Spiking Neural Networks models targeted for implementation on Reconfigurable Hardware

La tesis presentada se centra en la denominada tercera generación de redes neuronales artificiales, las Redes Neuronales Spiking (SNN) también llamadas ‘de espigas’ o ‘de eventos’. Este campo de investigación se convirtió en un tema popular e importante en la última década debido al progreso de la neurociencia computacional. Las Redes Neuronales Spiking, que tienen no sólo la plasticidad espacial sino también temporal, ofrecen una alternativa prometedora a las redes neuronales artificiales clásicas (ANN) y están más cerca de la operación real de las neuronas biológicas ya que la información se codifica y transmite usando múltiples espigas o eventos en forma de trenes de pulsos. Este campo ha ido creciendo en los últimos años y ampliado el área de ingenierı́a neuromórfica cuya principal área de trabajo es el uso de VLSI analógicos, digitales, mixtos analógico/digital y software que implementa modelos de sistemas neuronales spiking. Esta tesis analiza las Redes Neuronales Spiking desde la perspectiva de Aprendizaje Automático, donde la plausibilidad biológica no es el objetivo principal, pero la capacidad de crear algoritmos de inteligencia artificial basados en SNN es uno de los objetivos principales, junto con su viabilidad de implementación de hardware. Con el fin de cumplir con los objetivos, varios modelos neuronales y topologı́as de red son revisados y comparados. La codificación de picos o la representación de datos con los picos también se discute en este trabajo. El desarrollo de topologı́as SNN y algoritmos capaces de proporcionar capacidades de inteligencia artificial basadas en espigas de entrada al sistema es uno de los principales temas de esta tesis. Sin embargo, se hace también hincapié en su implementación hardware ya que existen modelos complejos para SNN que en muchos casos no son viables para sistemas en tiempo real y requieren de sistemas de alta capacidad computacional para ser ejecutados. El tema principal de la investigación en este trabajo es la evaluación de algoritmos existentes y el desarrollo de nuevos algoritmos, estructuras de datos y métodos de codificación para la implementación hardware de las redes neuronales de spiking, especialmente dirigidas a FPGA (Field-Programmable Gate Arrays). Los dispositivos FPGA son elegidos debido a sus excelentes capacidades de cálculo paralelo masivo, bajo consumo de energı́a, baja latencia y versatilidad. En los últimos años, las FPGA se convirtieron en una popular plataforma para tareas clásicas de aprendizaje de máquinas, tales como reconocimiento de imágenes, control automático, predicción de series temporales, robótica, etc. Ası́, la tesis investiga todas las cuestiones relacionadas con el despliegue de un sistema completo de hardware basado en espigas, desde la codificación de información externa como entradas hasta la salida final de un sistema de inteligencia artificial basado en SNN, incluida la optimización en la transmisión de datos, y todo ello implementado en arquitecturas hardware que optimizan el rendimiento y permiten la implementación de redes spiking de un elevado número de neuronas. Se propone una nueva arquitectura simplificada de neuronas de tipo LIF (Leaky Integrate-and-Fire). La neurona se evalúa para redes de tipo Perceptron y Restricted Boltzmann Machine (RBM) para probar su rendimiento. Además, las capacidades de aprendizaje de las redes propuestas se desarrollan mediante la definición de un procedimiento optimizado para el aprendizaje de STDP (Spike Time Dependent Plasticity). Las propuestas de optimización en software son completadas por nuevas arquitecturas de hardware, especialmente diseñadas para la implementación de FPGA. En lo que se refiere a las arquitecturas de hardware, esta tesis define la llamada ”neurona autómata”, basada en un formato de representación de espigas novedoso también y definido en esta tesis, llamado ‘Variable Timeslot Length Address-Event Representation’ (VTSAER). Este formato tiene una mayor versatilidad que anteriores propuestas de AER, eliminando la necesidad de marcas de tiempo y permitiendo un verdadero sincronismo de cualquier número arbitrario de eventos. La estructura del VTSAER permite procesar la información en las neuronas de espigas como un autómata finito alimentado por eventos. Este nuevo enfoque ayuda a separar el estado del sistema de la tasa de entrada de datos y reducir el número de canales de entrada/salida. Otra novedad propuesta en esta tesis es una arquitectura vectorizada de capas de las redes neuronales. Esta arquitectura permite calcular el estado de cualquier número arbitrario de capas reutilizando los mismos bloques neuronales de hardware varias veces. Este concepto de procesamiento vectorial de datos se puede aplicar no sólo en las redes neuronales de espigas, sino también en redes neuronales clásicas no-spiking de tipo ANN y otros algoritmos de aprendizaje automático. Con la arquitectura vectorizada y la neurona autómata, el factor limitante para el tamaño de la red es sólo la cantidad de memoria en el FPGA, lo que es una mejora significativa a las implementaciones anteriores. En cuanto a los algoritmos de aprendizaje para SNN, esta tesis describe una nueva aplicación del algoritmo de aprendizaje de Spike Timing Dependent Plasticity. STDP sigue siendo el algoritmo de aprendizaje más popular para las redes neuronales spiking,derivado de las observaciones de los fenómenos biológicos. Implementaciones de hardware digital de la STDP rara vez se encuentran dado que el algoritmo está utilizando causalidad de sincronización hacia atrás que requiere un empleo significativo de recursos de hardware. La nueva implementación propuesta en esta tesis está resolviendo el problema de causalidad con una sobrecarga de hardware muy pequeña. La versión mejorada de STDP se puede utilizar en redes de número arbitrario de neuronas. El proceso de actualización de pesos es independiente para cada neurona y no afecta al flujo global de entrada de espigas. La implementación FPGA de algoritmos de codificación visual también se cubre en esta tesis. Se describe la codificación de campos receptivos visuales tipo Gabor y se presentan dos implementaciones de hardware. El método de codificación de campo receptivo es muy similar a la operación de convolución utilizada en redes neuronales no-spiking. Los campos especı́ficos de orientación de Gabor son importantes en el procesamiento de imágenes, ya que son fenómenos bien estudiados observados en la corteza visual de mamı́feros y se desempeñan bien en el procesamiento de imágenes y en las tareas de codificación de espigas. Las dos propuestas de implementación en FPGA son arquitectura paralela y vectorizada. La comparación se realiza utilizando tamaños de campo receptivo tı́picamente usados en tareas prácticas que muestran las posibilidades de aplicación para cada una de las propuestas de implementación. Además, la implementación del hardware digital de algoritmos requiere la adaptación de la aritmética, ya que la aritmética de punto fijo se utiliza para evitar la complejidad adicional dada por los cálculos de coma flotante. Por lo tanto, se realiza un extenso estudio de la aritmética de punto fijo en el hardware de codificación y procesamiento de spikes para probar que el punto fijo es capaz de proporcionar la exactitud y precisión requeridas a un menor costo computacional y de recursos. Todos los algoritmos y arquitecturas propuestos se prueban resolviendo problemas clásicos con bases de datos abiertos (open source) para poder hacer una comparación con otros autores: los conjuntos de datos SEMEION e Iris se utilizan en este caso. Con respecto a los resultados de hardware, las arquitecturas digitales propuestas permiten una alta frecuencia de operación de reloj, cercana al máximo permitido por el dispositivo FPGA (alcanza hasta 387MHz). Los algoritmos y arquitecturas propuestos también permiten SNN de tamaño arbitrario, limitándose sólo a la capacidad del dispositivo. Todas las cuestiones antes mencionadas forman una compleja solución novedosa para la implementación de redes neuronales de espigas en hardware FPGA con velocidad de procesamiento varios cientos de veces más rápido que las simulaciones de software y una precisión comparable. Los bloques de hardware propuestos son versátiles, capaces de implementar una amplia gama de modificaciones de los algoritmos descritos y adaptar múltiples topologı́as SNN con diferentes números de entradas, número de capas, número de neuronas por capa, número de salidas, longitud de bits y, en general, aquellos parámetros que permiten implementar múltiples formas de SNN. En total, utilizando los bloques de hardware desarrollados en esta tesis, es posible construir un sistema neuromórfico masivo autosuficiente con un ciclo de procesamiento completo hecho dentro de un chip. De este modo, los sistemas neuromórficos podrı́an ser implementados a un costo menor en términos de desarrollo y tiempo de diseño, junto con placas de hardware más simples.This thesis describes a novel architecture of the Spiking Neural Networks implemented in hardware using Field-Programmable Gate Arrays. By starting from the state of the art theoretical and practical works, a new approach to the problem is proposed. The presented work is dealing with both software and hardware topics such as: • Spiking neural models with focus on their performance and feasibility in hardware. A novel simplified neuron model is created and tested. • Learning of SNNs in software and hardware. The well-known learning algorithms are implemented and tested with the simplified neuron model. • Data representation and conversion in spiking neural systems. A new version of Address-Event Representation protocol is proposed, effectively allowing the finite automata approach to the SNN implementation. A novel hardware architecture to encode images is presented. • Hardware platforms’ resources and their usability for SNN implementation. The latest commercial FPGA devices are evaluated as the prospective platform for large-scale SNN implementation. • Spiking perceptron and spiking Restricted Boltzmann machine implementation. Two popular network models are implemented and tested, utilizing the proposed neuronal model. • Neural network learning in hardware. The previously studied algorithms are im- plemented in the hardware. The aforementioned material was partially published in two journal and five conference papers. The system has been fully developed and tested using public domain datasets

An Scalable matrix computing unit architecture for FPGA and SCUMO user design interface

High dimensional matrix algebra is essential in numerous signal processing and machine learning algorithms. This work describes a scalable square matrix-computing unit designed on the basis of circulant matrices. It optimizes data flow for the computation of any sequence of matrix operations removing the need for data movement for intermediate results, together with the individual matrix operations' performance in direct or transposed form (the transpose matrix operation only requires a data addressing modification). The allowed matrix operations are: matrix-by-matrix addition, subtraction, dot product and multiplication, matrix-by-vector multiplication, and matrix by scalar multiplication. The proposed architecture is fully scalable with the maximum matrix dimension limited by the available resources. In addition, a design environment is also developed, permitting assistance, through a friendly interface, from the customization of the hardware computing unit to the generation of the final synthesizable IP core. For N x N matrices, the architecture requires N ALU-RAM blocks and performs O(N*N), requiring N*N +7 and N +7 clock cycles for matrix-matrix and matrix-vector operations, respectively. For the tested Virtex7 FPGA device, the computation for 500 x 500 matrices allows a maximum clock frequency of 346 MHz, achieving an overall performance of 173 GOPS. This architecture shows higher performance than other state-of-the-art matrix computing units

A Novel Systolic Parallel Hardware Architecture for the FPGA Acceleration of Feedforward Neural Networks

New chips for machine learning applications appear, they are tuned for a specific topology, being efficient by using highly parallel designs at the cost of high power or large complex devices. However, the computational demands of deep neural networks require flexible and efficient hardware architectures able to fit different applications, neural network types, number of inputs, outputs, layers, and units in each layer, making the migration from software to hardware easy. This paper describes novel hardware implementing any feedforward neural network (FFNN): multilayer perceptron, autoencoder, and logistic regression. The architecture admits an arbitrary input and output number, units in layers, and a number of layers. The hardware combines matrix algebra concepts with serial-parallel computation. It is based on a systolic ring of neural processing elements (NPE), only requiring as many NPEs as neuron units in the largest layer, no matter the number of layers. The use of resources grows linearly with the number of NPEs. This versatile architecture serves as an accelerator in real-time applications and its size does not affect the system clock frequency. Unlike most approaches, a single activation function block (AFB) for the whole FFNN is required. Performance, resource usage, and accuracy for several network topologies and activation functions are evaluated. The architecture reaches 550 MHz clock speed in a Virtex7 FPGA. The proposed implementation uses 18-bit fixed point achieving similar classification performance to a floating point approach. A reduced weight bit size does not affect the accuracy, allowing more weights in the same memory. Different FFNN for Iris and MNIST datasets were evaluated and, for a real-time application of abnormal cardiac detection, a x256 acceleration was achieved. The proposed architecture can perform up to 1980 Giga operations per second (GOPS), implementing the multilayer FFNN of up to 3600 neurons per layer in a single chip. The architecture can be extended to bigger capacity devices or multi-chip by the simple NPE ring extension

The Extended Synthesis: Something Old, Something New

Abstract The eclipse of Darwinism began to end in the 1980s and hangs in the balance today. We need an Extended Synthesis, using “extension” metaphorically. We must extend back in time to recover important aspects of Darwinism that were set aside, and then lost during neo-Darwinism, then move forward beyond neo-Darwinism to encompass new data and concepts. The most comprehensive framework for the Extended Synthesis is the Major Transitions in Evolution. The Extended Synthesis rests comfortably within a philosophical perspective in which biology does not need to be connected with other areas of science in order to justify itself. I am attracted to an older concept in which biology needs a covering law to connect it with the rest of the natural sciences. Darwin implicated a “higher law,” but did not specify it. If we can elucidate that law, the Extended Synthesis will become the Unified Theory of Biology called for by Brooks and Wiley 25 years ago

Novel Resistance Measurement Method: Analysis of Accuracy and Thermal Dependence with Applications in Fiber Materials

Material resistance is important since different physicochemical properties can be extracted from it. This work describes a novel resistance measurement method valid for a wide range of resistance values up to 100 GΩ at a low powered, small sized, digitally controlled and wireless communicated device. The analog and digital circuits of the design are described, analysing the main error sources affecting the accuracy. Accuracy and extended uncertainty are obtained for a pattern decade box, showing a maximum of 1 % accuracy for temperatures below 30 ∘ C in the range from 1 MΩ to 100 GΩ. Thermal analysis showed stability up to 50 ∘ C for values below 10 GΩ and systematic deviations for higher values. Power supply V i applied to the measurement probes is also analysed, showing no differences in case of the pattern decade box, except for resistance values above 10 GΩ and temperatures above 35 ∘ C. To evaluate the circuit behaviour under fiber materials, an 11-day drying process in timber from four species (Oregon pine-Pseudotsuga menziesii, cedar-Cedrus atlantica, ash-Fraxinus excelsior, chestnut-Castanea sativa) was monitored. Results show that the circuit, as expected, provides different resistance values (they need individual conversion curves) for different species and the same ambient conditions. Additionally, it was found that, contrary to the decade box analysis, V i affects the resistance value due to material properties. In summary, the proposed circuit is able to accurately measure material resistance that can be further related to material properties

On Multiple AER Handshaking Channels Over High-Speed Bit-Serial Bidirectional LVDS Links With Flow-Control and Clock-Correction on Commercial FPGAs for Scalable Neuromorphic Systems

Address event representation (AER) is a widely employed asynchronous technique for interchanging “neural spikes” between different hardware elements in neuromorphic systems. Each neuron or cell in a chip or a system is assigned an address (or ID), which is typically communicated through a high-speed digital bus, thus time-multiplexing a high number of neural connections. Conventional AER links use parallel physical wires together with a pair of handshaking signals (request and acknowledge). In this paper, we present a fully serial implementation using bidirectional SATA connectors with a pair of low-voltage differential signaling (LVDS) wires for each direction. The proposed implementation can multiplex a number of conventional parallel AER links for each physical LVDS connection. It uses flow control, clock correction, and byte alignment techniques to transmit 32-bit address events reliably over multiplexed serial connections. The setup has been tested using commercial Spartan6 FPGAs attaining a maximum event transmission speed of 75 Meps (Mega events per second) for 32-bit events at a line rate of 3.0 Gbps. Full HDL codes (vhdl/verilog) and example demonstration codes for the SpiNNaker platform will be made available.Peer reviewe