Ахбор

Барномаҳои коркарди маълумот дар ҷаҳони воқеии системаҳои ҳисоббарории паймон, таъхирнопазир ва камқувватро талаб мекунанд. Бо қобилиятҳои ҳисоббарории ба рӯйдодҳо асосёфта, архитектураҳои гибридии мемристии нейроморфии иловагии металл-оксиди нимноқил барои чунин вазифаҳо заминаи беҳтарини сахтафзорро фароҳам меоранд. Барои нишон додани потенсиали пурраи чунин системаҳо, мо пешниҳод ва ба таври таҷрибавӣ ҳалли ҳамаҷонибаи коркарди сенсорро барои барномаҳои маҳаллисозии объектҳои воқеӣ пешниҳод мекунем. Бо илҳом аз нейроанатомияи бум анбор, мо як системаи локализатсияи объекти биологӣ, ки ба рӯйдодҳо асос ёфтааст, таҳия кардем, ки табдилдиҳандаи муосири пьезоэлектрикии микромеханикиро бо хотираи муқовимати нейроморфӣ дар асоси графикии ҳисоббарор муттаҳид мекунад. Мо ченакҳои системаи сохтаеро нишон медиҳем, ки дорои детектори тасодуфии муқовимат ба хотира, схемаи хати таъхир ва табдилдиҳандаи ултрасадои комилан танзимшавандаро дар бар мегирад. Мо ин натиҷаҳои таҷрибавиро барои калибровка кардани моделиронӣ дар сатҳи система истифода мебарем. Пас аз ин моделсозӣ барои арзёбии ҳалли кунҷӣ ва самаранокии энергияи модели маҳаллисозии объект истифода мешавад. Натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки равиши мо метавонад нисбат ба микроконтроллерҳое, ки як вазифаро иҷро мекунанд, чанд маротиба аз ҷиҳати энергия самараноктар бошад.
Мо ба давраи ҳисоббарории ҳамаҷониба ворид шуда истодаем, ки дар он шумораи дастгоҳҳо ва системаҳои ҷойгиршуда ба таври экспоненсиалӣ меафзояд, то ба мо дар ҳаёти ҳаррӯзаамон кӯмак расонанд. Интизор меравад, ки ин системаҳо пайваста кор карда, то ҳадди имкон нерӯи барқро кам истеъмол мекунанд, ҳангоми омӯхтани тафсири маълумоте, ки онҳо аз сенсорҳои сершумор дар вақти воқеӣ ҷамъоварӣ мекунанд ва дар натиҷаи вазифаҳои тасниф ё шинохти дуӣ натиҷа медиҳанд. Яке аз қадамҳои муҳимтарин барои ноил шудан ба ин ҳадаф ин истихроҷи иттилооти муфид ва паймон аз маълумоти ҳассос ва аксаран нопурра мебошад. Равишҳои муҳандисии анъанавӣ маъмулан сигналҳои сенсориро бо суръати доимӣ ва баланд интихоб мекунанд ва ҳатто дар сурати мавҷуд набудани вурудоти муфид миқдори зиёди маълумот тавлид мекунанд. Илова бар ин, ин усулҳо усулҳои мураккаби коркарди сигналҳои рақамиро барои коркарди пешакии додаҳои воридотӣ (аксаран ғавғо) истифода мебаранд. Ба ҷои ин, биология ҳалли алтернативӣ барои коркарди маълумоти ҳассосии пурғавғо бо истифода аз равишҳои каммасраф, асинхронӣ ва рӯйдодҳо (хӯшаҳо) пешниҳод мекунад2,3. Компютерҳои нейроморфӣ аз системаҳои биологӣ илҳом мегиранд, то хароҷоти ҳисоббарориро аз ҷиҳати ниёзҳои энергия ва хотира дар муқоиса бо усулҳои анъанавии коркарди сигнал кам кунанд4,5,6. Ба наздикӣ, системаҳои инноватсионии умумии мағзи сар, ки шабакаҳои нейронии импулсиро амалӣ мекунанд (TrueNorth7, BrainScaleS8, DYNAP-SE9, Loihi10, Spinnaker11) намоиш дода шуданд. Ин протсессорҳо барои омӯзиши мошинсозӣ ва моделсозии схемаҳои кортикалӣ қудрати кам, ҳалли ками таъхирро таъмин мекунанд. Барои пурра истифода бурдани самаранокии энергетикии онҳо, ин протсессорҳои нейроморфӣ бояд мустақиман ба сенсорҳои аз рӯйдод идорашаванда пайваст карда шаванд12,13. Бо вуҷуди ин, имрӯз танҳо якчанд дастгоҳҳои ламсӣ мавҷуданд, ки мустақиман маълумотро аз рӯйдодҳо таъмин мекунанд. Намунаҳои намоён сенсорҳои динамикии визуалӣ (DVS) барои барномаҳои биниш, ба монанди пайгирӣ ва муайянкунии ҳаракат14,15,16,17 кохлеаи кремний18 ва сенсорҳои нейроморфӣ (NAS)19 барои коркарди сигналҳои шунавоӣ, сенсорҳои бӯй20 ва мисолҳои сершумор21,22 ламс мебошанд. . сенсорҳои матн.
Дар ин мақола мо як системаи коркарди аудиториро, ки ба рӯйдодҳо асос ёфтааст, пешниҳод мекунем, ки барои локализатсияи объект истифода мешавад. Дар ин ҷо, бори аввал, мо системаи нуқта-ба-охири локализатсияи объектро тавсиф мекунем, ки тавассути пайваст кардани табдилдиҳандаи муосири ултрасадои пьезоэлектрикӣ (pMUT) бо графикаи ҳисоббарорӣ дар асоси хотираи муқовимати нейроморфӣ (RRAM) ба даст оварда шудааст. Меъмории ҳисоббарории дохили хотира бо истифода аз RRAM як роҳи ҳалли умедбахш барои кам кардани истеъмоли нерӯ мебошад23,24,25,26,27,28,29. Ноустувории хоси онҳо - барои нигоҳдорӣ ё навсозии иттилоот масрафи фаъоли нерӯи барқро талаб намекунад - ба табиати асинхронӣ ва рӯйдодҳои ҳисоббарории нейроморфӣ комилан мувофиқ аст, ки дар натиҷа ҳангоми бекористии система истеъмоли нерӯи барқ ​​​​қариб кам мешавад. Табдилдиҳандаҳои ултрасадоҳои микромашинаи пьезоэлектрикӣ (pMUTs) ин табдилдиҳандаҳои ултрасадоӣ дар асоси кремнийи арзон ва арзон мебошанд, ки қодиранд ҳамчун интиқолдиҳанда ва қабулкунанда амал кунанд30,31,32,33,34. Барои коркарди сигналҳои аз ҷониби сенсорҳои дарунсохт гирифташуда, мо аз нейроанатомияи бум анбор илҳом гирифтем35,36,37. Бум анбор Tyto Alba бо қобилиятҳои аҷиби шикори шабонаи худ ба шарофати системаи хеле муассири маҳаллисозии шунавоӣ маълум аст. Барои ҳисоб кардани ҷойгиршавии сайд, системаи маҳаллисозии бумҳои анбор вақти парвозро (ToF) рамзгузорӣ мекунад, вақте мавҷҳои садои сайд ба ҳар як гӯши бум ё ретсепторҳои садо мерасад. Бо дарназардошти масофаи байни гӯшҳо, фарқияти байни ду андозагирии ToF (Interaural Time Difference, ITD) имкон медиҳад, ки мавқеи азимутҳои ҳадаф ба таври аналитикӣ ҳисоб карда шаванд. Гарчанде ки системаҳои биологӣ барои ҳалли муодилаҳои алгебрӣ чандон мувофиқ нестанд, онҳо метавонанд масъалаҳои локализатсияро хеле самаранок ҳал кунанд. Системаи асаби буғи анбор як маҷмӯи детектори тасодуфӣ (CD) 35 нейронҳоро истифода мебарад (яъне нейронҳое, ки қобилияти муайян кардани таносуби муваққатии байни хӯшаҳоеро, ки ба поён ба охири ҳаяҷонбахши конвергентӣ паҳн мешаванд) 38,39 барои ҳалли мушкилоти ҷойгиршавӣ ба графикҳои ҳисоббарорӣ ташкил карда шудаанд, истифода мебарад.
Тадқиқоти қаблӣ нишон дод, ки сахтафзорҳои иловагии металлӣ-оксиди нимноқилӣ (CMOS) ва таҷҳизоти нейроморфӣ дар асоси RRAM, ки аз колликули пасти (“кортекси шунавоӣ”) илҳом гирифта шудаанд, як усули муассир барои ҳисоб кардани мавқеъ бо истифода аз ITD13, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46. Бо вуҷуди ин, потенсиали системаҳои мукаммали нейроморфӣ, ки сигналҳои шунавоиро бо графикҳои ҳисоббарории нейроморфӣ мепайвандад, ҳанӯз нишон дода нашудааст. Мушкилоти асосӣ ин тағирёбии хоси схемаҳои аналогии CMOS мебошад, ки ба дақиқии муайян кардани мувофиқат таъсир мерасонад. Ба наздикӣ, татбиқи алтернативии рақамии ҳисобҳои ITD47 нишон дода шудаанд. Дар ин мақола, мо пешниҳод менамоем, ки қобилияти RRAM-ро барои тағир додани арзиши интиқол ба таври ғайримуқаррарӣ барои муқобила бо тағирёбӣ дар схемаҳои аналогӣ истифода барем. Мо як системаи таҷрибавиро амалӣ кардем, ки аз як мембранаи интиқоли pMUT, ки бо басомади 111,9 кГс кор мекунад, ду мембранаи қабулкунандаи pMUT (датчикҳо), ки гӯшҳои бумро тақлид мекунанд ва як . Мо ба таври таҷрибавӣ системаи муайянкунии pMUT ва графики ҳисоббарории ITD-ро дар асоси RRAM тавсиф кардем, то системаи маҳаллисозии худро санҷем ва ҳалли кунҷи онро арзёбӣ кунем.
Мо усули худро бо татбиқи рақамӣ дар микроконтроллер, ки як вазифаи локализатсияро бо истифода аз усулҳои анъанавии беамформинг ё нейроморфӣ иҷро мекунад, инчунин массиви барномарезишавандаи дарвоза (FPGA) барои арзёбии ITD, ки дар истинод пешниҳод шудааст, муқоиса мекунем. 47. Ин муқоиса самаранокии қувваи рақобатии системаи аналогии нейроморфӣ дар асоси RRAM-ро нишон медиҳад.
Яке аз мисолҳои барҷастатарини системаи маҳаллисозии объектҳои дақиқ ва муассирро дар анбор owl35,37,48 пайдо кардан мумкин аст. Дар шомгоҳӣ ва саҳар буғи анбор (Tyto Alba) пеш аз ҳама ба гӯш кардани ғайрифаъол такя мекунад ва фаъолона дар ҷустуҷӯи сайди хурд, ба мисли волҳо ё мушҳо. Ин коршиносони шунавоӣ метавонанд сигналҳои шунавоӣ аз сайдро бо дақиқии ҳайратангез (тақрибан 2°) локализатсия кунанд, ки дар расми 1а нишон дода шудааст. Бумҳои анбор ҷойгиршавии манбаъҳои садоро дар ҳавопаймои азимутӣ (уфуқӣ) аз фарқияти вақти парвоз (ITD) аз манбаи садо ба ду гӯш хулоса мекунанд. Механизми ҳисоббарории ITD аз ҷониби Ҷеффресс49,50 пешниҳод шудааст, ки ба геометрияи асаб такя мекунад ва ду ҷузъи калидиро талаб мекунад: аксон, нахи асаби нейрон ҳамчун хати таъхир амал мекунад ва як қатор нейронҳои детектори тасодуф, ки дар системаи ҳисоббарорӣ ташкил карда шудаанд. графики дар расми 1b нишон дода шудааст. Садо бо таъхири азимут вобаста ба вақт (ITD) ба гӯш мерасад. Сипас садо дар ҳар гӯш ба шакли хӯша табдил меёбад. Аксонҳои гӯшҳои чап ва рост ҳамчун хатҳои таъхир амал мекунанд ва дар нейронҳои CD якҷоя мешаванд. Аз ҷиҳати назариявӣ, танҳо як нейрон дар як қатор нейронҳои мувофиқ дар як вақт воридотро қабул мекунад (дар он ҷо таъхир маҳз қатъ мешавад) ва ба ҳадди аксар оташ мезанад (ҳуҷайраҳои ҳамсоя низ оташ мегиранд, аммо бо басомади камтар). Фаъолсозии нейронҳои муайян мавқеи ҳадафро дар фазо бе табдили минбаъдаи ITD ба кунҷҳо рамзгузорӣ мекунад. Ин мафҳум дар расми 1в ҷамъбаст шудааст: масалан, агар садо аз тарафи рост меояд, вақте ки сигнали вуруд аз гӯши рост назар ба роҳи гӯши чап дарозтар буда, шумораи ITD-ро ҷуброн мекунад, масалан, вақте ки нейрон 2 мувофиқат мекунад. Ба ибораи дигар, ҳар як CD бо сабаби таъхири аксоналӣ ба ITD муайян (инчунин таъхири оптималӣ маълум аст) ҷавоб медиҳад. Ҳамин тариқ, майна иттилооти муваққатиро ба иттилооти фазоӣ табдил медиҳад. Далелҳои анатомӣ барои ин механизм пайдо шудаанд37,51. Нейронҳои макронуклеус, ки ба марҳила баста шудаанд, маълумоти муваққатиро дар бораи садоҳои воридотӣ нигоҳ медоранд: тавре ки аз номашон бармеояд, онҳо дар фазаҳои муайяни сигнал оташ мезананд. Нейронҳои детектори тасодуфии модели Ҷеффресро дар ядрои ламинарӣ пайдо кардан мумкин аст. Онҳо аз нейронҳои макронуклеарӣ маълумот мегиранд, ки аксонҳои онҳо ҳамчун хатҳои таъхир амал мекунанд. Миқдори таъхирро, ки бо хати таъхир таъмин карда мешавад, бо дарозии аксон, инчунин шакли дигари миелинизатсия, ки суръати интиқолро тағир медиҳад, шарҳ додан мумкин аст. Мо аз системаи шунавоии буғи анбор илҳом гирифта, системаи биомиметикиро барои ҷойгиркунии объектҳо таҳия кардем. Ду гӯшро ду қабулкунаки pMUT муаррифӣ мекунанд. Сарчашмаи садо передатчики pMUT мебошад, ки дар байни онхо вокеъ аст (расми 1а) ва графики хисоббарори тавассути сети схемахои CD дар асоси RRAM (расми 1б, сабз) ташаккул ёфта, роли нейронхои CD-ро, ки вуруди онхо ба таъхир афтодааст, мебозад. тавассути схема, хатҳои таъхир (кабуд) мисли аксон дар ҳамтои биологӣ амал мекунанд. Системаи ҳассосии пешниҳодшуда аз рӯи басомади корӣ аз бум, ки системаи шунавоии он дар диапазони 1-8 кГц кор мекунад, фарқ мекунад, аммо дар ин кор сенсорҳои pMUT, ки тақрибан 117 кГц кор мекунанд, истифода мешаванд. Интихоби табдилдиҳандаи ултрасадо мувофиқи меъёрҳои техникӣ ва оптимизатсия баррасӣ мешавад. Аввалан, маҳдуд кардани фарохмаҷрои қабул ба басомади ягона дақиқии андозагириро ба таври идеалӣ беҳтар мекунад ва қадами пас аз коркардро содда мекунад. Илова бар ин, амалиёт дар УЗИ бартарият дорад, ки импулсҳои баровардашуда шунида намешаванд, бинобар ин ба одамон халал нарасонед, зеро диапазони шунавоии онҳо ~ 20-20 кГц аст.
буғи анбор мавҷҳои садоро аз ҳадаф қабул мекунад, дар ин ҳолат тӯъмаи ҳаракаткунанда. Вақти парвоз (ToF)-и мавҷи садо барои ҳар як гӯш гуногун аст (агар сайд бевосита дар пеши бум набошад). Хати нуқта роҳеро нишон медиҳад, ки мавҷҳои садо ба гӯши буғи анбор мерасад. Тухфаро метавон дар ҳамвории уфуқӣ дар асоси фарқияти дарозии байни ду роҳи акустикӣ ва фарқияти вақти мувофиқ (ITD) ҷойгир кард (тасвири чап аз ҷониби реф. 74, ҳуқуқи муаллиф 2002, Ҷамъияти неврология). Дар системаи мо, интиқолдиҳандаи pMUT (кабуди тира) мавҷҳои садоро тавлид мекунад, ки аз ҳадаф мепарад. Мавҷҳои ултрасадои инъикосшавандаро ду қабулкунандаи pMUT (сабзи сабз) қабул мекунанд ва аз ҷониби протсессори нейроморфӣ коркард мешаванд (аз рост). b Модели ҳисоббарории ITD (Ҷеффресс), ки тасвир мекунад, ки чӣ гуна садоҳое, ки ба гӯши бум ворид мешаванд, аввал ҳамчун хушаи фаза басташуда дар ядрои калон (NM) рамзгузорӣ карда мешаванд ва сипас бо истифода аз шабакаи ба таври геометрӣ ташкилшудаи нейронҳои детектории мувофиқ дар ядрои ламеллярӣ. Коркард (Нидерланд) (аз чап). Тасвири графикаи ҳисоббарории neuroITD, ки хатҳои таъхир ва нейронҳои детектори тасодуфро муттаҳид мекунад, системаи биосенсории бумро бо истифода аз схемаҳои нейроморфӣ дар асоси RRAM модел кардан мумкин аст (аз рост). в Схемати механизми асосии Ҷеффрес аз сабаби фарқияти ToF, ду гӯш ангезаҳои садоиро дар вақтҳои гуногун қабул мекунанд ва аксонҳоро аз ҳарду канор ба детектор мефиристанд. Аксонҳо қисми як қатор нейронҳои детектори тасодуфӣ (CD) мебошанд, ки ҳар яки онҳо ба воридоти бо вақт алоқаманд ба таври интихобӣ ҷавоб медиҳанд. Дар натиҷа, танҳо CD-ҳое, ки вуруди онҳо бо фарқияти хурдтарини вақт меоянд, ба ҳадди аксар ҳаяҷонбахшанд (ITD маҳз ҷуброн карда мешавад). Сипас CD мавқеи кунҷии ҳадафро рамзгузорӣ мекунад.
Табдилдиҳандаҳои ултрасадои микромеханикии пьезоэлектрикӣ табдилдиҳандаҳои ултрасадои миқёспазир мебошанд, ки метавонанд бо технологияи пешрафтаи CMOS31,32,33,52 муттаҳид карда шаванд ва нисбат ба табдилдиҳандаҳои ҳаҷмии анъанавӣ53 шиддати ибтидоӣ ва истеъмоли қувваи барқ ​​камтар доранд. Дар кори мо диаметри мембрана 880 мкм буда, басомади резонанси дар доираи 110–117 кГц таксим шудааст (расми 2а, барои тафсилот ба Усулхо нигаред). Дар партави даҳ дастгоҳи санҷишӣ, омили миёнаи сифат тақрибан 50 адад буд (Ис. 31). Технология ба камолоти саноатӣ расидааст ва худаш биологӣ нест. Якҷоя кардани маълумот аз филмҳои гуногуни pMUT як усули маъруф аст ва иттилооти кунҷро метавон аз pMUTs бо истифода аз усулҳои чӯбкорӣ ба даст овард31,54. Аммо, коркарди сигнал, ки барои истихроҷи иттилооти кунҷ лозим аст, барои андозагирии қувваи кам мувофиқ нест. Системаи пешниҳодшуда схемаи коркарди пешакии додаҳои нейроморфии pMUT-ро бо графикаи ҳисоббарории нейроморфӣ дар асоси RRAM, ки аз модели Ҷеффрес илҳом гирифта шудааст, муттаҳид мекунад (Расми 2c), ки ҳалли алтернативии сахтафзори каммасраф ва захираҳои маҳдудро таъмин мекунад. Мо як таҷриба анҷом додем, ки дар он ду сенсори pMUT тақрибан 10 см аз ҳам ҷойгир карда шуда буд, то садоҳои гуногуни ToF-ро, ки ду мембранаи қабулкунанда қабул мекунанд, истифода баранд. Як pMUT ҳамчун интиқолдиҳанда дар байни қабулкунандаҳо ҷойгир аст. Ҳадаф як плитаи ПВХ, ки паҳноиаш 12 см буд, дар масофаи D дар назди дастгоҳи pMUT ҷойгир буд (расми 2б). Қабулкунанда садои аз ашё инъикосшударо сабт мекунад ва ҳангоми гузаштани мавҷи садо ба қадри имкон реаксия мекунад. Тачрибаро бо тагйир додани мавкеи объект, ки бо масофаи D ва кунчи θ муайян карда мешавад, такрор кунед. Аз пайванд илҳом гирифта шудааст. 55, мо коркарди пешакии нейроморфии сигналҳои хоми pMUT-ро барои табдил додани мавҷҳои инъикосшуда ба қуллаҳо барои ворид кардани графикаи ҳисоббарории нейроморфӣ пешниҳод менамоем. ToF, ки ба амплитудаи қуллаи мувофиқ мувофиқ аст, аз ҳар ду канал гирифта мешавад ва ҳамчун вақти дақиқи қуллаҳои инфиродӣ рамзгузорӣ карда мешавад. Дар расм. 2c схемаи заруриро барои интерфейси сенсори pMUT бо графикаи ҳисоббарории RRAM нишон медиҳад: барои ҳар як ду қабулкунандаи pMUT, сигнали хом барои ҳамвор кардан, ислоҳ кардан филтр карда мешавад ва сипас ба интегратори ихроҷшуда дар ҳолати бартарафсозӣ мегузарад. остонаи динамикӣ (расми 2d) як ҳодисаи баромад (хӯша) ва оташ (LIF) нейрони эҷод мекунад: вақти хӯшаи баромади вақти парвози ошкоршударо рамзгузорӣ мекунад. Ҳадди LIF дар муқоиса бо посухи pMUT калибр карда мешавад ва ба ин васила тағирёбии pMUT-ро аз дастгоҳ ба дастгоҳ коҳиш медиҳад. Бо ин равиш, ба ҷои нигоҳ доштани тамоми мавҷи садо дар хотира ва коркарди он, мо танҳо як қуллаи мувофиқи ToF-и мавҷи садоро тавлид мекунем, ки вуруд ба графики ҳисоббарории хотираи муқовиматро ташкил медиҳад. Шишаҳо мустақиман ба хатҳои таъхир фиристода мешаванд ва бо модулҳои муайянкунии мувофиқат дар графикҳои ҳисобкунии нейроморфӣ параллел мешаванд. Азбаски онҳо ба дарвозаҳои транзисторҳо фиристода мешаванд, схемаи тақвияти иловагӣ талаб карда намешавад (барои тафсилот ба расми 4 нигаред). Барои арзёбии дақиқии кунҷи маҳаллисозӣ, ки аз ҷониби pMUT ва усули пешниҳодшудаи коркарди сигнал пешниҳод шудааст, мо ITD-ро чен кардем (яъне фарқияти вақт байни рӯйдодҳои қуллаи аз ҷониби ду қабулкунанда тавлидшуда), зеро масофа ва кунҷи объект фарқ мекард. Пас аз он таҳлили ITD ба кунҷҳо табдил дода шуд (ниг. Усулҳо) ва дар муқобили мавқеи объект тартиб дода шуд: номуайянӣ дар ITD ченшуда бо масофа ва кунҷ ба объект зиёд шуд (расми 2e,f). Мушкилоти асосӣ таносуби қулла ба садо (PNR) дар посухи pMUT мебошад. Чӣ қадаре ки объект дуртар бошад, сигнали акустикӣ ҳамон қадар паст мешавад ва ба ин васила PNR-ро коҳиш медиҳад (расми 2f, хати сабз). Пастшавии PNR боиси афзоиши номуайянӣ дар сметаи ITD мегардад, ки дар натиҷа дақиқии маҳаллисозӣ зиёд мешавад (расми 2f, хати кабуд). Барои объекте, ки аз интиқолдиҳанда 50 см дур аст, дақиқии кунҷи система тақрибан 10 ° аст. Ин маҳдудияте, ки аз ҷониби хусусиятҳои сенсор гузошта шудааст, метавонад беҳтар карда шавад. Масалан, фишори фиристодаи эмитентро зиёд кардан мумкин аст ва ба ин васила шиддати мембранаи pMUT-ро зиёд мекунад. Дигар роҳи ҳалли пурзӯр кардани сигнали интиқолшаванда пайваст кардани якчанд интиқолдиҳандаҳо 56 мебошад. Ин қарорҳо диапазони ошкоркуниро аз ҳисоби афзоиши хароҷоти энергия зиёд мекунанд. Дар тарафи қабулкунанда такмилдиҳии иловагӣ мумкин аст. Сатҳи садои қабулкунаки pMUT-ро тавассути беҳтар кардани пайвастшавӣ байни pMUT ва пурқувваткунандаи марҳилаи якум, ки айни замон бо пайвастҳои сим ва кабелҳои RJ45 анҷом дода мешавад, ба таври назаррас коҳиш додан мумкин аст.
Тасвири кристали pMUT бо шаш мембранаи 880 мкм дар қабати 1,5 мм муттаҳид карда шудааст. б Диаграммаи насби ченкунӣ. Ҳадаф дар мавқеи азимут θ ва дар масофаи D ҷойгир аст. Интиқолдиҳандаи pMUT сигнали 117,6 кГц тавлид мекунад, ки аз ҳадаф бармехезад ва ба ду қабулкунаки pMUT бо вақти парвоз (ToF) мерасад. Ин тафовут, ки ҳамчун фарқияти вақти байнишунавӣ (ITD) муайян карда мешавад, мавқеи объектро рамзгузорӣ мекунад ва онро тавассути ҳисоб кардани аксуламалҳои баландтарини ду сенсори қабулкунанда ҳисоб кардан мумкин аст. в Схемати қадамҳои коркарди пешаки барои табдил додани сигнали хоми pMUT ба пайдарпаии хӯша (яъне вуруд ба графики ҳисобкунии нейроморфӣ). Сенсорҳои pMUT ва графикҳои ҳисоббарории нейроморфӣ сохта ва озмуда шудаанд ва коркарди пешакии нейроморфӣ ба моделсозии нармафзор асос ёфтааст. d Ҷавоби мембранаи pMUT ҳангоми гирифтани сигнал ва табдили он ба домени хӯша. e Маҳаллисозии таҷрибавӣ дақиқии кунҷӣ ҳамчун функсияи кунҷи объект (Θ) ва масофа (D) ба объекти ҳадаф. Усули истихроҷи ITD ҳадди ақали ҳалли кунҷи тақрибан 4 ° C -ро талаб мекунад. f Аниқии кунҷӣ (хати кабуд) ва таносуби мувофиқи қулла ба садо (хати сабз) нисбат ба масофаи объект барои Θ = 0.
Хотираи муқовиматкунанда информатсияро дар ҳолати ноқилӣ нигоҳ медорад. Принсипи асосии усул аз он иборат аст, ки таѓйирёбии мавод дар сатњи атом боиси таѓйирёбии ноќилияти электрии он мегардад57. Дар ин ҷо мо хотираи муқовимати оксиди асосиро истифода мебарем, ки аз қабати 5 нм дуоксиди гафний дар байни электродҳои титан ва нитриди титани боло ва поён ҷойгир шудааст. Ноқилияти дастгоҳҳои RRAM-ро тавассути истифодаи шакли мавҷи ҷараён/шиддат, ки филаментҳои гузаронандаи ҷойҳои холии оксигенро байни электродҳо эҷод мекунад ё мешиканад, тағир додан мумкин аст. Мо ин гуна дастгоҳҳоро58 ба як раванди стандартии 130 нм CMOS ҳамҷоя кардем, то як схемаи сохташудаи аз нав танзимшавандаи нейроморфӣ, ки детектори тасодуф ва схемаи хати таъхирро амалӣ мекунад (расми 3а). Табиати ғайримуқаррарӣ ва аналогии дастгоҳ, дар якҷоягӣ бо табиати ба рӯйдодҳо асосёфтаи схемаи нейроморфӣ, сарфи қувваи барқро кам мекунад. Схема дорои функсияи фаврӣ / хомӯш кардан аст: он фавран пас аз фурӯзон кор мекунад ва имкон медиҳад, ки қувваи барқ ​​​​ҳангоми бекористии схема комилан хомӯш карда шавад. Блокҳои асосии сохтмони нақшаи пешниҳодшуда дар расм нишон дода шудаанд. 3б. Он аз N сохтори параллели як резистори як транзистор (1T1R) иборат аст, ки вазнҳои синаптикиро рамзгузорӣ мекунанд, ки аз онҳо ҷараёнҳои вазндор гирифта мешаванд, ба синапси умумии интегратори ҷуфти дифференсиалӣ (DPI)59 ворид карда мешаванд ва дар ниҳоят ба синапс бо ҳамгироӣ ва ҳамгироӣ ворид карда мешаванд. ихроҷ. нейрони фаъолшуда (LIF) 60 (ниг. Усулҳо барои тафсилот). Шиддати даромад ба дарвозаи сохтори 1Т1Р дар шакли пайдарпайи импульсҳои шиддат бо давомнокӣ аз рӯи садҳо наносонияҳо татбиқ карда мешавад. Хотираи муқовиматро метавон дар ҳолати гузаронандаи баланд (HCS) бо истифода аз истинодҳои мусбати беруна ба Vtop ҳангоми ба замин пайваст кардани Vbottom ҷойгир кард ва ҳангоми ба замин пайваст кардани Vtop ба ҳолати ноқилҳои паст (LCS) аз нав барқарор кардани шиддати мусбат ба Vbottom. Қимати миёнаи HCS-ро тавассути маҳдуд кардани ҷараёни барномасозӣ (мутобиқати) SET (ICC) тавассути шиддати манбаи дарвозаи транзистори силсила идора кардан мумкин аст (расми 3c). Функсияҳои RRAM дар схема дучандонанд: онҳо импулсҳои вурудро равона ва вазнин мекунанд.
Тасвири микроскопи электронии сканерӣ (SEM) як дастгоҳи кабуди HfO2 1T1R RRAM, ки дар технологияи CMOS 130 нм бо транзисторҳои селекторӣ (барои 650 нм) бо ранги сабз муттаҳид шудааст. б Блокҳои асосии сохтори схемаи нейроморфии пешниҳодшуда. Импульсҳои шиддати воридотӣ (қуллаҳои) Vin0 ва Vin1 Iweight-и ҷорӣро истеъмол мекунанд, ки ба ҳолати интиқоли G0 ва G1 сохтори 1T1R мутаносиб аст. Ин ҷараён ба синапсҳои DPI ворид карда мешавад ва нейронҳои LIF-ро ба ҳаяҷон меорад. RRAM G0 ва G1 мутаносибан дар HCS ва LCS насб карда шудаанд. в Функсияи зичии маҷмӯӣ барои як гурӯҳи дастгоҳҳои 16K RRAM ҳамчун функсияи мутобиқати ҷараёни ICC, ки сатҳи интиқолро самаранок назорат мекунад. d Андозагирии схема дар (a) нишон медиҳад, ки G1 (дар LCS) вурудро аз Vin1 (сабз) ба таври муассир блок мекунад ва воқеан шиддати мембранаи нейронии баромад танҳо ба вуруди кабуд аз Vin0 ҷавоб медиҳад. RRAM пайвастҳоро дар схема самаранок муайян мекунад. е Андозагирии занҷир дар (б) нишон медиҳад, ки таъсири қимати ноқилӣ G0 ба шиддати мембрана Vmem баъди ба кор андохтани импульси шиддат Vin0. Чӣ қадаре ки гузаранда бештар бошад, вокуниш ҳамон қадар қавитар аст: ҳамин тавр, дастгоҳи RRAM вазнкунии пайвасти I/O -ро амалӣ мекунад. Андозаҳо дар схема анҷом дода шуданд ва функсияи дугонаи RRAM, масир ва вазнкунии импулсҳои вурудро нишон медиҳанд.
Аввалан, азбаски ду ҳолати асосии интиқол (HCS ва LCS) вуҷуд дорад, RRAMҳо метавонанд импулсҳои вурудро ҳангоми дар ҳолати LCS ё HCS буданашон маҳкам кунанд ё аз даст диҳанд. Дар натиҷа, RRAM пайвастҳоро дар схема самаранок муайян мекунад. Ин асос барои аз нав танзим кардани меъморӣ мебошад. Барои нишон додани ин, мо амалисозии схемаи сохтаи блоки схемаро дар расми 3б тасвир мекунем. RRAM, ки ба G0 мувофиқ аст, дар HCS барномарезӣ шудааст ва RRAM дуюми G1 дар LCS барномарезӣ шудааст. Импульсҳои воридотӣ ба Vin0 ва Vin1 татбиқ карда мешаванд. Таъсири ду пайдарпаии импульсҳои воридотӣ дар нейронҳои баромад тавассути ҷамъоварии шиддати мембранаи нейрон ва сигнали баромад тавассути осциллограф таҳлил карда шуданд. Таҷриба дар ҳоле муваффақ буд, ки танҳо дастгоҳи HCS (G0) ба набзи нейрон барои ангезиш додани шиддати мембрана пайваст карда шуд. Ин дар расми 3d нишон дода шудааст, ки дар он қатори набзи кабуд боиси зиёд шудани шиддати мембрана дар конденсатори мембрана мегардад, дар ҳоле ки қатори набзи сабз шиддати мембранаро доимӣ нигоҳ медорад.
Вазифаи дуюми муҳими RRAM иҷрои вазнҳои пайвастшавӣ мебошад. Бо истифода аз тасҳеҳи гузарониши аналогии RRAM, пайвастҳои I/O метавонанд мувофиқан вазн карда шаванд. Дар озмоиши дуюм, дастгоҳи G0 ба сатҳҳои гуногуни HCS барномарезӣ карда шуд ва импулси воридотӣ ба вуруди VIn0 татбиқ карда шуд. Набзи воридотӣ аз дастгоҳ ҷараёнро (Вазн) мегирад, ки он ба ноқилӣ ва тарки потенсиалии мувофиқ Vtop − Vbot мутаносиб аст. Ин ҷараёни вазншуда пас аз он ба синапсҳои DPI ва нейронҳои баромади LIF ворид карда мешавад. Шиддати мембранаи нейронҳои баромад ба воситаи осциллограф ба қайд гирифта шуда, дар расми 3d нишон дода шудааст. Қуллаи шиддати мембранаи нейрон дар посух ба як импулси воридотӣ ба гузарониши хотираи муқовимат мутаносиб аст ва нишон медиҳад, ки RRAM метавонад ҳамчун унсури барномарезишавандаи вазни синаптикӣ истифода шавад. Ин ду озмоиши пешакӣ нишон медиҳанд, ки платформаи нейроморфӣ дар асоси RRAM-и пешниҳодшуда қодир аст унсурҳои асосии механизми асосии Ҷеффресс, яъне хати таъхир ва схемаи детектори тасодуфиро амалӣ созад. Платформаи схемавӣ бо роҳи паҳлӯ ба паҳлӯ ҷойгир кардани блокҳои пайдарпай, ба монанди блокҳои дар расми 3b ва пайваст кардани дарвозаҳои онҳо ба хати умумии вуруд сохта мешавад. Мо платформаи нейроморфӣ, ки аз ду нейронҳои баромад, ки ду вурудро мегиранд, тарҳрезӣ, сохта ва озмоиш кардем (расми 4а). Диаграммаи схема дар расми 4б нишон дода шудааст. Матритсаи болоии 2 × 2 RRAM имкон медиҳад, ки импулсҳои воридотӣ ба ду нейронҳои баромад равона карда шаванд, дар ҳоле ки матритсаи поёнии 2 × 2 имкон медиҳад, ки пайвастагии такрории ду нейрон (N0, N1). Мо нишон медиҳем, ки ин платформаро метавон бо конфигуратсияи хати таъхир ва ду функсияи детектори тасодуфии гуногун истифода бурд, ки бо андозагирии таҷрибавӣ дар расми 4c-e нишон дода шудааст.
Диаграммаи схемае, ки аз ду нейронҳои баромади N0 ва N1, ки ду вуруди 0 ва 1-ро мегиранд, ташкил карда шудааст. Чор дастгоҳи болоии массив алоқаҳои синаптикиро аз вуруд ба баромад ва чаҳор ҳуҷайраи поёнӣ пайвастагиҳои такрории байни нейронҳоро муайян мекунанд. RRAM-ҳои ранга дастгоҳҳоеро, ки дар HCS дар тарафи рост танзим карда шудаанд, намояндагӣ мекунанд: дастгоҳҳои HCS ба пайвастшавӣ иҷозат медиҳанд ва вазнҳоро намояндагӣ мекунанд, дар ҳоле ки дастгоҳҳои LCS импулсҳои вурудро маҳкам мекунанд ва пайвастҳоро ба баромадҳо хомӯш мекунанд. б Диаграммаи схемаи (a) бо ҳашт модули RRAM бо ранги кабуд таъкид шудааст. c Хатҳои таъхир бо истифода аз динамикаи синапсҳои DPI ва нейронҳои LIF ташкил карда мешаванд. RRAM сабз ба ноқилӣ ба қадри кофӣ баланд гузошта шудааст, то пас аз таъхири вуруди Δt қодир ба хатогиро дар баромад ба вуҷуд орад. г Тасвири схемавии муайянкунии CD-и ба самт ҳассос сигналҳои вобаста ба вақт. Нейронҳои баромади 1, N1, дар вуруди 0 ва 1 бо таъхири кӯтоҳ оташ мегиранд. e Схемаи CD ҳассос ба самт, схемае, ки ҳангоми наздик шудани вуруди 1 ба вуруди 0 муайян мекунад ва пас аз вуруди 0 меояд. Баромади схема бо нейрони 1 (N1) муаррифӣ мешавад.
Хати таъхир (Расми 4c) танҳо рафтори динамикии синапсҳои DPI ва нейронҳои LIF-ро барои дубора тавлид кардани хӯшаи вуруд аз Vin1 то Vout1 тавассути таъхири Tdel истифода мебарад. Танҳо G3 RRAM, ки ба Vin1 ва Vout1 пайваст аст, дар HCS барномарезӣ шудааст, боқимондаи RRAMҳо дар LCS барномарезӣ шудаанд. Дастгоҳи G3 барои 92,6 мкс барномарезӣ шуда буд, то ҳар як импулси воридотӣ шиддати мембранаи нейронии баромадро барои расидан ба ҳадди кофӣ афзоиш диҳад ва импулси таъхиршудаи баромадро тавлид кунад. Таъхири Tdel бо константаҳои вақти синаптикӣ ва асабӣ муайян карда мешавад. Детекторҳои тасодуф пайдоиши сигналҳои вурудии ба таври муваққатӣ алоқаманд, вале аз ҷиҳати фазо тақсимшударо муайян мекунанд. CD-и ба самт ҳассос ба воридоти инфиродӣ такя мекунад, ки ба як нейрони умумии баромад муттаҳид мешаванд (расми 4d). Ду RRAM, ки Vin0 ва Vin1-ро ба Vout1, G2 ва G4 мепайвандад, мутаносибан барои интиқоли баланд барномарезӣ шудаанд. Ҳамзамон расидани хӯшаҳо дар Vin0 ва Vin1 шиддати мембранаи нейрони N1-ро аз ҳадди зарурӣ барои тавлиди хӯшаи баромад зиёд мекунад. Агар ду вуруд дар вақт аз ҳамдигар хеле дур бошанд, заряди шиддати мембрана, ки тавассути вуруди аввал ҷамъ шудааст, метавонад вақт дошта бошад, ки потенсиали мембранаи N1 ба арзиши ҳадди ниҳоии расиданро пешгирӣ кунад. G1 ва G2 барои тақрибан 65 мкс барномарезӣ шудаанд, ки ин кафолат медиҳад, ки якбора якбора шиддати мембранаро зиёд намекунад, то боиси афзоиши баромад гардад. Муайян кардани тасодуф байни рӯйдодҳои дар фазо ва вақт тақсимшуда як амалиёти бунёдӣ мебошад, ки дар доираи васеи вазифаҳои ҳассос, аз қабили канорагирӣ аз монеаҳои ҷараёни оптикӣ ва маҳаллисозии манбаи садо истифода мешавад. Ҳамин тариқ, ҳисоббарории CD-ҳои ба самт ҳассос ва ҳассос як блоки бунёдӣ барои сохтани системаҳои маҳаллисозии визуалӣ ва аудио мебошад. Тавре ки аз хусусиятҳои константаҳои вақт нишон дода шудааст (ниг. ба расми 2), схемаи пешниҳодшуда диапазони мувофиқи чор дараҷаи миқёси вақтро амалӣ мекунад. Ҳамин тариқ, он метавонад дар як вақт ба талаботи системаҳои визуалӣ ва садоӣ ҷавобгӯ бошад. СД-и самти ҳассос як схемаест, ки ба тартиби фазоии расидани импулсҳо ҳассос аст: аз рост ба чап ва баръакс. Он як блоки бунёдии шабакаи асосии муайянкунии ҳаракати системаи визуалии Drosophila мебошад, ки барои ҳисоб кардани самтҳои ҳаракат ва ошкор кардани бархӯрдҳо62 истифода мешавад. Барои ноил шудан ба CD-и ба самт ҳассос, ду вуруд бояд ба ду нейронҳои гуногун (N0, N1) равона карда шавад ва дар байни онҳо робитаи самтӣ муқаррар карда шавад (расми 4е). Вақте ки вуруди аввал қабул карда мешавад, NO тавассути баланд бардоштани шиддат дар мембранаи он аз арзиши ҳадди ниҳоӣ ва интиқоли шиддат реаксия мекунад. Ин ҳодисаи баромад, дар навбати худ, N1-ро ба шарофати пайвасти самтӣ, ки бо сабз нишон дода шудааст, оташ мезанад. Агар ҳодисаи вуруди Vin1 расад ва N1-ро дар ҳоле, ки шиддати мембранаи он ҳанӯз баланд аст, нерӯ диҳад, N1 ҳодисаи баромадро тавлид мекунад, ки нишон медиҳад, ки мувофиқат байни ду вуруд пайдо шудааст. Пайвастҳои самтӣ ба N1 имкон медиҳанд, ки агар вуруди 1 пас аз вуруди 0 ворид шавад, натиҷа диҳад. G0, G3 ва G7 мутаносибан ба 73.5 μS, 67.3 μS ва 40.2 μS барномарезӣ шудаанд ва кафолат медиҳанд, ки як хӯшаи ягона дар вуруди Vin0 таъхирро ба вуҷуд меорад. хӯшаи баромад, дар ҳоле ки потенсиали мембранаи N1 танҳо вақте ба ҳадди ниҳоӣ мерасад, вақте ки ҳарду таркишҳои воридотӣ ҳамоҳанг мешаванд. .
Тағйирпазирӣ манбаи нокомилӣ дар системаҳои моделшудаи нейроморфӣ мебошад63,64,65. Ин ба рафтори гетерогении нейронҳо ва синапсҳо оварда мерасонад. Намунаҳои чунин нуқсонҳо 30% (миёнаи инҳирофи стандартӣ) дар даромади даромад, доимии вақт ва давраи рефракторро дар бар мегиранд (ниг. Усулҳо). Ин мушкилот ҳангоми пайваст кардани якчанд схемаҳои асаб, ба монанди CD-и ба самт ҳассос, ки аз ду нейрон иборат аст, боз ҳам равшантар мешавад. Барои дуруст кор кардан, константаҳои фоида ва таназзули ду нейрон бояд ба қадри имкон монанд бошанд. Масалан, фарқияти калон дар даромади вуруд метавонад боиси вокуниши як нейрон ба набзи воридот гардад, дар ҳоле ки нейрони дигар базӯр ҷавоб медиҳад. Дар расм. Тасвири 5а нишон медиҳад, ки нейронҳои ба таври тасодуфӣ интихобшуда ба як набзи вуруд ба таври гуногун ҷавоб медиҳанд. Ин тағирёбии асаб, масалан, ба вазифаи CD-ҳои ба самт ҳассос алоқаманд аст. Дар схемае, ки дар расм нишон дода шудааст. 5b, c, фоидаи вуруди нейрони 1 нисбат ба нейрони 0 хеле баландтар аст. Ҳамин тариқ, нейрони 0 барои расидан ба ҳадди ниҳоӣ се импулси вурудро (ба ҷои 1) талаб мекунад ва нейрони 1, тавре ки интизор мерафт, ба ду ҳодисаи вуруд ниёз дорад. Татбиқи пластикии биомиметикии аз вақт вобаста (STDP) як роҳи имконпазири коҳиш додани таъсири схемаҳои номуайян ва сусти асаб ва синаптикӣ ба кори система43 мебошад. Дар ин ҷо мо пешниҳод менамоем, ки рафтори пластикии хотираи муқовиматкунанда ҳамчун воситаи таъсиррасонӣ ба тақвияти вуруди асаб ва кам кардани таъсири тағирёбӣ дар схемаҳои нейроморфӣ истифода шавад. Чунон ки дар расм нишон дода шудааст. 4e, сатҳҳои ноқилӣ, ки бо массаи синаптикии RRAM алоқаманданд, вокуниши мувофиқи шиддати мембранаи асабро ба таври муассир модул кард. Мо стратегияи барномасозии RRAM-ро истифода мебарем. Барои вуруди додашуда, арзишҳои гузаронандагии вазнҳои синаптикӣ то ба даст овардани рафтори ҳадафи схема дубора барномарезӣ карда мешаванд (ниг. Усулҳо).
a Андозагирии таҷрибавии вокуниши нӯҳ нейронҳои инфиродӣ ба таври тасодуфӣ интихобшуда ба як набзи вуруд. Ҷавоб дар байни аҳолӣ фарқ мекунад, ки ба даромади воридотӣ ва доимии вақт таъсир мерасонад. б Андозагирии таҷрибавии таъсири нейронҳо ба тағирёбии нейронҳое, ки ба CD-и самт ҳассос таъсир мерасонанд. Ду нейронҳои баромади CD, ки ба самт ҳассосанд, аз сабаби тағирёбии нейрон ба нейрон ба ангезаҳои вуруд ба таври гуногун ҷавоб медиҳанд. Нейрон 0 нисбат ба нейрон 1 фоидаи даромади камтар дорад, аз ин рӯ барои эҷоди хӯшаи баромади он се импулси воридотӣ (ба ҷои 1) лозим аст. Тавре ки интизор мерафт, нейрон 1 бо ду ҳодисаи воридотӣ ба ҳадди ниҳоӣ мерасад. Агар вуруди 1 пас аз оташ задани нейрони 0 Δt = 50 мкс ворид шавад, CD хомӯш мемонад, зеро Δt аз доимии вақти нейрони 1 (тақрибан 22 мкс) бузургтар аст. c бо Δt = 20 мкс кам карда мешавад, ба тавре ки вуруди 1 ҳангоми баланд будани оташи нейрон 1 ба авҷи худ мерасад, ки дар натиҷа ду ҳодисаи вуруд ҳамзамон ошкор мешавад.
Ду унсуре, ки дар сутуни ҳисобкунии ITD истифода мешаванд, хати таъхир ва самти CD-и ҳассос мебошанд. Ҳарду схемаҳо калибркунии дақиқро талаб мекунанд, то иҷрои хуби ҷойгиркунии объектро таъмин кунанд. Хатти таъхир бояд версияи дақиқи таъхирёфтаи қуллаи вурудро расонад (расми 6а) ва CD бояд танҳо вақте фаъол карда шавад, ки вуруд ба доираи муайянкунии ҳадаф афтад. Барои хати таъхир, вазнҳои синаптикии пайвастҳои воридотӣ (G3 дар расми 4а) то ба даст овардани таъхири ҳадаф аз нав барномарезӣ карда шуданд. Барои боздоштани барнома дар атрофи таъхири ҳадаф таҳаммулро муқаррар кунед: таҳаммулпазирӣ ҳар қадар хурдтар бошад, бомуваффақият гузоштани хатти таъхир ҳамон қадар мушкилтар мешавад. Дар расм. Дар расми 6б натиљањои љараёни калибрченкунии хати таъхир нишон дода шудааст: дида мешавад, ки схемаи пешнињодшуда тамоми таъхирњои дар схемаи лоињакашї заруриро (аз 10 то 300 мкс) комилан таъмин карда метавонад. Шумораи максималии такрори калибрченкунӣ ба сифати раванди калибрченкунӣ таъсир мерасонад: 200 такрор метавонад хатогиро то камтар аз 5% кам кунад. Як итератсияи калибрченкунӣ ба амалиёти танзим/аз нав танзимкунии ячейкаи RRAM мувофиқат мекунад. Раванди танзим инчунин барои баланд бардоштани дақиқии ошкоркунии фаврии ҳодисаи наздики модули CD муҳим аст. Барои ноил шудан ба суръати воқеии мусбат (яъне, суръати воқеаҳое, ки мувофиқи мувофиқ муайян карда шудаанд) аз 95% боло (хати кабуд дар расми 6c) даҳ такрори калибрченкунӣ лозим шуд. Бо вуҷуди ин, раванди танзим ба рӯйдодҳои мусбати бардурӯғ таъсир нарасонд (яъне басомади рӯйдодҳое, ки хатогӣ мувофиқанд). Усули дигаре, ки дар системаҳои биологӣ барои бартараф кардани маҳдудияти вақти роҳҳои босуръат фаъолшаванда мушоҳида мешавад, зиёдатӣ мебошад (яъне барои иҷрои вазифаи додашуда нусхаҳои зиёди як объект истифода мешаванд). Аз биология66 илҳом гирифта, мо якчанд схемаҳои CD-ро дар ҳар як модули CD байни ду хати таъхир ҷойгир кардем, то таъсири мусбатҳои бардурӯғро кам кунад. Чунон ки дар расм нишон дода шудааст. 6c (хати сабз), ҷойгир кардани се унсури CD дар ҳар як модули CD метавонад сатҳи ҳушдори бардурӯғро то камтар аз 10-2 кам кунад.
Таъсири тағирёбии нейронӣ ба схемаҳои хати таъхир. b Схемаҳои хати таъхирро тавассути муқаррар кардани константаҳои вақти нейронҳои мувофиқи LIF ва синапсҳои DPI ба арзишҳои калон ба таъхирҳои калон андоза кардан мумкин аст. Зиёд кардани шумораи такрори тартиби калибрченкунии RRAM имкон дод, ки дақиқии таъхири мақсаднок ба таври назаррас беҳтар карда шавад: 200 такрор хаторо то 5% камтар кард. Як такрор ба амалиёти SET/RESET дар ячейкаи RRAM мувофиқат мекунад. Ҳар як модули CD дар модели Jeffress метавонад бо истифода аз N унсурҳои CD параллелӣ барои чандирии бештар нисбат ба нокомиҳои система амалӣ карда шавад. d Итератсияҳои бештари калибркунии RRAM суръати мусбати ҳақиқиро (хати кабуд) зиёд мекунанд, дар ҳоле ки суръати мусбати бардурӯғ аз шумораи такрорҳо (хати сабз) новобаста аст. Ҷойгиркунии бештари унсурҳои CD дар мувозӣ аз ошкоркунии бардурӯғи мувофиқати модули CD пешгирӣ мекунад.
Мо ҳоло кор ва истеъмоли қувваи системаи локализатсияи объекти интегралӣ, ки дар расми 2 нишон дода шудааст, бо истифода аз андозагирии хосиятҳои акустикии сенсори pMUT, CD ва схемаҳои хатти таъхир, ки графики ҳисоббарории нейроморфӣ мебошанд, арзёбӣ мекунем. Модели Ҷеффресс (расми 1а). Дар мавриди графики хисоббарории нейроморфї бошад, шумораи модулњои CD зиёд бошад, њалли кунљї њамон ќадар бењтар аст, вале энергияи система њамон ќадар зиёд мешавад (расми 7а). Бо роҳи муқоисаи дақиқии ҷузъҳои алоҳида (санҷандаҳои pMUT, нейронҳо ва схемаҳои синаптикӣ) бо дақиқии тамоми система ба созиш расидан мумкин аст. Ҳалли хатти таъхир бо константаҳои вақти синапсҳо ва нейронҳои симулятсияшуда маҳдуд аст, ки дар схемаи мо аз 10 мкс зиёданд, ки ба ҳалли кунҷи 4 ° мувофиқат мекунанд (ниг. Усулҳо). Гиреҳҳои пешрафта бо технологияи CMOS имкон медиҳанд, ки схемаҳои асабӣ ва синаптикӣ бо константаҳои камтари вақт тарҳрезӣ карда шаванд, ки ин ба дақиқии бештари унсурҳои хати таъхир оварда мерасонад. Аммо дар системаи мо дакик бо хатои pMUT дар баходихии мавкеи кунчй, яъне 10° (хати уфуки кабуд дар расми 7а) махдуд карда мешавад. Мо шумораи модулҳои CD-ро дар 40 адад муқаррар кардем, ки ба ҳалли кунҷӣ тақрибан 4°, яъне дурустии кунҷии графики ҳисоббарорӣ (хатти уфуқии кабуди равшан дар расми 7а) мувофиқ аст. Дар сатҳи система, ин қарори 4 ° ва дақиқии 10 ° барои объектҳоеро, ки дар масофаи 50 см дар пеши системаи сенсор ҷойгиранд, медиҳад. Ин арзиш бо системаҳои маҳаллисозии садои нейроморфӣ, ки дар реф. 67. Муқоисаи системаи пешниҳодшударо бо ҳолати техника дар Ҷадвали иловагии 1 пайдо кардан мумкин аст. Илова кардани pMUT-ҳои иловагӣ, баланд бардоштани сатҳи сигнали акустикӣ ва паст кардани садои электронӣ роҳҳои имконпазири беҳтар кардани дақиқии маҳаллисозӣ мебошанд. ) 9,7 хисоб карда мешавад. nz. 55. Бо назардошти 40 воҳиди CD дар графики ҳисоббарорӣ, моделсозии SPICE энергияро барои як амалиёт (яъне энергияи ҷойгиркунии объект) 21,6 нҶ ҳисоб кардааст. Системаи нейроморфӣ танҳо ҳангоми фаро расидани ҳодисаи воридшавӣ фаъол мешавад, яъне вақте мавҷи акустикӣ ба ҳама гуна қабулкунандаи pMUT мерасад ва аз ҳадди муайянкунӣ зиёд мешавад, дар акси ҳол он ғайрифаъол мемонад. Ин ҳангоми мавҷуд набудани сигнали вурудӣ аз истеъмоли қувваи барқ ​​пешгирӣ мекунад. Бо дарназардошти басомади амалиёти маҳаллисозии 100 Гц ва давраи фаъолсозии 300 мкс дар як амалиёт (ҳадди ҳадди имкон ITD), истеъмоли қувваи графи ҳисоббарории нейроморфӣ 61,7 нВт аст. Ҳангоми коркарди пешакии нейроморфӣ ба ҳар як қабулкунандаи pMUT, истеъмоли қувваи тамоми система ба 81,6 нВт мерасад. Барои фаҳмидани самаранокии энергетикии равиши пешниҳодшудаи нейроморфӣ дар муқоиса бо сахтафзори муқаррарӣ, мо ин рақамро бо энергияе муқоиса кардем, ки барои иҷрои ҳамин вазифа дар микроконтроллери муосири камқувват бо истифода аз маҳорати нейроморфӣ ё анъанавии нурсозӣ68 лозим аст. Равиши нейроморфӣ марҳилаи табдилдиҳандаи аналогӣ-рақамӣ (ADC), пас аз он филтри гузариш ва марҳилаи истихроҷи лифофаро (усули Тигер-Кайзер) баррасӣ мекунад. Ниҳоят, барои истихроҷи ToF як амалиёти остона анҷом дода мешавад. Мо ҳисобкунии ITD-ро дар асоси ToF ва табдил додан ба мавқеи тахминии кунҷӣ сарфи назар кардем, зеро ин барои ҳар як андоза як маротиба рух медиҳад (ниг. Усулҳо). Бо назардошти суръати интихоби 250 кГц дар ҳарду канал (қабулкунакҳои pMUT), 18 амалиёти филтри гузариши диапазон, 3 амалиёти истихроҷи лифофа ва 1 амалиёти ҳадди ниҳоии як намуна, масрафи умумии қувваи барқ ​​245 микроватт ҳисоб карда мешавад. Ин режими камқуввати микроконтроллер69-ро истифода мебарад, ки ҳангоми иҷро нашудани алгоритмҳо фаъол мешавад, ки масрафи барқро то 10,8 мВт кам мекунад. Истеъмоли нерӯи ҳалли коркарди сигнали чӯб, ки дар истинод пешниҳод шудааст. 31, бо қабулкунакҳои 5 pMUT ва 11 чӯбро дар ҳамвории азимут яксон тақсимшуда [-50°, +50°], 11,71 мВт аст (барои тафсилот ба бахши Усулҳо нигаред). Илова бар ин, мо дар бораи масрафи нерӯи як рамзгузори фарқияти вақт (TDE) дар асоси FPGA47 гузориш медиҳем, ки 1,5 мВт ҳамчун ивазкунандаи модели Ҷеффресс барои маҳаллисозии объектҳо ҳисоб карда мешавад. Бар асоси ин ҳисобҳо, равиши пешниҳодшудаи нейроморфӣ масрафи нерӯи барқро дар муқоиса бо микроконтроллер бо истифода аз усулҳои классикии чӯбро барои амалиёти маҳаллисозии объектҳо то панҷ дараҷа коҳиш медиҳад. Қабули равиши нейроморфӣ ба коркарди сигнал дар микроконтроллери классикӣ масрафи нерӯро тақрибан ду дараҷа кам мекунад. Самаранокии системаи пешниҳодшударо метавон бо омезиши як схемаи аналогии асинхронии муқовимат-хотира, ки қодир ба иҷрои ҳисобҳои дохили хотира ва набудани табдили аналогӣ ба рақамӣ барои қабули сигналҳо лозим аст, шарҳ дод.
a Ҳалли кунҷӣ (кабуд) ва истеъмоли қувваи барқ ​​(сабз) аз амалиёти маҳаллисозӣ вобаста ба шумораи модулҳои CD. Бари уфуқии кабуди торик дақиқии кунҷии PMUT-ро ифода мекунад ва бари уфуқии кабуди равшан дақиқии кунҷи графики ҳисоббарории нейроморфӣ мебошад. b Истеъмоли нерӯи системаи пешниҳодшуда ва муқоиса бо ду амалисозии микроконтроллер ва татбиқи рақамии Рамзгузори Фарқияти Вақт (TDE)47 FPGA.
Барои кам кардани истеъмоли қувваи системаи маҳаллисозии мақсаднок, мо як схемаи нейроморфӣ дар асоси RRAM, ки ба рӯйдод асос ёфтааст, таҳия, тарҳрезӣ ва татбиқ кардем, ки иттилооти сигнали аз ҷониби сенсорҳои дарунсохт тавлидшударо коркард мекунад, то мавқеи объекти ҳадафро дар воқеӣ ҳисоб кунад. вақт. . Ҳангоме ки усулҳои коркарди анъанавӣ пайваста сигналҳои ошкоршударо намуна мегиранд ва барои истихроҷи иттилооти муфид ҳисобҳо анҷом медиҳанд, ҳалли пешниҳодшудаи нейроморфӣ ҳангоми расидани иттилооти муфид ҳисобҳоро асинхронӣ анҷом медиҳад ва самаранокии нерӯи системаро то панҷ дараҷа ба ҳадди аксар мерасонад. Илова бар ин, мо чандирии схемаҳои нейроморфӣ дар асоси RRAM-ро таъкид мекунем. Қобилияти RRAM барои тағир додани ноқилӣ ба таври ғайримуқаррарӣ (пластикӣ) тағирёбии хоси схемаҳои синаптикӣ ва асабҳои аналогии ултра ками DPI-ро ҷуброн мекунад. Ин ин схемаи RRAM-ро бисёрҷониба ва тавоно месозад. Ҳадафи мо аз сигналҳо ҷудо кардани функсияҳо ё намунаҳои мураккаб нест, балки дар вақти воқеӣ ҷойгир кардани объектҳо мебошад. Системаи мо инчунин метавонад сигналро ба таври муассир фишурда кунад ва дар ниҳоят онро ба марҳилаҳои коркарди минбаъда барои қабули қарорҳои мураккабтар ҳангоми зарурат фиристад. Дар заминаи барномаҳои маҳаллисозӣ, қадами коркарди пешакии нейроморфии мо метавонад дар бораи ҷойгиршавии объектҳо маълумот диҳад. Ин маълумотро, масалан, барои муайянкунии ҳаракат ё шинохти имову ишора истифода бурдан мумкин аст. Мо аҳамияти якҷоя кардани сенсорҳои ултра камқувватро, ба монанди pMUTs бо электроникаи ултра камқувватро таъкид мекунем. Барои ин, равишҳои нейроморфӣ муҳим буданд, зеро онҳо моро водор карданд, ки татбиқи схемаҳои нави усулҳои ҳисоббарории аз ҷиҳати биологӣ илҳомёфта, ба монанди модели Ҷеффрессро таҳия кунем. Дар заминаи замимаҳои синтези сенсорӣ, системаи мо метавонад бо якчанд сенсорҳои гуногун дар асоси рӯйдодҳо муттаҳид карда шавад, то маълумоти дақиқтар ба даст ояд. Ҳарчанд бумҳо дар ёфтани сайд дар торикӣ аъло ҳастанд, онҳо биноҳои аъло доранд ва пеш аз сайди сайд ҷустуҷӯи якҷояи шунавоӣ ва визуалӣ анҷом медиҳанд70. Вақте ки як нейрони шунавоӣ оташ мезанад, бум маълумотеро мегирад, ки барои муайян кардани он, ки дар кадом самт ҷустуҷӯи визуалии худро оғоз кунад ва ҳамин тавр таваҷҷӯҳи худро ба як қисми хурди саҳнаи визуалӣ равона мекунад. Маҷмӯи сенсорҳои визуалӣ (камераи DVS) ва сенсори пешниҳодшудаи гӯшкунӣ (дар асоси pMUT) бояд барои таҳияи агентҳои мустақили оянда омӯхта шавад.
Сенсори pMUT дар PCB ҷойгир аст, ки дар масофаи тақрибан 10 см ду қабулкунанда ҷойгир аст ва интиқолдиҳанда дар байни қабулкунакҳо ҷойгир аст. Дар ин кор, ҳар як мембрана як сохтори биморфӣ овезон аст, ки аз ду қабати нитриди алюминийи пьезоэлектрикӣ (AlN) 800 нм, ки дар байни се қабати молибдени (Mo) 200 нм ғафс ҷойгир шудааст ва бо қабати ғафсии 200 нм фаро гирифта шудааст. қабати болоии passivating SiN тавре ки дар истинод тавсиф шудааст. 71. Электродҳои дарунӣ ва берунӣ ба қабатҳои поёнӣ ва болои молибден гузошта мешаванд, дар ҳоле ки электроди молибдени миёна бе намуна буда, ҳамчун замин истифода мешавад, ки дар натиҷа мембрана бо чор ҷуфт электродҳо ба вуҷуд меояд.
Ин меъморӣ имкон медиҳад, ки деформатсияи умумии мембрана истифода шавад, ки дар натиҷа ҳассосияти интиқол ва қабул беҳтар мешавад. Чунин pMUT маъмулан ҳассосияти ҳаяҷонбахши 700 нм/В-ро ҳамчун эмитент нишон медиҳад, ки фишори рӯизаминии 270 Па/В-ро таъмин мекунад. Ҳамчун қабулкунанда, як плёнкаи pMUT ҳассосияти ноқилҳои кӯтоҳи 15 нА / Паро нишон медиҳад, ки бевосита ба коэффисиенти пьезоэлектрикии AlN алоқаманд аст. Тағйирёбии техникии шиддат дар қабати AlN ба тағирёбии басомади резонансӣ оварда мерасонад, ки онро бо роҳи татбиқ кардани ғарази DC ба pMUT ҷуброн кардан мумкин аст. Ҳассосияти DC дар 0,5 kHz/V чен карда шуд. Барои тавсифи акустикӣ дар назди pMUT микрофон истифода мешавад.
Барои чен кардани набзи эхо, мо дар назди pMUT як плитаи росткунҷаи масоҳаташ тақрибан 50 см2 ҷойгир кардем, то мавҷҳои садоро инъикос кунад. Ҳам масофаи байни плитаҳо ва ҳам кунҷи нисбат ба ҳавопаймои pMUT бо истифода аз дорандагони махсус назорат карда мешавад. Сарчашмаи шиддати Tectronix CPX400DP се мембранаи pMUT-ро ғафс карда, басомади резонансиро ба 111,9 кГц31 танзим мекунад, дар ҳоле ки интиқолдиҳандаҳо аз ҷониби генератори импулси Tectronix AFG 3102, ки ба басомади резонансӣ (111,9 кГц) ва давраи кори 0,01 танзим шудааст, идора карда мешаванд. Ҷараёнҳое, ки аз чаҳор бандари баромади ҳар як қабулкунандаи pMUT хонда мешаванд, бо истифода аз меъмории махсуси ҷараён ва шиддат ба шиддат табдил дода мешаванд ва сигналҳои натиҷавӣ тавассути системаи ба даст овардани маълумотҳои Spektrum рақамӣ карда мешаванд. Маҳдудияти ошкоркунӣ бо гирифтани сигнали pMUT дар шароитҳои гуногун тавсиф карда мешуд: мо рефлекторро ба масофаҳои гуногун [30, 40, 50, 60, 80, 100] см кӯчондем ва кунҷи дастгирии pMUT ([0, 20, 40] o ) Дар расми 2б ҳалли муваққатии муайянкунии ITD вобаста ба мавқеи кунҷии мувофиқ бо дараҷаҳо нишон дода шудааст.
Ин мақола ду схемаи гуногуни RRAM-ро истифода мебарад. Якум маҷмӯи 16,384 (16,000) дастгоҳҳо (128 × 128 дастгоҳ) дар конфигуратсияи 1T1R бо як транзистор ва як резистор мебошад. Чипи дуюм платформаи нейроморфӣ мебошад, ки дар расми 4а нишон дода шудааст. Ҳуҷайраи RRAM аз плёнкаи ғафси 5 нм HfO2 иборат аст, ки дар стек TiN/HfO2/Ti/TiN ҷойгир карда шудааст. Анбори RRAM ба қафои хати (BEOL) раванди стандартии CMOS 130nm ворид карда шудааст. Схемаҳои нейроморфӣ дар асоси RRAM мушкилоти тарҳрезиро барои системаҳои электронии ҳама аналогӣ пешниҳод мекунанд, ки дар он дастгоҳҳои RRAM бо технологияи анъанавии CMOS ҳамзистанд. Аз ҷумла, ҳолати интиқоли дастгоҳи RRAM бояд ҳамчун тағирёбандаи функсия барои система хонда шавад ва истифода шавад. Бо ин мақсад, схема тарҳрезӣ, сохта ва озмуда шуд, ки ҷараёнро аз дастгоҳ ҳангоми қабули импулси воридотӣ мехонад ва ин ҷараёнро барои вазн кардани посухи интегратори ҷуфти дифференсиалӣ (DPI) истифода мебарад. Ин схема дар расми 3а нишон дода шудааст, ки блокҳои асосии сохтани платформаи нейроморфӣ дар расми 4а мебошад. Набзи воридотӣ дарвозаи дастгоҳи 1T1R-ро фаъол карда, ҷараёнро тавассути RRAM мутаносиб ба ноқилҳои дастгоҳ G (Iveight = G(Vtop – Vx)) ба вуҷуд меорад. Вуруди инвертификатсияи занҷири пурқувваткунандаи амалиётӣ (op-amp) дорои шиддати доимии доимии Vtop мебошад. Баррасии манфии op-amp тавассути таъмини ҷараёни баробар аз M1 Vx = Vtop-ро таъмин мекунад. Iweight ҷорӣ, ки аз дастгоҳ гирифта шудааст, ба синапс DPI ворид карда мешавад. Ҷараёни қавитар боиси деполяризатсияи бештар мегардад, аз ин рӯ гузариши RRAM вазнҳои синаптикиро самаранок иҷро мекунад. Ин ҷараёни экспоненсиалии синаптикӣ тавассути конденсатори мембранаи нейронҳои интегратсия ва ҳаяҷон (LIF) ворид карда мешавад, ки дар он ҳамчун шиддат муттаҳид карда мешавад. Агар шиддати ҳадди ниҳоии мембрана (шиддати ивазкунандаи инвертор) бартараф карда шавад, қисми баромади нейрон фаъол мешавад, ки хӯшаи баромадро ба вуҷуд меорад. Ин набз бармегардад ва конденсатори мембранаи нейронро ба замин интиқол медиҳад ва боиси холӣ шудани он мегардад. Баъд ин схема бо экспандери импульс (дар расми 3а нишон дода нашудааст) пурра карда мешавад, ки импулси баромади нейрони LIF-ро ба бари импульси максаднок шакл медихад. Мултиплексорҳо инчунин дар ҳар як хат сохта шудаанд, ки имкон медиҳанд, ки ба электродҳои боло ва поёни дастгоҳи RRAM шиддат истифода шавад.
Санҷиши электрикӣ таҳлил ва сабти рафтори динамикии схемаҳои аналогӣ, инчунин барномасозӣ ва хондани дастгоҳҳои RRAM-ро дар бар мегирад. Ҳарду марҳила асбобҳои махсусро талаб мекунанд, ки ҳамаашон дар як вақт ба панели сенсор пайваст карда мешаванд. Дастрасӣ ба дастгоҳҳои RRAM дар схемаҳои нейроморфӣ аз асбобҳои беруна тавассути мултиплексор (MUX) амалӣ карда мешавад. MUX ҳуҷайраи 1T1R-ро аз боқимондаи схемае, ки ба он тааллуқ дорад, ҷудо мекунад ва имкон медиҳад, ки дастгоҳ хонда шавад ва/ё барномарезӣ шавад. Барои барномарезӣ ва хондани дастгоҳҳои RRAM, мошини Keithley 4200 SCS дар якҷоягӣ бо микроконтроллери Arduino истифода мешавад: якум барои тавлиди дақиқи набз ва хониши ҷорӣ ва дуюм барои дастрасии зуд ба унсурҳои инфиродии 1T1R дар массиви хотира. Амалиёти аввал ташаккул додани дастгоҳи RRAM мебошад. Ҳуҷайраҳо як ба як интихоб карда мешаванд ва дар байни электродҳои боло ва поён шиддати мусбӣ ҷорӣ карда мешавад. Дар ин маврид ќувваи љараён бо тартиби дањњо микроамперњо аз сабаби ба транзистори селекторї додани шиддати мувофиќ дарвоза мањдуд мешавад. Пас аз он ҳуҷайраи RRAM метавонад бо истифода аз амалиёти RESET ва SET байни ҳолати ноқилҳои паст (LCS) ва ҳолати баланд гузаронанда (HCS) гардиш кунад. Амалиёти SET бо роҳи ба электроди болоӣ додани импульси росткунҷаи шиддати давомнокии 1 мкс ва шиддати қуллаи 2,0-2,5 В ва импульси синхронизатсияи шакли якхела бо шиддати қуллаи 0,9-1,3 В анҷом дода мешавад. дарвозаи транзистори селекторӣ. Ин арзишҳо имкон медиҳанд, ки гузарониши RRAM-ро дар фосилаҳои 20-150 мкс модуляция кунанд. Барои RESET, як импулси қуллаи 1 мкс васеъ, 3 В ба электроди поёни (хати бит) ячейка истифода мешавад, вақте ки шиддати дарвоза дар ҳудуди 2,5-3,0 В аст. Вурудҳо ва баромадҳои схемаҳои аналогӣ сигналҳои динамикӣ мебошанд. . Барои вуруд, мо ду генератори импулси HP 8110-ро бо генераторҳои сигнали Tektronix AFG3011 омехта кардем. Набзи воридотӣ паҳнои 1 мкс ва канори болоравӣ/пастшавиаш 50 нс дорад. Чунин тасаввур карда мешавад, ки ин намуди набз як норасоии маъмулӣ дар схемаҳои аналогӣ дар асоси glitch мебошад. Дар мавриди сигнали баромад, сигнали баромад бо истифода аз осциллографи Teledyne LeCroy 1 ГГц сабт шудааст. Суръати ба даст овардани осциллограф исбот шудааст, ки дар тахлил ва ба даст овардани маълумотхои схема омили махдудкунанда нест.
Истифодаи динамикаи электроникаи аналогӣ барои тақлид кардани рафтори нейронҳо ва синапсҳо як ҳалли шево ва муассир барои баланд бардоштани самаранокии ҳисоббарорӣ мебошад. Камбудии ин қабати ҳисоббарорӣ дар он аст, ки он аз схема ба схема фарқ мекунад. Мо тағирёбии нейронҳо ва схемаҳои синаптикиро муайян кардем (расми 2а, б). Аз ҳама зуҳуроти тағирёбӣ, онҳое, ки бо константҳои вақт ва фоидаи воридот алоқаманданд, дар сатҳи система таъсири бештар доранд. Константа вақти нейронии LIF ва синапс DPI тавассути схемаи RC муайян карда мешавад, ки дар он арзиши R тавассути шиддати ғаразнок ба дарвозаи транзистор (Vlk барои нейрон ва Vtau барои синапс) идора карда мешавад. суръати ихроҷ. Афзоиши вуруд ҳамчун шиддати қуллае муайян карда мешавад, ки тавассути конденсаторҳои мембранаи синаптикӣ ва нейронӣ, ки тавассути импульси воридот ҳавасманд карда мешаванд, ба даст меояд. Фоидаи даромад аз ҷониби транзистори дигари ғаразнок идора карда мешавад, ки ҷараёни вурудро модул мекунад. Моделсозии Монте-Карло, ки дар ҷараёни 130 нм-и ST Microelectronics калибр карда шудааст, барои ҷамъоварӣ кардани баъзе фоидаи воридотӣ ва омори доимии вақт анҷом дода шуд. Натиҷаҳо дар расми иловагии 2 оварда шудаанд, ки дар он фоидаи воридотӣ ва доимии вақт ҳамчун функсияи шиддати ғараз, ки суръати ихроҷро назорат мекунад, муайян карда мешаванд. Нишондиҳандаҳои сабз инҳирофи стандартии доимии вақтро аз ҳисоби миёна муайян мекунанд. Ҳам нейронҳо ва ҳам схемаҳои синаптикӣ тавонистанд доираи васеи константаҳои вақтро дар доираи 10-5-10-2 с, тавре ки дар нақшаи расми иловагӣ нишон дода шудааст, ифода кунанд. Амплификацияи вуруд (расми иловагӣ 2e,d) тағйирёбии нейронҳо ва синапсҳо мутаносибан тақрибан 8% ва 3% буд. Чунин норасоӣ дар адабиёт хуб ҳуҷҷатгузорӣ шудааст: дар массиви чипҳои DYNAP барои арзёбии номувофиқатии байни популятсияҳои нейронҳои LIF63 ченакҳои гуногун гузаронида шуданд. Синапсҳо дар чипи сигнали омехтаи BrainScale чен карда шуда, номутобиқатии онҳо таҳлил карда шуданд ва тартиби калибризатсия барои коҳиш додани таъсири тағйирпазирии сатҳи система пешниҳод карда шуд64.
Функсияи RRAM дар схемаҳои нейроморфӣ дутарафа аст: таърифи меъморӣ (маршрути вуруд ба баромадҳо) ва татбиқи вазнҳои синаптикӣ. Хусусияти охиринро барои ҳалли масъалаи тағирёбандаи схемаҳои нейроморфӣ истифода бурдан мумкин аст. Мо як тартиби оддии калибрченкуниро таҳия кардем, ки аз нав барномарезии дастгоҳи RRAM то он даме, ки схемаи таҳлилшаванда ба талаботҳои муайян ҷавобгӯ бошад. Барои вуруди додашуда, баромад назорат карда мешавад ва RRAM то ба даст овардани рафтори мақсаднок аз нав барномарезӣ карда мешавад. Дар байни амалиёти барномасозӣ барои ҳалли масъалаи истироҳати RRAM, ки боиси тағйирёбии интиқоли муваққатӣ мегардад, вақти интизории 5 сония ҷорӣ карда шуд (Маълумоти иловагӣ). Вазнҳои синаптикӣ мувофиқи талаботи схемаи нейроморфӣ, ки модел карда мешаванд, танзим ё калибр карда мешаванд. Тартиби калибрченкунӣ дар алгоритмҳои иловагӣ [1, 2] ҷамъбаст шудааст, ки ба ду хусусияти асосии платформаҳои нейроморфӣ, хатҳои таъхир ва самти CD-и ҳассос тамаркуз мекунанд. Барои схемаи дорои хати таъхир, рафтори мақсаднок таъмин намудани импулси баромад бо таъхири Δt мебошад. Агар таъхири воқеии схема аз арзиши мақсаднок камтар бошад, вазни синаптикии G3 бояд кам карда шавад (G3 бояд аз нав барқарор карда шавад ва сипас ба ҷараёни камтар мувофиқ Icc муқаррар карда шавад). Баръакс, агар таъхири воқеӣ аз арзиши мақсаднок зиёдтар бошад, гузарониши G3 бояд зиёд карда шавад (G3 бояд аввал аз нав барқарор карда шавад ва сипас ба арзиши баландтари Icc муқаррар карда шавад). Ин раванд такрор карда мешавад, то он даме, ки таъхири аз ҷониби схема тавлидшуда ба арзиши ҳадаф мувофиқат накунад ва таҳаммул барои қатъ кардани раванди калибрченкунӣ муқаррар карда шавад. Барои CD-ҳои ба самт ҳассос, ду дастгоҳи RRAM, G1 ва G3, дар раванди калибрченкунӣ иштирок мекунанд. Ин схема ду вуруд дорад, Vin0 ва Vin1, ки аз ҷониби dt таъхир карда шудааст. Схема бояд танҳо ба таъхирҳо аз диапазони мувофиқ [0,dtCD] ҷавоб диҳад. Агар қуллаи баромад вуҷуд надошта бошад, аммо қуллаи вуруд наздик бошад, ҳарду дастгоҳи RRAM бояд тақвият дода шаванд, то ба нейрон ба ҳадди расидан кӯмак расонанд. Баръакс, агар занҷир ба таъхире, ки аз диапазони мақсадноки dtCD зиёд бошад, ҷавоб диҳад, ноқилро кам кардан лозим аст. Равандро то ба даст овардани рафтори дуруст такрор кунед. Ҷараёни мувофиқатро тавассути схемаи аналогии дарунсохт дар реф. 72.73. Бо ин схемаи дарунсохт, чунин тартиботро метавон давра ба давра барои калибркунии система ё аз нав истифода бурдани он барои замимаи дигар иҷро кард.
Мо масрафи нерӯи равиши коркарди сигнали нейроморфии худро дар микроконтроллерҳои стандартии 32-битӣ68 арзёбӣ мекунем. Дар ин арзёбӣ, мо бо ҳамон танзимоте, ки дар ин коғаз аст, бо як интиқолдиҳандаи pMUT ва ду қабулкунандаи pMUT амал мекунем. Ин усул филтри гузаришро истифода мебарад ва пас аз он марҳилаи истихроҷи лифофа (Тигер-Кайзер) истифода мешавад ва дар ниҳоят ба сигнал барои истихроҷи вақти парвоз амалиёти остона истифода мешавад. Ҳисобкунии ITD ва табдили он ба кунҷҳои муайянкунӣ дар арзёбӣ сарфи назар карда мешавад. Мо татбиқи филтри гузаришро бо истифода аз филтри посухи импулси беохири тартиби 4-ро баррасӣ мекунем, ки 18 амалиёти нуқтаи шинокунандаро талаб мекунад. Истихроҷи лифофа се амалиёти дигари нуқтаи шинокунандаро истифода мебарад ва амалиёти охирин барои муқаррар кардани ҳадди ниҳоӣ истифода мешавад. Барои коркарди пешакии сигнал ҳамагӣ 22 амалиёти нуқтаи шинокунанда лозим аст. Сигнал интиқолшаванда як таркиши кӯтоҳи шакли мавҷи синуси 111,9 кГц мебошад, ки дар ҳар 10 мс тавлид мешавад, ки дар натиҷа басомади ҷойгиркунии мавқеъ 100 Гц мешавад. Мо барои мувофиқат ба Nyquist суръати интихобкунии 250 кГц ва равзанаи 6 мс барои ҳар як андозагирӣ барои гирифтани диапазони 1 метр истифода кардем. Аҳамият диҳед, ки 6 миллисония вақти парвози объектест, ки 1 метр дур аст. Ин истеъмоли қувваи барқро 180 мВт барои табдили A/D дар 0,5 MSPS таъмин мекунад. Коркарди пешакии сигнал 6,60 MIPS (дастур дар як сония) аст, ки 0,75 мВт тавлид мекунад. Бо вуҷуди ин, микроконтроллер метавонад ба режими қувваи кам 69 гузарад, вақте ки алгоритм кор намекунад. Ин режим истеъмоли қувваи статикии 10,8 мкВт ва вақти бедоршавиро 113 мксон таъмин мекунад. Бо назардошти басомади соатии 84 МГс, микроконтроллер тамоми амалиёти алгоритми нейроморфиро дар давоми 10 мс анҷом медиҳад ва алгоритм давраи кориро 6,3% ҳисоб мекунад ва ҳамин тавр режими ками барқро истифода мебарад. Дар натиҷа, сарфи қувваи барқ ​​​​244,7 мкВт аст. Аҳамият диҳед, ки мо баромади ITD-ро аз ToF ва табдили кунҷи ошкорро сарфи назар мекунем ва ҳамин тавр истеъмоли қувваи микроконтроллерро кам арзёбӣ мекунем. Ин барои самаранокии энергетикии системаи пешниҳодшуда арзиши иловагӣ медиҳад. Ҳамчун як шарти муқоисаи иловагӣ, мо истеъмоли қувваи усулҳои классикии чӯбро, ки дар истинод пешниҳод шудаанд, арзёбӣ мекунем. 31.54, вақте ки дар ҳамон микроконтроллер68 дар шиддати таъминоти 1.8V ҷойгир карда шудааст. Барои ба даст овардани маълумот барои беамформинг панҷ мембранаи pMUT баробар истифода мешаванд. Дар мавриди худи коркард, усули чӯбкорӣ истифодашаванда ҷамъбасти таъхир мебошад. Он танҳо аз татбиқи таъхир ба хатҳо иборат аст, ки ба фарқияти пешбинишудаи вақти расидан байни як хат ва хатти истинод мувофиқат мекунад. Агар сигналҳо дар марҳила бошанд, пас аз гузариш ба вақт миқдори ин сигналҳо энергияи баланд доранд. Агар онҳо аз фаза берун бошанд, дахолати харобиовар энергияи маблағи онҳоро маҳдуд мекунад. дар муомила. Дар расм. 31, суръати интихобкунии 2 МГс барои тағир додани вақт бо шумораи бутуни намунаҳо интихоб карда мешавад. Равиши хоксортар ин нигоҳ доштани суръати намунавии 250 кГц ва истифодаи филтри аксуламали ниҳоӣ (FIR) барои синтез кардани таъхирҳои фраксиявӣ мебошад. Мо тахмин мезанем, ки мураккабии алгоритми шуоъсозиро асосан бо гузашти вақт муайян мекунад, зеро ҳар як канал бо филтри FIR бо 16 кран дар ҳар як самт печонида мешавад. Барои ҳисоб кардани шумораи MIPS, ки барои ин амалиёт лозим аст, мо равзанаи 6ms дар як андозагириро барои гирифтани диапазони 1 метр, 5 канал, 11 самтҳои чӯбро баррасӣ мекунем (диапазони +/- 50° дар қадамҳои 10°). 75 андозагирӣ дар як сония микроконтроллерро ба ҳадди аксар 100 MIPS тела дод. Пайванд. 68, ки дар натиҷа 11,26 мВт сарфи қувваи барқ ​​​​барои тақсимоти умумии қувваи барқ ​​​​11,71 мВт пас аз илова кардани саҳми ADC дар борт буд.
Маълумоте, ки натиҷаҳои ин тадқиқотро дастгирӣ мекунанд, аз муаллифи мувофиқ, FM, бо дархости асоснок дастрас мебошанд.
Indiveri, G. & Sandamirskaya, Y. Муҳимияти фазо ва вақт барои коркарди сигнал дар агентҳои нейроморфӣ: Мушкилоти таҳияи агентҳои камқувват, автономӣ, ки бо муҳити атроф ҳамкорӣ мекунанд. Indiveri, G. & Sandamirskaya, Y. Муҳимияти фазо ва вақт барои коркарди сигнал дар агентҳои нейроморфӣ: Мушкилоти таҳияи агентҳои камқувват, автономӣ, ки бо муҳити атроф ҳамкорӣ мекунанд.Индивери Г. ва Сандамирская Ю. Муҳимияти фазо ва вақт барои коркарди сигнал дар агентҳои нейроморфӣ: мушкилоти таҳияи агентҳои автономии камқувват, ки бо муҳити атроф ҳамкорӣ мекунанд. 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：开发与玤与与玤功自主代理的挑战。 Индивери, Г. ва Сандамирская, Ю.Индивери Г. ва Сандамирская Ю. Муҳимияти фазо ва вақт барои коркарди сигнал дар агентҳои нейроморфӣ: мушкилоти таҳияи агентҳои автономии камқувват, ки бо муҳити атроф ҳамкорӣ мекунанд.Коркарди сигналҳои IEEE. Маҷалла 36, 16–28 (2019).
Торп, SJ Вақти расидани қулла: Нақшаи рамзгузории самараноки шабакаи нейронӣ. дар Экмиллер, Р., Хартман, Г. ва Хауске, Г. (тахрир). дар Экмиллер, Р., Хартман, Г. ва Хауске, Г. (тахрир).дар Экмиллер, Р., Хартман, Г. ва Хауске, Г. (ред.).Дар Экмиллер, Р., Хартман, Г. ва Хауске, Г. (ред.). Коркарди параллелӣ дар системаҳои асаб ва компютерҳо 91–94 (Holth-Hold Elsevier, 1990).
Levy, WB & Calvert, VG Communication нисбат ба ҳисоббарорӣ дар кортекси инсон 35 маротиба бештар энергия сарф мекунад, аммо ҳарду хароҷот барои пешгӯии шумораи синапс лозиманд. Levy, WB & Calvert, VG Communication нисбат ба ҳисоббарорӣ дар кортекси инсон 35 маротиба бештар энергия сарф мекунад, аммо ҳарду хароҷот барои пешгӯии шумораи синапс лозиманд.Levy, WB ва Calvert, WG Communication нисбат ба ҳисоббарорӣ дар кортекси инсон 35 маротиба бештар энергия сарф мекунад, аммо ҳарду хароҷот барои пешгӯии шумораи синапсҳо лозиманд. 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耗的能量是人类的35 Levy, WB & Calvert, VG CommunicationLevy, WB ва Calvert, WG Communication нисбат ба ҳисоббарорӣ дар кортекси инсон 35 маротиба бештар энергия сарф мекунад, аммо ҳарду хароҷот пешгӯии шумораи синапсҳоро талаб мекунанд.раванд. Академияи миллии илмҳо. илм. ИМА 118, https://doi.org/10.1073/pnas.2008173118 (2021).
Далгати, Т., Вианелло, Э., Де Салво, Б. & Касас, Ҷ. Ҳисоббарории нейроморфӣ, ки аз ҳашарот илҳом гирифта шудааст. Далгати, Т., Вианелло, Э., Де Салво, Б. & Касас, Ҷ. Ҳисоббарории нейроморфӣ, ки аз ҳашарот илҳом гирифта шудааст.Далгати, Т., Вианелло, Э., ДеСалво, Б. ва Касас, Ҷ. Ҳисобкунии нейроморфӣ, ки аз ҳашарот илҳом гирифта шудааст.Далгати Т., Вианелло Э., ДеСалво Б. ва Касас Ҷ. Ҳисоббарории нейроморфӣ, ки аз ҳашарот илҳом гирифта шудааст. ҷорӣ. Андеша. Илми ҳашарот. 30, 59–66 (2018).
Roy, K., Jaiswal, A. & Panda, P. Ба сӯи иктишофи мошин дар асоси хӯша бо ҳисоббарории нейроморфӣ. Roy, K., Jaiswal, A. & Panda, P. Ба сӯи иктишофи мошин дар асоси хӯша бо ҳисоббарории нейроморфӣ. Рой, К., Ҷайсвал, А. & Панда, П. Сӯи иктишофи мошинҳои ба хӯша асосёфта бо компютерҳои нейроморфӣ.Рой К, Ҷайсвал А ва Панда П. Зеҳни сунъӣ дар асоси набз бо истифода аз ҳисоббарории нейроморфӣ. Табиат 575, 607–617 (2019).
Индивери, Г. ва Лю, С.-С. Индивери, Г. ва Лю, С.-С.Индивери, Г. ва Лю, С.-К. Индивери, Г. ва Лю, С.-С. Индивери, Г. ва Лю, С.-С.Индивери, Г. ва Лю, С.-К.Хотира ва коркарди иттилоот дар системаҳои нейроморфӣ. раванд. IEEE 103, 1379–1397 (2015).
Акопян Ф ва дигарон. Truenorth: Тарҳрезӣ ва асбобҳо барои чипи синаптикии барномарезишавандаи 65 мВт 1 миллион нейрон. Муомилоти IEEE. Тарҳрезии компютерии системаҳои микросхемаи интегралӣ. 34, 1537–1557 (2015).
Schemmel, J. ва дигарон. Намоиши зинда: версияи хурдшудаи системаи нейроморфии BrainScaleS дар миқёси табақ. 2012 Симпозиуми байналмилалии IEEE оид ба схемаҳо ва системаҳо (ISCAS), (нашри IEEE) 702–702 (2012).
Моради, С., Циао, Н., Стефанини, Ф. & Индивери, Г. Меъмории миқёспазири бисёркора бо сохторҳои хотираи гетерогенӣ барои протсессори динамикии нейроморфӣ асинхронӣ (DYNAPs). Моради, С., Циао, Н., Стефанини, Ф. & Индивери, Г. Меъмории миқёспазири бисёркора бо сохторҳои хотираи гетерогенӣ барои протсессори динамикии нейроморфӣ асинхронӣ (DYNAPs).Моради С., Циао Н., Стефанини Ф. ва Индивири Г. Меъмории миқёспазири бисёркора бо сохторҳои хотираи гетерогенӣ барои протсессори динамикии нейроморфии асинхронӣ (DYNAP). Моради, С.、Қяо, Н.、Стефанини, Ф. & Индивери, Г. 一种可扩展的多核架构，具有用于动态神经彂态神经形态NA)异构内存结构。 Моради, С., Киао, Н., Стефани, Ф. & Индивери, Г. Як навъ меъмории васеъшавандаи бисёраслӣ бо сохтори хотираи беназир барои коркарди динамикии асаб (DYNAP).Моради С., Циао Н., Стефанини Ф. ва Индивири Г. Меъмории миқёспазири бисёркора бо сохторҳои хотираи гетерогенӣ барои протсессори динамикии нейроморфии асинхронӣ (DYNAP).Амалиётҳои IEEE оид ба илми биотиббӣ. системаи электрики. 12, 106–122 (2018).
Дэвис, М. Лоихи: Протсессори нейроморфӣ бо омӯзиши дарунсохт. IEEE Micro 38, 82–99 (2018).
Фурбер, SB, Galluppi, F., Temple, S. & Plana, LA Лоиҳаи SpiNNaker. Фурбер, SB, Galluppi, F., Temple, S. & Plana, LA Лоиҳаи SpiNNaker.Ferber SB, Galluppi F., Temple S. ва Plana LA SpiNNaker лоиҳа.Ferber SB, Galluppi F., Temple S. ва Plana LA SpiNNaker лоиҳа. раванд. IEEE 102, 652–665 (2014).
Лю, С.-К. & Delbruck, T. Системаҳои ҳассосии нейроморфӣ. & Delbruck, T. Системаҳои ҳассосии нейроморфӣ.ва Delbrück T. Системаҳои ҳассосии нейроморфӣ. & Делбрук, Т. 神经形态感觉系统。 & Делбрук, Т.ва Delbrück T. системаи ҳассос Neuromorphic.ҷорӣ. Андеша. Нейробиология. 20, 288–295 (2010).
Чопе, Т. Интегратсияи ҳассосии нейроморфӣ барои локализатсияи якҷояи манбаи садо ва канорагирӣ аз бархӯрд. Дар 2019 дар Конфронси IEEE оид ба схемаҳо ва системаҳои биотиббӣ (BioCAS), (Насри IEEE) 1–4 (2019).
Риси, Н., Аймар, А., Донати, Э., Солинас, С. & Индивери, Г. Меъмории нейроморфӣ ба хӯша асосёфтаи биниши стерео. Риси, Н., Аймар, А., Донати, Э., Солинас, С. & Индивери, Г. Меъмории нейроморфӣ ба хӯша асосёфтаи биниши стерео.Риси Н, Аймар А, Донати Е, Солинас С ва Индивери Г. Меъмории стереовизионии нейроморфӣ ба хӯша асос ёфтааст. Риси, Н., Аймар, А., Донати, Э., Солинас, С. & Индивери, Г. 一种基于脉冲的立体视觉神经形态结构。 Риси, Н., Аймар, А., Донати, Э., Солинас, С. & Индивери, Г.Risi N, Aimar A, Donati E, Solinas S, ва Indiveri G. Меъмории нейроморфӣ дар асоси Spike барои биниши стерео.пеш. Нейроботика 14, 93 (2020).
Osswald, M., Ieng, S.-H., Benosman, R. & Indiveri, G. Модели пурқуввати шабакаи нейронии 3Dperception барои системаҳои биниш стерео нейроморфӣ дар асоси рӯйдодҳо. Osswald, M., Ieng, S.-H., Benosman, R. & Indiveri, G. Модели пурқуввати шабакаи нейронии 3Dperception барои системаҳои биниш стерео нейроморфӣ дар асоси рӯйдодҳо.Освальд, М., Иенг, С.-Х., Беносман, Р. ва Индивери, Г. Модели дарки шабакаи 3D импулси асабӣ барои системаҳои рӯъёи стерео-нейроморфӣ дар асоси рӯйдодҳо. Osswald, M., Ieng, S.-H., Benosman, R. & Indiveri, G. 基于事件的神经形态立体视觉系统的3Dperception Освальд, М., Иенг, С.-Х., Беносман, Р. & Индивери, Г. 3Dperception 脉冲神经网络模型。Освальд, M., Ieng, S.-H., Benosman, R., ва Indiveri, G. Spiked 3Dperception Шабакаи асабӣ Модели барои системаи Neuromorphic стерео биниши ба рӯйдодҳо асосёфта.илм. Гузориши 7, 1–11 (2017).
Далгатй, Т. Муайянкунии асосии ҳаракат, ки аз ҳашарот илҳом гирифта шудааст, хотираи муқовиматкунанда ва шабакаҳои нейронҳои таркандаро дар бар мегирад. Системаи биогибридии бионикӣ. 10928, 115–128 (2018).
Д'Анжело, Г. Муайян кардани ҳаракати эксцентрикӣ дар асоси рӯйдодҳо бо истифода аз рамзгузории дифференсиалии муваққатӣ. пеш. Неврология. 14, 451 (2020).