Modeling the Bat Spatial Navigation System: A Neuromorphic VLSI Approach

Autonomously navigating robots have long been a tough challenge facing engineers. The recent push to develop micro-aerial vehicles for practical military, civilian, and industrial use has added a significant power and time constraint to the challenge. In contrast, animals, from insects to humans, have been navigating successfully for millennia using a wide range of variants of the ultra-low-power computational system known as the brain. For this reason, we look to biological systems to inspire a solution suitable for autonomously navigating micro-aerial vehicles. In this dissertation, the focus is on studying the neurobiological structures involved in mammalian spatial navigation. The mammalian brain areas widely believed to contribute directly to navigation tasks are the Head Direction Cells, Grid Cells and Place Cells found in the post-subiculum, the medial entorhinal cortex, and the hippocampus, respectively. In addition to studying the neurobiological structures involved in navigation, we investigate various neural models that seek to explain the operation of these structures and adapt them to neuromorphic VLSI circuits and systems. We choose the neuromorphic approach for our systems because we are interested in understanding the interaction between the real-time, physical implementation of the algorithms and the real-world problem (robot and environment). By utilizing both analog and asynchronous digital circuits to mimic similar computations in neural systems, we envision very low power VLSI implementations suitable for providing practical solutions for spatial navigation in micro-aerial vehicles

A self-adaptive hardware with resistive switching synapses for experience-based neurocomputing

: Neurobiological systems continually interact with the surrounding environment to refine their behaviour toward the best possible reward. Achieving such learning by experience is one of the main challenges of artificial intelligence, but currently it is hindered by the lack of hardware capable of plastic adaptation. Here, we propose a bio-inspired recurrent neural network, mastered by a digital system on chip with resistive-switching synaptic arrays of memory devices, which exploits homeostatic Hebbian learning for improved efficiency. All the results are discussed experimentally and theoretically, proposing a conceptual framework for benchmarking the main outcomes in terms of accuracy and resilience. To test the proposed architecture for reinforcement learning tasks, we study the autonomous exploration of continually evolving environments and verify the results for the Mars rover navigation. We also show that, compared to conventional deep learning techniques, our in-memory hardware has the potential to achieve a significant boost in speed and power-saving

Introducing Astrocytes on a Neuromorphic Processor: Synchronization, Local Plasticity and Edge of Chaos

While there is still a lot to learn about astrocytes and their neuromodulatory role in the spatial and temporal integration of neuronal activity, their introduction to neuromorphic hardware is timely, facilitating their computational exploration in basic science questions as well as their exploitation in real-world applications. Here, we present an astrocytic module that enables the development of a spiking Neuronal-Astrocytic Network (SNAN) into Intel's Loihi neuromorphic chip. The basis of the Loihi module is an end-to-end biophysically plausible compartmental model of an astrocyte that simulates the intracellular activity in response to the synaptic activity in space and time. To demonstrate the functional role of astrocytes in SNAN, we describe how an astrocyte may sense and induce activity-dependent neuronal synchronization, switch on and off spike-time-dependent plasticity (STDP) to introduce single-shot learning, and monitor the transition between ordered and chaotic activity at the synaptic space. Our module may serve as an extension for neuromorphic hardware, by either replicating or exploring the distinct computational roles that astrocytes have in forming biological intelligence.Comment: 9 pages, 7 figure

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

A Survey of Spiking Neural Network Accelerator on FPGA

Due to the ability to implement customized topology, FPGA is increasingly used to deploy SNNs in both embedded and high-performance applications. In this paper, we survey state-of-the-art SNN implementations and their applications on FPGA. We collect the recent widely-used spiking neuron models, network structures, and signal encoding formats, followed by the enumeration of related hardware design schemes for FPGA-based SNN implementations. Compared with the previous surveys, this manuscript enumerates the application instances that applied the above-mentioned technical schemes in recent research. Based on that, we discuss the actual acceleration potential of implementing SNN on FPGA. According to our above discussion, the upcoming trends are discussed in this paper and give a guideline for further advancement in related subjects