Performance evaluation and implementations of MFCC, SVM and MLP algorithms in the FPGA board

One of the most difficult speech recognition tasks is accurate recognition of human-to-human communication. Advances in deep learning over the last few years have produced major speech improvements in recognition on the representative Switch-board conversational corpus. Word error rates that just a few years ago were 14% have dropped to 8.0%, then 6.6% and most recently 5.8%, and are now believed to be within striking range of human performance. This raises two issues - what is human performance, and how far down can we still drive speech recognition error rates? The main objective of this article is the development of a comparative study of the performance of Automatic Speech Recognition (ASR) algorithms using a database made up of a set of signals created by female and male speakers of different ages. We will also develop techniques for the Software and Hardware implementation of these algorithms and test them in an embedded electronic card based on a reconfigurable circuit (Field Programmable Gate Array FPGA). We will present an analysis of the results of classifications for the best Support Vector Machine architectures (SVM) and Artificial Neural Networks of Multi-Layer Perceptron (MLP). Following our analysis, we created NIOSII processors and we tested their operations as well as their characteristics. The characteristics of each processor are specified in this article (cost, size, speed, power consumption and complexity). At the end of this work, we physically implemented the architecture of the Mel Frequency Cepstral Coefficients (MFCC) extraction algorithm as well as the classification algorithm that provided the best results

A Memory-Centric Customizable Domain-Specific FPGA Overlay for Accelerating Machine Learning Applications

Low latency inferencing is of paramount importance to a wide range of real time and userfacing Machine Learning (ML) applications. Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) offer unique advantages in delivering low latency as well as energy efficient accelertors for low latency inferencing. Unfortunately, creating machine learning accelerators in FPGAs is not easy, requiring the use of vendor specific CAD tools and low level digital and hardware microarchitecture design knowledge that the majority of ML researchers do not possess. The continued refinement of High Level Synthesis (HLS) tools can reduce but not eliminate the need for hardware-specific design knowledge. The designs by these tools can also produce inefficient use of FPGA resources that ultimately limit the performance of the neural network. This research investigated a new FPGA-based software-hardware codesigned overlay architecture that opens the advantages of FPGAs to the broader ML user community. As an overlay, the proposed design allows rapid coding and deployment of different ML network configurations and different data-widths, eliminating the prior barrier of needing to resynthesize each design. This brings important attributes of code portability over different FPGA families. The proposed overlay design is a Single-Instruction-Multiple-Data (SIMD) Processor-In-Memory (PIM) architecture developed as a programmable overlay for FPGAs. In contrast to point designs, it can be programmed to implement different types of machine learning algorithms. The overlay architecture integrates bit-serial Arithmetic Logic Units (ALUs) with distributed Block RAMs (BRAMs). The PIM design increases the size of arithmetic operations and on-chip storage capacity. User-visible inference latencies are reduced by exploiting concurrent accesses to network parameters (weights and biases) and partial results stored throughout the distributed BRAMs. Run-time performance comparisons show that the proposed design achieves a speedup compared to HLS-based or custom-tuned equivalent designs. Notably, the proposed design is programmable, allowing rapid design space exploration without the need to resynthesize when changing ML algorithms on the FPGA

Simulation and implementation of novel deep learning hardware architectures for resource constrained devices

Corey Lammie designed mixed signal memristive-complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) and field programmable gate arrays (FPGA) hardware architectures, which were used to reduce the power and resource requirements of Deep Learning (DL) systems; both during inference and training. Disruptive design methodologies, such as those explored in this thesis, can be used to facilitate the design of next-generation DL systems

Closed-loop approaches for innovative neuroprostheses

The goal of this thesis is to study new ways to interact with the nervous system in case of damage or pathology. In particular, I focused my effort towards the development of innovative, closed-loop stimulation protocols in various scenarios: in vitro, ex vivo, in vivo

Design and Evaluation of a Hardware System for Online Signal Processing within Mobile Brain-Computer Interfaces

Brain-Computer Interfaces (BCIs) sind innovative Systeme, die eine direkte Kommunikation zwischen dem Gehirn und externen Geräten ermöglichen. Diese Schnittstellen haben sich zu einer transformativen Lösung nicht nur für Menschen mit neurologischen Verletzungen entwickelt, sondern auch für ein breiteres Spektrum von Menschen, das sowohl medizinische als auch nicht-medizinische Anwendungen umfasst. In der Vergangenheit hat die Herausforderung, dass neurologische Verletzungen nach einer anfänglichen Erholungsphase statisch bleiben, die Forscher dazu veranlasst, innovative Wege zu beschreiten. Seit den 1970er Jahren stehen BCIs an vorderster Front dieser Bemühungen. Mit den Fortschritten in der Forschung haben sich die BCI-Anwendungen erweitert und zeigen ein großes Potenzial für eine Vielzahl von Anwendungen, auch für weniger stark eingeschränkte (zum Beispiel im Kontext von Hörelektronik) sowie völlig gesunde Menschen (zum Beispiel in der Unterhaltungsindustrie). Die Zukunft der BCI-Forschung hängt jedoch auch von der Verfügbarkeit zuverlässiger BCI-Hardware ab, die den Einsatz in der realen Welt gewährleistet. Das im Rahmen dieser Arbeit konzipierte und implementierte CereBridge-System stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Brain-Computer-Interface-Technologie dar, da es die gesamte Hardware zur Erfassung und Verarbeitung von EEG-Signalen in ein mobiles System integriert. Die Architektur der Verarbeitungshardware basiert auf einem FPGA mit einem ARM Cortex-M3 innerhalb eines heterogenen ICs, was Flexibilität und Effizienz bei der EEG-Signalverarbeitung gewährleistet. Der modulare Aufbau des Systems, bestehend aus drei einzelnen Boards, gewährleistet die Anpassbarkeit an unterschiedliche Anforderungen. Das komplette System wird an der Kopfhaut befestigt, kann autonom arbeiten, benötigt keine externe Interaktion und wiegt einschließlich der 16-Kanal-EEG-Sensoren nur ca. 56 g. Der Fokus liegt auf voller Mobilität. Das vorgeschlagene anpassbare Datenflusskonzept erleichtert die Untersuchung und nahtlose Integration von Algorithmen und erhöht die Flexibilität des Systems. Dies wird auch durch die Möglichkeit unterstrichen, verschiedene Algorithmen auf EEG-Daten anzuwenden, um unterschiedliche Anwendungsziele zu erreichen. High-Level Synthesis (HLS) wurde verwendet, um die Algorithmen auf das FPGA zu portieren, was den Algorithmenentwicklungsprozess beschleunigt und eine schnelle Implementierung von Algorithmusvarianten ermöglicht. Evaluierungen haben gezeigt, dass das CereBridge-System in der Lage ist, die gesamte Signalverarbeitungskette zu integrieren, die für verschiedene BCI-Anwendungen erforderlich ist. Darüber hinaus kann es mit einer Batterie von mehr als 31 Stunden Dauerbetrieb betrieben werden, was es zu einer praktikablen Lösung für mobile Langzeit-EEG-Aufzeichnungen und reale BCI-Studien macht. Im Vergleich zu bestehenden Forschungsplattformen bietet das CereBridge-System eine bisher unerreichte Leistungsfähigkeit und Ausstattung für ein mobiles BCI. Es erfüllt nicht nur die relevanten Anforderungen an ein mobiles BCI-System, sondern ebnet auch den Weg für eine schnelle Übertragung von Algorithmen aus dem Labor in reale Anwendungen. Im Wesentlichen liefert diese Arbeit einen umfassenden Entwurf für die Entwicklung und Implementierung eines hochmodernen mobilen EEG-basierten BCI-Systems und setzt damit einen neuen Standard für BCI-Hardware, die in der Praxis eingesetzt werden kann.Brain-Computer Interfaces (BCIs) are innovative systems that enable direct communication between the brain and external devices. These interfaces have emerged as a transformative solution not only for individuals with neurological injuries, but also for a broader range of individuals, encompassing both medical and non-medical applications. Historically, the challenge of neurological injury being static after an initial recovery phase has driven researchers to explore innovative avenues. Since the 1970s, BCIs have been at one forefront of these efforts. As research has progressed, BCI applications have expanded, showing potential in a wide range of applications, including those for less severely disabled (e.g. in the context of hearing aids) and completely healthy individuals (e.g. entertainment industry). However, the future of BCI research also depends on the availability of reliable BCI hardware to ensure real-world application. The CereBridge system designed and implemented in this work represents a significant leap forward in brain-computer interface technology by integrating all EEG signal acquisition and processing hardware into a mobile system. The processing hardware architecture is centered around an FPGA with an ARM Cortex-M3 within a heterogeneous IC, ensuring flexibility and efficiency in EEG signal processing. The modular design of the system, consisting of three individual boards, ensures adaptability to different requirements. With a focus on full mobility, the complete system is mounted on the scalp, can operate autonomously, requires no external interaction, and weighs approximately 56g, including 16 channel EEG sensors. The proposed customizable dataflow concept facilitates the exploration and seamless integration of algorithms, increasing the flexibility of the system. This is further underscored by the ability to apply different algorithms to recorded EEG data to meet different application goals. High-Level Synthesis (HLS) was used to port algorithms to the FPGA, accelerating the algorithm development process and facilitating rapid implementation of algorithm variants. Evaluations have shown that the CereBridge system is capable of integrating the complete signal processing chain required for various BCI applications. Furthermore, it can operate continuously for more than 31 hours with a 1800mAh battery, making it a viable solution for long-term mobile EEG recording and real-world BCI studies. Compared to existing research platforms, the CereBridge system offers unprecedented performance and features for a mobile BCI. It not only meets the relevant requirements for a mobile BCI system, but also paves the way for the rapid transition of algorithms from the laboratory to real-world applications. In essence, this work provides a comprehensive blueprint for the development and implementation of a state-of-the-art mobile EEG-based BCI system, setting a new benchmark in BCI hardware for real-world applicability

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

A Practical Investigation into Achieving Bio-Plausibility in Evo-Devo Neural Microcircuits Feasible in an FPGA

Many researchers has conjectured, argued, or in some cases demonstrated, that bio-plausibility can bring about emergent properties such as adaptability, scalability, fault-tolerance, self-repair, reliability, and autonomy to bio-inspired intelligent systems. Evolutionary-developmental (evo-devo) spiking neural networks are a very bio-plausible mixture of such bio-inspired intelligent systems that have been proposed and studied by a few researchers. However, the general trend is that the complexity and thus the computational cost grow with the bio-plausibility of the system. FPGAs (Field- Programmable Gate Arrays) have been used and proved to be one of the flexible and cost efficient hardware platforms for research' and development of such evo-devo systems. However, mapping a bio-plausible evo-devo spiking neural network to an FPGA is a daunting task full of different constraints and trade-offs that makes it, if not infeasible, very challenging. This thesis explores the challenges, trade-offs, constraints, practical issues, and some possible approaches in achieving bio-plausibility in creating evolutionary developmental spiking neural microcircuits in an FPGA through a practical investigation along with a series of case studies. In this study, the system performance, cost, reliability, scalability, availability, and design and testing time and complexity are defined as measures for feasibility of a system and structural accuracy and consistency with the current knowledge in biology as measures for bio-plausibility. Investigation of the challenges starts with the hardware platform selection and then neuron, cortex, and evo-devo models and integration of these models into a whole bio-inspired intelligent system are examined one by one. For further practical investigation, a new PLAQIF Digital Neuron model, a novel Cortex model, and a new multicellular LGRN evo-devo model are designed, implemented and tested as case studies. Results and their implications for the researchers, designers of such systems, and FPGA manufacturers are discussed and concluded in form of general trends, trade-offs, suggestions, and recommendations

Signal Processing Using Non-invasive Physiological Sensors

Non-invasive biomedical sensors for monitoring physiological parameters from the human body for potential future therapies and healthcare solutions. Today, a critical factor in providing a cost-effective healthcare system is improving patients' quality of life and mobility, which can be achieved by developing non-invasive sensor systems, which can then be deployed in point of care, used at home or integrated into wearable devices for long-term data collection. Another factor that plays an integral part in a cost-effective healthcare system is the signal processing of the data recorded with non-invasive biomedical sensors. In this book, we aimed to attract researchers who are interested in the application of signal processing methods to different biomedical signals, such as an electroencephalogram (EEG), electromyogram (EMG), functional near-infrared spectroscopy (fNIRS), electrocardiogram (ECG), galvanic skin response, pulse oximetry, photoplethysmogram (PPG), etc. We encouraged new signal processing methods or the use of existing signal processing methods for its novel application in physiological signals to help healthcare providers make better decisions

Motion representation with spiking neural networks for grasping and manipulation

Die Natur bedient sich Millionen von Jahren der Evolution, um adaptive physikalische Systeme mit effizienten Steuerungsstrategien zu erzeugen. Im Gegensatz zur konventionellen Robotik plant der Mensch nicht einfach eine Bewegung und führt sie aus, sondern es gibt eine Kombination aus mehreren Regelkreisen, die zusammenarbeiten, um den Arm zu bewegen und ein Objekt mit der Hand zu greifen. Mit der Forschung an humanoiden und biologisch inspirierten Robotern werden komplexe kinematische Strukturen und komplizierte Aktor- und Sensorsysteme entwickelt. Diese Systeme sind schwierig zu steuern und zu programmieren, und die klassischen Methoden der Robotik können deren Stärken nicht immer optimal ausnutzen. Die neurowissenschaftliche Forschung hat große Fortschritte beim Verständnis der verschiedenen Gehirnregionen und ihrer entsprechenden Funktionen gemacht. Dennoch basieren die meisten Modelle auf groß angelegten Simulationen, die sich auf die Reproduktion der Konnektivität und der statistischen neuronalen Aktivität konzentrieren. Dies öffnet eine Lücke bei der Anwendung verschiedener Paradigmen, um Gehirnmechanismen und Lernprinzipien zu validieren und Funktionsmodelle zur Steuerung von Robotern zu entwickeln. Ein vielversprechendes Paradigma ist die ereignis-basierte Berechnung mit SNNs. SNNs fokussieren sich auf die biologischen Aspekte von Neuronen und replizieren deren Arbeitsweise. Sie sind für spike- basierte Kommunikation ausgelegt und ermöglichen die Erforschung von Mechanismen des Gehirns für das Lernen mittels neuronaler Plastizität. Spike-basierte Kommunikation nutzt hoch parallelisierten Hardware-Optimierungen mittels neuromorpher Chips, die einen geringen Energieverbrauch und schnelle lokale Operationen ermöglichen. In dieser Arbeit werden verschiedene SNNs zur Durchführung von Bewegungss- teuerung für Manipulations- und Greifaufgaben mit einem Roboterarm und einer anthropomorphen Hand vorgestellt. Diese basieren auf biologisch inspirierten funktionalen Modellen des menschlichen Gehirns. Ein Motor-Primitiv wird auf parametrische Weise mit einem Aktivierungsparameter und einer Abbildungsfunktion auf die Roboterkinematik übertragen. Die Topologie des SNNs spiegelt die kinematische Struktur des Roboters wider. Die Steuerung des Roboters erfolgt über das Joint Position Interface. Um komplexe Bewegungen und Verhaltensweisen modellieren zu können, werden die Primitive in verschiedenen Schichten einer Hierarchie angeordnet. Dies ermöglicht die Kombination und Parametrisierung der Primitiven und die Wiederverwendung von einfachen Primitiven für verschiedene Bewegungen. Es gibt verschiedene Aktivierungsmechanismen für den Parameter, der ein Motorprimitiv steuert — willkürliche, rhythmische und reflexartige. Außerdem bestehen verschiedene Möglichkeiten neue Motorprimitive entweder online oder offline zu lernen. Die Bewegung kann entweder als Funktion modelliert oder durch Imitation der menschlichen Ausführung gelernt werden. Die SNNs können in andere Steuerungssysteme integriert oder mit anderen SNNs kombiniert werden. Die Berechnung der inversen Kinematik oder die Validierung von Konfigurationen für die Planung ist nicht erforderlich, da der Motorprimitivraum nur durchführbare Bewegungen hat und keine ungültigen Konfigurationen enthält. Für die Evaluierung wurden folgende Szenarien betrachtet, das Zeigen auf verschiedene Ziele, das Verfolgen einer Trajektorie, das Ausführen von rhythmischen oder sich wiederholenden Bewegungen, das Ausführen von Reflexen und das Greifen von einfachen Objekten. Zusätzlich werden die Modelle des Arms und der Hand kombiniert und erweitert, um die mehrbeinige Fortbewegung als Anwendungsfall der Steuerungsarchitektur mit Motorprimitiven zu modellieren. Als Anwendungen für einen Arm (3 DoFs) wurden die Erzeugung von Zeigebewegungen und das perzeptionsgetriebene Erreichen von Zielen modelliert. Zur Erzeugung von Zeigebewegun- gen wurde ein Basisprimitiv, das auf den Mittelpunkt einer Ebene zeigt, offline mit vier Korrekturprimitiven kombiniert, die eine neue Trajektorie erzeugen. Für das wahrnehmungsgesteuerte Erreichen eines Ziels werden drei Primitive online kombiniert unter Verwendung eines Zielsignals. Als Anwendungen für eine Fünf-Finger-Hand (9 DoFs) wurden individuelle Finger-aktivierungen und Soft-Grasping mit nachgiebiger Steuerung modelliert. Die Greif- bewegungen werden mit Motor-Primitiven in einer Hierarchie modelliert, wobei die Finger-Primitive die Synergien zwischen den Gelenken und die Hand-Primitive die unterschiedlichen Affordanzen zur Koordination der Finger darstellen. Für jeden Finger werden zwei Reflexe hinzugefügt, zum Aktivieren oder Stoppen der Bewegung bei Kontakt und zum Aktivieren der nachgiebigen Steuerung. Dieser Ansatz bietet enorme Flexibilität, da Motorprimitive wiederverwendet, parametrisiert und auf unterschiedliche Weise kombiniert werden können. Neue Primitive können definiert oder gelernt werden. Ein wichtiger Aspekt dieser Arbeit ist, dass im Gegensatz zu Deep Learning und End-to-End-Lernmethoden, keine umfangreichen Datensätze benötigt werden, um neue Bewegungen zu lernen. Durch die Verwendung von Motorprimitiven kann der gleiche Modellierungsansatz für verschiedene Roboter verwendet werden, indem die Abbildung der Primitive auf die Roboterkinematik neu definiert wird. Die Experimente zeigen, dass durch Motor- primitive die Motorsteuerung für die Manipulation, das Greifen und die Lokomotion vereinfacht werden kann. SNNs für Robotikanwendungen ist immer noch ein Diskussionspunkt. Es gibt keinen State-of-the-Art-Lernalgorithmus, es gibt kein Framework ähnlich dem für Deep Learning, und die Parametrisierung von SNNs ist eine Kunst. Nichtsdestotrotz können Robotikanwendungen - wie Manipulation und Greifen - Benchmarks und realistische Szenarien liefern, um neurowissenschaftliche Modelle zu validieren. Außerdem kann die Robotik die Möglichkeiten der ereignis- basierten Berechnung mit SNNs und neuromorpher Hardware nutzen. Die physikalis- che Nachbildung eines biologischen Systems, das vollständig mit SNNs implementiert und auf echten Robotern evaluiert wurde, kann neue Erkenntnisse darüber liefern, wie der Mensch die Motorsteuerung und Sensorverarbeitung durchführt und wie diese in der Robotik angewendet werden können. Modellfreie Bewegungssteuerungen, inspiriert von den Mechanismen des menschlichen Gehirns, können die Programmierung von Robotern verbessern, indem sie die Steuerung adaptiver und flexibler machen