KIP publications

 
year 2017
author(s) Paul Müller
title Modeling and Verification for a Scalable Neuromorphic Substrate
KIP-Nummer HD-KIP 17-119
KIP-Gruppe(n) F9
document type Dissertation
doi 10.11588/heidok.00023716
Abstract (de)

Beschleunigte, digital-analoge neuromorphe Hardware ist eine Klasse von Systemen, welche physikalische Modelle neuronaler Netzwerke in dedizierten, analogen und digitalen Schaltungen implementiert. Diese Systeme bieten die Vorteile von Energieeffizienz und hoher Beschleunigung bei der Emulation von aktionspotenzial-basierten neuronalen Netzen, aber besitzen Einschränkungen bezüglich Konnektivität, Bandbreite und der Variation einzelner Komponenten. Der Einfluss dieser Einschränkungen wird in zwei komplementären Ansätzen behandelt: Auf der Netzwerkebene wird der Einfluss mehrerer Störmechanismen auf zwei Benchmarkmodelle analysiert und durch modellspezifische Kompensationsmethoden minimiert. Diese Methoden werden auf einem Simulationsmodell des neuromorphen BrainScaleS-Systems validiert. Auf der Neuronebene werden Verfahren zur Kalibration entwickelt, die der Komponentenvariation in einer Neuentwicklung eines analogen AdEx-Neuronmodells in einem 65 nm-Prozess entgegenwirken. Die Funktionalität der Neuronschaltung und der Kalibration wird in detaillierten Simulationen auf Transistorebene vor der Produktion verifiziert. Die Vielseitigkeit der Schaltung wird in Anwendungfällen demonstriert, welche von biologischen und abstrakten Modellen inspiriert sind.

Abstract (en)

Mixed-signal accelerated neuromorphic hardware is a class of devices that implements physical models of neural networks in dedicated analog and digital circuits. These devices offer the advantages of high acceleration and energy efficiency for the emulation of spiking neural networks but pose constraints in form of device variability and of limited connectivity and bandwidth. We address these constraints using two complementary approaches: At the network level, the influence of multiple distortion mechanisms on two benchmark models is analyzed and compensation methods are developed that counteract the resulting effects. The compensation methods are validated using a simulation of the BrainScaleS neuromorphic hardware system. At the single neuron level, calibration procedures are presented that counteract device variability for a new analog implementation of an adaptive exponential integrate-and-fire neuron model in a 65 nm process. The functionality of the neuron circuit together with these calibration methods is verified in detailed transistor-level simulations before production. The versatility of the circuit design that includes novel multi-compartment and plateau-potential features is demonstrated in use cases inspired by biology and machine learning.

URL
URL http://www.ub.uni-heidelberg.de/archiv/23716
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