Scalable Digital Architecture of a Liquid State Machine

Liquid State Machine (LSM) is an adaptive neural computational model with rich dynamics to process spatio-temporal inputs. These machines are extremely fast in learning because the goal-oriented training is moved to the output layer, unlike conventional recurrent neural networks. The capability to multiplex at the output layer for multiple tasks makes LSM a powerful intelligent engine. These properties are desirable in several machine learning applications such as speech recognition, anomaly detection, user identification etc. Scalable hardware architectures for spatio-temporal signal processing algorithms like LSMs are energy efficient compared to the software implementations. These designs can also naturally adapt to dierent temporal streams of inputs. Early literature shows few behavioral models of LSM. However, they cannot process real time data either due to their hardware complexity or xed design approach. In this thesis, a scalable digital architecture of an LSM is proposed. A key feature of the architecture is a digital liquid that exploits spatial locality and is capable of processing real time data. The quality of the proposed LSM is analyzed using kernel quality, separation property of the liquid and Lyapunov exponent. When realized using TSMC 65nm technology node, the total power dissipation of the liquid layer, with 60 neurons, is 55.7 mW with an area requirement of 2 mm^2. The proposed model is validated for two benchmark. In the case of an epileptic seizure detection an average accuracy of 84% is observed. For user identification/authentication using gait an average accuracy of 98.65% is achieved

Synaptic Learning for Neuromorphic Vision - Processing Address Events with Spiking Neural Networks

Das Gehirn übertrifft herkömmliche Computerarchitekturen in Bezug auf Energieeffizienz, Robustheit und Anpassungsfähigkeit. Diese Aspekte sind auch für neue Technologien wichtig. Es lohnt sich daher, zu untersuchen, welche biologischen Prozesse das Gehirn zu Berechnungen befähigen und wie sie in Silizium umgesetzt werden können. Um sich davon inspirieren zu lassen, wie das Gehirn Berechnungen durchführt, ist ein Paradigmenwechsel im Vergleich zu herkömmlichen Computerarchitekturen erforderlich. Tatsächlich besteht das Gehirn aus Nervenzellen, Neuronen genannt, die über Synapsen miteinander verbunden sind und selbstorganisierte Netzwerke bilden. Neuronen und Synapsen sind komplexe dynamische Systeme, die durch biochemische und elektrische Reaktionen gesteuert werden. Infolgedessen können sie ihre Berechnungen nur auf lokale Informationen stützen. Zusätzlich kommunizieren Neuronen untereinander mit kurzen elektrischen Impulsen, den so genannten Spikes, die sich über Synapsen bewegen. Computational Neuroscientists versuchen, diese Berechnungen mit spikenden neuronalen Netzen zu modellieren. Wenn sie auf dedizierter neuromorpher Hardware implementiert werden, können spikende neuronale Netze wie das Gehirn schnelle, energieeffiziente Berechnungen durchführen. Bis vor kurzem waren die Vorteile dieser Technologie aufgrund des Mangels an funktionellen Methoden zur Programmierung von spikenden neuronalen Netzen begrenzt. Lernen ist ein Paradigma für die Programmierung von spikenden neuronalen Netzen, bei dem sich Neuronen selbst zu funktionalen Netzen organisieren. Wie im Gehirn basiert das Lernen in neuromorpher Hardware auf synaptischer Plastizität. Synaptische Plastizitätsregeln charakterisieren Gewichtsaktualisierungen im Hinblick auf Informationen, die lokal an der Synapse anliegen. Das Lernen geschieht also kontinuierlich und online, während sensorischer Input in das Netzwerk gestreamt wird. Herkömmliche tiefe neuronale Netze werden üblicherweise durch Gradientenabstieg trainiert. Die durch die biologische Lerndynamik auferlegten Einschränkungen verhindern jedoch die Verwendung der konventionellen Backpropagation zur Berechnung der Gradienten. Beispielsweise behindern kontinuierliche Aktualisierungen den synchronen Wechsel zwischen Vorwärts- und Rückwärtsphasen. Darüber hinaus verhindern Gedächtnisbeschränkungen, dass die Geschichte der neuronalen Aktivität im Neuron gespeichert wird, so dass Verfahren wie Backpropagation-Through-Time nicht möglich sind. Neuartige Lösungen für diese Probleme wurden von Computational Neuroscientists innerhalb des Zeitrahmens dieser Arbeit vorgeschlagen. In dieser Arbeit werden spikende neuronaler Netzwerke entwickelt, um Aufgaben der visuomotorischen Neurorobotik zu lösen. In der Tat entwickelten sich biologische neuronale Netze ursprünglich zur Steuerung des Körpers. Die Robotik stellt also den künstlichen Körper für das künstliche Gehirn zur Verfügung. Auf der einen Seite trägt diese Arbeit zu den gegenwärtigen Bemühungen um das Verständnis des Gehirns bei, indem sie schwierige Closed-Loop-Benchmarks liefert, ähnlich dem, was dem biologischen Gehirn widerfährt. Auf der anderen Seite werden neue Wege zur Lösung traditioneller Robotik Probleme vorgestellt, die auf vom Gehirn inspirierten Paradigmen basieren. Die Forschung wird in zwei Schritten durchgeführt. Zunächst werden vielversprechende synaptische Plastizitätsregeln identifiziert und mit ereignisbasierten Vision-Benchmarks aus der realen Welt verglichen. Zweitens werden neuartige Methoden zur Abbildung visueller Repräsentationen auf motorische Befehle vorgestellt. Neuromorphe visuelle Sensoren stellen einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu hirninspirierten Paradigmen dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kameras senden diese Sensoren Adressereignisse aus, die lokalen Änderungen der Lichtintensität entsprechen. Das ereignisbasierte Paradigma ermöglicht eine energieeffiziente und schnelle Bildverarbeitung, erfordert aber die Ableitung neuer asynchroner Algorithmen. Spikende neuronale Netze stellen eine Untergruppe von asynchronen Algorithmen dar, die vom Gehirn inspiriert und für neuromorphe Hardwaretechnologie geeignet sind. In enger Zusammenarbeit mit Computational Neuroscientists werden erfolgreiche Methoden zum Erlernen räumlich-zeitlicher Abstraktionen aus der Adressereignisdarstellung berichtet. Es wird gezeigt, dass Top-Down-Regeln der synaptischen Plastizität, die zur Optimierung einer objektiven Funktion abgeleitet wurden, die Bottom-Up-Regeln übertreffen, die allein auf Beobachtungen im Gehirn basieren. Mit dieser Einsicht wird eine neue synaptische Plastizitätsregel namens "Deep Continuous Local Learning" eingeführt, die derzeit den neuesten Stand der Technik bei ereignisbasierten Vision-Benchmarks erreicht. Diese Regel wurde während eines Aufenthalts an der Universität von Kalifornien, Irvine, gemeinsam abgeleitet, implementiert und evaluiert. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird der visuomotorische Kreis geschlossen, indem die gelernten visuellen Repräsentationen auf motorische Befehle abgebildet werden. Drei Ansätze werden diskutiert, um ein visuomotorisches Mapping zu erhalten: manuelle Kopplung, Belohnungs-Kopplung und Minimierung des Vorhersagefehlers. Es wird gezeigt, wie diese Ansätze, welche als synaptische Plastizitätsregeln implementiert sind, verwendet werden können, um einfache Strategien und Bewegungen zu lernen. Diese Arbeit ebnet den Weg zur Integration von hirninspirierten Berechnungsparadigmen in das Gebiet der Robotik. Es wird sogar prognostiziert, dass Fortschritte in den neuromorphen Technologien und bei den Plastizitätsregeln die Entwicklung von Hochleistungs-Lernrobotern mit geringem Energieverbrauch ermöglicht

Review: Artificial Intelligence for Liquid-Vapor Phase-Change Heat Transfer

Artificial intelligence (AI) is shifting the paradigm of two-phase heat transfer research. Recent innovations in AI and machine learning uniquely offer the potential for collecting new types of physically meaningful features that have not been addressed in the past, for making their insights available to other domains, and for solving for physical quantities based on first principles for phase-change thermofluidic systems. This review outlines core ideas of current AI technologies connected to thermal energy science to illustrate how they can be used to push the limit of our knowledge boundaries about boiling and condensation phenomena. AI technologies for meta-analysis, data extraction, and data stream analysis are described with their potential challenges, opportunities, and alternative approaches. Finally, we offer outlooks and perspectives regarding physics-centered machine learning, sustainable cyberinfrastructures, and multidisciplinary efforts that will help foster the growing trend of AI for phase-change heat and mass transfer

Liquid State Machine with Dendritically Enhanced Readout for Low-power, Neuromorphic VLSI Implementations

In this paper, we describe a new neuro-inspired, hardware-friendly readout stage for the liquid state machine (LSM), a popular model for reservoir computing. Compared to the parallel perceptron architecture trained by the p-delta algorithm, which is the state of the art in terms of performance of readout stages, our readout architecture and learning algorithm can attain better performance with significantly less synaptic resources making it attractive for VLSI implementation. Inspired by the nonlinear properties of dendrites in biological neurons, our readout stage incorporates neurons having multiple dendrites with a lumped nonlinearity. The number of synaptic connections on each branch is significantly lower than the total number of connections from the liquid neurons and the learning algorithm tries to find the best 'combination' of input connections on each branch to reduce the error. Hence, the learning involves network rewiring (NRW) of the readout network similar to structural plasticity observed in its biological counterparts. We show that compared to a single perceptron using analog weights, this architecture for the readout can attain, even by using the same number of binary valued synapses, up to 3.3 times less error for a two-class spike train classification problem and 2.4 times less error for an input rate approximation task. Even with 60 times larger synapses, a group of 60 parallel perceptrons cannot attain the performance of the proposed dendritically enhanced readout. An additional advantage of this method for hardware implementations is that the 'choice' of connectivity can be easily implemented exploiting address event representation (AER) protocols commonly used in current neuromorphic systems where the connection matrix is stored in memory. Also, due to the use of binary synapses, our proposed method is more robust against statistical variations.Comment: 14 pages, 19 figures, Journa

A Physics-Informed, Deep Double Reservoir Network for Forecasting Boundary Layer Velocity

When a fluid flows over a solid surface, it creates a thin boundary layer where the flow velocity is influenced by the surface through viscosity, and can transition from laminar to turbulent at sufficiently high speeds. Understanding and forecasting the wind dynamics under these conditions is one of the most challenging scientific problems in fluid dynamics. It is therefore of high interest to formulate models able to capture the nonlinear spatio-temporal velocity structure as well as produce forecasts in a computationally efficient manner. Traditional statistical approaches are limited in their ability to produce timely forecasts of complex, nonlinear spatio-temporal structures which are at the same time able to incorporate the underlying flow physics. In this work, we propose a model to accurately forecast boundary layer velocities with a deep double reservoir computing network which is capable of capturing the complex, nonlinear dynamics of the boundary layer while at the same time incorporating physical constraints via a penalty obtained by a Partial Differential Equation (PDE). Simulation studies on a one-dimensional viscous fluid demonstrate how the proposed model is able to produce accurate forecasts while simultaneously accounting for energy loss. The application focuses on boundary layer data on a wind tunnel with a PDE penalty derived from an appropriate simplification of the Navier-Stokes equations, showing forecasts more compliant with mass conservation

Improved Spike-Timed Mappings using a Tri-Phasic Spike Timing-Dependent Plasticity Rule

Reservoir computing and the liquid state machine models have received much attention in the literature in recent years. In this paper we investigate using a reservoir composed of a network of spiking neurons, with synaptic delays, whose synapses are allowed to evolve using a tri-phasic spike timing- dependent plasticity (STDP) rule. The networks are trained to produce specific spike trains in response to spatio-temporal input patterns. The results of using a tri-phasic STDP rule on the network properties are compared to those found using the more common exponential form of the rule. It is found that each rule causes the synaptic weights to evolve in significantly different fashions giving rise to different network dynamics. It is also found that the networks evolved with the tri-phasic rule are more capable of mapping input spatio-temporal patterns to the output spike trains