Κυκλώματα αναλογικού νευρώνα και ψηφιακής-σε-αναλογικής διεπαφής για νευρομορφικά συστήματα χαμηλής συχνότητας σε τεχνολογία CMOS 65nm

Abstract

Στην εργασία αυτή παρουσιάζεται ένας ρυθμίσιμος tau-cell leaky integrate- and-fire (LIF) νευρώνας, ο οποίος υλοποιείται σε τεχνολογία TSMC 65 nm CMOS, με στόχο την αξιοποίησή του σε χαμηλής συχνότητας, βιολογικά ρεαλιστικές νευρομορφικές εφαρμογές, καθώς και ένας multi-channel digital-toanalog μετατροπέα (DAC) για τη μεταφορά των συναπτικών βαρών σε Spiking Neural Networks (SNNs). Η μεμβράνη του νευρώνα υλοποιείται μέσω ενός υποκατωφλίου tau-cell, το οποίο πραγματοποιεί λογαριθμική ολοκήρωση, με τη χρονική του σταθερά να καθορίζεται από το ρεύμα πόλωσης Iτ και τη τά- ση αναφοράς Vref. Σε αντίθεση με τους παραδοσιακούς tau-cell νευρώνες, οι οποίοι χρησιμοποιούν απλούς συγκριτές ρεύματος, η προτεινόμενη αρχιτε- κτονική χρησιμοποιεί έναν τροποποιημένο συγκριτή ρεύματος με υστέρηση, εξασφαλίζοντας αξιόπιστη και σταθερή μετάβαση της εξόδου, ενώ το κατώφλι πυροδότησης ρυθμίζεται ανεξάρτητα μέσω του ρεύματος πόλωσης Ith. Ένα στάδιο επέκτασης παλμού εξασφαλίζει σταθερό πλάτος παλμού εξόδου, ενώ ένα ειδικά σχεδιασμένο refractory/reset κύκλωμα, το οποίο ελέγχεται από την τάση πόλωσης Vrfp, παρέχει ανεξάρτητη δυνατότητα προγραμματισμού της αδρανές περιόδου και διακόπτει την ολοκλήρωση της εισόδου κατά τη διάρκεια αυτού του χρονικού διαστήματος. Με τροφοδοσία 2.5 V, ο νευρώνας λειτουργεί σε ένα ρυθμιζόμενο εύρος συχνοτήτων από 100 Hz έως 4.9 kHz, με κατανάλωση ενέργειας 128.4 nJ/παλμό. Η ταυτόχρονη δυνατότητα ρύθμισης της χρονικής σταθεράς της μεμβράνης, του κατωφλίου και της αδρανής περιόδου καθιστά τον προτεινόμενο νευρώνα ένα ευέλικτο δομικό στοιχείο για συμβάντα-καθοδηγούμενα νευρομορφικά συστήματα, τα οποία λειτουργούν σε πραγματικές χρονικές κλίμακες χαμηλής συχνότητας.