Iroyin

Awọn ohun elo ṣiṣe data gidi-aye nilo iwapọ, lairi kekere, awọn ọna ṣiṣe iširo agbara kekere. Pẹlu awọn agbara ṣiṣe iširo ti iṣẹlẹ, ibaramu irin-oxide-semiconductor arabara memristive neuromorphic faaji pese ipilẹ ohun elo to peye fun iru awọn iṣẹ ṣiṣe. Lati ṣe afihan agbara kikun ti iru awọn ọna ṣiṣe, a ni imọran ati ṣe idanwo idanwo okeerẹ ojutu processing sensọ fun awọn ohun elo isọdi ohun-aye gidi. Yiya awokose lati abà owiwi neuroanatomy, a ti ni idagbasoke a bioinspired, iṣẹlẹ-ìṣó ohun isọdibilẹ eto ti o daapọ a ipinle-ti-ti-aworan piezoelectric micromechanical transducer transducer pẹlu isiro-orisun neuromorphic resistive iranti. A ṣe afihan awọn wiwọn ti eto ti a ṣelọpọ ti o pẹlu aṣawari airotẹlẹ resistive ti o da lori iranti, iyipo laini idaduro, ati transducer ultrasonic isọdi ni kikun. A lo awọn abajade esiperimenta wọnyi lati ṣe iwọn awọn iṣeṣiro ni ipele eto. Awọn iṣeṣiro wọnyi ni a lo lati ṣe iṣiro ipinnu angula ati ṣiṣe agbara ti awoṣe isọdi agbegbe ohun. Awọn abajade fihan pe ọna wa le jẹ ọpọlọpọ awọn aṣẹ ti titobi diẹ sii ni agbara daradara ju awọn microcontrollers ti n ṣe iṣẹ-ṣiṣe kanna.
A n wọle si akoko ti iširo ibigbogbo nibiti nọmba awọn ẹrọ ati awọn eto ti a fi ranṣẹ ti n dagba ni afikun lati ṣe iranlọwọ fun wa ni awọn igbesi aye ojoojumọ wa. Awọn ọna ṣiṣe wọnyi ni a nireti lati ṣiṣẹ ni igbagbogbo, n gba agbara kekere bi o ti ṣee lakoko kikọ ẹkọ lati tumọ data ti wọn gba lati awọn sensọ pupọ ni akoko gidi ati gbejade iṣelọpọ alakomeji bi abajade ti isọdi tabi awọn iṣẹ-ṣiṣe idanimọ. Ọkan ninu awọn igbesẹ pataki julọ ti o nilo lati ṣaṣeyọri ibi-afẹde yii ni yiyọkuro alaye to wulo ati iwapọ lati ariwo ati nigbagbogbo data ifarako ti ko pe. Awọn isunmọ imọ-ẹrọ ti aṣa ṣe apẹẹrẹ awọn ifihan agbara sensọ ni igbagbogbo ati iwọn giga, ti n ṣe ipilẹṣẹ awọn oye nla ti data paapaa ni aini awọn igbewọle to wulo. Ni afikun, awọn ọna wọnyi lo awọn ilana imuṣiṣẹ ifihan agbara oni-nọmba ti o nipọn lati ṣaju ilana data titẹ sii (nigbagbogbo alariwo). Dipo, isedale n funni ni awọn ọna abayọ fun sisẹ data ifarako alariwo nipa lilo agbara-daradara, asynchronous, awọn isunmọ-iwakọ iṣẹlẹ (spikes) 2,3. Iṣiro Neuromorphic gba awokose lati awọn ọna ṣiṣe ti ibi lati dinku awọn idiyele iṣiro ni awọn ofin ti agbara ati awọn ibeere iranti ni akawe si awọn ọna ṣiṣe ifihan agbara ibile4,5,6. Laipẹ, awọn ọna ṣiṣe ipilẹ-ọpọlọ ti idi gbogbogbo ti o n ṣe imuse awọn nẹtiwọọki nkankikan (TrueNorth7, BrainScaleS8, DYNAP-SE9, Loihi10, Spinnaker11) ti ṣe afihan. Awọn olutọsọna wọnyi pese agbara kekere, awọn solusan airi kekere fun ẹkọ ẹrọ ati awoṣe Circuit cortical. Lati lo iṣẹ ṣiṣe agbara wọn ni kikun, awọn iṣelọpọ neuromorphic wọnyi gbọdọ wa ni asopọ taara si awọn sensọ ti o ṣakoso iṣẹlẹ12,13. Sibẹsibẹ, loni awọn ẹrọ ifọwọkan diẹ ni o wa ti o pese data ti o dari iṣẹlẹ taara. Awọn apẹẹrẹ pataki jẹ awọn sensọ wiwo ti o ni agbara (DVS) fun awọn ohun elo iran bii titele ati wiwa išipopada14,15,16,17 silikoni cochlea18 ati awọn sensọ igbọran ti neuromorphic (NAS) 19 fun sisẹ ifihan agbara igbọran, awọn sensọ olfactory20 ati ọpọlọpọ awọn apẹẹrẹ21,22 ti ifọwọkan. . sojurigindin sensosi.
Ninu iwe yii, a ṣe afihan eto iṣelọpọ igbọran ti o ni idagbasoke iṣẹlẹ tuntun ti a lo si isọdi agbegbe ohun. Nibi, fun igba akọkọ, a ṣe apejuwe eto ipari-si-opin fun isọdi ohun ti a gba nipasẹ sisopọ piezoelectric micromachined ultrasonic transducer (pMUT) ti o ni imọ-ẹrọ ti o ni imọran ti o ni iṣiro ti o da lori iranti resistive neuromorphic (RRAM). Awọn faaji iširo-iranti nipa lilo RRAM jẹ ojutu ti o ni ileri fun idinku agbara agbara23,24,25,26,27,28,29. Iyatọ ti kii ṣe iyipada-ti ko nilo agbara agbara ti nṣiṣe lọwọ lati fipamọ tabi imudojuiwọn alaye-jẹ ibamu pipe pẹlu asynchronous, iseda-iṣẹlẹ-iwadii ti iṣiro neuromorphic, ti o yọrisi isunmọ-ko si agbara agbara nigbati eto naa ba ṣiṣẹ. Piezoelectric micromachined ultrasonic transducers (pMUTs) jẹ ilamẹjọ, miniaturized silikoni-orisun ultrasonic transducers ti o lagbara lati ṣiṣẹ bi awọn atagba ati awọn olugba30,31,32,33,34. Lati ṣe ilana awọn ifihan agbara ti a gba nipasẹ awọn sensọ ti a ṣe sinu, a fa awokose lati abà owiwi neuroanatomy35,36,37. Owiwi abà Tyto alba jẹ olokiki fun awọn agbara ọdẹ alẹ iyalẹnu rẹ ọpẹ si eto isọdi igbọran ti o munadoko pupọ. Lati ṣe iṣiro ipo ohun ọdẹ, eto isọdi owiwi abà ṣe koodu akoko ti ọkọ ofurufu (ToF) nigbati awọn igbi ohun lati ohun ọdẹ de ọkọọkan awọn eti owiwi tabi awọn olugba ohun. Fi fun aaye laarin awọn etí, iyatọ laarin awọn wiwọn ToF meji (Iyatọ Aago Interaural, ITD) jẹ ki o ṣee ṣe lati ṣe iṣiro itupalẹ ipo azimuth ti ibi-afẹde. Botilẹjẹpe awọn ọna ṣiṣe ti ibi ko dara lati yanju awọn idogba algebra, wọn le yanju awọn iṣoro agbegbe ni imunadoko. Eto aifọkanbalẹ owiwi nlo ṣeto ti aṣawari lasan (CD) awọn neurons 35 (ie, awọn neurons ti o lagbara lati ṣe awari awọn ibatan igba diẹ laarin awọn spikes ti o tan kaakiri si isalẹ si awọn ipari inudidun convergent) 38,39 ṣeto sinu awọn aworan iṣiro lati yanju awọn iṣoro ipo.
Iwadi iṣaaju ti fihan pe ohun elo irin-oxide-semikondokito (CMOS) ohun elo ati ohun elo neuromorphic ti o da lori RRAM ti o ni atilẹyin nipasẹ colliculus inferior (“kotesi igbọran”) ti owiwi abà jẹ ọna ti o munadoko fun iṣiro ipo nipa lilo ITD13, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46. Sibẹsibẹ, agbara ti awọn ọna ṣiṣe neuromorphic pipe ti o ṣopọ mọ awọn ifẹnukonu igbọran si awọn aworan iṣiro neuromorphic ko tii ṣe afihan. Iṣoro akọkọ ni iyipada atorunwa ti awọn iyika CMOS afọwọṣe, eyiti o ni ipa lori deede wiwa baramu. Laipẹ, awọn imuse oni nọmba miiran ti awọn iṣiro ITD47 ti jẹ afihan. Ninu iwe yii, a daba lati lo agbara ti RRAM lati yi iye ihuwasi pada ni ọna ti kii ṣe iyipada lati koju iyatọ ninu awọn iyika afọwọṣe. A ṣe imuse eto idanwo kan ti o ni pMUT kan ti n tan awopọ ti n ṣiṣẹ ni igbohunsafẹfẹ 111.9 kHz, pMUT meji gbigba awọn membran (awọn sensọ) ti n ṣe adaṣe awọn eti owiwi abà, ati ọkan. A ṣe afihan eto wiwa pMUT ati aworan iṣiro ITD ti o da lori RRAM lati ṣe idanwo eto isọdi wa ati ṣe iṣiro ipinnu igun rẹ.
A ṣe afiwe ọna wa pẹlu imuse oni-nọmba kan lori microcontroller ti n ṣe iṣẹ-ṣiṣe isọdibilẹ kanna ni lilo beamforming mora tabi awọn ọna neuromorphic, bakanna bi eto ẹnu-ọna eto eto aaye (FPGA) fun iṣiro ITD ti a dabaa ninu itọkasi. 47. Ifiwewe yii ṣe afihan ṣiṣe agbara ifigagbaga ti eto neuromorphic analog ti o da lori RRAM.
Ọkan ninu awọn apẹẹrẹ idaṣẹ julọ ti eto isọdi ohun deede ati lilo daradara ni a le rii ni owl35,37,48 abà. Ni alẹ ati owurọ, owiwi abà (Tyto Alba) ni akọkọ da lori gbigbọ palolo, ni itara lati wa ohun ọdẹ kekere gẹgẹbi awọn apọn tabi awọn eku. Awọn amoye igbọran wọnyi le ṣe agbegbe awọn ifihan agbara igbọran lati inu ohun ọdẹ pẹlu iyalẹnu iyalẹnu (bii 2°)35, gẹgẹ bi o ṣe han ni aworan 1a. Abà owls infer awọn ipo ti awọn orisun ohun ni azimuth (petele) ofurufu lati awọn iyato ninu awọn ti nwọle akoko ti flight (ITD) lati orisun ohun si awọn meji etí. Ilana iṣiro ITD ni imọran nipasẹ Jeffress49,50 eyiti o da lori geometry nkankikan ati pe o nilo awọn paati bọtini meji: axon kan, okun nafu neuron ti n ṣiṣẹ bi laini idaduro, ati ọpọlọpọ awọn iṣan aṣawari lasan ti ṣeto sinu eto iṣiro kan. awonya bi o han ni Figure 1b. Ohun naa de eti pẹlu akoko idaduro azimuth ti o gbẹkẹle (ITD). Ohun naa yoo yipada si apẹrẹ iwasoke ni eti kọọkan. Awọn axons ti osi ati eti ọtun n ṣiṣẹ bi awọn laini idaduro ati pejọ lori awọn neuronu CD. Ni imọ-jinlẹ, neuron kan nikan ni akojọpọ awọn neurons ti o baamu yoo gba titẹ sii ni akoko kan (nibiti idaduro naa ti fagile ni deede) ati pe yoo ta ina pupọ (awọn sẹẹli adugbo yoo tun ina, ṣugbọn ni iwọn kekere). Ṣiṣẹ awọn neuronu kan ṣe koodu ipo ti ibi-afẹde ni aaye laisi iyipada siwaju si ITD si awọn igun. A ṣe akopọ ero yii ni Nọmba 1c: fun apẹẹrẹ, ti ohun naa ba wa lati apa ọtun nigbati ifihan titẹ sii lati eti ọtun n rin ọna ti o gun ju ọna lati eti osi, isanpada fun nọmba ITDs, fun apẹẹrẹ, nigbati neuron 2 ibaamu. Ni awọn ọrọ miiran, CD kọọkan n dahun si ITD kan (ti a tun mọ ni idaduro to dara julọ) nitori idaduro axonal. Nitorinaa, ọpọlọ ṣe iyipada alaye igba diẹ sinu alaye aaye. Ẹri anatomical fun ẹrọ yii ni a ti rii37,51. Awọn neurons macronucleus ti o ni titiipa ni ipele ti fipamọ alaye igba diẹ nipa awọn ohun ti nwọle: bi orukọ wọn ṣe tumọ si, wọn ina ni awọn ipele ifihan kan. Awọn iṣan aṣawari ijamba ti awoṣe Jeffress ni a le rii ni ipilẹ laminar. Wọn gba alaye lati awọn neuronu macronuclear, ti awọn axons ṣe bi awọn laini idaduro. Iwọn idaduro ti a pese nipasẹ laini idaduro ni a le ṣe alaye nipasẹ ipari ti axon, bakanna bi ilana miyelination miiran ti o yi iyipada iṣipopada naa pada. Ni atilẹyin nipasẹ eto igbọran ti owiwi abà, a ti ṣe agbekalẹ eto biomimetic fun sisọ awọn nkan agbegbe. Awọn eti meji jẹ aṣoju nipasẹ awọn olugba pMUT meji. Orisun ohun jẹ atagba pMUT ti o wa laarin wọn (Fig. 1a), ati pe aworan iṣiro jẹ akoso nipasẹ grid ti awọn iyika CD ti o da lori RRAM (Fig. 1b, alawọ ewe), ti n ṣe ipa ti awọn neuron CD ti awọn igbewọle jẹ idaduro. nipasẹ awọn Circuit, awọn ila idaduro (bulu) sise bi axon ni ti ibi counterpart. Eto ifarako ti a dabaa yatọ si ni igbohunsafẹfẹ ṣiṣiṣẹ lati ti owiwi, eyiti eto igbọran ṣiṣẹ ni iwọn 1-8 kHz, ṣugbọn awọn sensọ pMUT ti n ṣiṣẹ ni iwọn 117 kHz ni a lo ninu iṣẹ yii. Aṣayan ti transducer ultrasonic ni a kà ni ibamu si awọn imọ-ẹrọ ati awọn ilana ti o dara ju. Ni akọkọ, diwọn bandiwidi gbigba si igbohunsafẹfẹ ẹyọkan ni apere ṣe ilọsiwaju deede iwọn ati ki o rọrun ni igbesẹ sisẹ-lẹhin. Ni afikun, iṣiṣẹ ni olutirasandi ni anfani pe awọn itọjade ti o jade ko ni igbọran, nitorinaa maṣe yọ eniyan lẹnu, nitori iwọn igbọran wọn jẹ ~ 20-20 kHz.
owiwi abà gba igbi ohun lati ibi-afẹde kan, ninu ọran yii gbigbe ohun ọdẹ. Akoko ti flight (ToF) ti igbi ohun yatọ si eti kọọkan (ayafi ti ohun ọdẹ ba wa ni iwaju owiwi). Laini ti o ni aami fihan ọna ti awọn igbi ohun n gba lati de eti owiwi abà. Ohun ọdẹ le jẹ deede ni agbegbe ni ọkọ ofurufu petele ti o da lori iyatọ gigun laarin awọn ipa-ọna akositiki meji ati iyatọ akoko interaural ti o baamu (ITD) (aworan osi ni atilẹyin nipasẹ Ref. 74, aṣẹ-lori 2002, Society for Neuroscience). Ninu eto wa, atagba pMUT (bulu dudu) n ṣe agbejade awọn igbi ohun ti o fa soke si ibi-afẹde naa. Awọn igbi olutirasandi ti a ṣe afihan ti gba nipasẹ awọn olugba pMUT meji (alawọ ewe ina) ati ṣiṣe nipasẹ ero isise neuromorphic (ọtun). b Awoṣe iṣiro ITD (Jeffress) ti n ṣapejuwe bawo ni awọn ohun ti nwọle etí owiwi abà ti wa ni akọkọ koodu bi awọn spikes titiipa alakoso ni aarin nla (NM) ati lẹhinna ni lilo akoj ti a ṣeto ni jiometirika ti awọn neuronu oluwari ti o baamu ni aarin lamellar. Ṣiṣẹ (Netherlands) (osi). Apejuwe ti aworan iṣiro neuroITD kan apapọ awọn laini idaduro ati awọn iṣan aṣawari lasan, eto biosensor owiwi le jẹ apẹrẹ nipa lilo awọn iyika neuromorphic ti o da lori RRAM (ọtun). c Sikematiki ti akọkọ Jeffress siseto, nitori awọn iyato ninu ToF, awọn meji etí gba ohun stimuli ni orisirisi awọn igba ati ki o rán axon lati mejeji opin si oluwari. Awọn axons jẹ apakan ti onka lẹsẹsẹ ti aṣawari lasan (CD) awọn neuronu, ọkọọkan eyiti o dahun ni yiyan si awọn igbewọle ti o ni ibatan akoko. Bi abajade, awọn CD nikan ti awọn igbewọle wọn de pẹlu iyatọ akoko ti o kere julọ ni itara pupọ (ITD jẹ isanpada gaan). CD naa yoo ṣe koodu koodu ipo igun ibi-afẹde naa.
Piezoelectric micromechanical ultrasonic transducers jẹ awọn transducers ultrasonic ti iwọn ti o le ṣepọ pẹlu imọ-ẹrọ CMOS ti ilọsiwaju31,32,33,52 ati pe o ni foliteji ibẹrẹ kekere ati agbara agbara ju awọn transducers volumetric ibile53. Ninu iṣẹ wa, iwọn ila opin awo ilu jẹ 880 µm, ati pe igbohunsafẹfẹ resonant ti pin ni iwọn 110-117 kHz (Fig. 2a, wo Awọn ọna fun awọn alaye). Ni ipele ti awọn ohun elo idanwo mẹwa, ipin didara apapọ jẹ nipa 50 (ref. 31). Imọ-ẹrọ ti de idagbasoke ile-iṣẹ ati pe kii ṣe bioinspired fun ọkan. Pipọpọ alaye lati oriṣiriṣi awọn fiimu pMUT jẹ ilana ti a mọ daradara, ati alaye igun le ṣee gba lati awọn pMUT nipa lilo, fun apẹẹrẹ, awọn imuposi beamforming31,54. Sibẹsibẹ, sisẹ ifihan agbara ti o nilo lati jade alaye igun naa ko dara fun awọn wiwọn agbara kekere. Eto ti a dabaa ṣajọpọ pMUT iyika ti n ṣaju data neuromorphic pẹlu aworan iṣiro neuromorphic ti o da lori RRAM ti o ni atilẹyin nipasẹ awoṣe Jeffress (Ọya 2c), n pese agbara-daradara yiyan ati ojutu ohun elo ti o ni orisun orisun. A ṣe idanwo kan ninu eyiti a gbe awọn sensọ pMUT meji si isunmọ 10 cm yato si lati lo nilokulo oriṣiriṣi awọn ohun ToF ti awọn membran gbigba meji gba. Ọkan pMUT ti n ṣiṣẹ bi atagba joko laarin awọn olugba. Ibi-afẹde naa jẹ awo PVC 12 cm fife, ti o wa ni ijinna D ni iwaju ẹrọ pMUT (Fig. 2b). Olugba naa ṣe igbasilẹ ohun ti o han lati inu ohun naa ati fesi bi o ti ṣee ṣe lakoko gbigbe ti igbi ohun naa. Tun idanwo naa ṣe nipa yiyipada ipo nkan naa, ti pinnu nipasẹ ijinna D ati igun θ. Atilẹyin nipasẹ ọna asopọ kan. 55, a dabaa ilana-iṣaaju neuromorphic ti awọn ifihan agbara aise pMUT lati yi awọn igbi ti o tan pada si awọn oke giga lati tẹ aworan iṣiro neuromorphic kan. ToF ti o baamu si titobi ti o ga julọ ni a yọ jade lati ọkọọkan awọn ikanni meji ati koodu bi akoko deede ti awọn oke kọọkan. Lori ọpọtọ. 2c ṣe afihan Circuit ti o nilo lati ni wiwo sensọ pMUT pẹlu aworan iṣiro ti o da lori RRAM: fun ọkọọkan awọn olugba pMUT meji, ami ifihan aise jẹ iyasọtọ band-pass lati dan, ṣe atunṣe, ati lẹhinna kọja si integration jo ni ipo bibori. awọn ìmúdàgba ala (Fig. 2d) ṣẹda ohun o wu iṣẹlẹ (iwasoke) ati tita ibọn (LIF) neuron: awọn wu iwasoke akoko encodes awọn ri flight akoko. Ibalẹ LIF jẹ iwọn lodi si idahun pMUT, nitorinaa idinku iyipada pMUT lati ẹrọ si ẹrọ. Pẹlu ọna yii, dipo titoju gbogbo igbi ohun ni iranti ati sisẹ rẹ nigbamii, a rọrun lati ṣe agbejade tente oke kan ti o baamu ToF ti igbi ohun, eyiti o ṣe agbekalẹ titẹ sii si aworan iṣiro iranti resistive. Awọn spikes naa ni a firanṣẹ taara si awọn laini idaduro ati ni afiwe pẹlu awọn modulu wiwa baramu ni awọn aworan iṣiro neuromorphic. Nitoripe a fi wọn ranṣẹ si awọn ẹnu-bode ti awọn transistors, ko si afikun iyika ampilifaya ti a nilo (wo Eya Afikun. 4 fun awọn alaye). Lati ṣe iṣiro išedede angula isọdi ti a pese nipasẹ pMUT ati ọna ṣiṣe ifihan agbara ti a dabaa, a wọn ITD (iyẹn ni, iyatọ ni akoko laarin awọn iṣẹlẹ ti o ga julọ ti ipilẹṣẹ nipasẹ awọn olugba meji) bi ijinna ati igun ohun naa yatọ. Ayẹwo ITD lẹhinna ni iyipada si awọn igun (wo Awọn ọna) ati pe a ṣe ipinnu si ipo ti nkan naa: aidaniloju ninu ITD ti a ṣewọn pọ pẹlu ijinna ati igun si nkan naa (Fig. 2e,f). Iṣoro akọkọ ni ipin tente-si-ariwo (PNR) ninu idahun pMUT. Awọn ohun ti o jinna si, isalẹ ifihan agbara akositiki, nitorina o dinku PNR (Fig. 2f, laini alawọ ewe). Idinku ninu PNR nyorisi ilosoke ninu aidaniloju ninu iṣiro ITD, ti o mu ki ilosoke ninu iṣedede agbegbe (Fig. 2f, laini buluu). Fun ohun kan ni ijinna 50 cm lati atagba, išedede angula ti eto jẹ isunmọ 10°. Yi aropin ti paṣẹ nipasẹ awọn abuda kan ti awọn sensọ le dara si. Fun apẹẹrẹ, titẹ ti a firanṣẹ nipasẹ emitter le pọ si, nitorinaa jijẹ foliteji ti n wa awo awọ pMUT. Ojutu miiran lati ṣe alekun ifihan agbara ti a firanṣẹ ni lati sopọ ọpọlọpọ awọn atagba 56. Awọn solusan wọnyi yoo mu iwọn wiwa pọ si laibikita awọn idiyele agbara ti o pọ si. Awọn ilọsiwaju afikun le ṣee ṣe ni ẹgbẹ gbigba. Ilẹ ariwo olugba pMUT le dinku ni pataki nipasẹ imudarasi asopọ laarin pMUT ati ampilifaya ipele akọkọ, eyiti o ṣe lọwọlọwọ pẹlu awọn asopọ waya ati awọn kebulu RJ45.
Aworan kan ti pMUT gara pẹlu awọn membran 880 µm mẹfa ti a ṣepọ ni ipolowo 1.5 mm. b Aworan ti iṣeto iwọn. Ibi-afẹde wa ni ipo azimuth θ ati ni ijinna D. Atagba pMUT n ṣe ifihan agbara 117.6 kHz ti o bounces kuro ni ibi-afẹde ati de ọdọ awọn olugba pMUT meji pẹlu oriṣiriṣi akoko-ti-flight (ToF). Iyatọ yii, ti a ṣalaye bi iyatọ akoko aarin-aural (ITD), ṣe koodu ipo ti ohun kan ati pe o le ṣe iṣiro nipasẹ iṣiro esi ti o ga julọ ti awọn sensọ olugba meji. c Eto ti awọn igbesẹ iṣaju iṣaju fun yiyipada ifihan pMUT aise sinu awọn ọna itọsi (ie titẹ sii si aworan iṣiro neuromorphic). Awọn sensọ pMUT ati awọn aworan iṣiro neuromorphic ti jẹ iṣelọpọ ati idanwo, ati pe iṣaju-iṣaaju neuromorphic da lori kikopa sọfitiwia. d Idahun ti awọ ara pMUT lori gbigba ifihan agbara kan ati iyipada rẹ si agbegbe iwasoke. e Iṣeṣeṣeṣedede angula isọdi isọdibilẹ bii iṣẹ ti igun nkan (Θ) ati ijinna (D) si ohun ibi-afẹde. Ọna isediwon ITD nilo ipinnu angula ti o kere ju ti isunmọ 4°C. f Idede igun (laini buluu) ati ipin ti o baamu tente oke-si-ariwo (ila alawọ ewe) dipo ijinna nkan fun Θ = 0.
Iranti atako tọju alaye ni ipo ifọnọhan ti kii ṣe iyipada. Ilana ipilẹ ti ọna naa ni pe iyipada ti ohun elo ni ipele atomiki nfa iyipada ninu iṣe eletiriki rẹ57. Nibi ti a lo ohun oxide-orisun resistive iranti ti o wa ninu kan 5nm Layer ti hafnium dioxide sandwiched laarin oke ati isalẹ titanium ati titanium nitride elekitirodu. Iwa adaṣe ti awọn ẹrọ RRAM le yipada nipasẹ lilo fọọmu igbi lọwọlọwọ/foliteji ti o ṣẹda tabi fọ awọn filaments conductive ti awọn aye atẹgun laarin awọn amọna. A ṣepọ iru awọn ẹrọ58 sinu ilana CMOS boṣewa 130 nm lati ṣẹda Circuit neuromorphic ti a ṣe atunto ti n ṣe imuse aṣawari lasan ati Circuit laini idaduro (Fig. 3a). Iwa ti kii ṣe iyipada ati afọwọṣe ti ẹrọ naa, ni idapo pẹlu iseda-iwakọ iṣẹlẹ ti Circuit neuromorphic, dinku agbara agbara. Circuit naa ni iṣẹ titan / pipa lojukanna: o ṣiṣẹ lẹsẹkẹsẹ lẹhin ti o ti wa ni titan, gbigba agbara lati wa ni pipa patapata nigbati Circuit ko ṣiṣẹ. Awọn bulọọki ile akọkọ ti ero ti a dabaa ni a fihan ni ọpọtọ. 3b. O ni awọn ẹya N parallel single-resistor single-transistor (1T1R) awọn ẹya ti o ṣe koodu awọn iwuwo synapti lati eyiti a ti mu awọn sisanwo iwuwo, itasi sinu synapse ti o wọpọ ti integration ti o yatọ (DPI) 59, ati nikẹhin itasi sinu synapse pẹlu iṣọpọ ati jijo. mu ṣiṣẹ (LIF) neuron 60 (wo Awọn ọna fun awọn alaye). Awọn agbewọle titẹ sii ni a lo si ẹnu-ọna ti ẹya 1T1R ni irisi ọna ti awọn ifunsi foliteji pẹlu iye akoko lori aṣẹ ti awọn ọgọọgọrun ti nanoseconds. Iranti atako ni a le gbe sinu ipo adaṣe giga (HCS) nipa lilo itọka rere itagbangba si Vtop nigbati Vbottom ba wa lori ilẹ, ati tunto si ipo adaṣe kekere (LCS) nipa lilo foliteji rere si Vbottom nigbati Vtop ba wa ni ilẹ. Awọn apapọ iye ti HCS le ti wa ni dari nipa diwọn awọn siseto lọwọlọwọ (ibamu) ti SET (ICC) nipasẹ awọn ẹnu-orisun foliteji ti awọn jara transistor (Fig. 3c). Awọn iṣẹ ti RRAM ninu Circuit jẹ meji: wọn taara ati iwuwo awọn ifunwọle titẹ sii.
Aworan maikirosikopu elekitironi (SEM) ti ẹrọ HfO2 1T1R RRAM buluu ti a ṣepọ ni imọ-ẹrọ 130 nm CMOS pẹlu awọn transistors yiyan (650 nm jakejado) ni alawọ ewe. b Awọn bulọọki ile ipilẹ ti eto neuromorphic ti a dabaa. Awọn itọka foliteji titẹ sii (awọn oke) Vin0 ati Vin1 njẹ I iwuwo lọwọlọwọ, eyiti o jẹ ibamu si awọn ipinlẹ idari G0 ati G1 ti eto 1T1R. Yi lọwọlọwọ ti wa ni itasi sinu awọn synapses DPI ati ki o ṣojulọyin awọn neuronu LIF. RRAM G0 ati G1 ti fi sori ẹrọ ni HCS ati LCS lẹsẹsẹ. c Iṣiṣẹ ti iwuwo ifarabalẹ ikojọpọ fun ẹgbẹ kan ti awọn ohun elo 16K RRAM gẹgẹbi iṣẹ ibaramu ICC lọwọlọwọ, eyiti o ṣakoso ni imunadoko ipele idari. d Awọn wiwọn Circuit ni (a) ti n fihan pe G1 (ninu LCS) ṣe idiwọ titẹ sii lati Vin1 (alawọ ewe), ati pe nitootọ foliteji awo ilu ti neuron ti n dahun nikan si titẹ buluu lati Vin0. RRAM fe ni ipinnu awọn isopọ ninu awọn Circuit. e Wiwọn ti awọn Circuit ni (b) fifi awọn ipa ti awọn conductance iye G0 lori tanna foliteji Vmem lẹhin kan foliteji polusi Vin0. Iwa ihuwasi diẹ sii, idahun naa ni okun sii: nitorinaa, ẹrọ RRAM n ṣe iwuwo asopọ I/O. Awọn wiwọn ni a ṣe lori iyika ati ṣafihan iṣẹ meji ti RRAM, ipa-ọna ati iwuwo ti awọn itọka titẹ sii.
Ni akọkọ, niwọn bi awọn ipinlẹ idawọle ipilẹ meji wa (HCS ati LCS), awọn RRAM le dina tabi padanu awọn iṣọn titẹ sii nigbati wọn ba wa ni awọn ipinlẹ LCS tabi HCS, ni atele. Bi awọn kan abajade, RRAM fe ni ipinnu awọn isopọ ninu awọn Circuit. Eyi ni ipilẹ fun ni anfani lati tunto faaji naa. Lati ṣe afihan eyi, a yoo ṣapejuwe imuse iyika ti a ṣẹda ti bulọọki iyika ni aworan 3b. RRAM ti o baamu si G0 ti ṣe eto sinu HCS, ati RRAM G1 keji ti ṣe eto sinu LCS. Awọn iṣọn titẹ sii ni a lo si mejeeji Vin0 ati Vin1. Awọn ipa ti awọn ọna meji ti awọn itọsi titẹ sii ni a ṣe atupale ninu awọn neuronu ti njade nipa gbigba foliteji membran neuron ati ifihan agbara ti o jade ni lilo oscilloscope kan. Idanwo naa ṣaṣeyọri nigba ti ẹrọ HCS (G0) nikan ni a ti sopọ si pulse neuron lati mu ẹdọfu awọ ara ṣe. Eyi ni afihan ni olusin 3d, nibiti ọkọ oju-irin pulse buluu nfa foliteji awo ilu lati kọ soke lori kapasito awo ilu, lakoko ti ọkọ oju irin pulse alawọ ewe ntọju foliteji awo ilu ibakan.
Iṣẹ pataki keji ti RRAM ni imuse awọn iwuwo asopọ. Lilo atunṣe adaṣe afọwọṣe ti RRAM, awọn asopọ I/O le ṣe iwọn ni ibamu. Ninu idanwo keji, ẹrọ G0 ti ṣe eto si awọn ipele oriṣiriṣi ti HCS, ati pe a lo pulse titẹ si titẹ sii Vin0. Pulusi titẹ sii fa lọwọlọwọ (Iwọn) lati inu ẹrọ naa, eyiti o jẹ ibamu si adaṣe ati agbara ti o baamu Vtop - Vbot. Ilọ lọwọlọwọ iwuwo yii jẹ itasi sinu awọn synapses DPI ati awọn iṣan jade LIF. Foliteji awo ilu ti awọn neuronu ti o wu ni a gbasilẹ ni lilo oscilloscope kan ati ṣafihan ni aworan 3d. Oke foliteji ti awọ ara neuron ni idahun si pulse titẹ sii ẹyọkan jẹ ibamu si iṣesi ti iranti resistive, ti n ṣe afihan pe RRAM le ṣee lo bi ipin siseto ti iwuwo synapti. Awọn idanwo alakoko meji wọnyi fihan pe Syeed neuromorphic ti o da lori RRAM ni anfani lati ṣe awọn eroja ipilẹ ti ẹrọ Jeffress ipilẹ, eyun laini idaduro ati Circuit aṣawari ijamba. Syeed Circuit ti wa ni itumọ ti nipasẹ stacking itẹlera ohun amorindun ẹgbẹ nipa ẹgbẹ, gẹgẹ bi awọn ohun amorindun ni Figure 3b, ki o si so wọn ẹnu-bode si kan to wopo input ila. A ṣe apẹrẹ, ti a ṣe, ati idanwo ipilẹ neuromorphic ti o ni awọn neurons ti o jade meji ti ngba awọn igbewọle meji (Fig. 4a). Awọn aworan atọka Circuit ti han ni Figure 4b. Matrix 2 × 2 RRAM ti oke ngbanilaaye awọn itọsi titẹ sii lati ṣe itọsọna si awọn neuronu ti o wu jade, lakoko ti matrix 2 × 2 isalẹ ngbanilaaye awọn asopọ loorekoore ti awọn neuronu meji (N0, N1). A ṣe afihan pe pẹpẹ yii le ṣee lo pẹlu iṣeto laini idaduro ati awọn iṣẹ aṣawari lasan meji ti o yatọ, bi a ti fihan nipasẹ awọn wiwọn idanwo ni Fig. 4c-e.
Aworan ti Circuit ti a ṣẹda nipasẹ awọn neurons meji ti o njade N0 ati N1 gbigba awọn igbewọle meji 0 ati 1. Awọn ẹrọ mẹrin ti oke ti orun n ṣalaye awọn asopọ synapti lati titẹ sii si iṣelọpọ, ati awọn sẹẹli mẹrin isalẹ n ṣalaye awọn asopọ loorekoore laarin awọn neuron. Awọn RRAM ti o ni awọ ṣe aṣoju awọn ẹrọ ti a tunto ni HCS ni apa ọtun: awọn ẹrọ ti o wa ninu HCS gba awọn asopọ laaye ati aṣoju awọn iwuwo, lakoko ti awọn ẹrọ ti o wa ninu LCS ṣe idiwọ awọn iṣọnwọle titẹ sii ati mu awọn asopọ si awọn abajade. b aworan atọka ti Circuit (a) pẹlu mẹjọ RRAM modulu afihan ni blue. c Awọn laini idaduro ni a ṣẹda nipasẹ lilo irọrun ti awọn synapses DPI ati awọn neuronu LIF. A ṣeto RRAM alawọ ewe si ihuwasi giga to lati ni anfani lati fa glitch kan ni iṣelọpọ lẹhin idaduro titẹ sii Δt. d Apejuwe sikematiki ti wiwa CD aibikita itọsọna ti awọn ifihan agbara ti o gbẹkẹle akoko. Neuron jade 1, N1, ina lori awọn igbewọle 0 ati 1 pẹlu idaduro kukuru kan. e Direction kókó CD Circuit, a Circuit ti o iwari nigbati input 1 yonuso input 0 ati ki o de lẹhin input 0. Awọn wu ti awọn Circuit ni ipoduduro nipasẹ neuron 1 (N1).
Laini idaduro (Ọya 4c) nirọrun nlo ihuwasi agbara ti awọn synapses DPI ati awọn neurons LIF lati ṣe ẹda iwasoke igbewọle lati Vin1 si Vout1 nipa idaduro Tdel. Nikan G3 RRAM ti a ti sopọ si Vin1 ati Vout1 ti wa ni siseto ni HCS, awọn iyokù ti awọn RRAM ti wa ni eto ni LCS. Ẹrọ G3 naa ti ṣe eto fun awọn 92.6 µs lati rii daju pe pulse titẹ sii kọọkan mu ki foliteji awo ilu ti neuron ti o wu jade ni to lati de ẹnu-ọna ati ṣe agbekalẹ pulse abajade idaduro. Idaduro Tdel jẹ ipinnu nipasẹ awọn synapti ati awọn alakan akoko nkankikan. Awọn aṣawari lairotẹlẹ ṣe awari iṣẹlẹ ti isọdọmọ fun igba diẹ ṣugbọn awọn ifihan agbara igbewọle pin kaakiri. CD aibikita itọsọna da lori awọn igbewọle ẹnikọọkan ti n ṣajọpọ si neuron ti o wọpọ (Aworan 4d). Awọn RRAM meji ti o sopọ Vin0 ati Vin1 si Vout1, G2 ati G4 ni atele jẹ eto fun adaṣe giga. Wiwa nigbakanna ti awọn spikes lori Vin0 ati Vin1 mu foliteji ti membrane neuron N1 pọ si oke ala ti o nilo lati ṣe agbejade iwasoke iṣelọpọ. Ti awọn igbewọle meji ba jinna pupọ ni akoko, idiyele lori foliteji awo ilu ti a kojọpọ nipasẹ titẹ sii akọkọ le ni akoko lati bajẹ, idilọwọ agbara awo awo N1 lati de iye ala. G1 ati G2 ti wa ni siseto fun isunmọ 65µs, eyiti o ni idaniloju pe titẹ titẹ ẹyọkan ko ṣe alekun foliteji awo ilu to lati fa iṣẹjade iṣẹjade. Wiwa airotẹlẹ laarin awọn iṣẹlẹ ti o pin kaakiri ni aaye ati akoko jẹ iṣẹ ipilẹ ti a lo ni ọpọlọpọ awọn iṣẹ ṣiṣe oye gẹgẹ bi yago fun idiwo orisun ṣiṣan opiti ati isọdi orisun ohun. Nitorinaa, itọsọna iṣiro-ifamọ ati awọn CD aibikita jẹ bulọọki ile ipilẹ fun iṣelọpọ wiwo ati awọn eto isọdi ohun. Gẹgẹbi a ti han nipasẹ awọn abuda ti awọn alakan akoko (wo Aworan Afikun. 2), Circuit ti a dabaa ṣe imuse iwọn to dara ti awọn aṣẹ mẹrin ti awọn iwọn akoko titobi. Bayi, o le ni nigbakannaa pade awọn ibeere ti wiwo ati ohun awọn ọna šiše. CD ti o ni imọ-itọnisọna jẹ iyika ti o ni itara si aṣẹ aye ti dide ti awọn iṣọn: lati ọtun si osi ati ni idakeji. O jẹ bulọọki ile ipilẹ ni nẹtiwọọki wiwa išipopada ipilẹ ti eto wiwo Drosophila, ti a lo lati ṣe iṣiro awọn itọsọna išipopada ati rii awọn ikọlu62. Lati ṣe aṣeyọri CD ti o ni itara-itọnisọna, awọn titẹ sii meji gbọdọ wa ni itọsọna si awọn neurons oriṣiriṣi meji (N0, N1) ati pe asopọ itọnisọna gbọdọ wa ni idasilẹ laarin wọn (Fig. 4e). Nigbati titẹ sii akọkọ ba ti gba, KO ṣe idahun nipa jijẹ foliteji kọja awọ ilu rẹ loke iye ala ati fifiranṣẹ iṣẹ abẹ kan. Iṣẹjade ti o jade, ni ọna, ina N1 ọpẹ si asopọ itọnisọna ti a ṣe afihan ni alawọ ewe. Ti iṣẹlẹ titẹ sii Vin1 ba de ati fi agbara N1 lakoko ti foliteji awo awo rẹ tun ga, N1 ṣe ipilẹṣẹ iṣẹlẹ ti o nfihan pe a ti rii ibaamu laarin awọn igbewọle meji. Awọn asopọ itọnisọna gba N1 laaye lati gbejade nikan ti titẹ sii 1 ba wa lẹhin titẹ sii 0. G0, G3, ati G7 ti wa ni eto si 73.5 µS, 67.3 µS, ati 40.2 µS, ni atele, ni aridaju pe iwasoke ẹyọkan lori titẹ sii Vin0 fa idaduro kan. iwasoke ti o wu jade, lakoko ti agbara awo awo N1 ti de opin nikan nigbati awọn ikọwọle mejeeji ba de amuṣiṣẹpọ. .
Iyipada jẹ orisun ti aipe ni awọn ọna ṣiṣe neuromorphic ti a ṣe awoṣe63,64,65. Eyi yori si ihuwasi oriṣiriṣi ti awọn neuronu ati awọn synapses. Awọn apẹẹrẹ ti iru awọn aila-nfani pẹlu 30% (itumọ si iyapa boṣewa) iyipada ninu ere titẹ sii, igbagbogbo akoko, ati akoko isọdọtun, lati lorukọ ṣugbọn diẹ (wo Awọn ọna). Iṣoro yii paapaa jẹ asọye diẹ sii nigbati ọpọlọpọ awọn iyika nkankikan ti sopọ papọ, gẹgẹbi CD ti o ni imọlara iṣalaye ti o ni awọn neuronu meji. Lati ṣiṣẹ daradara, ere ati awọn akoko akoko ibajẹ ti awọn neuronu meji yẹ ki o jẹ iru bi o ti ṣee ṣe. Fun apẹẹrẹ, iyatọ nla ninu ere titẹ sii le fa ki neuron kan bori si pulse titẹ sii lakoko ti neuron miiran ko ni idahun. Lori ọpọtọ. Nọmba 5a fihan pe awọn neuronu ti a yan laileto dahun ni iyatọ si pulse titẹ sii kanna. Iyatọ ti iṣan yii jẹ pataki, fun apẹẹrẹ, si iṣẹ ti awọn CD ti o ni imọran itọnisọna. Ninu ero ti o han ni ọpọtọ. 5b, c, ere titẹ sii ti neuron 1 jẹ ti o ga ju ti neuron 0. Bayi, neuron 0 nilo awọn pulses titẹ sii mẹta (dipo 1) lati de ẹnu-ọna, ati neuron 1, bi o ti ṣe yẹ, nilo awọn iṣẹlẹ titẹ sii meji. Ṣiṣe pilasitik biomimetic ti o gbẹkẹle akoko iwasoke (STDP) jẹ ọna ti o ṣee ṣe lati dinku ipa ti aipe ati onilọra ati awọn iyika synapti lori iṣẹ ṣiṣe43. Nibi a daba lati lo ihuwasi ṣiṣu ti iranti resistive bi ọna lati ni ipa imudara ti titẹ sii nkankikan ati idinku awọn ipa ti iyipada ninu awọn iyika neuromorphic. Bi o han ni ọpọtọ. 4e, awọn ipele ihuwasi ti o ni nkan ṣe pẹlu iwọn synapti RRAM ni imunadoko ni imunadoko idahun foliteji awọ ara ti o baamu. A lo ohun aṣetunṣe RRAM siseto nwon.Mirza. Fun titẹ sii ti a fun, awọn iye ihuwasi ti awọn iwọn synapti jẹ atunto titi ihuwasi ibi-afẹde ti Circuit yoo gba (wo Awọn ọna).
Awọn wiwọn esiperimenta ti idahun ti awọn neuronu mẹsan ti a yan laileto si pulse titẹ sii kanna. Idahun naa yatọ kọja awọn olugbe, ni ipa lori ere titẹ sii ati igbagbogbo akoko. b Awọn wiwọn idanwo ti ipa ti awọn neuronu lori iyatọ ti awọn neuronu ti o ni ipa CD ti o ni itara-itọnisọna. Awọn neuron ti o wu CD ti o ni itara-itọnisọna meji ṣe idahun yatọ si awọn iyanju titẹ sii nitori iyipada neuron-si-neuron. Neuron 0 ni ere titẹ sii kekere ju neuron 1 lọ, nitorinaa o gba awọn itọsi titẹ sii mẹta (dipo 1) lati ṣẹda iwasoke iṣelọpọ kan. Gẹgẹbi a ti ṣe yẹ, neuron 1 de opin ala pẹlu awọn iṣẹlẹ titẹ sii meji. Ti titẹ sii 1 ba de Δt = 50 µs lẹhin awọn ina neuron 0, CD wa ni ipalọlọ nitori pe Δt tobi ju igbagbogbo akoko neuron 1 (nipa 22 µs). c dinku nipasẹ Δt = 20 µs, tobẹẹ ti titẹ sii 1 ga ju nigbati ibọn neuron 1 tun ga, ti o fa wiwa ni igbakanna ti awọn iṣẹlẹ titẹ sii meji.
Awọn eroja meji ti a lo ninu iwe iṣiro ITD jẹ laini idaduro ati CD aibikita itọsọna. Awọn iyika mejeeji nilo isọdiwọn kongẹ lati rii daju iṣẹ ipo ohun ti o dara. Laini idaduro gbọdọ fi ẹya idaduro deede ti tente oke titẹ sii (Fig. 6a), ati pe CD gbọdọ wa ni muu ṣiṣẹ nikan nigbati titẹ sii ba ṣubu laarin ibiti wiwa ibi-afẹde. Fun laini idaduro, awọn iwuwo synapti ti awọn asopọ titẹ sii (G3 ni Fig. 4a) ni a ṣe atunṣe titi ti idaduro ibi-afẹde ti gba. Ṣeto ifarada ni ayika idaduro ibi-afẹde lati da eto naa duro: ifarada ti o kere si, diẹ sii nira lati ṣeto laini idaduro ni ifijišẹ. Lori ọpọtọ. Nọmba 6b fihan awọn abajade ti ilana isọdọtun laini idaduro: o le rii pe ero ti a dabaa le pese deede gbogbo awọn idaduro ti o nilo ninu ero apẹrẹ (lati 10 si 300 μs). Nọmba ti o pọju ti awọn atunṣe atunṣe yoo ni ipa lori didara ilana isọdọtun: 200 iterations le dinku aṣiṣe si kere ju 5%. Isọdi iwọntunwọnsi kan ni ibamu si eto/iṣẹ atunto ti sẹẹli RRAM kan. Ilana yiyi tun ṣe pataki lati mu ilọsiwaju deede ti module CD wiwa iṣẹlẹ isunmọ lẹsẹkẹsẹ. O gba awọn aṣetunṣe iwọntunwọnsi mẹwa lati ṣaṣeyọri oṣuwọn rere tootọ (ie, iwọn awọn iṣẹlẹ ti a damọ bi o ti yẹ) loke 95% (laini buluu ni Nọmba 6c). Sibẹsibẹ, ilana atunṣe ko ni ipa lori awọn iṣẹlẹ ti o dara eke (eyini ni, igbohunsafẹfẹ ti awọn iṣẹlẹ ti a ṣe afihan aṣiṣe bi o ṣe pataki). Ọna miiran ti a ṣe akiyesi ni awọn ọna ṣiṣe ti ibi-aye fun bibori awọn idiwọ akoko ti awọn ipa ọna ti n ṣiṣẹ ni iyara jẹ apọju (eyini ni, ọpọlọpọ awọn ẹda ti ohun kanna ni a lo lati ṣe iṣẹ ti a fun). Atilẹyin nipasẹ biology66, a gbe orisirisi awọn iyika CD ni kọọkan CD module laarin awọn meji idaduro ila lati din ni ipa ti eke positives. Bi o han ni ọpọtọ. 6c (ila alawọ ewe), gbigbe awọn eroja CD mẹta sinu module CD kọọkan le dinku oṣuwọn itaniji eke si kere ju 10-2.
Ipa ti iyipada neuronal lori awọn iyika laini idaduro. b Awọn iyika laini idaduro le jẹ iwọn si awọn idaduro nla nipa siseto awọn iwọn akoko ti awọn neuronu LIF ti o baamu ati awọn synapses DPI si awọn iye nla. Alekun nọmba awọn aṣetunṣe ti ilana isọdọtun RRAM jẹ ki o ṣee ṣe lati ni ilọsiwaju ilọsiwaju deede ti idaduro ibi-afẹde: 200 iterations dinku aṣiṣe si kere ju 5%. Aṣetunṣe kan ni ibamu si iṣẹ SET/TTUNTO lori sẹẹli RRAM kan. Kọọkan CD module ni c Jeffress awoṣe le ti wa ni muse lilo N ni afiwe CD eroja fun o tobi ni irọrun pẹlu ọwọ si eto ikuna. d Die e sii RRAM odiwọn iterations mu awọn otito oṣuwọn rere (laini buluu), nigba ti eke rere oṣuwọn ni ominira ti awọn nọmba ti iterations (alawọ ewe ila). Gbigbe awọn eroja CD diẹ sii ni afiwe yago fun wiwa eke ti awọn ibaamu module CD.
A ṣe iṣiro iṣẹ ṣiṣe ati agbara agbara ti opin-si-opin eto isọdi nkan isọdi ti o han ni Nọmba 2 ni lilo awọn wiwọn ti awọn ohun-ini akositiki ti sensọ pMUT, CD, ati awọn iyika laini idaduro ti o jẹ iwọn iṣiro iṣiro neuromorphic. Jeffress awoṣe (olusin 1a). Bi fun awọn aworan iširo neuromorphic, ti o pọju nọmba awọn modulu CD, ti o dara julọ ipinnu angula, ṣugbọn tun ga agbara ti eto naa (Fig. 7a). A le ṣe adehun adehun nipa ifiwera deede ti awọn paati kọọkan (awọn sensọ pMUT, awọn neurons, ati awọn iyika synapti) pẹlu deede ti gbogbo eto naa. Ipinnu ti laini idaduro ni opin nipasẹ awọn iduro akoko ti awọn synapses ti a ṣe simulated ati awọn neurons, eyiti ninu ero wa kọja 10 µs, eyiti o baamu si ipinnu angula ti 4° (wo Awọn ọna). Awọn apa ti ilọsiwaju diẹ sii pẹlu imọ-ẹrọ CMOS yoo gba apẹrẹ ti nkankikan ati awọn iyika synapti pẹlu awọn iwọn akoko kekere, ti o mu abajade deede ga julọ ti awọn eroja laini idaduro. Sibẹsibẹ, ninu eto wa, išedede ni opin nipasẹ aṣiṣe pMUT ni iṣiro ipo angula, ie 10 ° (laini petele buluu ni Fig. 7a). A ṣe atunṣe nọmba awọn modulu CD ni 40, eyiti o ni ibamu si ipinnu angula ti o fẹrẹ to 4 °, ie, išedede angula ti awọn aworan iṣiro (ila ila bulu ina ni Fig. 7a). Ni ipele eto, eyi n funni ni ipinnu ti 4 ° ati deede ti 10 ° fun awọn nkan ti o wa ni 50 cm ni iwaju eto sensọ. Iye yii jẹ afiwera si awọn eto isọdi ohun neuromorphic ti a royin ni ref. 67. Ifiwera ti eto ti a dabaa pẹlu ipo ti aworan ni a le rii ni tabili Afikun 1. Fifi afikun pMUTs, jijẹ ipele ifihan agbara akositiki, ati idinku ariwo itanna jẹ awọn ọna ti o ṣeeṣe lati mu ilọsiwaju isọdi agbegbe siwaju sii. ) ni ifoju 9.7. nz. 55. Fi fun awọn ẹya 40 CD lori aworan iṣiro, simulation SPICE ṣe iṣiro agbara fun iṣẹ kan (ie, agbara ipo ohun) lati jẹ 21.6 nJ. Eto neuromorphic ti mu ṣiṣẹ nikan nigbati iṣẹlẹ titẹ sii ba de, ie nigbati igbi akositiki ba de eyikeyi olugba pMUT ati pe o kọja iloro wiwa, bibẹẹkọ o wa aiṣiṣẹ. Eyi yago fun lilo agbara ti ko wulo nigbati ko si ifihan agbara titẹ sii. Ṣiyesi igbohunsafẹfẹ ti awọn iṣẹ isọdi agbegbe ti 100 Hz ati akoko imuṣiṣẹ ti 300 µs fun iṣẹ kan (ITD ti o pọju ti o ṣeeṣe), agbara agbara ti aworan iṣiro neuromorphic jẹ 61.7 nW. Pẹlu ilana iṣaaju neuromorphic ti a lo si olugba pMUT kọọkan, agbara agbara ti gbogbo eto de 81.6 nW. Lati loye ṣiṣe agbara ti ọna neuromorphic ti a daba ni akawe si ohun elo aṣa, a ṣe afiwe nọmba yii si agbara ti o nilo lati ṣe iṣẹ-ṣiṣe kanna lori microcontroller kekere agbara ode oni nipa lilo boya neuromorphic tabi mora beamforming68 Skill. Ọna neuromorphic ṣe akiyesi ipele afọwọṣe-si-oni oluyipada (ADC), atẹle nipasẹ àlẹmọ band-pass ati ipele isediwon apoowe (ọna Teeger-Kaiser). Nikẹhin, iṣẹ ala-ilẹ kan ni a ṣe lati jade ToF naa. A ti yọkuro iṣiro ITD ti o da lori ToF ati iyipada si ipo igun ti a pinnu lati igba ti eyi waye ni ẹẹkan fun wiwọn kọọkan (wo Awọn ọna). Ti a ro pe oṣuwọn iṣapẹẹrẹ ti 250 kHz lori awọn ikanni mejeeji (awọn olugba pMUT), awọn iṣẹ àlẹmọ 18 band pass, awọn iṣẹ isediwon apoowe 3, ati iṣẹ ala-ilẹ 1 fun apẹẹrẹ, apapọ agbara agbara ni ifoju ni 245 microwatts. Eyi nlo ipo agbara kekere ti microcontroller69, eyiti o tan nigbati awọn algoridimu ko ba ṣiṣẹ, eyiti o dinku agbara agbara si 10.8 µW. Lilo agbara ti ojutu sisẹ ifihan agbara beamforming ti a dabaa ninu itọkasi. 31, pẹlu awọn olugba 5 pMUT ati awọn opo 11 ti a pin ni iṣọkan ni ọkọ ofurufu azimuth [-50 °, + 50 °], jẹ 11.71 mW (wo Awọn ọna Awọn ọna fun awọn alaye). Ni afikun, a ṣe ijabọ agbara agbara ti koodu Iyatọ Akoko ti o da lori FPGA47 (TDE) ni ifoju ni 1.5 mW bi aropo fun awoṣe Jeffress fun isọdi nkan. Da lori awọn iṣiro wọnyi, ọna neuromorphic ti a dabaa dinku lilo agbara nipasẹ awọn aṣẹ titobi marun ni akawe si microcontroller kan nipa lilo awọn ilana imudara ti kilasika fun awọn iṣẹ isọdi agbegbe ohun. Gbigba ọna neuromorphic kan si ṣiṣafihan ifihan agbara lori microcontroller Ayebaye dinku agbara agbara nipa bii awọn aṣẹ titobi meji. Imudara ti eto ti a dabaa ni a le ṣe alaye nipasẹ apapọ asynchronous resistive-memory afọwọṣe iyika iranti ti o lagbara lati ṣe awọn iṣiro-iranti ati aini ti iyipada afọwọṣe-si-nọmba ti o nilo lati loye awọn ifihan agbara.
ipinnu Angular (buluu) ati agbara agbara (alawọ ewe) ti iṣẹ isọdi da lori nọmba awọn modulu CD. Ọpa petele buluu dudu duro fun išedede angula ti PMUT ati igi petele buluu ina duro fun deede angula ti aworan iṣiro neuromorphic. b Lilo agbara ti eto ti a dabaa ati lafiwe pẹlu awọn imuse microcontroller meji ti a jiroro ati imuse oni-nọmba ti Encoder Iyatọ Akoko (TDE) 47 FPGA.
Lati dinku agbara agbara ti eto isọdi ibi-afẹde, a loyun, ṣe apẹrẹ ati imuse lilo daradara, agbegbe neuromorphic ti o da lori RRAM ti iṣẹlẹ ti o ṣe ilana alaye ifihan ti ipilẹṣẹ nipasẹ awọn sensosi ti a ṣe sinu lati ṣe iṣiro ipo ohun ibi-afẹde ni gidi. akoko. . Lakoko ti awọn ọna iṣelọpọ ibile ṣe ayẹwo awọn ifihan agbara ti a rii nigbagbogbo ati ṣe awọn iṣiro lati jade alaye to wulo, ojutu neuromorphic ti a dabaa ṣe awọn iṣiro asynchronously bi alaye ti o wulo ti de, mimu agbara ṣiṣe eto pọ si nipasẹ awọn aṣẹ titobi marun. Ni afikun, a ṣe afihan irọrun ti awọn iyika neuromorphic ti o da lori RRAM. Agbara ti RRAM lati yi ihuwasi pada ni ọna ti kii ṣe iyipada (plasticity) ṣe isanpada fun iyatọ atorunwa ti ultra-kekere afọwọṣe DPI synaptic ati awọn iyika nkankikan. Eyi jẹ ki iyika ti o da lori RRAM wapọ ati alagbara. Ibi-afẹde wa kii ṣe lati jade awọn iṣẹ idiju tabi awọn ilana lati awọn ifihan agbara, ṣugbọn lati sọ awọn nkan agbegbe ni akoko gidi. Eto wa tun le fun ami ifihan agbara daradara ati nikẹhin firanṣẹ si awọn igbesẹ sisẹ siwaju lati ṣe awọn ipinnu eka sii nigbati o nilo. Ni ipo ti awọn ohun elo isọdibilẹ, igbesẹ iṣaju neuromorphic wa le pese alaye nipa ipo awọn nkan. Alaye yii le ṣee lo, fun apẹẹrẹ, fun wiwa išipopada tabi idanimọ afarajuwe. A tẹnumọ pataki ti apapọ awọn sensọ agbara kekere ultra gẹgẹbi awọn pMUT pẹlu ẹrọ itanna kekere agbara. Fun eyi, awọn isunmọ neuromorphic ti jẹ bọtini bi wọn ti mu wa lati ṣe agbekalẹ awọn imuse iyika tuntun ti awọn ọna ṣiṣe iṣiro imọ-jinlẹ gẹgẹbi awoṣe Jeffress. Ni agbegbe ti awọn ohun elo idapọ sensọ, eto wa le ni idapo pẹlu ọpọlọpọ awọn sensọ orisun iṣẹlẹ lati gba alaye deede diẹ sii. Botilẹjẹpe awọn owiwi dara julọ ni wiwa ohun ọdẹ ninu okunkun, wọn ni oju ti o dara julọ ati ṣe igbọran apapọ ati wiwa wiwo ṣaaju mimu ohun ọdẹ70. Nigbati neuron afetigbọ kan pato ba n jo, owiwi gba alaye ti o nilo lati pinnu ninu itọsọna wo lati bẹrẹ wiwa wiwo rẹ, nitorinaa fojusi akiyesi rẹ si apakan kekere ti oju wiwo. Apapọ awọn sensọ wiwo (kamẹra DVS) ati sensọ igbọran ti a pinnu (ti o da lori pMUT) yẹ ki o ṣawari fun idagbasoke awọn aṣoju adase iwaju.
Sensọ pMUT wa lori PCB pẹlu awọn olugba meji to sunmọ 10 cm yato si, ati pe atagba wa laarin awọn olugba. Ninu iṣẹ yii, awọ ara kọọkan jẹ ẹya bimorph ti daduro ti o ni awọn ipele meji ti piezoelectric aluminiomu nitride (AlN) 800 nm nipọn sandwiched laarin awọn ipele mẹta ti molybdenum (Mo) 200 nm nipọn ati ti a bo pẹlu Layer 200 nm nipọn. oke passivating SiN Layer bi apejuwe ninu awọn itọkasi. 71. Awọn amọna inu ati ita ni a lo si isalẹ ati awọn ipele oke ti molybdenum, lakoko ti amọna molybdenum arin ko ni apẹrẹ ati ti a lo bi ilẹ, ti o mu ki awọ-ara kan pẹlu awọn orisii mẹrin ti awọn amọna.
Itumọ faaji yii ngbanilaaye lilo abuku awo ilu ti o wọpọ, ti o mu abajade ilọsiwaju dara si ati gba ifamọ. Iru pMUT ni igbagbogbo ṣe afihan ifamọ simi ti 700 nm/V bi emitter, pese titẹ oju ti 270 Pa/V. Gẹgẹbi olugba, fiimu pMUT kan ṣe afihan ifamọ kukuru kukuru ti 15 nA/Pa, eyiti o ni ibatan taara si piezoelectric coefficient of AlN. Iyatọ imọ-ẹrọ ti foliteji ninu Layer AlN nyorisi iyipada ninu igbohunsafẹfẹ resonant, eyiti o le sanpada nipasẹ lilo irẹjẹ DC kan si pMUT. A ṣe iwọn ifamọ DC ni 0.5 kHz/V. Fun ohun kikọ silẹ, a lo gbohungbohun ni iwaju pMUT.
Lati wiwọn pulse iwoyi, a gbe awo onigun mẹrin pẹlu agbegbe ti o to 50 cm2 ni iwaju pMUT lati ṣe afihan awọn igbi ohun ti o jade. Mejeeji aaye laarin awọn awo ati igun ojulumo si ọkọ ofurufu pMUT ni a ṣakoso ni lilo awọn dimu pataki. A Tectronix CPX400DP foliteji orisun abosi meta pMUT tanna, tuning awọn resonant igbohunsafẹfẹ to 111,9 kHz31, nigba ti awọn atagba wa ni ìṣó nipasẹ a Tectronix AFG 3102 pulse monomono aifwy si awọn resonant igbohunsafẹfẹ (111,9 kHz) ati ki o kan ojuse ọmọ ti 0.0. Awọn ṣiṣan ti a ka lati awọn ebute oko oju omi mẹrin ti olugba pMUT kọọkan jẹ iyipada si awọn foliteji nipa lilo lọwọlọwọ iyatọ pataki ati faaji foliteji, ati awọn ifihan agbara ti o jẹ abajade jẹ digitized nipasẹ eto imudani data Spektrum. Idiwọn wiwa jẹ ifihan nipasẹ gbigba ifihan ami pMUT labẹ awọn ipo oriṣiriṣi: a gbe olufihan si awọn ijinna oriṣiriṣi [30, 40, 50, 60, 80, 100] cm ati yi igun atilẹyin pMUT pada ([0, 20, 40] o ) Nọmba 2b ṣe afihan ipinnu wiwa ITD igba diẹ ti o da lori ipo igun ti o baamu ni awọn iwọn.
Nkan yii nlo awọn iyika RRAM ti o yatọ meji ti o yatọ. Akọkọ jẹ titobi ti awọn ohun elo 16,384 (16,000) (awọn ohun elo 128 × 128) ni iṣeto 1T1R pẹlu transistor kan ati resistor kan. Awọn keji ni ërún ni awọn neuromorphic Syeed ti o han ni olusin 4a. sẹẹli RRAM ni fiimu HfO2 ti o nipọn 5 nm ti a fi sinu akopọ TiN/HfO2/Ti/TiN kan. Akopọ RRAM ti ṣepọ sinu ila-pada (BEOL) ti ilana CMOS 130nm boṣewa. Awọn iyika neuromorphic ti o da lori RRAM ṣafihan ipenija apẹrẹ fun gbogbo awọn ọna itanna afọwọṣe ninu eyiti awọn ẹrọ RRAM wa pẹlu imọ-ẹrọ CMOS ibile. Ni pataki, ipo idari ti ẹrọ RRAM gbọdọ ka ati lo bi oniyipada iṣẹ fun eto naa. Ni ipari yii, a ṣe apẹrẹ iyika kan, ti a ṣe ati idanwo ti o ka lọwọlọwọ lati inu ẹrọ naa nigbati pulse titẹ sii ba ti gba ati lo lọwọlọwọ yii lati ṣe iwuwo idahun ti synapse alasopọ iyatọ (DPI). Yi Circuit ti han ni Figure 3a, eyi ti o duro awọn ipilẹ ile ohun amorindun ti awọn neuromorphic Syeed ni Figure 4a. Pulusi titẹ sii mu ẹnu-bode ẹrọ 1T1R ṣiṣẹ, nfa lọwọlọwọ nipasẹ RRAM ni ibamu si adaṣe ẹrọ naa G (Iweight = G(Vtop – Vx)). Inverting input ti awọn operational ampilifaya (op-amp) Circuit ni kan ibakan DC abosi foliteji Vtop. Awọn esi odi op-amp yoo pese Vx = Vtop nipa fifun lọwọlọwọ deede lati M1. Iwọn iwuwo lọwọlọwọ ti a gba pada lati ẹrọ naa ni itasi sinu synapse DPI. Ilọyi ti o lagbara yoo ja si ni depolarization diẹ sii, nitorinaa ihuwasi RRAM ni imunadoko awọn iwọn synapti. Itọkasi synaptic ti o pọju yii jẹ itasi nipasẹ kapasito awo ilu ti Awọn iṣan Leaky Integration ati Excitation (LIF), nibiti o ti ṣepọ bi foliteji. Ti foliteji ala ti awo ilu (foliteji iyipada ti oluyipada) ti bori, apakan ti o wu ti neuron ti muu ṣiṣẹ, ti o nmu iwasoke ti o wu jade. Pulusi yii pada ki o si ṣokun kapasito awọ membran neuron si ilẹ, ti o mu ki o jade. Ayika yii lẹhinna ni afikun pẹlu olupilẹṣẹ pulse (kii ṣe afihan ni Ọpọtọ 3a), eyiti o ṣe apẹrẹ pulse ti o wu ti neuron LIF si iwọn pulse ibi-afẹde. Multiplexers ni a tun ṣe sinu laini kọọkan, gbigba foliteji lati lo si awọn amọna oke ati isalẹ ti ẹrọ RRAM.
Idanwo itanna pẹlu itupalẹ ati gbigbasilẹ ihuwasi agbara ti awọn iyika afọwọṣe, bakanna bi siseto ati kika awọn ẹrọ RRAM. Awọn igbesẹ mejeeji nilo awọn irinṣẹ pataki, gbogbo eyiti o ni asopọ si igbimọ sensọ ni akoko kanna. Wiwọle si awọn ẹrọ RRAM ni awọn iyika neuromorphic ni a ṣe lati awọn irinṣẹ ita nipasẹ multiplexer (MUX). MUX naa yapa sẹẹli 1T1R kuro ninu iyoku ti iyipo si eyiti o jẹ, gbigba ẹrọ laaye lati ka ati/tabi siseto. Lati ṣe eto ati ka awọn ẹrọ RRAM, ẹrọ Keithley 4200 SCS ni a lo ni apapo pẹlu Arduino microcontroller: akọkọ fun iran pulse deede ati kika lọwọlọwọ, ati keji fun wiwọle yara yara si awọn eroja 1T1R kọọkan ninu titobi iranti. Išišẹ akọkọ ni lati ṣe agbekalẹ ẹrọ RRAM. Awọn sẹẹli ti yan ọkan nipasẹ ọkan ati pe a lo foliteji rere laarin awọn amọna oke ati isalẹ. Ni ọran yii, lọwọlọwọ wa ni opin si aṣẹ ti mewa ti microamperes nitori ipese foliteji ẹnu-ọna ti o baamu si transistor yiyan. Ẹyin RRAM le lẹhinna yipo laarin ipo adaṣe kekere (LCS) ati ipo adaṣe giga (HCS) nipa lilo atunto ati awọn iṣẹ SET, lẹsẹsẹ. Iṣẹ SET naa ni a ṣe nipasẹ lilo pulse foliteji onigun mẹrin pẹlu iye akoko 1 μs ati foliteji tente oke ti 2.0-2.5 V si elekiturodu oke, ati pulse amuṣiṣẹpọ ti apẹrẹ ti o jọra pẹlu foliteji giga ti 0.9-1.3 V si ẹnu-ọna transistor ti o yan. Awọn iye wọnyi gba laaye adaṣe adaṣe RRAM ni awọn aaye arin 20-150µs. Fun RESET, 1µs fife, 3 V peak pulse ni a lo si elekiturodu isalẹ (laini bit) ti sẹẹli nigbati foliteji ẹnu-ọna wa ni iwọn 2.5-3.0 V. Awọn igbewọle ati awọn abajade ti awọn iyika afọwọṣe jẹ awọn ifihan agbara ti o ni agbara. . Fun titẹ sii, a gba awọn olupilẹṣẹ pulse HP 8110 meji pẹlu Tektronix AFG3011 ifihan agbara. Pulusi titẹ sii ni iwọn ti 1 µs ati dide/isubu eti ti 50 ns. Iru pulse yii ni a ro pe o jẹ glitch aṣoju ni awọn iyika orisun glitch afọwọṣe. Bi fun ifihan agbara ti o wu jade, ifihan agbara ti a gbasilẹ ni lilo Teledyne LeCroy 1 GHz oscilloscope kan. Iyara imudani ti oscilloscope kan ti fihan pe kii ṣe ipin idiwọn ninu itupalẹ ati gbigba data iyika.
Lilo awọn agbara ti ẹrọ itanna afọwọṣe lati ṣe adaṣe ihuwasi ti awọn neuronu ati awọn synapses jẹ yangan ati ojutu to munadoko lati mu imudara iṣiro ṣiṣẹ. Aila-nfani ti abẹlẹ iširo yii ni pe yoo yatọ lati ero si ero. A ṣe iwọn iyatọ ti awọn neuronu ati awọn iyika synapti (Afikun 2a,b). Ninu gbogbo awọn ifihan ti iyipada, awọn ti o ni nkan ṣe pẹlu awọn iduro akoko ati ere titẹ sii ni ipa ti o ga julọ ni ipele eto. Iwọn akoko ti neuron LIF ati synapse DPI jẹ ipinnu nipasẹ Circuit RC, nibiti iye R ti wa ni iṣakoso nipasẹ foliteji aiṣedeede ti a lo si ẹnu-ọna transistor (Vlk fun neuron ati Vtau fun synapse), ipinnu jijo oṣuwọn. Ere igbewọle jẹ asọye bi foliteji ti o ga julọ ti o de nipasẹ synapti ati awọn agbara membran neuronal ti a fa nipasẹ pulse igbewọle kan. Ere titẹ sii jẹ iṣakoso nipasẹ transistor abosi miiran eyiti o ṣe atunṣe lọwọlọwọ titẹ sii. Simulation Monte Carlo kan ti a ṣe iwọn lori ilana ST Microelectronics '130nm ni a ṣe lati gba diẹ ninu ere igbewọle ati awọn iṣiro igbagbogbo akoko. Awọn abajade naa ni a gbekalẹ ni Nọmba Ifikun 2, nibiti ere titẹ sii ati igbagbogbo akoko jẹ iwọn bi iṣẹ kan ti foliteji aiṣedeede ti n ṣakoso oṣuwọn jijo. Awọn asami alawọ ewe ṣe iwọn iyapa boṣewa ti ibakan akoko lati iwọn. Mejeeji awọn neuronu ati awọn iyika synapti ni anfani lati ṣe afihan ọpọlọpọ awọn iwọn akoko ni iwọn 10-5-10-2 s, bi o ṣe han ninu ero Ọpọtọ Iyọnda. Imudara igbewọle (Afikun 2e,d) ti neuronal ati iyipada synapse jẹ isunmọ 8% ati 3%, lẹsẹsẹ. Iru aipe bẹ jẹ akọsilẹ daradara ninu awọn iwe-iwe: awọn wiwọn pupọ ni a ṣe lori titobi awọn eerun DYNAP lati ṣe ayẹwo aiṣedeede laarin awọn olugbe ti LIF63 neurons. Awọn synapses ti o wa ni chirún ifihan agbara adalu BrainScale ni a wọn ati atupalẹ awọn aiṣedeede wọn, ati pe ilana isọdiwọn ni a dabaa lati dinku ipa ti iyipada ipele-eto64.
Iṣẹ ti RRAM ni awọn iyika neuromorphic jẹ ilọpo meji: asọye faaji (awọn igbewọle ipa-ọna si awọn abajade) ati imuse awọn iwuwo synapti. Ohun-ini igbehin le ṣee lo lati yanju iṣoro ti iyatọ ti awọn iyika neuromorphic awoṣe. A ti ṣe agbekalẹ ilana isọdiwọn ti o rọrun ti o kan ṣiṣatunṣe ẹrọ RRAM titi ti iyika ti n ṣe atupale ba pade awọn ibeere kan. Fun titẹ sii ti a fun, a ṣe abojuto iṣelọpọ ati RRAM ti tun ṣe titi ihuwasi ibi-afẹde yoo waye. Akoko idaduro ti 5 s ni a ṣe afihan laarin awọn iṣẹ siseto lati yanju iṣoro ti isinmi RRAM ti o mu ki awọn iyipada ihuwasi igba diẹ (Alaye Afikun). Awọn òṣuwọn Synapti ti wa ni titunse tabi calibrated ni ibamu si awọn ibeere ti awọn neuromorphic Circuit ti wa ni awoṣe. Ilana isọdiwọn jẹ akopọ ni awọn algoridimu afikun [1, 2] ti o dojukọ awọn ẹya ipilẹ meji ti awọn iru ẹrọ neuromorphic, awọn laini idaduro ati CD aibikita itọsọna. Fun Circuit kan pẹlu laini idaduro, ihuwasi ibi-afẹde ni lati pese pulse ti o wujade pẹlu Δt idaduro. Ti idaduro iyika gangan ba kere ju iye ibi-afẹde, iwuwo synapti ti G3 yẹ ki o dinku (G3 yẹ ki o tunto ati lẹhinna ṣeto si Icc lọwọlọwọ ti o baamu kekere). Lọna miiran, ti idaduro gangan ba tobi ju iye ibi-afẹde, iṣiṣẹ ti G3 gbọdọ pọsi (G3 gbọdọ jẹ atunto akọkọ lẹhinna ṣeto si iye Icc ti o ga julọ). Ilana yii tun ṣe titi ti idaduro ti ipilẹṣẹ nipasẹ iyika ṣe ibaamu iye ibi-afẹde ati pe a ṣeto ifarada lati da ilana isọdiwọn duro. Fun awọn CD aibikita iṣalaye, awọn ẹrọ RRAM meji, G1 ati G3, ni ipa ninu ilana isọdiwọn. Circuit yii ni awọn igbewọle meji, Vin0 ati Vin1, idaduro nipasẹ dt. Circuit yẹ ki o dahun nikan si awọn idaduro ni isalẹ ibiti o baamu [0,dtCD]. Ti ko ba si oke ti o wujade, ṣugbọn tente oke titẹ sii ti sunmọ, awọn ẹrọ RRAM mejeeji yẹ ki o ṣe alekun lati ṣe iranlọwọ fun neuron lati de opin. Lọna miiran, ti Circuit ba dahun si idaduro ti o kọja ibi-afẹde ti dtCD, ihuwasi gbọdọ dinku. Tun ilana naa ṣe titi ti ihuwasi ti o tọ yoo gba. Ibamu lọwọlọwọ le ti wa ni modulated nipasẹ itumọ-ni afọwọṣe Circuit ni Ref. 72.73. Pẹlu iyika ti a ṣe sinu, iru awọn ilana le ṣee ṣe lorekore lati ṣe iwọn eto naa tabi tun lo fun ohun elo miiran.
A ṣe iṣiro agbara agbara ti ọna sisẹ ifihan agbara neuromorphic wa lori microcontroller 32-bit boṣewa68. Ninu igbelewọn yii, a gba iṣẹ pẹlu iṣeto kanna bi ninu iwe yii, pẹlu atagba pMUT kan ati awọn olugba pMUT meji. Ọna yii nlo àlẹmọ bandpass, atẹle nipa igbesẹ isediwon apoowe kan (Teeger-Kaiser), ati nikẹhin iṣẹ iloro ti wa ni lilo si ifihan agbara lati yọkuro akoko ti ọkọ ofurufu. Iṣiro ti ITD ati iyipada rẹ si awọn igun wiwa ni a yọkuro ninu igbelewọn. A ṣe akiyesi imuse àlẹmọ kọja iye kan nipa lilo àlẹmọ idahun ipasẹ ailopin aṣẹ 4 ti o nilo awọn iṣẹ aaye lilefoofo 18. Iyọkuro apoowe nlo awọn iṣẹ aaye lilefoofo mẹta diẹ sii, ati iṣẹ ṣiṣe ti o kẹhin ni a lo lati ṣeto iloro. Apapọ awọn iṣẹ aaye lilefoofo 22 ni a nilo lati ṣaju ifihan agbara naa. Ifihan agbara ti a firanṣẹ jẹ fifẹ kukuru ti 111.9 kHz sine waveform ti ipilẹṣẹ ni gbogbo 10 ms ti o mu ipo ipo igbohunsafẹfẹ ṣiṣẹ ti 100 Hz. A lo oṣuwọn iṣapẹẹrẹ ti 250 kHz lati ni ibamu pẹlu Nyquist ati ferese 6 ms fun wiwọn kọọkan lati mu iwọn mita 1 kan. Ṣe akiyesi pe 6 milliseconds ni akoko ọkọ ofurufu ti ohun kan ti o wa ni mita kan. Eyi n pese agbara agbara ti 180 µW fun iyipada A/D ni 0.5 MSPS. Iṣafihan ifihan agbara jẹ 6.60 MIPS (awọn itọnisọna fun iṣẹju keji), ti o npese 0.75 mW. Sibẹsibẹ, microcontroller le yipada si ipo agbara kekere 69 nigbati algorithm ko ṣiṣẹ. Ipo yii n pese agbara aimi ti 10.8 μW ati akoko ji dide ti 113 μs. Fi fun igbohunsafẹfẹ aago kan ti 84 MHz, microcontroller pari gbogbo awọn iṣẹ ti algorithm neuromorphic laarin 10 ms, ati algorithm ṣe iṣiro iṣẹ-ṣiṣe ti 6.3%, nitorinaa lilo ipo agbara kekere. Abajade agbara agbara jẹ 244.7 μW. Ṣe akiyesi pe a fi abajade ITD silẹ lati ToF ati iyipada si igun wiwa, nitorinaa ṣiro agbara agbara ti microcontroller. Eyi pese iye afikun fun ṣiṣe agbara ti eto ti a dabaa. Gẹgẹbi ipo lafiwe afikun, a ṣe iṣiro agbara agbara ti awọn ọna ṣiṣe beamforming kilasika ti a dabaa ninu itọkasi. 31.54 nigba ti ifibọ ni kanna microcontroller68 ni 1.8V foliteji ipese. Awọn membran pMUT ti o ni boṣeyẹ marun ni a lo lati gba data fun ṣiṣe itanna. Bi fun sisẹ funrararẹ, ọna beamforming ti a lo ni akopọ idaduro. O kan ni ti lilo idaduro si awọn ọna ti o baamu iyatọ ti a nireti ni awọn akoko dide laarin ọna kan ati ọna itọkasi. Ti awọn ifihan agbara ba wa ni ipele, apao awọn ifihan agbara wọnyi yoo ni agbara giga lẹhin iyipada akoko kan. Ti wọn ba jade ni ipele, kikọlu iparun yoo ṣe idinwo agbara ti apao wọn. ninu ibatan kan. Lori ọpọtọ. 31, oṣuwọn iṣapẹẹrẹ ti 2 MHz ti yan lati yi data akoko pada nipasẹ nọmba odidi ti awọn ayẹwo. Ọna ti o ni iwọntunwọnsi diẹ sii ni lati ṣetọju iwọn ayẹwo irẹwẹsi kan ti 250 kHz ati lo àlẹmọ Idahun Imudani Ipari (FIR) lati ṣajọpọ awọn idaduro ida. A yoo ro pe idiju ti algorithm beamforming jẹ ipinnu nipataki nipasẹ iyipada akoko, niwọn igba ti ikanni kọọkan wa pẹlu àlẹmọ FIR pẹlu awọn taps 16 ni itọsọna kọọkan. Lati ṣe iṣiro nọmba MIPS ti o nilo fun išišẹ yii, a ṣe akiyesi window kan ti 6ms fun wiwọn lati gba iwọn mita 1, awọn ikanni 5, awọn itọnisọna beamforming 11 (agbegbe +/- 50 ° ni awọn igbesẹ 10 °). Awọn wiwọn 75 fun iṣẹju keji ti ti microcontroller si o pọju 100 MIPS. Ọna asopọ. 68, Abajade ni ipadasẹhin agbara ti 11.26 mW fun ipadanu agbara lapapọ ti 11.71 mW lẹhin fifi ilowosi ADC inu ọkọ.
Awọn data ti n ṣe atilẹyin awọn abajade iwadi yii wa lati ọdọ onkọwe oniwun, FM, lori ibeere ti o tọ.
Indiveri, G. & Sandamirskaya, Y. Pataki aaye ati akoko fun sisẹ ifihan agbara ni awọn aṣoju neuromorphic: Ipenija ti idagbasoke agbara-kekere, awọn aṣoju adase ti o nlo pẹlu ayika. Indiveri, G. & Sandamirskaya, Y. Pataki aaye ati akoko fun sisẹ ifihan agbara ni awọn aṣoju neuromorphic: Ipenija ti idagbasoke agbara-kekere, awọn aṣoju adase ti o nlo pẹlu ayika.Indiveri G. ati Sandamirskaya Y. Pataki ti aaye ati akoko fun sisẹ ifihan agbara ni awọn aṣoju neuromorphic: ipenija ti idagbasoke awọn aṣoju adase agbara-kekere ti o nlo pẹlu ayika. 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＀发与环境交互的低功耗、自主代理的挑战。 Indiveri, G. & Sandamirskaya, Y.Indiveri G. ati Sandamirskaya Y. Pataki ti aaye ati akoko fun sisẹ ifihan agbara ni awọn aṣoju neuromorphic: ipenija ti idagbasoke awọn aṣoju adase agbara-kekere ti o nlo pẹlu ayika.IEEE ifihan agbara Processing. Iwe akosile 36, 16-28 (2019).
Thorpe, Akoko Idede tente oke SJ: Ero Ifaminsi Nẹtiwọọki Nẹtiwọọki Imuṣiṣẹ. ninu Eckmiller, R., Hartmann, G. & Hauske, G. (eds). ninu Eckmiller, R., Hartmann, G. & Hauske, G. (eds).ni Eckmiller, R., Hartmann, G. ati Hauske, G. (eds.).Ninu Eckmiller, R., Hartmann, G., ati Hauske, G. (eds.). Iṣatunṣe ni afiwe ninu awọn eto iṣan ati awọn kọnputa 91–94 (North-Holland Elsevier, 1990).
Levy, WB & Calvert, Ibaraẹnisọrọ VG n gba awọn akoko 35 diẹ sii agbara ju iṣiro ninu kotesi eniyan, ṣugbọn awọn idiyele mejeeji nilo lati ṣe asọtẹlẹ nọmba synapse. Levy, WB & Calvert, Ibaraẹnisọrọ VG n gba awọn akoko 35 diẹ sii agbara ju iṣiro ninu kotesi eniyan, ṣugbọn awọn idiyele mejeeji nilo lati ṣe asọtẹlẹ nọmba synapse.Levy, WB ati Calvert, WG Ibaraẹnisọrọ n gba awọn akoko 35 diẹ sii agbara ju iṣiro ninu kotesi eniyan, ṣugbọn awọn idiyele mejeeji nilo lati ṣe asọtẹlẹ nọmba awọn synapses. Levy, WB & Calvert, VG Communication 消耗的能量是人类皮层计算的35 Levy, WB & Calvert, Ibaraẹnisọrọ VGLevy, WB ati Calvert, WG Ibaraẹnisọrọ n gba awọn akoko 35 diẹ sii agbara ju iṣiro ninu kotesi eniyan, ṣugbọn awọn idiyele mejeeji nilo asọtẹlẹ nọmba awọn synapses.ilana. National Academy of Science. ijinle sayensi. US 118, https://doi.org/10.1073/pnas.2008173118 (2021).
Dalgaty, T., Vianello, E., De Salvo, B. & Casas, J. Iširo neuromorphic ti o ni atilẹyin kokoro. Dalgaty, T., Vianello, E., De Salvo, B. & Casas, J. Iširo neuromorphic ti o ni atilẹyin kokoro.Dalgati, T., Vianello, E., DeSalvo, B. ati Casas, J. Iširo neuromorphic ti o ni atilẹyin kokoro.Dalgati T., Vianello E., DeSalvo B. ati Casas J. Iširo neuromorphic ti o ni atilẹyin kokoro. Lọwọlọwọ. Ero. Imọ kokoro. 30, 59-66 (2018).
Roy, K., Jaiswal, A. & Panda, P. Si ọna itetisi ẹrọ ti o da lori iwasoke pẹlu iširo neuromorphic. Roy, K., Jaiswal, A. & Panda, P. Si ọna itetisi ẹrọ ti o da lori iwasoke pẹlu iširo neuromorphic. Roy, K., Jaiswal, A. & Panda, P. Si ọna Spike-orisun ẹrọ oye pẹlu Neuromorphic Computing.Roy K, Jaiswal A, ati Panda P. Imọye atọwọda ti o da lori Pulse nipa lilo iṣiro neuromorphic. Iseda 575, 607-617 (2019).
Indiveri, G. & Liu, S.-C. Indiveri, G. & Liu, S.-C.Indiveri, G. ati Liu, S.-K. Indiveri, G. & Liu, S.-C. Indiveri, G. & Liu, S.-C.Indiveri, G. ati Liu, S.-K.Iranti ati ṣiṣe alaye ni awọn eto neuromorphic. ilana. IEEE 103, 1379-1397 (2015).
Akopyan F. et al. Truenorth: Apẹrẹ ati ohun elo irinṣẹ fun 65 mW 1 million neuron ti eto synapti ti eto. Awọn iṣowo IEEE. Kọmputa oniru ti ese Circuit awọn ọna šiše. Ọdun 34, 1537–1557 (2015).
Schemmel, J. et al. demo Live: ẹya ti iwọn si isalẹ ti BrainScaleS neuromorphic eto ni iwọn awo. 2012 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), (IEEE ed.) 702-702 (2012).
Moradi, S., Qiao, N., Stefanini, F. & Indiveri, G. Apẹrẹ multicore ti o ni iwọn pẹlu awọn ẹya iranti oniruuru fun awọn ilana imuṣiṣẹpọ asynchronous neuromorphic (DYNAPs). Moradi, S., Qiao, N., Stefanini, F. & Indiveri, G. Apẹrẹ multicore ti o ni iwọn pẹlu awọn ẹya iranti oniruuru fun awọn ilana imuṣiṣẹpọ asynchronous neuromorphic (DYNAPs).Moradi S., Qiao N., Stefanini F. ati Indiviri G. Apẹrẹ multicore ti o ni iwọn pẹlu awọn ẹya iranti oniruuru fun awọn ilana imuṣiṣẹpọ asynchronous neuromorphic (DYNAP). Moradi, S.、Qiao, N.、Stefanini, F. & Indiveri, G.的异构内存结构. Moradi, S., Qiao, N.,Stefanini, F. & Indiveri, G. Iru faaji olona-mojuto faaji, pẹlu eto iranti alailẹgbẹ fun sisẹ nkankikan (DYNAP).Moradi S., Qiao N., Stefanini F. ati Indiviri G. Apẹrẹ multicore ti o ni iwọn pẹlu awọn ẹya iranti oniruuru fun awọn ilana imuṣiṣẹpọ asynchronous neuromorphic (DYNAP).Awọn iṣowo IEEE lori imọ-jinlẹ Biomedical. itanna eto. 12, 106-122 (2018).
Davis, M. et al. Loihi: Ẹrọ ero-ọpọ-mojuto neuromorphic kan pẹlu ẹkọ ti a fi sinu. IEEE Micro 38, 82-99 (2018).
Furber, SB, Galluppi, F., Temple, S. & Plana, LA The SpinNaker ise agbese. Furber, SB, Galluppi, F., Temple, S. & Plana, LA The SpinNaker ise agbese.Ferber SB, Galluppi F., Temple S. ati Plana LA SpinNnaker ise agbese.Ferber SB, Galluppi F., Temple S. ati Plana LA SpinNnaker ise agbese. ilana. IEEE 102, 652-665 (2014).
Liu, S.-K. & Delbruck, T. Neuromorphic ifarako awọn ọna šiše. & Delbruck, T. Neuromorphic ifarako awọn ọna šiše.ati Delbrück T. Neuromorphic ifarako awọn ọna šiše. & Delbruck, T. 神经形态感觉系统。 & Delbruck, T.ati Delbrück T. Neuromorphic ifarako eto.Lọwọlọwọ. Ero. Neurobiology. Ọdun 20, 288-295 (2010).
Chope, T. et al. Iṣepọ ifarako Neuromorphic fun isọdi orisun orisun ohun ni idapo ati yago fun ikọlu. Ni ọdun 2019 ni Apejọ IEEE lori Awọn iyika Biomedical ati Awọn ọna ṣiṣe (BioCAS), (IEEE Ed.) 1–4 (2019).
Risi, N., Aimar, A., Donati, E., Solinas, S. & Indiveri, G. Itumọ neuromorphic ti o da lori iwasoke ti iran sitẹrio. Risi, N., Aimar, A., Donati, E., Solinas, S. & Indiveri, G. Itumọ neuromorphic ti o da lori iwasoke ti iran sitẹrio.Risi N, Aymar A, Donati E, Solinas S, ati Indiveri G. Itumọ sitẹriovision neuromorphic ti o da lori iwasoke. 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, ati Indiveri G. Itumọ neuromorphic ti o da lori Spike fun iran sitẹrio.iwaju. Awọn Neurobotics 14, 93 (2020).
Osswald, M., Ieng, S.-H., Benosman, R. & Indiveri, G. Awoṣe nẹtiwọọki nkankikan ti 3Dperception fun awọn eto iran sitẹrio neuromorphic ti o da lori iṣẹlẹ. Osswald, M., Ieng, S.-H., Benosman, R. & Indiveri, G. Awoṣe nẹtiwọọki nkankikan ti 3Dperception fun awọn eto iran sitẹrio neuromorphic ti o da lori iṣẹlẹ.Oswald, M., Ieng, S.-H., Benosman, R., ati Indiveri, G. A 3D Pulsed Neural Network Perception Awoṣe fun Iṣẹlẹ-Da Neuromorphic Stereo Vision Systems. 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3Dpeception 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., ati Indiveri, G. Spiked 3Dperception Neural Network Awoṣe fun ohun ti o da lori Neuromorphic Sitẹrio Vision System.ijinle sayensi. Iroyin 7, 1-11 (2017).
Dalgaty, T. et al. Ṣiṣawari iṣipopada ipilẹ ti kokoro ni atilẹyin pẹlu iranti atako ati awọn nẹtiwọọki nkankikan ti nwaye. Bionic biohybrid eto. 10928, 115-128 (2018).
D'Angelo, G. et al. Wiwa išipopada eccentric ti o da lori iṣẹlẹ nipa lilo ifaminsi iyatọ igba diẹ. iwaju. Ẹkọ-ara. Ọdun 14, 451 (2020).