基于异步工作方式的数模混合神经网络芯片关键模块的设计研究
发布时间：2020-10-16 01:43
随着人工智能的快速发展,越来越多的神经网络算法被广泛运用于模式识别,语音分析,感觉处理等方面,但是这些算法需要消耗大量的硬件资源。为了使神经网络范式应用于更加有效的神经网络系统中,实现专用人工智能芯片显得格外重要。本文提出了一种基于Spiking NeuralNetwork(SNN)的可配置异步神经网络芯片的架构。该系统含有256x4个神经元,256x4个突触以及实现不同芯片之间神经元连接的路由器电路。考虑到不同神经元模型的生物相似性以及电路实施可行性,此神经网络采用了基于integrate-and-fire模型的神经元电路,该神经元电路可以通过不同的偏置调整其产生脉冲时的阈值电压以及产生脉冲后的生物绝对不应期时间,并且该神经元具有脉冲频率自适应功能,该功能能够自主调整神经元脉冲产生的频率。由于spike-timing-dependent plasticity(STDP)仅仅根据突触前后神经元产生的脉冲时间差来更新突触权值,而对那些没有时序关系的脉冲则无法进行权值更新,本文采用了基于突触后去极化程度以及钙离子浓度等参数的突触学习机制,并且加入了相应的stop-learning功能使突触能够学习存储更多的输入模式。为了实现不同神经网络芯片之间的互联,本文设计了用于不同芯片之间通信的Address Event Representation(AER)协议,并且采用了 一种二级路由方式,该路由方式能够有效的减少存储神经元连接信息的内存容量。本文采用了 SMIC180nm工艺来实现上述神经网络系统中的关键模块,对不同的模块进行了相应的仿真分析并且验证了关键模块工作的正确性。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN402
【部分图文】：
为神经递质的分子作为媒介，实现两个神经元之间的连接以及调节。在这里，主??要讨论化学突触。在突触前神经元和后神经元细胞膜之间有一段非常狭小的间隙，??称之为突触间隙（见图２．１）。当有动作电位到迖突触时，Ｃａ２＋离子就会通过细胞??膜上的沟道进入突触后神经元的突触，从而产生由Ｃａ２＋离子触发的囊泡，通过将??囊泡中的神经递质释放到突触间隙，前后神经元之间就形成了连接，使得信息得??以传递。在在靠近突触后神经元的突触间隙位置处存在大量的或递质门离子通道，??当有神经递质分子需要接收时，这些沟道就会导通使神经递质被突触后神经元接??收。根据不同离子的不同导通情况，突触后神经元会产生相应的兴奋或抑制状态。??５??
ｆ?ｆ?’?ｏｕｔｐｕｔ??图３．１地址事件描述电路编码??１２?１４?３?〉爹?｜?＾?＼??＾?§？?Ｉ?￣ｖ?Ｖ?＼?＼—??Ａｄｄｒｅｓｓ－ｅｖｅｎｔ?〇??｜????????ｉｎｐｕｔ?＼?＼?＼?＼??图３．２地址事件描述电路译码??３．２系统架构??如图３．３所示，该神经芯片系统由４个核心块、第一级路由器、第二级路由??器以及第三级路由器组成。这三级路由器主要完成在一个神经系统网络中不同神??经芯片之间的通信工作。每个核心块的详细架构如图３．４所示，该核心块由内容??可寻址寄存器（ＣＡＭ）单元阵列１２６］、编码器、神经元阵列、突触阵列、仲裁器组??成。除神经元电路以及突触电路外，整个系统均采用异步电路设计思想进行设计。??每个核心模块含有２５６ｘ６４内容可寻址寄存器单元、２５６个神经元以及２５６个??突触，其中每个内容可寻址寄存器单元由８位寄存器组成。地址可寻址寄存器单??元阵列用于存储与突触后神经元相连接的突触前神经元的地址信息，考虑到该寄??存器阵列的面积消耗与突触后神经元连接的突触前神经元的数量成正比，在该系??统设计中，一个突触后神经元最多与６４个突触前神经元相连。本系统采用具有??８??
??图４．１异步电路协议通信方式??４．２数据编码方式??在异步电路设计中，数据编码方式［３＜）］由以下几种：单轨编码、双轨编码、１／Ｎ??编码和ｋ／Ｎ编码，本节主要介绍单轨编码以及双轨编码方式。单轨编码又被称为??捆绑数据编码，在这种编码方式中，一根数据线表示一比特信息，发送发和接收??方直接的时序同步通过额外的请求和应答信号来完成。单轨编码如图４．２所示，??这种编码方式必须保证在请求信号来临前，数据信号已经准备就绪，否则就会产??生数据传输错误。根据单轨编码方式，握手协议可以分为四相捆绑数据协议以及??Ｒｅｑ、??？??？??Ａｃｋ??Ｓｅｎｄｅｒ?＾?Ｒｅｃｅｉｖｅｒ??门??（ａ）捆绑数据通道??Ｒｅｑ?ｉ；??Ｒｅｑ????触?￣ｙ＼?ｙ?ｈ?城????〇ａ，ａ?￣ｉｆ?ｉ?〇ａ，ａ?￣￣ｔ?＼??（ｂ）?４相捆绑协议?（ｃ）?２相捆綁协议
【参考文献】
本文编号：2842559
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN402
【部分图文】：
为神经递质的分子作为媒介，实现两个神经元之间的连接以及调节。在这里，主??要讨论化学突触。在突触前神经元和后神经元细胞膜之间有一段非常狭小的间隙，??称之为突触间隙（见图２．１）。当有动作电位到迖突触时，Ｃａ２＋离子就会通过细胞??膜上的沟道进入突触后神经元的突触，从而产生由Ｃａ２＋离子触发的囊泡，通过将??囊泡中的神经递质释放到突触间隙，前后神经元之间就形成了连接，使得信息得??以传递。在在靠近突触后神经元的突触间隙位置处存在大量的或递质门离子通道，??当有神经递质分子需要接收时，这些沟道就会导通使神经递质被突触后神经元接??收。根据不同离子的不同导通情况，突触后神经元会产生相应的兴奋或抑制状态。??５??
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??图４．１异步电路协议通信方式??４．２数据编码方式??在异步电路设计中，数据编码方式［３＜）］由以下几种：单轨编码、双轨编码、１／Ｎ??编码和ｋ／Ｎ编码，本节主要介绍单轨编码以及双轨编码方式。单轨编码又被称为??捆绑数据编码，在这种编码方式中，一根数据线表示一比特信息，发送发和接收??方直接的时序同步通过额外的请求和应答信号来完成。单轨编码如图４．２所示，??这种编码方式必须保证在请求信号来临前，数据信号已经准备就绪，否则就会产??生数据传输错误。根据单轨编码方式，握手协议可以分为四相捆绑数据协议以及??Ｒｅｑ、??？??？??Ａｃｋ??Ｓｅｎｄｅｒ?＾?Ｒｅｃｅｉｖｅｒ??门??（ａ）捆绑数据通道??Ｒｅｑ?ｉ；??Ｒｅｑ????触?￣ｙ＼?ｙ?ｈ?城????〇ａ，ａ?￣ｉｆ?ｉ?〇ａ，ａ?￣￣ｔ?＼??（ｂ）?４相捆绑协议?（ｃ）?２相捆綁协议
【参考文献】
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相关硕士学位论文 前1条
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本文编号：2842559
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