A neuromorphic systems approach to in-memory computing with non-ideal memristive devices: From mitigation to exploitation

Memristive devices represent a promising technology for building neuromorphic electronic systems. In addition to their compactness and non-volatility features, they are characterized by computationally relevant physical properties, such as state-dependence, non-linear conductance changes, and intrinsic variability in both their switching threshold and conductance values, that make them ideal devices for emulating the bio-physics of real synapses. In this paper we present a spiking neural network architecture that supports the use of memristive devices as synaptic elements, and propose mixed-signal analog-digital interfacing circuits which mitigate the effect of variability in their conductance values and exploit their variability in the switching threshold, for implementing stochastic learning. The effect of device variability is mitigated by using pairs of memristive devices configured in a complementary push-pull mechanism and interfaced to a current-mode normalizer circuit. The stochastic learning mechanism is obtained by mapping the desired change in synaptic weight into a corresponding switching probability that is derived from the intrinsic stochastic behavior of memristive devices. We demonstrate the features of the CMOS circuits and apply the architecture proposed to a standard neural network hand-written digit classification benchmark based on the MNIST data-set. We evaluate the performance of the approach proposed on this benchmark using behavioral-level spiking neural network simulation, showing both the effect of the reduction in conductance variability produced by the current-mode normalizer circuit, and the increase in performance as a function of the number of memristive devices used in each synapse.Comment: 13 pages, 12 figures, accepted for Faraday Discussion

A Modular Programmable CMOS Analog Fuzzy Controller Chip

We present a highly modular fuzzy inference analog CMOS chip architecture with on-chip digital programmability. This chip consists of the interconnection of parameterized instances of two different kind of blocks, namely label blocks and rule blocks. The architecture realizes a lattice partition of the universe of discourse, which at the hardware level means that the fuzzy labels associated to every input (realized by the label blocks) are shared among the rule blocks. This reduces the area and power consumption and is the key point for chip modularity. The proposed architecture is demonstrated through a 16-rule two input CMOS 1-μm prototype which features an operation speed of 2.5 Mflips (2.5×10^6 fuzzy inferences per second) with 8.6 mW power consumption. Core area occupation of this prototype is of only 1.6 mm 2 including the digital control and memory circuitry used for programmability. Because of the architecture modularity the number of inputs and rules can be increased with any hardly design effort.This work was supported in part by the Spanish C.I.C.Y.T under Contract TIC96-1392-C02- 02 (SIVA)

Energy-Efficient Digital Signal Processing Hardware Design.

As CMOS technology has developed considerably in the last few decades, many SoCs have been implemented across different application areas due to reduced area and power consumption. Digital signal processing (DSP) algorithms are frequently employed in these systems to achieve more accurate operation or faster computation. However, CMOS technology scaling started to slow down recently and relatively large systems consume too much power to rely only on the scaling effect while system power budget such as battery capacity improves slowly. In addition, there exist increasing needs for miniaturized computing systems including sensor nodes that can accomplish similar operations with significantly smaller power budget. Voltage scaling is one of the most promising power saving techniques due to quadratic switching power reduction effect, making it necessary feature for even high-end processors. However, in order to achieve maximum possible energy efficiency, systems should operate in near or sub-threshold regimes where leakage takes significant portion of power. In this dissertation, a few key energy-aware design approaches are described. Considering prominent leakage and larger PVT variability in low operating voltages, multi-level energy saving techniques to be described are applied to key building blocks in DSP applications: architecture study, algorithm-architecture co-optimization, and robust yet low-power memory design. Finally, described approaches are applied to design examples including a visual navigation accelerator, ultra-low power biomedical SoC and face detection/recognition processor, resulting in 2~100 times power savings than state-of-the-art.PhDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/110496/1/djeon_1.pd

Vlsi Implementation of Olfactory Cortex Model

This thesis attempts to implement the building blocks required for the realization of the biologically motivated olfactory neural model in silicon as the special purpose hardware. The olfactory model is originally developed by R. Granger, G. Lynch, and Ambros-Ingerson. CMOS analog integrated circuits were used for this purpose. All of the building blocks were fabricated using the MOSIS service and tested at our site. The results of this study can be used to realize a system level integration of the olfactory model.Electrical Engineerin

The 1991 3rd NASA Symposium on VLSI Design

Papers from the symposium are presented from the following sessions: (1) featured presentations 1; (2) very large scale integration (VLSI) circuit design; (3) VLSI architecture 1; (4) featured presentations 2; (5) neural networks; (6) VLSI architectures 2; (7) featured presentations 3; (8) verification 1; (9) analog design; (10) verification 2; (11) design innovations 1; (12) asynchronous design; and (13) design innovations 2

Propuesta de arquitectura y circuitos para la mejora del rango dinámico de sistemas de visión en un chip diseñados en tecnologías CMOS profundamente submicrométrica

El trabajo presentado en esta tesis trata de proponer nuevas técnicas para la expansión del rango dinámico en sensores electrónicos de imagen. En este caso, hemos dirigido nuestros estudios hacia la posibilidad de proveer dicha funcionalidad en un solo chip. Esto es, sin necesitar ningún soporte externo de hardware o software, formando un tipo de sistema denominado Sistema de Visión en un Chip (VSoC). El rango dinámico de los sensores electrónicos de imagen se define como el cociente entre la máxima y la mínima iluminación medible. Para mejorar este factor surgen dos opciones. La primera, reducir la mínima luz medible mediante la disminución del ruido en el sensor de imagen. La segunda, incrementar la máxima luz medible mediante la extensión del límite de saturación del sensor. Cronológicamente, nuestra primera opción para mejorar el rango dinámico se basó en reducir el ruido. Varias opciones se pueden tomar para mejorar la figura de mérito de ruido del sistema: reducir el ruido usando una tecnología CIS o usar circuitos dedicados, tales como calibración o auto cero. Sin embargo, el uso de técnicas de circuitos implica limitaciones, las cuales sólo pueden ser resueltas mediante el uso de tecnologías no estándar que están especialmente diseñadas para este propósito. La tecnología CIS utilizada está dirigida a la mejora de la calidad y las posibilidades del proceso de fotosensado, tales como sensibilidad, ruido, permitir imagen a color, etcétera. Para estudiar las características de la tecnología en más detalle, se diseñó un chip de test, lo cual permite extraer las mejores opciones para futuros píxeles. No obstante, a pesar de un satisfactorio comportamiento general, las medidas referentes al rango dinámico indicaron que la mejora de este mediante sólo tecnología CIS es muy limitada. Es decir, la mejora de la corriente oscura del sensor no es suficiente para nuestro propósito. Para una mayor mejora del rango dinámico se deben incluir circuitos dentro del píxel. No obstante, las tecnologías CIS usualmente no permiten nada más que transistores NMOS al lado del fotosensor, lo cual implica una seria restricción en el circuito a usar. Como resultado, el diseño de un sensor de imagen con mejora del rango dinámico en tecnologías CIS fue desestimado en favor del uso de una tecnología estándar, la cual da más flexibilidad al diseño del píxel. En tecnologías estándar, es posible introducir una alta funcionalidad usando circuitos dentro del píxel, lo cual permite técnicas avanzadas para extender el límite de saturación de los sensores de imagen. Para este objetivo surgen dos opciones: adquisición lineal o compresiva. Si se realiza una adquisición lineal, se generarán una gran cantidad de datos por cada píxel. Como ejemplo, si el rango dinámico de la escena es de 120dB al menos se necesitarían 20-bits/píxel, log2(10120/20)=19.93, para la representación binaria de este rango dinámico. Esto necesitaría de amplios recursos para procesar esta gran cantidad de datos, y un gran ancho de banda para moverlos al circuito de procesamiento. Para evitar estos problemas, los sensores de imagen de alto rango dinámico usualmente optan por utilizar una adquisición compresiva de la luz. Por lo tanto, esto implica dos tareas a realizar: la captura y la compresión de la imagen. La captura de la imagen se realiza a nivel de píxel, en el dispositivo fotosensor, mientras que la compresión de la imagen puede ser realizada a nivel de píxel, de sistema, o mediante postprocesado externo. Usando el postprocesado, existe un campo de investigación que estudia la compresión de escenas de alto rango dinámico mientras se mantienen los detalles, produciendo un resultado apropiado para la percepción humana en monitores convencionales de bajo rango dinámico. Esto se denomina Mapeo de Tonos (Tone Mapping) y usualmente emplea solo 8-bits/píxel para las representaciones de imágenes, ya que éste es el estándar para las imágenes de bajo rango dinámico. Los píxeles de adquisición compresiva, por su parte, realizan una compresión que no es dependiente de la escena de alto rango dinámico a capturar, lo cual implica una baja compresión o pérdida de detalles y contraste. Para evitar estas desventajas, en este trabajo, se presenta un píxel de adquisición compresiva que aplica una técnica de mapeo de tonos que permite la captura de imágenes ya comprimidas de una forma optimizada para mantener los detalles y el contraste, produciendo una cantidad muy reducida de datos. Las técnicas de mapeo de tonos ejecutan normalmente postprocesamiento mediante software en un ordenador sobre imágenes capturadas sin compresión, las cuales contienen una gran cantidad de datos. Estas técnicas han pertenecido tradicionalmente al campo de los gráficos por ordenador debido a la gran cantidad de esfuerzo computacional que requieren. Sin embargo, hemos desarrollado un nuevo algoritmo de mapeo de tonos especialmente adaptado para aprovechar los circuitos dentro del píxel y que requiere un reducido esfuerzo de computación fuera de la matriz de píxeles, lo cual permite el desarrollo de un sistema de visión en un solo chip. El nuevo algoritmo de mapeo de tonos, el cual es un concepto matemático que puede ser simulado mediante software, se ha implementado también en un chip. Sin embargo, para esta implementación hardware en un chip son necesarias algunas adaptaciones y técnicas avanzadas de diseño, que constituyen en sí mismas otra de las contribuciones de este trabajo. Más aún, debido a la nueva funcionalidad, se han desarrollado modificaciones de los típicos métodos a usar para la caracterización y captura de imágenes

INTEGRATION OF CMOS TECHNOLOGY INTO LAB-ON-CHIP SYSTEMS APPLIED TO THE DEVELOPMENT OF A BIOELECTRONIC NOSE

This work addresses the development of a lab-on-a-chip (LOC) system for olfactory sensing. The method of sensing employed is cell-based, utilizing living cells to sense stimuli that are otherwise not easily sensed using conventional transduction techniques. Cells have evolved over millions of years to be exquisitely sensitive to their environment, with certain types of cells producing electrical signals in response to stimuli. The core device that is introduced here is comprised of living olfactory sensory neurons (OSNs) on top of a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) integrated circuit (IC). This hybrid bioelectronic approach to sensing leverages the sensitivity of OSNs with the electronic signal processing capability of modern ICs. Intimately combining electronics with biology presents a number of unique challenges to integration that arise from the disparate requirements of the two separate domains. Fundamentally the obstacles arise from the facts that electronic devices are designed to work in dry environments while biology requires not only a wet environment, but also one that is precisely controlled and non-toxic. Design and modeling of such heterogeneously integrated systems is complicated by the lack of tools that can address the multiple domains and techniques required for integration, namely IC design, fluidics, packaging, and microfabrication, and cell culture. There also arises the issue of how to handle the vast amount of data that can be generated by such systems, and specifically how to efficiently identify signals of interest and communicate them off-chip. The primary contributions of this work are the development of a new packaging scheme for integration of CMOS ICs into fluidic LOC systems, a methodology for cross-coupled multi-domain iterative modeling of heterogeneously integrated systems, demonstration of a proof-of-concept bioelectronic olfactory sensor, and a novel event-based technique to minimize the bandwidth required to communicate the information contained in bio-potential signals produced by dense arrays of electrically active cells