KIP publications

 
year 2017
author(s) Laura Kriener
title Characterization of Single-Neuron Dynamics in the Development of Neuromorphic Hardware
KIP-Nummer HD-KIP 17-29
KIP-Gruppe(n) F9
document type Masterarbeit
Abstract (de)

Während der Entwicklung von beschleunigten analogen Neuronschaltungen erfolgt eine Gratwanderung zwischen Energieeffizienz und Flächenverbrauch einerseits und Präzision und Konfigurierbarkeit des Neurons andererseits. Daher ist es unumgänglich sicherzustellen, dass die entwickelten Schaltungen die wichtigsten Charakteristika ihres mathematischen Modells abbilden. Zu diesem Zweck präsentieren wir eine simulations-basierte, anwendungsorientierte Methodik um analoge Neuronschaltungen zu charakterisieren, die während der Entwicklungsphase des HICANN DLS 3 Prototyp Chips angewandt wurde. Als umfassende Tests für die Neuronschaltung verwenden wir drei biologisch inspirierte Einzelneuron-Experimente. Jedes testet dabei einen anderen Aspekt der Neuronfunktionalität. Ein detaillierter, auf praktische Anwendbarkeit fokussierter Verifikations- und Charakterisierungsprozess geht der Anwendung dieser Experimente in Schaltungssimulationen voraus. Die Kombination aus umfassenden und spezialisierten Untersuchungen des gesamten Neuronschaltkreises lieferte wertvolle Informationen, welche sowohl die korrekte Implementation des Neurons in der Designphase ermöglichten als auch zu Verbesserungsvorschlägen für zukünftige Chipgenerationen führten.

Abstract (en)

In the development of accelerated analog neuron circuits, a trade-off between energy efficiency and area consumption on the one hand and precision and configurability of the emulated neuron model on the other hand has to be made. It is therefore essential to verify that the designed circuits capture the most relevant characteristics of their ideal mathematical description. To this end, we present a simulation-based, application-oriented characterization methodology for analog neuron circuit dynamics which was applied during the design phase of the HICANN DLS 3 prototype chip. As high-level test cases for the neuron circuits we choose three different biologically inspired single-neuron experiments, each focused on a different aspect of neuron functionality. The application of these test cases in transistor-level simulations of the neuron circuits is preceded by a detailed verification and characterization which is focused on the practical applicability and usability of the neuron circuits. The combination of high- and low-level investigations of the full neuron circuit yielded valuable information ensuring the correct implementation during the development as well as a set of improvements guiding the design of future circuit generations.

bibtex
@mastersthesis{kriener2017masterthesis,
  author   = {Laura Kriener},
  title    = {Characterization of Single-Neuron Dynamics in the Development of Neuromorphic Hardware},
  school   = {Heidelberg University},
  year     = {2017},
  month    = {March}
}
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