka wixii faahfaahin ah). Kordhinta wax-soo-gelinta waxaa lagu dabaqaa albaabka qaab-dhismeedka 1T1R ee qaabka isku xigxiga ee garaaca korantada oo leh muddada amarka boqolaal nanoseconds. Xasuusta iska caabinta waxaa lagu dhejin karaa xaalad sare oo conductive (HCS) iyada oo la adeegsanayo tixraac dibadeed oo togan Vtop marka Vbottom dhulka la dhigo, oo dib loogu dejiyo xaalad hooseysa (LCS) iyada oo la marinayo danab togan Vbottom marka Vtop la dejiyo. Celceliska qiimaha HCS waxa lagu xakamayn karaa iyada oo la xaddidayo wakhtiga hadda jira ee barnaamijka (u hoggaansanaanta) SET (ICC) iyada oo la xaddidayo tamarta isha-albaabka ee transistor-ka taxanaha ah (Jaantus. 3c). Hawlaha RRAM ee wareeggu waa laba laab: waxay toosiyaan oo miisaanaan garaacyada wax-gelinta.
Sawirka mikroskoob ee elektarooniga ah (SEM) ee qalabka buluuga ah ee HfO2 1T1R RRAM oo lagu dhex daray 130 nm tignoolajiyada CMOS oo leh transistor-dooriye (650 nm ballaaran) oo cagaar ah. b Qaybaha aasaasiga ah ee dhismaha qaabdhismeedka neuromorphic ee la soo jeediyay. Gawaarida korantada ee wax-soo-saarka (ugu sarreeya) Vin0 iyo Vin1 waxay cunaan Iweight hadda, taas oo u dhiganta korantada dawladaha G0 iyo G1 ee qaab dhismeedka 1T1R. Hadda waxa lagu duraa DPI synapses oo ay kicisaa dareemayaasha LIF. RRAM G0 iyo G1 waxa lagu rakibay HCS iyo LCS siday u kala horreeyaan. c Shaqada cufnaanta wax-qabadka isugeynta ee koox ka kooban 16K RRAM aaladaha sida shaqada ICC isku dhigma hadda, kaas oo si wax ku ool ah u xakameynaya heerka qabashada. d Cabbirrada wareegga (a) oo muujinaya in G1 (LCS) ay si wax ku ool ah u xannibayso wax-soo-saarka Vin1 (cagaaran), iyo runtii korantada xuubka neuron-ka ee wax-soo-saarka ayaa ka jawaabaya oo keliya gelinta buluugga ah ee Vin0. RRAM waxay si wax ku ool ah u go'aamisaa isku xirka wareegga. e Cabbirka wareegga (b) oo muujinaya saamaynta qiimaha haynta G0 ee danab xuubka Vmem ka dib marka la isticmaalo garaaca garaaca Vin0. Inta badan hab-dhaqanka, jawaabtu way sii xoogaysanaysaa: sidaas darteed, qalabka RRAM wuxuu hirgeliyaa miisaanka isku xirka I/O. Cabbiraad ayaa lagu sameeyay wareegga oo waxay muujinayaan shaqada laba-geesoodka ah ee RRAM, jiheynta iyo miisaanida garaaca wadnaha.
Marka hore, maadaama ay jiraan laba dawladood oo maamuleed aasaasi ah (HCS iyo LCS), RRAM-yadu way xannibi karaan ama way seegi karaan garaaca garaaca marka ay ku jiraan gobollada LCS ama HCS, siday u kala horreeyaan. Natiijo ahaan, RRAM waxay si wax ku ool ah u go'aamisaa isku xirka wareegga. Tani waa aasaaska lagu awoodo in dib loo habeeyo dhismaha. Si aan taas u muujino, waxaan ku tilmaami doonaa hirgelinta wareegtada la sameeyay ee wareegga wareegga ee sawirka 3b. RRAM-ka u dhigma G0 waxa lagu habeeyey HCS, ka labaadna RRAM G1 waxa lagu habeeyey LCS. Tuubooyinka wax-soo-gelinta waxa lagu dabaqaa labada Vin0 iyo Vin1. Saamaynta laba isku xigxiga ee garaaca garaaca wadnaha ayaa lagu falanqeeyay neerfayaasha wax soo saarka iyada oo la ururinayo danab xuubka neerfaha iyo calaamada wax soo saarka iyadoo la adeegsanayo oscilloscope. Tijaabadu waxay ku guulaysatay markii kaliya aaladda HCS (G0) lagu xidhay garaaca neuron-ka si loo kiciyo kacsanaanta xuubka. Tan waxa lagu muujiyey Jaantuska 3d, halkaas oo tareenka garaaca wadnaha buluuga ah uu keeno korantada xuubka inay ku ururto capacitor xuubka, halka tareenka garaaca wadnaha cagaaran uu ilaalinayo tamarta xuubka si joogto ah.
Shaqada labaad ee muhiimka ah ee RRAM waa hirgelinta miisaanka isku xirka. Isticmaalka isku-habaynta is-habaynta analoogga ee RRAM, xidhiidhada I/O ayaa loo miisaami karaa si waafaqsan. Tijaabadii labaad, aaladda G0 waxaa loo qorsheeyay heerar kala duwan oo HCS ah, iyo garaaca garaaca wadnaha ayaa lagu dabaqay gelinta Vin0. garaaca garaaca garaaca waxa uu ka soo saarayaa hadda (Iweight) qalabka, kaas oo u dhigma hab-socodka iyo hoos u dhigista suurtogalka ah ee Vtop--Vbot. Haddan culeyska leh ayaa markaa lagu duraa DPI synapses iyo LIF neurons-yada wax soo saarka. Korontada xuubabka ee neerfayaasha wax soo saarka ayaa la duubay iyadoo la adeegsanayo oscilloscope waxaana lagu muujiyay sawirka 3d. Heerka ugu sarreeya ee xuubka neuron-ka ee ka jawaabaya hal garaaca garaaca wadnaha ayaa la mid ah dhaqdhaqaaqa xusuusta iska caabinta, taas oo muujinaysa in RRAM loo isticmaali karo sidii cunsur barnaamijeed ee miisaanka synaptik. Labadan imtixaan ee hordhaca ah waxay muujinayaan in madal neuromorphic-ku-salaysan ee RRAM-ku-salaysan uu awood u leeyahay inuu hirgeliyo waxyaabaha aasaasiga ah ee habka aasaasiga ah ee Jeffress, kuwaas oo ah khadka daahitaanka iyo wareegga ogaanshaha shilka. Meesha wareegga waxaa lagu dhisay iyadoo la isku dhejiyo baloogyada is xiga, sida baloogyada Jaantuska 3b, oo ay albaabadooda ku xidhaan khad wax gelin ah oo caadi ah. Waxaan naqshadeynay, been-abuurnay, oo tijaabinay madal neuromorphic ah oo ka kooban laba neurons wax soo saarka oo helaya laba qalab (Jaantus. 4a). Jaantuska wareegga waxa lagu muujiyay sawirka 4b. Matrixka sare ee 2 × 2 RRAM wuxuu u oggolaanayaa garaaca garaaca in lagu jiheeyo laba neurons wax soo saar, halka 2 × 2 matrixka hoose uu oggol yahay isku xirka soo noqnoqda ee laba neurons (N0, N1). Waxaan muujineynaa in goobtan loo isticmaali karo qaabeynta khadka dib u dhigista iyo laba hawlood oo shil oo kala duwan, sida lagu muujiyey cabbirada tijaabada ee Jaantuska 4c-e.
Jaantuska wareegga ee ay samaysteen laba neurons N0 iyo N1 oo helaya laba qalab 0 iyo 1. Afarta aaladood ee ugu sarreeya waxay qeexayaan isku xirka synaptik ee soo-gelinta ilaa wax-soo-saarka, iyo afarta unug ee hoose waxay qeexaan xiriirka soo noqnoqda ee u dhexeeya neerfayaasha. RRAM-yada midabka leh waxay u taagan yihiin aaladaha lagu habeeyay HCS ee dhanka midig: aaladaha HCS waxay ogolaadaan isku xidhka oo waxay matalaan miisaan, halka aaladaha LCS ku jira ay xannibaan garaaca wax soo saarka oo ay joojiyaan isku xidhka wax soo saarka. b Jaantuska wareegga (a) oo leh siddeed qaybood oo RRAM ah oo lagu muujiyey buluug. c Khadadka dib u dhigista waxaa la sameeyay iyadoo si fudud loo isticmaalayo dhaqdhaqaaqa DPI synapses iyo LIF neurons. RRAM-ka cagaarka ah ayaa loo dejiyay inuu qabto wax-qabad sare oo ku filan si uu awood ugu yeesho inuu dhaliyo cillad xagga wax-soo-saarka ka dib daahitaanka Δt. d Sawirka jaantuska ee ogaanshaha CD-ga jiha-dareenka-la'aanta ee calaamadaha wakhtiga ku-tiirsan. Soo saarida neuron 1, N1, dab ku shido agabka 0 iyo 1 oo leh daahitaan gaaban. e Jihada xasaasiga ah CD circuit, wareeg ah oo ogaanaya marka gelinta 1 soo dhawaado gelinta 0 oo yimaada ka dib gelinta 0. Wax soo saarka wareegga waxaa matala neuron 1 (N1).
Xariiqda daahitaanka (Jaantuska 4c) waxay si fudud u isticmaashaa habdhaqanka firfircoon ee DPI synapses iyo LIF neurons si ay dib ugu soo celiyaan wax gelinta ka soo Vin1 ilaa Vout1 iyadoo dib loo dhigayo Tdel. Kaliya G3 RRAM ee ku xiran Vin1 iyo Vout1 ayaa lagu borogaraamyay HCS, inta soo hartay RRAM-yada waxaa lagu qorsheeyay LCS. Qalabka G3 waxaa loo qorsheeyay 92.6 µs si loo hubiyo in garaaca garaaca kasta uu kordhiyo korantada xuubka neerfaha wax soo saarka si ku filan si uu u gaaro marinka oo uu dhaliyo garaaca garaaca wax soo saarka oo daahay. Daahitaanka Tdel waxaa lagu go'aamiyaa isku-dheelitirka iyo wakhtiga dareemayaasha. Dareemayaasha shilku waxay ogaadaan dhacdada ku meel gaadhka ah ee la xidhiidha laakiin si xad dhaaf ah u qaybsan calaamadaha galinta. Jihada-jihaynta CD-gu waxay ku tiirsan tahay wax-soo-saarka shaqsiyeed ee ku biiraya neuron-ka caadiga ah (Jaantuska 4d). Labada RRAM ee isku xidha Vin0 iyo Vin1 ilaa Vout1, G2 iyo G4 siday u kala horreeyaan waxa loo qorsheeyay hab-dhaqan sare. Imaatinka isku mar ah ee taranka ee Vin0 iyo Vin1 waxay kordhisaa danabka xuubka neerfaha N1 ee ka sarreeya marinka loo baahan yahay si loo dhaliyo kororka wax soo saarka. Haddii labada qalab ay aad u kala fog yihiin wakhtiga, kharashka ku baxaya korantada xuubka ee ay ururisay galinta koowaad waxa laga yaabaa inay haysato wakhti ay ku qudhunto, taas oo ka hortagaysa in xuubka N1 uu gaaro qiimaha marinka. G1 iyo G2 waxaa loo qorsheeyay qiyaastii 65µs, taas oo hubinaysa in hal kor u kac ah uusan kordhinin koronta xuubka oo ku filan inuu keeno wax soo saar. Ogaanshaha shilalka ee u dhexeeya dhacdooyinka loo qaybiyay meel iyo wakhti waa hawlgal aasaasi ah oo loo isticmaalo hawlo badan oo dareeme sida ka fogaanshaha carqaladaynta socodka indhaha iyo meelaynta isha codka. Haddaba, xisaabinta jihada-xasaasi ah iyo CD-yada dareen-la'aantu waa dhisme aasaasi ah oo lagu dhisayo nidaamyada meelaynta muuqaalka iyo maqalka. Sida lagu muujiyay sifooyinka wakhtiga joogtada ah (fiiri sawirka Dheeraadka ah 2), wareegga la soo jeediyay wuxuu fuliyaa tiro ku habboon oo ah afar amar oo cabbirka wakhtiga cabbirka. Sidaa darteed, waxay isku mar buuxin kartaa shuruudaha nidaamka muuqaalka iyo dhawaaqa. CD-ga xasaasiga ah ee jihada ah waa wareeg xasaasi u ah sida ay u kala horeeyaan ee imaatinka garaaca wadnaha: midig ilaa bidix iyo lidkeeda. Waa dhisme aasaasi ah oo ku jira shabakadda ogaanshaha dhaqdhaqaaqa aasaasiga ah ee nidaamka muuqaalka Drosophila, oo loo isticmaalo xisaabinta jihooyinka dhaqdhaqaaqa iyo in lagu ogaado isku dhaca62. Si loo gaaro CD-jiho-xasaasi ah, laba qalab waa in lagu jiheeyaa laba neuron oo kala duwan (N0, N1) waana in la sameeyaa xiriir jiho ah dhexdooda (Jaantus. 4e). Marka gelinta ugu horreysa la helo, MAYA waxay ka falcelisaa iyadoo kordhinaysa korantada ee xuubka xuubka ka sarreeya qiimaha marinka waxayna soo dirtaa kor u kac. Dhacdadan wax-soo-saarka ah, ayaa iyaduna dabaysa N1 iyada oo ay ugu wacan tahay xidhiidhka jihada ah ee lagu muujiyey cagaarka. Haddii dhacdo galinta Vin1 ay timaaddo oo ay xoojiso N1 iyada oo korantada xuubkeedu uu weli sarreeyo, N1 waxay soo saartaa dhacdo wax soo saar leh oo muujinaysa in ciyaar la helay inta u dhaxaysa labada qalab. Xidhiidhada jihada ayaa u oggolaanaya N1 inuu soo saaro wax soo saarka kaliya haddii gelinta 1 uu yimaado ka dib gelinta 0. G0, G3, iyo G7 waxaa loo qorsheeyay 73.5 µS, 67.3 µS, iyo 40.2 µS, siday u kala horreeyaan, iyadoo la hubinayo in hal kor u kac ah oo ku saabsan gelinta Vin0 ay keento dib u dhac. kororka wax soo saarka, halka awoodda xuubka N1 uu gaaro heerka kaliya marka labada wax-soo-gelintu ay soo galaan isku dhejin .
Kala duwanaanshuhu waa isha cilladaysan ee nidaamyada neuromorphic ee qaabaysan63,64,65. Tani waxay keenaysaa dabeecado kala duwan oo neurons iyo synapses. Tusaalooyinka khasaarooyinkan waxaa ka mid ah 30% (macnaha weecan heerka) kala duwanaanshiyaha faa'idada wax gelinta, wakhtiga joogtada ah, iyo muddada dib u celinta, in la magacaabo laakiin dhowr (eeg Hababka). Dhibaatadani waxay si aad ah u soo baxdaa marka wareegyo badan oo neerfaha ah ay isku xiran yihiin, sida CD-jihaynta-xasaasi ah oo ka kooban laba neuron. Si aad si sax ah u shaqeyso, faa'iidada iyo wakhtiga qudhunka ee joogtada ah ee labada neuron waa inay la mid noqdaan inta suurtogalka ah. Tusaale ahaan, farqi weyn oo u dhexeeya faa'iidada gelinta ayaa sababi karta in hal neuron uu ka falceliyo garaaca garaaca wadnaha halka kan kale uu si dhib yar u jawaabo. On berde. Jaantuska 5a wuxuu muujinayaa in neerfayaasha si aan kala sooc lahayn loo xushay ay uga jawaabaan si ka duwan isla garaaca garaaca wadnaha. Kala duwanaanshahan neerfaha ayaa ku habboon, tusaale ahaan, shaqada CD-yada xasaasiga ah ee jihada. Nidaamka lagu muujiyey berdaha. 5b, c, faa'iidada gelitaanka neuron 1 aad ayuu uga sarreeyaa kan neuron 0. Sidaa darteed, neuron 0 wuxuu u baahan yahay saddex garaacood (halkii 1) si uu u gaaro marinka, iyo neuron 1, sida la filayo, wuxuu u baahan yahay laba dhacdo oo soo-galin ah. Hirgelinta balaastiigga biomimetic-ku-tiirsan ee spike-time-ku-tiirsan (STDP) waa dariiqo suurtagal ah oo lagu dhimi karo saameynta aan qummanayn iyo dib-u-dhaca neerfaha iyo wareegyada synaptigga ee waxqabadka nidaamka43. Halkan waxaan ku soo jeedinaynaa isticmaalka habdhaqanka caaga ah ee xusuusta iska caabinta si ay saameyn ugu yeelato kor u qaadida gelinta neerfaha iyo yaraynta saameynta kala duwanaanshaha wareegyada neuromorphic. Sida ku cad fig. 4e, heerarka maaraynta ee la xidhiidha baaxadda synaptigga RRAM waxay si wax ku ool ah u habeeyeen jawaabta korantada xuubabka neerfaha. Waxaan isticmaalnaa istaraatiijiyad barnaamijeed RRAM ah oo isdabajoog ah. Fikradda la bixiyay, qiyamka hab-dhaqanka ee miisaanka synaptika ayaa dib loo habeeyaa ilaa habdhaqanka bartilmaameedka wareegga laga helayo (eeg Hababka).
Cabirrada tijaabada ah ee jawaabta sagaal neurons shakhsi ahaan si aan kala sooc lahayn loo soo doortay oo isku mid ah garaaca wadnaha. Jawaabtu way ku kala duwan tahay dadka oo dhan, waxayna saamaynaysaa faa'iidada gelinta iyo wakhtiga joogtada ah. b Cabbiraadaha tijaabada ah ee saamaynta neerfayaasha ee kala duwanaanshaha neerfayaasha saameeya CD-ga xasaasiga ah. Labada jiho-xasaasi ah ee dareemayaasha CD-ga ayaa si kala duwan uga jawaaba kicinta gelinta sababtoo ah kala duwanaanshaha neuron-to-neuron. Neuron 0 wuxuu leeyahay faa'iido gelinta hoose marka loo eego neuron 1, sidaa darteed waxay qaadataa saddex garaac (halkii 1) si loo abuuro wax soo saarka. Sida la filayo, neuron 1 wuxuu ku gaarayaa marinka iyada oo leh laba dhacdo oo wax gelin ah. Haddii gelinta 1 uu yimaado Δt = 50 µs ka dib dabka neuron 0, CD-gu wuu aamusan yahay sababtoo ah Δt wuu ka weyn yahay wakhtiga joogtada ah ee neuron 1 (qiyaastii 22 µs). c waxaa lagu dhimay Δt = 20 µs, sidaa darteed gelinta 1 waxay kor u kacdaa marka neerfayaasha 1's rasaastu ay weli sarreyso, taasoo keentay in la ogaado isku mar ee laba dhacdo oo wax gelin ah.
Labada walxood ee loo isticmaalo tiirka xisaabinta ITD waa xariiqda daahitaanka iyo CD-ga aan dareenka lahayn. Labada wareegoodba waxay u baahan yihiin hagaajin sax ah si loo xaqiijiyo waxqabadka meelaynta shay wanaagsan. Xariiqda daahitaanka waa in ay keentaa nooca saxda ah ee daahitaanka ugu sarreeya ee wax-soo-gelinta (Jaantus. 6a), CD-ga waa in la hawlgeliyaa oo keliya marka gelinta ay ku dhacdo xadka ogaanshaha bartilmaameedka. Khadka daahitaanka, miisaannada synaptik ee isku xirka gelinta (G3 ee Jaantuska. 4a) ayaa dib loo habeeyey ilaa dib u dhaca bartilmaameedka laga helayo. Samee dulqaad ku wareegsan daahitaanka bartilmaameedka si aad u joojiso barnaamijka: dulqaadka yar, way adagtahay in si guul leh loo dejiyo khadka daahitaanka. On berde. Jaantuska 6b waxa uu muujinayaa natiijooyinka habka habaynta khadka dib u dhigista: waxa la arki karaa in qorshaha la soo jeediyay uu si sax ah u bixin karo dhammaan dib u dhaca looga baahan yahay nidaamka naqshadaynta (laga bilaabo 10 ilaa 300 μs). Tirada ugu badan ee dib-u-soo-celinta waxay saameynaysaa tayada habka cabbirka: 200 dib-u-celinta waxay yareyn kartaa qaladka in ka yar 5%. Mid ka mid ah dib-u-habaynta unugga RRAM waxay u dhigantaa hab-samaynta/dib u-dejinta hawlgalka. Habka habaynta ayaa sidoo kale muhiim u ah hagaajinta saxnaanta moduleka CD-ga ogaanshaha dhacdada degdegga ah. Waxay qaadatay toban dib-u-eegis si loo gaadho heer togan oo run ah (ie, heerka dhacdooyinka sida saxda ah loo aqoonsaday inay khusayso) oo ka sarreeya 95% (khadka buluuga ah ee Jaantuska 6c). Si kastaba ha ahaatee, habka habayntu ma saamayn dhacdooyinka togan ee beenta ah (taas oo ah, inta jeer ee dhacdooyinka si khalad ah loo aqoonsaday inay khuseeyaan). Hab kale oo lagu arkay nidaamyada bayooloji si looga gudbo caqabadaha waqtiga ee waddooyinka si degdeg ah u dhaq-dhaqaaqa ayaa ah dib-u-celinta (taas oo ah, nuqullo badan oo isku mid ah ayaa loo isticmaalaa si loo qabto shaqo la siiyay). Waxaa dhiirigeliyay bayoloji66, waxaan ku dhejinay dhowr wareeg oo CD ah module kasta oo CD ah inta u dhaxaysa labada xariiq ee daahitaanka si loo yareeyo saameynta been-abuurka. Sida ku cad fig. 6c (khadka cagaaran), gelinta saddex qaybood oo CD ah qayb kasta oo CD ah waxay yarayn kartaa heerka digniinta beenta ah in ka yar 10-2.
Saamaynta kala duwanaanshaha neerfayaasha ee wareegyada khadka daahitaanka. b Wareegyada xariiqda dib u dhigista waxaa lagu miisaami karaa dib u dhacyo waaweyn iyadoo la dejinayo joogteynta waqtiga ee neerfayaasha LIF ee u dhigma iyo synapses DPI ee qiyamka waaweyn. Kordhinta tirada soo noqnoqoshada ee nidaamka cabbirida RRAM waxay suurtagelisay in si weyn loo hagaajiyo saxnaanta daahitaanka bartilmaameedka: 200 ku celcelintu waxay hoos u dhigtay qaladka in ka yar 5%. Hal dib u habeyn ayaa u dhiganta SET/RESET hawlgalka unugga RRAM. Qayb kasta oo CD ah oo ku jira qaabka c Jeffress waxa lagu hirgelin karaa iyada oo la adeegsanayo curiyeyaasha CD-ga is-bar-bar yaacaya ee N si loo helo dabacsanaan weyn marka loo eego guul-darrooyinka nidaamka. d Wax badan oo ka mid ah hagaajinta RRAM waxay kordhisaa heerka togan ee dhabta ah (khadka buluuga ah), halka heerka beenta ah ee beenta ahi uu ka madax banaan yahay tirada soo noqnoqda (khadka cagaaran). In xubno badan oo CD ah la barbar dhigo waxay ka fogaanaysaa ogaanshaha beenta ah ee cutubka CD-ga.
Waxaan hadda qiimeyneynaa waxqabadka iyo isticmaalka awoodda dhamaadka-ilaa-dhamaadka nidaamka isku-dhafan ee isku-dhafan ee lagu muujiyey Jaantuska 2 iyadoo la adeegsanayo cabbirada astaamaha dhawaaqa ee dareemayaasha pMUT, CD, iyo dib-u-dhacyada xariiqda dib-u-dhaca kuwaas oo ka kooban garaafka xisaabinta neuromorphic. Qaabka Jeffress (Jaantus. 1a). Marka loo eego garaafyada xisaabinta neuromorphic, tirada badan ee modules-yada CD-ga, ayaa si fiican u xallinta xagasha, laakiin sidoo kale tamarta sare ee nidaamka (Jaantus. 7a). Tanaasulku waxa lagu gaadhi karaa in la is barbar dhigo saxnaanta qaybaha gaarka ah (pMUT sensors, neurons, and synaptika wareegyada) iyo saxnaanta nidaamka oo dhan. Xallinta xariiqda dib u dhigista waxa xadiday wakhtiga joogtada ah ee synapses-ka la isku daray iyo neurons-ka, kuwaas oo qaabkeena ka badan 10 µs, kaas oo u dhigma xallinta xagal 4° (eeg Hababka). Noocyo aad u horumarsan oo leh tignoolajiyada CMOS waxay u oggolaan doontaa naqshadeynta wareegyada neerfaha iyo synaptik ee leh waqti yar oo joogto ah, taasoo keentay saxnaanta sare ee walxaha khadka daahitaanka. Si kastaba ha ahaatee, nidaamkayaga, saxnaanta waxaa xaddiday qaladka pMUT marka la qiyaasayo booska xagasha, ie 10 ° (khadka buluuga ah ee sawirka 7a). Waxaan ku hagaajinay tirada qaybaha CD-ga 40, taas oo u dhiganta xal xagal ah oo ku saabsan 4 °, ie, saxnaanta xagasha ee garaafka xisaabinta (khadka tooska ah ee buluuga ah ee sawirka 7a). Heerka nidaamka, tani waxay siinaysaa xallinta 4 ° iyo saxnaanta 10 ° ee walxaha ku yaal 50 cm ee hore ee nidaamka dareenka. Qiimahani wuxuu la mid yahay hababka deegaanaynta dhawaaqa neuromorphic ee lagu sheegay tixraac. 67. Isbarbardhigga nidaamka la soo jeediyay iyo xaaladda farshaxanka ayaa laga heli karaa shaxda Dheeraadka ah 1. Ku darista pMUT-yada dheeraadka ah, kordhinta heerka dhawaaqa dhawaaqa, iyo yaraynta dhawaaqa elektaroonigga ah ayaa ah habab suurtagal ah oo lagu sii wanaajin karo saxnaanta meelaynta. ) waxaa lagu qiyaasaa 9.7. nz. 55. Marka la eego 40 unug CD ee garaafka xisaabinta, jilitaanka SPICE wuxuu ku qiyaasay tamarta hawlgalkiiba (ie, tamarta meelaynta shayga) inay tahay 21.6 nJ. Nadaamka neuromorphic waxa la hawlgeliyaa oo keliya marka ay dhacdo wax gelin ahi timaaddo, ie marka mowjada dhawaaqa ahi gaadho mid kasta oo pMUT ah oo uu dhaafo heerka ogaanshaha, haddii kale waxa uu ahaanayaa mid firfircoon. Tani waxay ka fogaanaysaa isticmaalka tamarta aan loo baahnayn marka aysan jirin calaamad muujinaysa. Iyadoo la tixgalinayo inta jeer ee hawlgallada meelaynta ee 100 Hz iyo muddada hawlgelinta ee 300 µs hawlgalkiiba (ugu badnaan ITD ee suurtogalka ah), isticmaalka awoodda garaafka xisaabinta neuromorphic waa 61.7 nW. Iyada oo horay loo sii wado neuromorphic lagu dabaqay qaataha kasta oo pMUT, isticmaalka awoodda nidaamka oo dhan wuxuu gaaraa 81.6 nW. Si loo fahmo waxtarka tamarta ee habka neuromorphic ee la soo jeediyay marka la barbar dhigo qalabka caadiga ah, waxaan barbar dhignay lambarkan tamarta loo baahan yahay si loo qabto hawl isku mid ah oo ku saabsan microcontroller awood yar oo casri ah iyadoo la adeegsanayo neuromorphic ama beamforming 68 Skill. Habka neuromorphic waxa uu tixgaliyaa marxaladda beddelka analog-to-dijital (ADC), oo ay ku xigto shaandheynta band-pass iyo heerka soo saarista baqshadda (Habka Teeger-Kaiser). Ugu dambeyntii, qalliin bilowga ah ayaa la sameeyaa si loo soo saaro ToF. Waxaan ka tagnay xisaabinta ITD ee ku saleysan ToF iyo u beddelashada booska xagal la qiyaasay maadaama ay tani hal mar ku dhacdo cabbir kasta (eeg Hababka). Iyadoo loo malaynayo in heerka muunad ee 250 kHz ee labada kanaal (pMUT receivers), 18 band pass hawlgallada shaandhaynta, 3 baqshad hawlgallada soo saarista, iyo 1 hawlgal heerka muunad kasta, wadarta isticmaalka tamarta waxaa lagu qiyaasay 245 microwatts. Tani waxay isticmaashaa qaabka tamarta yar ee microcontroller69, kaas oo daara marka algorithms-yadu aysan fulin, taas oo yaraynaysa isticmaalka tamarta ilaa 10.8 µW. Isticmaalka tamarta ee xalka farsamaynta calaamadaynta beamforming ee lagu soo jeediyay tixraaca. 31, oo leh 5 pMUT qaatayaal iyo 11 laydh si isku mid ah loogu qaybiyey diyaaradda azimuth [-50°, +50°], waa 11.71mW (eeg qaybta Hababka wixii faahfaahin ah). Intaa waxaa dheer, waxaan ka warbixineynaa isticmaalka tamarta FPGA47 ku saleysan Encoder Kala duwanaanshaha Waqtiga (TDE) oo lagu qiyaasay 1.5 mW beddelka qaabka Jeffress ee meelaynta shay. Iyada oo ku saleysan qiyaasahaas, habka neuromorphic ee la soo jeediyay ayaa hoos u dhigaya isticmaalka awoodda shan amar oo baaxad leh marka la barbar dhigo kantaroolka yar-yar ee isticmaalaya farsamooyinka iftiinka qadiimiga ah ee hawlgallada meelaynta shayga. Qaadashada habka neuromorphic ee hab-socodka calaamadaynta microcontroller-ka caadiga ah waxay yaraynaysaa isticmaalka awoodda ilaa laba amar oo waaweyn. Waxtarka nidaamka la soo jeediyay waxaa lagu sharxi karaa isku-dhafka asynchronous resistive-memory circuit analog awood u leh inuu fuliyo xisaabinta xusuusta iyo la'aanta is-beddelka analooga-digital ee loo baahan yahay si loo garto calaamadaha.
Xallinta xagal (buluug) iyo isticmaalka awoodda (cagaaran) ee hawlgalka meelaynta iyadoo ku xidhan tirada qaybaha CD-ga. Barta toosan ee buluuga ah ee mugdiga ah waxay u taagan tahay saxnaanta xagasha ee PMUT iyo bar toosan oo buluug ah waxay u taagan tahay saxnaanta xagalaha ee garaafka xisaabinta neuromorphic. b Isticmaalka awoodda nidaamka la soo jeediyay iyo isbarbardhigga labada ka wada hadlay fulinta microcontroller iyo hirgelinta dhijitaalka ah ee Time Difference Encoder (TDE)47 FPGA.
Si loo yareeyo isticmaalka tamarta ee nidaamka deegaanaynta bartilmaameedka, waxaan uuraysanay, naqshadeynay oo hirgelinnay si wax ku ool ah, dhacdo ku salaysan RRAM neuromorphic circuit kaas oo socodsiiya macluumaadka calaamadaha ay soo saareen dareemayaasha gudaha ku dhex jira si loo xisaabiyo booska shayga bartilmaameedka dhabta ah. waqti. . Iyadoo hababka hab-dhaqameedku ay si joogto ah u muunadeeyaan calaamadaha la ogaado oo ay sameeyaan xisaabinta si ay u soo saaraan macluumaadka waxtarka leh, xalka neuromorphic ee la soo jeediyay wuxuu u sameeyaa xisaabinta si isku mid ah marka macluumaadka faa'iido leh yimaado, kor u qaadista waxtarka awoodda nidaamka shan amar oo waaweyn. Intaa waxaa dheer, waxaan muujineynaa dabacsanaanta wareegyada neuromorphic ee ku salaysan RRAM. Awoodda RRAM ay u bedesho hab-dhaqanka qaab aan isbeddelayn (caastooyada) waxay magdhowaysaa kala duwanaanshaha dabiiciga ah ee analoogga awood-hooseeya ee DPI synaptic iyo wareegyada neerfaha. Tani waxay ka dhigaysa wareeggan ku salaysan RRAM mid la taaban karo oo awood leh. Hadafkayagu maaha inaan ka soo saarno hawlo adag ama qaababka calaamadaha, laakiin waa in la dejiyo walxaha wakhtiga dhabta ah. Nidaamkeena sidoo kale si wax ku ool ah ayuu u cadaadin karaa calaamada oo ugu dambeyntii u diri karaa tillaabooyin dheeri ah oo habaysan si loo sameeyo go'aamo kakan marka loo baahdo. Marka la eego codsiyada deegaan-dejinta, tillaabadayada horu-socodka neerfaha waxay ku siin kartaa macluumaad ku saabsan goobta walxaha. Macluumaadkan waxa loo isticmaali karaa, tusaale ahaan, ogaanshaha dhaqdhaqaaqa ama aqoonsiga dhaqdhaqaaqa. Waxaan carrabka ku adkeyneynaa muhiimada ay leedahay in la isku daro dareemeyaasha tamarta yar sida pMUT-yada iyo qalabka korantada aadka u hooseeya. Tan awgeed, hababka neuromorphic ayaa fure u ahaa maadaama ay noo horseedeen inaan horumarino hirgelinta wareegyada cusub ee hababka xisaabinta nafleyda sida model Jeffress. Marka la eego codsiyada fiyuuska dareemayaasha, nidaamkeena waxaa lagu dari karaa dareemeyaal kala duwan oo dhacdooyin ku saleysan si loo helo macluumaad sax ah. In kasta oo guumaystaha ay aad ugu fiican yihiin in ay ugaadhsiga gudcurka ku helaan, haddana waxay leeyihiin indho aad u fiican, waxaanay sameeyaan baadhitaan maqal iyo muuqaal ah oo la isku daray ka hor inta aanay gaadhin70. Marka neuron maqal oo gaar ah uu dab kaco, guumaystaha ayaa helaya macluumaadka uu u baahan yahay si uu u go'aamiyo jihada uu ku bilaabayo raadinta muuqaalkiisa, sidaas darteed diiradda saaraya qayb yar oo ka mid ah muuqaalka muuqaalka. Isku darka dareemayaasha muuqaalka (kameerada DVS) iyo dareemaha dhegeysiga la soo jeediyay (oo ku saleysan pMUT) waa in la sahamiyaa horumarinta wakiilada iskood isu-tagga mustaqbalka.
Dareemka pMUT wuxuu ku yaalaa PCB oo leh laba qalabaysan oo isku jira qiyaastii 10 cm, gudbiyehu wuxuu ku yaalaa inta u dhaxaysa aqbalayaasha. Shaqadan, xuub kastaa waa qaab-dhismeed bimorph ah oo xayiran oo ka kooban laba lakab oo piezoelectric aluminium nitride (AlN) 800 nm dhumucdiisuna tahay sandwich inta u dhaxaysa saddex lakab oo molybdenum (Mo) 200 nm qaro ah oo lagu dahaadhay lakabka 200 nm. lakabka sare ee passivating SiN sida lagu qeexay tixraaca. 71. Electrodes-ka gudaha iyo dibaddaba waxa la mariyaa lakabyada hoose iyo kan sare ee molybdenum, halka molybdenum electrode-ka dhexe uu yahay mid aan qaabayn oo loo isticmaalo sidii dhulka, taas oo keentay xuub ka kooban afar lammaane oo electrodes ah.
Nashqadan qaabdhismeedku waxa ay ogolanaysaa isticmaalka xuubka xuubka caadiga ah, taasoo keenta gudbinta wanaajinta iyo helitaanka dareenka. pMUT-ga noocan oo kale ah wuxuu caadi ahaan muujiyaa dareenka kicinta ee 700 nm/V sida emitter, oo bixiya cadaadiska dusha sare ee 270 Pa/V. Qaade ahaan, hal filim pMUT ayaa soo bandhigaya dareenka wareegga gaaban ee 15 nA/Pa, kaas oo si toos ah ula xiriira isku-dhafka piezoelectric ee AlN. Kala duwanaanshaha farsamada ee korantada ee lakabka AlN wuxuu keenaa isbeddel ku yimaada soo noqnoqda resonant, kaas oo lagu magdhabayo iyada oo la adeegsanayo eexda DC ee pMUT. Dareenka DC waxaa lagu qiyaasay 0.5 kHz/V. Astaamaha dhawaaqa, makarafoonka waxaa loo isticmaalaa pMUT horteeda.
Si loo cabbiro garaaca garaaca wadnaha, waxaanu dhignay saxan leydi ah oo leh aag qiyaastii 50 cm2 ah oo ka horraysa pMUT si ay u muujiso hirarka dhawaaqa ee soo baxaya. Labada masaafada u dhaxaysa taarikada iyo xagasha marka loo eego diyaaradda pMUT waxaa lagu kontaroolaa iyada oo la isticmaalayo qalab gaar ah. Isha korantada ee Tectronix CPX400DP waxay eexsataa saddex xuubka pMUT, hagaajinta soo noqnoqda resonant ilaa 111.9 kHz31, halka gudbiyeyaashu ay wataan koronto-dhaliye garaaca wadnaha Tectronix 3102 oo loo habeeyey inta jeer ee resonant (111.9 kHz) iyo wareegga waajibaadka 0.0. Dhaqdhaqaaqyada laga akhriyo afarta dekedood ee wax soo saarka ee qof kasta oo pMUT ah ayaa loo rogaa danab iyadoo la isticmaalayo qaab-dhismeedka hadda iyo korantada ee gaarka ah, calaamadaha ka dhashana waxaa lagu digiteeyay nidaamka helitaanka xogta Spektrum. Xadka ogaanshaha waxaa lagu gartaa helitaanka calaamadda pMUT iyadoo lagu jiro xaalado kala duwan: waxaan u dhaqaajinay milicsada masaafo kala duwan [30, 40, 50, 60, 80, 100] cm waxaanan bedelnay xagasha taageerada pMUT ([0, 20, 40] o Jaantuska 2b wuxuu muujinayaa xallinta ogaanshaha ITD ee ku meel gaadhka ah iyadoo ku xidhan booska xagal u dhigma ee darajooyinka.
Maqaalkani wuxuu isticmaalaa laba wareegyo RRAM-ka-baxsan oo kala duwan. Midka ugu horreeya waa 16,384 (16,000) qalab (128 × 128 qalab) oo ku jira qaabaynta 1T1R oo leh hal transistor iyo hal resistor. Chip-ka labaad waa madal neuromorphic ah oo lagu muujiyey sawirka 4a. Unugga RRAM wuxuu ka kooban yahay filim dhumucdiisuna tahay 5 nm oo HfO2 ah oo ku dhex duugan xirmo TiN/HfO2/Ti/TiN ah. Xirmada RRAM waxa lagu dhex daray xariiqda dambe ee (BEOL) ee nidaamka 130nm ee caadiga ah ee CMOS. Wareegyada neuromorphic-ku-saleysan ee RRAM waxay soo bandhigaan caqabad naqshadeyn dhammaan nidaamyada elektaroonigga ah ee Analog-ka kaas oo aaladaha RRAM ay la nool yihiin tignoolajiyada CMOS ee soo jireenka ah. Gaar ahaan, xaaladda hab-dhaqanka ee aaladda RRAM waa in la akhriyaa oo loo adeegsadaa doorsoome hawleed nidaamka. Si taas loo gaaro, wareeg ayaa la naqshadeeyay, la sameeyay oo la tijaabiyay taasoo akhrinaysa hadda qalabka marka garaaca garaaca la helo oo isticmaala hadda kan si loo miisaamo jawaabta isku-dhafka lammaane ee kala duwan (DPI) synapse. Wareegan waxaa lagu muujiyey Jaantuska 3a, kaas oo ka dhigan dhismooyinka aasaasiga ah ee madal neuromorphic ee Jaantuska 4a. garaaca garaaca wadnaha waxa uu kiciyaa albaabka qalabka 1T1R, isaga oo ku soo kordhinaya hadda iyada oo loo marayo RRAM oo u dhiganta habka qalabka G (Iweight = G(Vtop – Vx)). Gelitaanka rogroga ee cod-weyneeyeha hawlgalka (op-amp) wareegga wuxuu leeyahay danab joogto ah oo DC ah Vtop. Jawaab celinta taban ee op-amp waxay ku siin doontaa Vx = Vtop iyadoo bixinaysa isla hadda M1. Miisaanka hadda jira ee laga soo saaray qalabka waxa lagu duraa synapse DPI. Hadda xoog badan ayaa keeni doonta hoos u dhigis badan, sidaa darteed habdhaqanka RRAM wuxuu si wax ku ool ah u fuliyaa miisaannada synaptik. Jibbaaradan synaptic-ka ee hadda jirta waxa lagu duraa xuubka xuubka ee Neerfaha Leaky Integration and Excitation (LIF), halkaas oo ay ugu xidhan tahay danab ahaan. Haddii korantada marinka xuubka (korontada beddelka ee beddelka) laga gudbo, qaybta wax-soo-saarka ee neuron-ka waa la hawlgelinayaa, taasoo soo saaraysa kororka wax-soo-saarka. Wadnahani waxa uu soo noqdaa oo waxa uu ka xidhaa xuubka neerfaha dhulka, taas oo keenaysa in uu soo baxo. Wareeggan ayaa markaa lagu kabaa balaadhinta garaaca wadnaha (oo aan lagu muujin sawirka 3a), kaas oo qaabeeya garaaca garaaca wadnaha LIF neuron ilaa ballaca garaaca garaaca. Multiplexers ayaa sidoo kale lagu dhex dhisay xariiq kasta, taas oo u oggolaanaysa in danab lagu dabaqo korantada sare iyo hoose ee qalabka RRAM.
Tijaabada korantada waxaa ka mid ah falanqaynta iyo duubista habdhaqanka firfircoon ee wareegyada analoogga, iyo sidoo kale barnaamijyada iyo akhrinta aaladaha RRAM. Labada tillaaboba waxay u baahan yihiin qalab gaar ah, kuwaas oo dhammaantood ku xiran guddiga dareemayaasha isku mar. Helitaanka aaladaha RRAM ee wareegyada neuromorphic waxaa laga fuliyaa qalab dibadda ah iyada oo loo marayo multiplexer (MUX). MUX-gu waxa uu unugga 1T1R ka soocaa inta kale ee wareegga wareegga uu ka tirsan yahay, taas oo u oggolaanaysa in qalabka la akhriyo iyo/ama la habeeyo. Si loo barnaamijiyo oo loo akhriyo aaladaha RRAM, mishiinka Keithley 4200 SCS ayaa lala isticmaalaa Arduino microcontroller: kan kowaad ee jiilka garaaca wadnaha saxda ah iyo akhriska hadda jira, iyo kan labaad oo loogu talagalay in si degdeg ah loo galo walxaha 1T1R ee shakhsiga ah ee kaydinta xusuusta. Hawlgalka ugu horreeya waa in la sameeyo qalabka RRAM. Unugyada ayaa mid mid loo doortaa oo koronto togan ayaa lagu dabaqaa inta u dhexeysa koronto-yada sare iyo kuwa hoose. Xaaladdan oo kale, hadda waxay ku xaddidan tahay nidaamka tobanaan microamperes sababtoo ah sahayda korantada albaabka u dhiganta transistor-ka xulashada. Unugga RRAM waxa uu markaas wareegaan karaa inta u dhaxaysa xaalad korriin hoose (LCS) iyo heer sare (HCS) iyada oo la isticmaalayo dib-u-SET iyo SET, siday u kala horreeyaan. Hawlgalka SET waxaa lagu fuliyaa iyada oo la adeegsanayo garaaca garaaca afargeeska leh muddada 1 μs iyo korantada ugu sarreysa ee 2.0-2.5 V ee korantada sare, iyo garaaca isku midka ah ee qaabka la mid ah oo leh koronto ugu sarreysa ee 0.9-1.3 V ilaa albaabka transistor-dooriyaha. Qiimayaashani waxay oggolaanayaan in la beddelo dhaqdhaqaaqa RRAM ee 20-150 µs. RESET, 1 µs ballaaran, garaaca garaaca ugu sarreeya ee 3 V ayaa lagu dabaqaa korantada hoose (xariiqda xoogaa) ee unugga marka korantada iridu ay u dhexeyso 2.5-3.0 V. Wax-soo-saarka iyo soo-saarka wareegyada analoogga waa calaamado firfircoon . Wax gelinta, waxaanu dhexgalnay laba koronto-dhaliye garaaca wadnaha ee HP 8110 oo leh Tektronix AFG3011 koronto-dhaliye. garaaca garaaca wadnaha waxa uu leeyahay ballac dhan 1 µs iyo kor u kac/dhidhid 50 ns. Nooca garaaca wadnaha waxaa loo maleynayaa inuu yahay cilad caadi ah oo ku timaada wareegyada ku saleysan cilladaha analoogga. Marka laga hadlayo calaamada wax soo saarka, calaamada wax soo saarka ayaa la duubay iyadoo la adeegsanayo oscilloscope Teledyne LeCroy 1 GHz. Xawaaraha iibsiga oscilloscope-ka ayaa la caddeeyay inuusan ahayn arrin xaddidaysa falanqaynta iyo helitaanka xogta wareegga.
Isticmaalka firfircoonida elektaroonigga analoogga ah si aad u ekaysiiso habdhaqanka neerfayaasha iyo synapses waa xal qurux badan oo hufan si loo horumariyo waxtarka xisaabinta. Khasaarada hoose ee xisaabintan ayaa ah inay ku kala duwanaan doonto nidaam ilaa nidaam. Waxaan qiyaasnay kala duwanaanshaha neurons iyo wareegyada synaptik (Jaantuska dheeriga ah. 2a,b). Dhammaan muujinta kala-duwanaanshaha, kuwa la xidhiidha wakhtiga joogtada ah iyo faa'iidada wax gelinta ayaa leh saameynta ugu weyn ee heerka nidaamka. Waqtiga joogtada ah ee LIF neuron iyo synapse DPI waxaa go'aamiya wareegga RC, halkaasoo qiimaha R lagu xakameynayo koronto eex ah oo lagu dabaqo albaabka transistor-ka (Vlk ee neuron iyo Vtau ee synapse), go'aaminta heerka daadinta. Faa'iidada wax-soo-gelinta waxaa lagu qeexaa inay tahay korontadii ugu sarreysay ee ay gaareen xuubka synaptika iyo kuwa neerfaha ee uu kiciyay garaaca garaaca wadnaha. Faa'iidada gelinta waxaa gacanta ku haya transistor kale oo eex kaas oo wax ka beddelaya wax gelinta hadda. Jilidda Monte Carlo oo lagu jaangooyay habka ST Microelectronics '130nm ayaa la sameeyay si loo ururiyo xoogaa faa'iido galinta iyo waqtiga tirakoobka joogtada ah. Natiijooyinka waxaa lagu soo bandhigay Jaantuska Dheeraadka ah 2, halkaas oo faa'iidada galinta iyo wakhtiga joogtada ah lagu qiyaaso shaqada korantada eexda ee xakamaynaysa heerka daadinta. Calaamadaha cagaaran waxay qiyaasaan ka weecashada caadiga ah ee wakhtiga joogtada ah marka loo eego celceliska. Labada neurons iyo wareegyada synaptik labaduba waxay awoodeen inay muujiyaan waqtiyo kala duwan oo joogto ah oo u dhexeeya 10-5-10-2 s, sida ku cad nidaamka shaxanka Dheeraadka ah. Kordhinta wax-soo-gelinta (Jaantuska Dheeraadka ah. 2e,d) ee kala duwanaanshaha neerfaha iyo synapse waxay ahayd qiyaastii 8% iyo 3%, siday u kala horreeyaan. La'aanta noocan oo kale ah ayaa si wanaagsan loogu diiwaan geliyay suugaanta: cabbiraadyo kala duwan ayaa lagu sameeyay habka loo yaqaan chips-ka DYNAP si loo qiimeeyo is-maan-dhaafka u dhexeeya dadka LIF63 neurons. Synapses-yada ku jira chip-ka calaamada isku dhafan ee BrainScale ayaa la qiyaasay waxaana la falanqeeyay iswaafaqla'aantooda, waxaana la soo jeediyay habraaca cabbirka si loo yareeyo saameynta kala duwanaanshaha heerka nidaamka64.
Shaqada RRAM ee wareegyada neuromorphic waa laba qaybood: qeexida qaab dhismeedka (habaynta wax soo saarka) iyo hirgelinta miisaanka synaptik. Hantida dambe waxaa loo isticmaali karaa in lagu xalliyo dhibaatada kala duwanaanshaha wareegyada neuromorphic ee la qaabeeyey. Waxaan sameynay habraac fududeyn oo ku lug leh dib u habeynta aaladda RRAM ilaa wareegga la falanqeynayo uu buuxinayo shuruudaha qaarkood. Wax gelinta la bixiyay, wax soo saarka waa la kormeeraa oo RRAM dib ayaa loo habeeyaa ilaa laga gaaro habdhaqanka la beegsaday. Wakhti sugitaan ah oo ah 5s ayaa la soo bandhigay inta u dhaxaysa hawlgalada barnaamijka si loo xalliyo dhibaatada nasashada RRAM taasoo keentay isbedbeddelka habdhaqanka ku meel gaadhka ah (Xogta Dheeraadka ah). Miisaanka synaptik waa la hagaajiyay ama la isku hagaajiyay si waafaqsan shuruudaha wareegga neuromorphic ee la qaabeeyey. Habka is-habaynta waxaa lagu soo koobay algorithms dheeraad ah [1, 2] kuwaas oo diiradda saaraya laba astaamood oo aasaasi ah oo ah aaladaha neuromorphic, khadadka dib u dhigista iyo jihada CD dareen la'aanta. Wareegga leh xariiqda daahitaanka, habdhaqanka bartilmaameedku waa in la bixiyo garaaca garaaca wadnaha oo leh daahitaanka Δt. Haddii daahitaanka wareegga dhabta ah uu ka yar yahay qiimaha la beegsanayo, miisaanka synaptik ee G3 waa in la dhimaa (G3 waa in dib loo dajiyaa ka dibna loo dejiyaa mid hoose oo ku habboon Icc hadda). Taa beddelkeeda, haddii daahitaanka dhabta ahi uu ka weyn yahay qiimaha la beegsanayo, hab-dhaqanka G3 waa in la kordhiyaa (G3 waa in marka hore dib loo dejiyaa ka dibna lagu dejiyaa qiime sare oo Icc ah). Habkani waa soo noqnoqda ilaa dib u dhaca ka yimaada wareeggu uu la mid yahay qiimaha la beegsanayo iyo dulqaad ayaa loo dejiyay si loo joojiyo habka cabbirka. CD-yada hanuuninta-jiheeyaha, laba qalab oo RRAM ah, G1 iyo G3, ayaa ku lug leh habka cabbiridda. Wareeggani waxa uu leeyahay laba qalab, Vin0 iyo Vin1, oo ay daahiyeen dt. Wareeggu waa inuu kaliya ka jawaabaa daahitaanka ka hooseeya xadka u dhigma [0,dtCD]. Haddii aysan jirin wax soo saarka ugu sarreeya, laakiin qaybta ugu sarreysa ee wax-soo-gelinta ay dhowdahay, labada qalab ee RRAM waa in la xoojiyaa si loo caawiyo neuron-ka inuu gaaro marinka. Taa beddelkeeda, haddii wareeggu ka jawaabo daahitaan ka badan bartilmaameedka dtCD, haynta waa in la dhimo. Ku soo celi habka ilaa dhaqanka saxda ah laga helayo. U hoggaansanaanta hadda waxaa wax ka beddeli kara wareegga analoogga ee ku dhex jira tixraaca. 72.73. Wareeggan la dhisay, hababka noocan oo kale ah ayaa la samayn karaa si xilliyo ah si loo cabbiro nidaamka ama dib loogu isticmaalo codsi kale.
Waxaan ku qiimeyneynaa isticmaalka awoodda habka hab-samaynta calaamadaha neuromorphic ee heerka 32-bit microcontroller68. Qiimayntan, waxa aanu u qaadanaynaa in aanu ku shaqayno isla habaynta warqaddan, oo leh hal pMUT-gudbiye iyo laba pMUT qaata. Habkani waxa uu isticmaalaa filter bandpass ah, oo ay ku xigto tallaabada soo saarista baqshadda (Teeger-Kaiser), iyo ugu dambeyntii qalliin xad-dhaaf ah ayaa lagu dabaqayaa calaamadda si loo soo saaro wakhtiga duulimaadka. Xisaabinta ITD iyo u beddelkeeda xaglaha ogaanshaha ayaa laga saaray qiimaynta. Waxa aanu tixgalinay fulinta shaandhaynta ka gudubka guutada anagoo adeegsanayna shaandhada jawaabta 4aad ee aan dhamaadka lahayn ee u baahan 18 hawlgal oo dhibco sabaynaysa. Soo saarista baqshadda waxay isticmaashaa saddex hawlgal oo kale oo sabbaynaya, iyo hawlgalkii ugu dambeeyay waxa loo isticmaalaa in lagu dejiyo xadka. Isu geyn 22 goobood oo sabbaynaya ayaa loo baahan yahay si loo sii diyaariyo calaamada. Calaamadaha la kala qaado waa dilaac gaaban oo ah 111.9 kHz waveform sine ah oo la dhaliyo 10 ms kasta taasoo keentay meelaynta inta jeer ee hawlgalka ah 100 Hz. Waxaan isticmaalnay cabir muunad ah 250 kHz si aan ugu hoggaansanno Nyquist iyo 6 ms daaqad cabbir kasta si aan u qabno kala duwanaansho 1 mitir ah. Ogow in 6 millise seconds ay tahay wakhtiga duulimaadka shay u jira 1 mitir. Tani waxay ku siinaysaa isticmaalka tamarta 180 µW beddelka A/D ee 0.5 MSPS. Diyaarinta calaamaduhu waa 6.60 MIPS (tilmaamaha ilbiriqsikii), taasoo dhalinaysa 0.75mW. Si kastaba ha ahaatee, kontoroolka yar yar ayaa laga yaabaa inuu u beddelo qaab awood hooseeya 69 marka algorithmist uusan socon. Habkani waxa uu bixiyaa isticmaalka tamarta taagan ee 10.8 μW iyo wakhtiga hurdada oo ah 113 μs. Marka la eego inta jeer ee saacada ah ee 84 MHz, microcontroller-ku wuxuu dhamaystiraa dhammaan hawlgallada neuromorphic algorithm gudaha 10 ms, algorithmisku wuxuu xisaabiyaa wareegga shaqada ee 6.3%, sidaas darteed isticmaalaya qaab awood hooseeya. Korontada ka dhalanaysa waa 244.7 μW. Ogsoonow in aan ka tagnay wax soo saarka ITD ee ToF iyo u beddelashada xagasha ogaanshaha, sidaas darteed hoos u dhigista isticmaalka awoodda kontoroolka yar yar. Tani waxay ku siinaysaa qiimo dheeraad ah waxtarka tamarta ee nidaamka la soo jeediyay. Sida xaalad isbarbardhigga dheeraadka ah, waxaan qiimeyneynaa isticmaalka awoodda hababka alwaaxyada qadiimiga ah ee lagu soo jeediyay tixraaca. 31.54 markii lagu dhejiyay isla microcontroller68 at 1.8V danab sahayda. Shan xuubka pMUT oo siman oo siman ayaa loo isticmaalaa si loo helo xogta iftiinka. Xagga habaynta lafteeda, habka biimaynta ee la isticmaalo waa soo koobida dib u dhaca. Waxa ay si fudud uga kooban tahay ku-dhaqanka daahitaanka haadyada u dhigma faraqa la filayo ee wakhtiyada imaatinka ee u dhexeeya hal haad iyo haadka tixraaca. Haddii calaamaduhu ay ku jiraan marxaladda, wadarta calaamadahani waxay yeelan doonaan tamar sare ka dib wakhtiga beddelka. Haddii ay ka baxaan marxaladda, faragelinta burburintu waxay xaddidi doontaa tamarta wadartooda. xiriir. On berde. 31, heerka muunad ee 2 MHz ayaa loo xushay in wakhtiga loogu beddelo xogta tiro isugeyn ah oo muunado ah. Habka ugu suubban waa in la joogteeyo muunadda muunadda ah ee 250 kHz oo la isticmaalo shaandhaynta Dareemida Dareenka Finite (FIR) si loo soo saaro dib-u-dhacyo jajab ah. Waxaan u qaadaneynaa in kakanaanta algorithm-ka beamforming in inta badan lagu go'aamiyo wakhtiga wareejinta, maadaama kanaal kasta uu ku lug leeyahay shaandhaynta FIR oo leh 16 tuubbo oo jiho kasta ah. Si loo xisaabiyo tirada MIPS ee looga baahan yahay hawlgalkan, waxaanu tixgelinaynaa daaqad 6ms ah halkii cabbir si aanu u qabsano 1 mitir, 5 kanaal, 11 jihooyin samaynta (qiyaasta +/- 50° ee 10° tallaabo). Qiyaasaha 75 ilbiriqsikii ayaa ku riixay microcontroller ilaa ugu badnaan 100 MIPS. Xiriirinta 68, taasoo keentay koronto 11.26 mW wadarta korontadu ee 11.71 mW ka dib marka lagu daro tabaruca ADC ee dusha sare ah.
Xogta taageeraya natiijooyinka daraasaddan waxaa laga heli karaa qoraaga, FM, codsi macquul ah.
Indiveri, G. & Sandamirskaya, Y. Ahmiyada booska iyo wakhtiga loogu talagalay habaynta calaamadaha ee wakiilada neuromorphic: Caqabadda horumarinta awoodda hoose, wakiilada madaxbannaan ee la falgala deegaanka. Indiveri, G. & Sandamirskaya, Y. Ahmiyada booska iyo wakhtiga loogu talagalay habaynta calaamadaha ee wakiilada neuromorphic: Caqabadda horumarinta awoodda hoose, wakiilada madaxbannaan ee la falgala deegaanka.Indiveri G. iyo Sandamirskaya Y. Ahmiyada booska iyo wakhtiga loogu talagalay habaynta calaamadaha ee wakiilada neuromorphic: caqabada ah horumarinta wakiilo madaxbannaan oo hooseeya oo la macaamilaya deegaanka. Indiveri, 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。 Indiveri, G. & Sandamirskaya, Y.Indiveri G. iyo Sandamirskaya Y. Ahmiyada booska iyo wakhtiga loogu talagalay habaynta calaamadaha ee wakiilada neuromorphic: caqabada ah horumarinta wakiilo madaxbannaan oo hooseeya oo la macaamilaya deegaanka.Habka IEEE Signal Processing. Wargeyska 36, 16-28 (2019).
Thorpe, SJ Waqtiga ugu Fiican ee Imaanshiyaha: Qorshaha Codaynta Shabakadda Neural ee Waxtarka leh. gudaha Eckmiller, R., Hartmann, G. & Hauske, G. (eds). gudaha Eckmiller, R., Hartmann, G. & Hauske, G. (eds).gudaha Eckmiller, R., Hartmann, G. iyo Hauske, G. (eds.).Gudaha Eckmiller, R., Hartmann, G., iyo Hauske, G. (eds.). Isbarbardhigga hababka neerfaha iyo kombiyuutarada 91-94 (North-Holland Elsevier, 1990).
Levy, WB & Calvert, Isgaadhsiinta VG waxay isticmaashaa 35 jeer tamar ka badan xisaabinta kiliyaha bini'aadamka, laakiin labadaba kharashka ayaa loo baahan yahay si loo saadaaliyo lambarka synapse. Levy, WB & Calvert, Isgaadhsiinta VG waxay isticmaashaa 35 jeer tamar ka badan xisaabinta kiliyaha bini'aadamka, laakiin labadaba kharashka ayaa loo baahan yahay si loo saadaaliyo lambarka synapse.Levy, WB iyo Calvert, Isgaarsiinta WG waxay isticmaashaa 35 jeer tamar ka badan xisaabinta kiliyaha bini'aadamka, laakiin labadaba kharashka ayaa loo baahan yahay si loo saadaaliyo tirada synapses. Levy, WB & Calvert, VG Communication 消耗的能量是人类皮层计算的35 Levy, WB & Calvert, VG IsgaarsiintaLevy, WB iyo Calvert, Isgaadhsiinta WG waxay isticmaashaa 35 jeer tamar ka badan xisaabinta kiliyaha bini'aadamka, laakiin labaduba waxay u baahan yihiin saadaalinta tirada synapses.habka. Akademiyada Qaranka ee Sayniska. cilmiga. US 118, https://doi.org/10.1073/pnas.2008173118 (2021).
Dalgaty, T., Vianello, E., De Salvo, B. & Casas, J. Cayayaanka ku dhiirigeliyay neuromorphic xisaabinta. Dalgaty, T., Vianello, E., De Salvo, B. & Casas, J. Cayayaanka ku dhiirigeliyay neuromorphic xisaabinta.Dalgati, T., Vianello, E., DeSalvo, B. iyo Casas, J. Cayayaanka u waxyoonay xisaabinta neuromorphic.Dalgati T., Vianello E., DeSalvo B. iyo Casas J. Cayayaanka ku dhiirigaliyay xisaabinta neuromorphic. Hadda. Aragtida. Sayniska cayayaanka. 30, 59-66 (2018).
Roy, K., Jaiswal, A. & Panda, P. Dhanka garaadka mashiinka ku salaysan spike-ka oo leh xisaabinta neuromorphic. Roy, K., Jaiswal, A. & Panda, P. Dhanka garaadka mashiinka ku salaysan spike-ka oo leh xisaabinta neuromorphic. Roy, K., Jaiswal, A. & Panda, P. Dhanka Sirdoonka Mashiinka Ku-saleysan Spike-ka oo leh Xisaabinta Neuromorphic.Roy K, Jaiswal A, iyo Panda P. Pulse ku salaysan sirdoon macmal ah oo isticmaalaya xisaabinta neuromorphic. Dabeecadda 575, 607-617 (2019).
Indiveri, G. & Liu, S.-C. Indiveri, G. & Liu, S.-C.Indiveri, G. iyo Liu, S.-K. Indiveri, G. & Liu, S.-C. Indiveri, G. & Liu, S.-C.Indiveri, G. iyo Liu, S.-K.Xusuusta iyo habaynta macluumaadka ee nidaamyada neuromorphic. habka. IEEE 103, 1379-1397 (2015).
Akopyan F. iyo al. Truenorth: Nakhshad iyo qalab loogu talagalay 65 mW 1 milyan oo neuron ah oo loo yaqaan chip synaptik. IEEE wax kala iibsiga Naqshadaynta kumbuyuutarka ee nidaamyada wareegga isku dhafan. 34, 1537-1557 (2015).
Schemmel, J. iyo al. Muujinta tooska ah: nooca la dhimay ee nidaamka BrainScaleS neuromorphic ee miisaanka saxanka. 2012 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), (IEEE ed.) 702-702 (2012).
Moradi, S., Qiao, N., Stefanini, F. & Indiveri, G. Nashqadaynta multicore ee la cabbiri karo oo leh qaabab xusuuseed kala duwan oo loogu talagalay soo-saareyaasha firfircoon ee asynchronous neuromorphic (DYNAPs). Moradi, S., Qiao, N., Stefanini, F. & Indiveri, G. Nashqadaynta multicore ee la cabbiri karo oo leh qaabab xusuuseed kala duwan oo loogu talagalay soo-saareyaasha firfircoon ee asynchronous neuromorphic (DYNAPs).Moradi S., Qiao N., Stefanini F. iyo Indiviri G. Qaab dhismeedyo badan oo la cabbiri karo oo leh qaabab xasuuseed oo kala duwan oo loogu talagalay soo-saareyaasha asynchronous neuromorphic (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神经形态异扩展的异构内存结构. Moradi, S., Qiao, N.,Stefanini, F. & Indiveri, G. Nooc ka mid ah qaab-dhismeedka xudunta u ah la ballaarin karo, oo leh qaab-dhismeedka xusuusta gaarka ah ee habaynta neerfaha firfircoon (DYNAP).Moradi S., Qiao N., Stefanini F. iyo Indiviri G. Qaab dhismeedyo badan oo la cabbiri karo oo leh qaabab xasuuseed oo kala duwan oo loogu talagalay soo-saareyaasha asynchronous neuromorphic (DYNAP).Ganacsiga IEEE ee Sayniska Biomedical. nidaamka korontada. 12, 106-122 (2018).
Davis, M. iyo al. Loihi: A neuromorphic processor multi-core oo leh barasho ku dhex jirta. IEEE Micro 38, 82-99 (2018).
Furber, SB, Galluppi, F., Temple, S. & Plana, LA Mashruuca SpinNaker. Furber, SB, Galluppi, F., Temple, S. & Plana, LA Mashruuca SpinNaker.Ferber SB, Galluppi F., Temple S. iyo mashruuca Plana LA SpinNnaker.Ferber SB, Galluppi F., Temple S. iyo mashruuca Plana LA SpinNnaker. habka. IEEE 102, 652-665 (2014).
Liu, S.-K. & Delbruck, T. Nidaamyada dareenka Neuromorphic. & Delbruck, T. Nidaamyada dareenka Neuromorphic.iyo Delbrück T. Nidaamyada dareenka Neuromorphic. & Delbruck, T. 神经形态感觉系统。 & Delbruck, T.iyo Delbrück T. Nidaamka dareenka Neuromorphic.Hadda. Aragtida. Neurobiology. 20, 288-295 (2010).
Chope, T. et al. Isdhexgalka dareenka Neuromorphic ee meelaynta isha dhawaaqa ee la isku daray iyo ka fogaanshaha isku dhaca. 2019 ee Shirka IEEE ee Wareegyada iyo Nidaamyada Biomedical (BioCAS), (IEEE Ed.) 1-4 (2019).
Risi, N., Aimar, A., Donati, E., Solinas, S. & Indiveri, G. Qaab dhismeedka neuromorphic-ku-saleysan ee aragga stereo. Risi, N., Aimar, A., Donati, E., Solinas, S. & Indiveri, G. Qaab dhismeedka neuromorphic-ku-saleysan ee aragga stereo.Risi N, Aymar A, Donati E, Solinas S, iyo Indiveri G. Nashqada aragga stereomorphic-ku-saleysan ee neuromorphic. 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, iyo Indiveri G. Qaab dhismeedka neuromorphic ku salaysan ee Spike ee aragga stereo.hore. Neurobotics 14, 93 (2020).
Osswald, M., Ieng, S.-H., Benosman, R. & Indiveri, G. Qaabka shabakada neerfaha ee 3Dperception ee nidaamka aragga stereo-ku-saleysan ee neuromorphic. Osswald, M., Ieng, S.-H., Benosman, R. & Indiveri, G. Qaabka shabakada neerfaha ee 3Dperception ee nidaamka aragga stereo-ku-saleysan ee neuromorphic.Oswald, M., Ieng, S.-H., Benosman, R., iyo Indiveri, G. A 3D Pulsed Shabakadda Aragtida Shabakadda Aragtida Hababka Aragtida ee Isteeriyo ku salaysan Dhacdada. 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., iyo Indiveri, G. Spiked 3Dperception Neural Network Model ee Nidaamka Aragga Neuromorphic Stereo ee Dhacdada ku salaysan.cilmiga. Warbixinta 7, 1-11 (2017).
Dalgaty, T. iyo al. Ogaanshaha dhaqdhaqaaqa aasaasiga ah ee cayayaanku waxa ka mid ah xusuusta iska caabinta iyo shabakadaha neerfaha ee dilaaca. Nidaamka biohybrid bionic. 10928, 115-128 (2018).
D'Angelo, G. iyo al. Ogaanshaha dhaq-dhaqaaqa ku-saleysan dhacdada iyadoo la adeegsanayo summada kala duwan ee ku meel gaarka ah. hore. Neerfaha. 14, 451 (2020).
Waqtiga boostada: Nov-17-2022