Імпульсна нейронна мережа з аналоговими синапсами на кристалі
| dc.contributor.advisor | Корнєв, Володимир Павлович | |
| dc.contributor.author | М’яновський, Віталій Валерійович | |
| dc.date.accessioned | 2024-03-04T12:18:54Z | |
| dc.date.available | 2024-03-04T12:18:54Z | |
| dc.date.issued | 2024 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | AThe use of impulse neural networks is an extremely relevant direction in the modern field of artificial intelligence and computing. Impulse neural networks are manifested in the efficiency of working with dynamic systems, and are also characterized by low energy consumption, which makes them especially promising for deployment in resource-saving devices, such as mobile devices and embedded systems, intelligent objects of the Internet of Things. The analysis of existing solutions of impulse neural networks indicates the widespread practice of creating synapses1 based on memristors2 , which, however, faces numerous difficulties, especially in the context of using the rather rare chemical element hafnium as a key component in memristors. The latter creates a significant challenge due to a number of technical, technological and economic aspects of its implementation. Therefore, problems such as costs, reliability and ensuring stability of functioning inherent in existing solutions require the development of new approaches to the implementation of synaptic connections of neurons in impulse neural networks. Therefore, the search for alternative solutions for the implementation of synapses at the schematic level is becoming very relevant. Connection of work with scientific programs, plans, topics. The dissertation research was carried out on the assignment of the Department of Design of Electronic Computing Equipment of KPI named after Igor Sikorskyi and the Melexis-Ukraine company. The goal of the dissertation research is to achieve better indicators of synaptic communication due to the provision of stable maintenance by the synapse of the conductivity of its channel, which positively affects the characteristics of the neuron and the neural network as a whole. Achieving the goal is achieved by solving the following tasks: 1. Analysis of the processes that occur during the transmission of impulses between neurons through the synapse. 2. Analysis of available technical solutions for reproduction at the schematic level of the research object. 3. Comparative analysis of schematic solutions for reproducing the behavior of neurons and synapses. 4. Development of own improved solution for reproduction of neuron behavior based on already existing ones. 5. Development of own improved solution for reproducing the behavior of synapses based on already existing ones. 6. Proving the achievement of the expected characteristics of the proposed circuit-technical solution of the synapse by evaluating the results of its simulation in the Cadence environment. The object of research is the processes and principles underlying synaptic communication in a pulsed neural network. The subject of research is methods of implementing analog synapses on a crystal in a pulsed neural network. Research methods: methods of comparative and descriptive characteristics, logical induction and deduction, method of modeling thyristor and memristor operation in standard CMOS technology. The scientific novelty of the obtained results lies in a new method of maintaining the weights of the synaptic connection based on maintaining a constant resistance of the CMOS channel of the transistor by maintaining the voltage of its gate, which is released on the capacitor, which is regularly charged due to negative feedback, which monitors the voltage level on the gate. This solution makes it possible to simplify the process of manufacturing an analog synapse by completely eliminating the use of rare materials such as hafnium. The practical value of the obtained results is determined by the proposed schematic solutions for building analog synapses in a pulsed neural network on a crystal, which are implemented according to standard CMOS technology. The practical value of the results of the work is confirmed by the act of their implementation in the company "Melexis-Ukraine" Approbation of research results. According to the main scientific provisions included in the master's thesis, the work was prepared and submitted to the All-Ukrainian competition of student scientific works in the fields of knowledge and specialties in the 2022/2023 academic year in the specialty 172 Electronic communications and radio engineering (educational program "Information and computing facilities of radio electronic systems" ), Kyiv, KPI named after Igor Sikorskyi, on May 22, who took first place. Publications. Based on research materials, one printed article was published in a specialized publication of Ukraine (category B): - Myanovsky V.V., Kornev V.P. Scheme of an impulse neuron with an output buffer on current mirrors. // Scientific notes of TNU named after V.I. Vernadskyi. Series: Technical Sciences, Volume 34 (73) No. 2 2023, p. 258 - 265. | |
| dc.format.extent | 125 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/65184 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject.udc | 621.384 | |
| dc.title | Імпульсна нейронна мережа з аналоговими синапсами на кристалі | |
| dc.title.alternative | Impulse neural network with analog synapses implemented on a crystal | |
| dc.type | Master Thesis |
Файли
Контейнер файлів
1 - 2 з 2
Вантажиться...
- Назва:
- Mianovskyi_magistr.pdf
- Розмір:
- 8.35 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
Вантажиться...
- Назва:
- Імпульсна мережа презентація.pdf
- Розмір:
- 1.77 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: