2022 roadmap on neuromorphic computing and engineering

Modern computation based on von Neumann architecture is now a mature cutting-edge science. In the von Neumann architecture, processing and memory units are implemented as separate blocks interchanging data intensively and continuously. This data transfer is responsible for a large part of the power consumption. The next generation computer technology is expected to solve problems at the exascale with 10$^{18}$ calculations each second. Even though these future computers will be incredibly powerful, if they are based on von Neumann type architectures, they will consume between 20 and 30 megawatts of power and will not have intrinsic physically built-in capabilities to learn or deal with complex data as our brain does. These needs can be addressed by neuromorphic computing systems which are inspired by the biological concepts of the human brain. This new generation of computers has the potential to be used for the storage and processing of large amounts of digital information with much lower power consumption than conventional processors. Among their potential future applications, an important niche is moving the control from data centers to edge devices. The aim of this roadmap is to present a snapshot of the present state of neuromorphic technology and provide an opinion on the challenges and opportunities that the future holds in the major areas of neuromorphic technology, namely materials, devices, neuromorphic circuits, neuromorphic algorithms, applications, and ethics. The roadmap is a collection of perspectives where leading researchers in the neuromorphic community provide their own view about the current state and the future challenges for each research area. We hope that this roadmap will be a useful resource by providing a concise yet comprehensive introduction to readers outside this field, for those who are just entering the field, as well as providing future perspectives for those who are well established in the neuromorphic computing community

Learning to Dream, Dreaming to Learn

The importance of sleep for healthy brain function is widely acknowledged. However, it remains mysterious how the sleeping brain, disconnected from the outside world and plunged into the fantastic experiences of dreams, is actively learning. A main feature of dreams is the generation of new realistic sensory experiences in absence of external input, from the combination of diverse memory elements. How do cortical networks host the generation of these sensory experiences during sleep? What function could these generated experiences serve? In this thesis, we attempt to answer these questions using an original, computational approach inspired by modern artificial intelligence. In light of existing cognitive theories and experimental data, we suggest that cortical networks implement a generative model of the sensorium that is systematically optimized during wakefulness and sleep states. By performing network simulations on datasets of natural images, our results not only propose potential mechanisms for dream generation during sleep states, but suggest that dreaming is an essential feature for learning semantic representations throughout mammalian development

Apprentissage automatique pour le codage cognitif de la parole

Depuis les années 80, les codecs vocaux reposent sur des stratégies de codage à court terme qui fonctionnent au niveau de la sous-trame ou de la trame (généralement 5 à 20 ms). Les chercheurs ont essentiellement ajusté et combiné un nombre limité de technologies disponibles (transformation, prédiction linéaire, quantification) et de stratégies (suivi de forme d'onde, mise en forme du bruit) pour construire des architectures de codage de plus en plus complexes. Dans cette thèse, plutôt que de s'appuyer sur des stratégies de codage à court terme, nous développons un cadre alternatif pour la compression de la parole en codant les attributs de la parole qui sont des caractéristiques perceptuellement importantes des signaux vocaux. Afin d'atteindre cet objectif, nous résolvons trois problèmes de complexité croissante, à savoir la classification, la prédiction et l'apprentissage des représentations. La classification est un élément courant dans les conceptions de codecs modernes. Dans un premier temps, nous concevons un classifieur pour identifier les émotions, qui sont parmi les attributs à long terme les plus complexes de la parole. Dans une deuxième étape, nous concevons un prédicteur d'échantillon de parole, qui est un autre élément commun dans les conceptions de codecs modernes, pour mettre en évidence les avantages du traitement du signal de parole à long terme et non linéaire. Ensuite, nous explorons les variables latentes, un espace de représentations de la parole, pour coder les attributs de la parole à court et à long terme. Enfin, nous proposons un réseau décodeur pour synthétiser les signaux de parole à partir de ces représentations, ce qui constitue notre dernière étape vers la construction d'une méthode complète de compression de la parole basée sur l'apprentissage automatique de bout en bout. Bien que chaque étape de développement proposée dans cette thèse puisse faire partie d'un codec à elle seule, chaque étape fournit également des informations et une base pour la prochaine étape de développement jusqu'à ce qu'un codec entièrement basé sur l'apprentissage automatique soit atteint. Les deux premières étapes, la classification et la prédiction, fournissent de nouveaux outils qui pourraient remplacer et améliorer des éléments des codecs existants. Dans la première étape, nous utilisons une combinaison de modèle source-filtre et de machine à état liquide (LSM), pour démontrer que les caractéristiques liées aux émotions peuvent être facilement extraites et classées à l'aide d'un simple classificateur. Dans la deuxième étape, un seul réseau de bout en bout utilisant une longue mémoire à court terme (LSTM) est utilisé pour produire des trames vocales avec une qualité subjective élevée pour les applications de masquage de perte de paquets (PLC). Dans les dernières étapes, nous nous appuyons sur les résultats des étapes précédentes pour concevoir un codec entièrement basé sur l'apprentissage automatique. un réseau d'encodage, formulé à l'aide d'un réseau neuronal profond (DNN) et entraîné sur plusieurs bases de données publiques, extrait et encode les représentations de la parole en utilisant la prédiction dans un espace latent. Une approche d'apprentissage non supervisé basée sur plusieurs principes de cognition est proposée pour extraire des représentations à partir de trames de parole courtes et longues en utilisant l'information mutuelle et la perte contrastive. La capacité de ces représentations apprises à capturer divers attributs de la parole à court et à long terme est démontrée. Enfin, une structure de décodage est proposée pour synthétiser des signaux de parole à partir de ces représentations. L'entraînement contradictoire est utilisé comme une approximation des mesures subjectives de la qualité de la parole afin de synthétiser des échantillons de parole à consonance naturelle. La haute qualité perceptuelle de la parole synthétisée ainsi obtenue prouve que les représentations extraites sont efficaces pour préserver toutes sortes d'attributs de la parole et donc qu'une méthode de compression complète est démontrée avec l'approche proposée.Abstract: Since the 80s, speech codecs have relied on short-term coding strategies that operate at the subframe or frame level (typically 5 to 20ms). Researchers essentially adjusted and combined a limited number of available technologies (transform, linear prediction, quantization) and strategies (waveform matching, noise shaping) to build increasingly complex coding architectures. In this thesis, rather than relying on short-term coding strategies, we develop an alternative framework for speech compression by encoding speech attributes that are perceptually important characteristics of speech signals. In order to achieve this objective, we solve three problems of increasing complexity, namely classification, prediction and representation learning. Classification is a common element in modern codec designs. In a first step, we design a classifier to identify emotions, which are among the most complex long-term speech attributes. In a second step, we design a speech sample predictor, which is another common element in modern codec designs, to highlight the benefits of long-term and non-linear speech signal processing. Then, we explore latent variables, a space of speech representations, to encode both short-term and long-term speech attributes. Lastly, we propose a decoder network to synthesize speech signals from these representations, which constitutes our final step towards building a complete, end-to-end machine-learning based speech compression method. The first two steps, classification and prediction, provide new tools that could replace and improve elements of existing codecs. In the first step, we use a combination of source-filter model and liquid state machine (LSM), to demonstrate that features related to emotions can be easily extracted and classified using a simple classifier. In the second step, a single end-to-end network using long short-term memory (LSTM) is shown to produce speech frames with high subjective quality for packet loss concealment (PLC) applications. In the last steps, we build upon the results of previous steps to design a fully machine learning-based codec. An encoder network, formulated using a deep neural network (DNN) and trained on multiple public databases, extracts and encodes speech representations using prediction in a latent space. An unsupervised learning approach based on several principles of cognition is proposed to extract representations from both short and long frames of data using mutual information and contrastive loss. The ability of these learned representations to capture various short- and long-term speech attributes is demonstrated. Finally, a decoder structure is proposed to synthesize speech signals from these representations. Adversarial training is used as an approximation to subjective speech quality measures in order to synthesize natural-sounding speech samples. The high perceptual quality of synthesized speech thus achieved proves that the extracted representations are efficient at preserving all sorts of speech attributes and therefore that a complete compression method is demonstrated with the proposed approach