Bio-inspired Architectures With Memris4ve Devices & - - PowerPoint PPT Presentation

Bio-­‑inspired ¡Architectures ¡With ¡ Memris4ve ¡Devices ¡& ¡Energy ¡ Efficient ¡Coding ¡Scheme ¡

Jacques-­‑Olivier ¡Klein ¡ IEF, ¡CNRS, ¡Université ¡Paris-­‑Sud ¡ Orsay, ¡France ¡

1 ¡

Room ¡for ¡« ¡green ¡» ¡ICT ¡? ¡

2 ¡

Why ¡is ¡it ¡« ¡green ¡» ¡? ¡

Parallel ¡

High ¡Speed ¡ Reliability ¡ Low ¡Power ¡

3 ¡

Zero ¡Standby ¡Power ¡

[…] ¡same ¡devices ¡serve ¡simultaneously ¡as ¡ gates ¡(logic) ¡and ¡latches ¡(memory) ¡that ¡use ¡ resistance ¡instead ¡of ¡voltage[…] ¡

4 ¡

Emerging ¡ Devices ¡ Models ¡ Circuits ¡ System ¡ Applica4ons ¡ Emerging ¡ Devices ¡ System ¡ Applica4ons ¡ Virtual ¡prototyping ¡ Experimental ¡demonstra4on ¡

Today ¡

CMOS ¡demonstrator ¡ C i r c u i t s ¡ CMOS ¡ System ¡ Applica4ons ¡ Circuits ¡

5 ¡

Electronic ¡Re4nas ¡

« ¡Scamp ¡3 ¡» ¡128x128 ¡ chip ¡, ¡P. ¡Dudek ¡web ¡site, ¡

• U. ¡Manchester ¡(UK) ¡

« ¡PARIS ¡» ¡Mixed ¡A/D ¡image ¡processor, ¡ IEF, ¡U. ¡Paris-­‑Sud, ¡(FR) ¡ Real ¡(CMOS) ¡circuit ¡ Real ¡(CMOS) ¡circuit ¡

6 ¡

Re4na ¡& ¡Power ¡efficiency ¡

IEEE-­‑ ¡CAMP ¡2005 ¡

[…] ¡Even ¡when ¡obsolete ¡process ¡are ¡used ¡for ¡the ¡ re4na, ¡results ¡showed ¡that ¡analog ¡processing ¡ requires ¡lower ¡power ¡consump4on ¡than ¡digital ¡

• processing. ¡In ¡addi4on, ¡the ¡execu4on ¡4me ¡is ¡

shorter ¡since ¡the ¡size ¡of ¡the ¡re4na ¡is ¡reasonably ¡

• large. ¡

Garcia ¡Lorca ¡sojware ¡version ¡of ¡Deriche ¡Filter ¡ for ¡edge ¡detec4on ¡versus ¡Re4na’s ¡Deriche ¡filter ¡ Edge ¡detec4on ¡

Real ¡(CMOS) ¡Circuit ¡

7 ¡

Neural ¡Networks ¡

V !"#$%&'($

Stewart et al, Nanoletters 2004 8 ¡

Spiking ¡Neurons ¡& ¡Memristors ¡

• D. ¡Querlioz, ¡ ¡

IJCNN-­‑2011 ¡

9 ¡

Address ¡Event ¡Representa4on ¡

siliconre4na.ini.uzh.ch ¡ A v a i l a b l e ¡ ( C M O S ) ¡ P r

• d

u c t ¡

10 ¡

Memristors ¡to ¡Synapses ¡(1) ¡

[…] ¡the ¡4tanium ¡oxide ¡bilayer ¡resis4ve ¡ switching ¡device ¡seems ¡to ¡have ¡great ¡ poten4al ¡for ¡mimicking ¡biological ¡synapses ¡ […]hybrid ¡system ¡composed ¡of ¡CMOS ¡ neurons ¡and ¡memristor ¡synapses ¡can ¡ support ¡important ¡synap4c ¡func4ons ¡ such ¡as ¡spike ¡4ming ¡dependent ¡

• plas4city. ¡

Real ¡(Si+Ag) ¡Device ¡ Real ¡(TiOx) ¡Device ¡

Gwangju ¡Univ. ¡Korea ¡ 11 ¡

Memristors ¡to ¡Synapse ¡(2) ¡

We ¡demonstrated ¡a ¡hybrid ¡ nanopar4cle-­‑organic ¡device ¡[…] ¡ to ¡mimic ¡the ¡short-­‑term ¡plas4city ¡of ¡ a ¡biological ¡synapse. ¡ ¡ […]such ¡mixed ¡nanotube–polymer ¡ devices ¡have ¡all ¡the ¡characteris4cs ¡of ¡ ar4ficial ¡synapses. ¡ ¡ Real ¡Device ¡(CNT) ¡ Real ¡Device ¡ ¡

12 ¡

Learning ¡func4ons ¡

¡0 ¡ ¡ ¡ ¡0 ¡ ¡ ¡0 ¡ ¡ ¡1 ¡ 0 ¡ ¡ ¡ ¡0 ¡ ¡ ¡ ¡1 ¡ ¡ ¡ ¡0 ¡ Epoch ¡1 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡3 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡4 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡5 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡6 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡7 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡8 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Before ¡ Ajer ¡

MAJ(/A, ¡B, ¡C) ¡ C.(/A+/ ¡B) ¡

NAND3 ¡ /A.B.C ¡ 3-­‑input ¡func4ons ¡

2-­‑inputs ¡ Analog ¡ ¡ result ¡ Teacher ¡ Out ¡ Learning ¡clock ¡

Experimental ¡demonstra4on ¡

13 ¡

Hybrid ¡technology ¡

14 ¡

Emerging ¡ Devices ¡ Models ¡ Circuits ¡ System ¡ Applica4ons ¡ Emerging ¡ Devices ¡ System ¡ Virtual ¡prototyping ¡ Experimental ¡demonstra4on ¡

Challenge ¡

Circuits ¡ Low ¡Power ¡ High ¡Speed ¡ High ¡Reliability ¡

15 ¡

Conclusion ¡: ¡we ¡need… ¡

• Short ¡term: ¡

– Bridge ¡the ¡gap ¡between ¡ ¡ Emerging ¡Devices ¡& ¡Func4ons ¡

• Long ¡term: ¡

– Bring ¡together ¡the ¡pieces ¡of ¡puzzle ¡: ¡ ¡ Emerging ¡Devices ¡+Neuron/Re4na ¡+ ¡Coding ¡ scheme) ¡

• Requires ¡mul4disciplinary ¡collabora4ons ¡

Technology ¡ Design ¡ Physics ¡ Architecture ¡ Product ¡

16 ¡

17 ¡

Thank ¡You ¡! ¡