Імпульсна нейронна мережа з аналоговими синапсами на кристалі
Вантажиться...
Дата
2024
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Актуальність. Використання імпульсних нейронних мереж є надзвичайно актуальним напрямом в сучасній області штучного інтелекту та обчислень. Імпульсні нейронні мережі проявляються в ефективності роботи з динамічними системами, а також відзначаються низьким споживанням енергії, що робить їх особливо перспективними для розгортання в ресурсозаощаджувальних пристроях, таких як мобільні пристрої та вбудовані системи, інтелектуальні об’єкти інтернет-речей. Аналіз існуючих рішень імпульсних нейронних мереж вказує на поширену практику створення синапсів1 на основі мемристорів2, що однак стикається з численними складнощами, особливо в контексті застосування в якості ключового компоненту у мемристорах досить рідкого хімічного елементу гафнію. Останнє створює суттєвий виклик через ряд технічних, технологічних та економічних аспектів його реалізації.
Отже, проблеми, такі як витрати, надійність та забезпечення стійкості функціонування, властиві існуючим рішенням, вимагають розробки нових підходів до реалізації синаптичних зв'язків нейронів у імпульсних нейронних мережах. Тому пошук альтернативних рішень реалізації синапсів на схемотехнічному рівні набуває великої актуальності.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дисертаційне дослідження проводилося за завданням кафедри конструювання електронно-обчислювальної апаратури КПІ ім. Ігоря Сікорського і компанії «Мелексіс-Україна».
Синапс (від грец. synapsis — з'єднання) — це спеціальне з'єднання між двома нейронами або між нейроном і цільовою клітиною (наприклад, м'язовою клітиною або клітиною залози), де інформація передається від однієї клітини до іншої.
Мемристор - електронний компонент, який зберігає внутрішній опір на основі історії прикладеної напруги та струму (memory – пам'ять, resistor – опір). Зміна опору є енергонезалежною, тобто стан опору може зберігатися протягом тривалого часу після видалення зовнішнього електричного поля.
Метою дисертаційного дослідження є досягнення кращих показників синаптичного зв'язку завдяки забезпеченню стійкого утримання синапсом провідності свого каналу, що позитивно впливає на характеристики нейрону і нейронної мережі в цілому.
Досягнення мети досягається шляхом вирішення наступних задач:
1. Аналіз процесів, які відбуваються при передачі імпульсів між нейронами через синапс.
2. Аналіз наявних технічних рішень для відтворення на схемотехнічному рівні об’єкта дослідження.
3. Порівняльний аналіз схемотехнічних рішень для відтворення поведінки нейронів та синапсів.
4. Розробка власного покращеного рішення для відтворення поведінки нейронів на основі вже існуючих.
5. Розробка власного покращеного рішення для відтворення поведінки синапсів на основі вже існуючих.
6. Доведення досягнення очікуваних характеристик запропонованого схемотехнічного рішення синапсу за оцінкою результатів його симуляції у середовищі Cadence.
Об’єктом дослідження є процеси і принципи, покладені в основу синаптичного зв’язку у імпульсній нейронній мережі.
Предметом дослідження є способи реалізації аналогових синапсів на кристалі у імпульсній нейронній мережі.
Методи дослідження: методи порівняльної і описової характеристик, логічні індукція та дедукція, метод моделювання роботи тиристора і мемристору у стандартній КМДН технології.
Наукова новизна отриманих результатів полягає у новому методі утримання ваг синаптичного зв’язку заснованому на підтриманні сталого опору каналу КМДН транзистора за підтримкою напруги його затвору, що виділяється на конденсаторі, який регулярно заряджається внаслідок негативного зворотного зв’язку, що відслідковує рівень напруги на затворі. Це рішення дає змогу спростити процес виробництва аналогового синапсу шляхом повного виключення використання рідкісних матеріалів, таких як гафній.
Практична цінність отриманих результатів визначається запропонованими схемотехнічними рішеннями побудови аналогових синапсів у імпульсної нейронної мережі на кристалі, які реалізовані за стандартною КМДН технологією.
Практична цінність результатів роботи підтверджена актом їх впровадження в компанії “Мелексіс-Україна”.
Апробація результатів дослідження. За основними науковими положеннями, шо увійшли у магістерську дисертацію, підготовлена і подана робота на Всеукраїнський конкурсу студентських наукових робіт із галузей знань і спеціальностей у 2022/2023 навчальному році за спеціальністю 172 Електронні комунікації та радіотехніка (освітня програма “Інформаційно-обчислювальні засоби радіоелектронних систем»), Київ, КПІ ім. Ігоря Сікорського, 22 травня, яка зайняла перше місце.
Публікації. За матеріалами досліджень опубліковано одну друковану статтю у фаховому виданні України (категорія Б):
- М’яновський В.В., Корнєв В.П. Схема імпульсного нейрона з вихідним буфером на дзеркалах струму. // Вчені записки ТНУ імені В.І. Вернадського. Серія: Технічні науки, Том 34 (73) No 2 2023, с. 258 — 265.
Опис
Ключові слова
Бібліографічний опис
М’яновський, В. В. Імпульсна нейронна мережа з аналоговими синапсами на кристалі : магістерська дис. : 172 Телекомунікації та радіотехніка / М’яновський Віталій Валерійович. – Київ, 2024. – 125 с.