DHyANA : neuromorphic architecture for liquid computing

Abstract

Neural Networks has been a subject of research for at least sixty years. From the effectiveness in processing information to the amazing ability of tolerating faults, there are countless processing mechanisms in the brain that fascinates us. Thereupon, it comes with no surprise that as enabling technologies have become available, scientists and engineers have raised the efforts to understand, simulate and mimic parts of it. In a similar approach to that of the Human Genome Project, the quest for innovative technologies within the field has given birth to billion dollar projects and global efforts, what some call a global blossom of neuroscience research. Advances in hardware have made the simulation of millions or even billions of neurons possible. However, existing approaches cannot yet provide the even more dense interconnect for the massive number of neurons and synapses required. In this regard, this work proposes DHyANA (Digital HierArchical Neuromorphic Architecture), a new hardware architecture for a spiking neural network using hierarchical network-on-chip communication. The architecture is optimized for Liquid State Machine (LSM) implementations. DHyANA was exhaustively tested in simulation platforms, as well as implemented in an Altera Stratix IV FPGA. Furthermore, a logic synthesis analysis using 65-nm CMOS technology was performed in order to evaluate and better compare the resulting system with similar designs, achieving an area of 0.23mm2 and a power dissipation of 147mW for a 256 neurons implementation.

Redes Neurais têm sido um tema de pesquisas por pelo menos sessenta anos. Desde a eficácia no processamento de informações à incrível capacidade de tolerar falhas, são incontáveis os mecanismos no cérebro que nos fascinam. Assim, não é nenhuma surpresa que, na medida que tecnologias facilitadoras tornam-se disponíveis, cientistas e engenheiros têm aumentado os esforços para o compreender e simular. Em uma abordagem semelhante à do Projeto Genoma Humano, a busca por tecnologias inovadoras na área deu origem a projetos internacionais que custam bilhões de dólares, o que alguns denominam o despertar global de pesquisa da neurociência. Avanços em hardware fizeram a simulação de milhões ou até bilhões de neurônios possível. No entanto, as abordagens existentes ainda não são capazes de fornecer a densidade de conexões necessária ao enorme número de neurônios e sinapses. Neste sentido, este trabalho propõe DHyANA (Arquitetura Digital Neuromórfica Hierárquica), uma nova arquitetura em hardware para redes neurais pulsadas, a qual utiliza comunicação em rede-em-chip hierárquica. A arquitetura é otimizada para implementações de Máquinas de Estado Líquido. A arquitetura DHyANA foi exaustivamente testada em plataformas de simulação, bem como implementada em uma FPGA Stratix IV da Altera. Além disso, foi realizada a síntese lógica em tecnologia 65nm, a fim de melhor avaliar e comparar o sistema resultante com projetos similares, alcançando uma área de 0,23mm2 e potência de 147mW para uma implementação de 256 neurônios.