[發(fā)明專利]基于R-SpiNNaker系統(tǒng)構(gòu)建脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110956273.3
• 申請日: 2021-08-19
• 公開（公告）號: CN113705783A
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫滕諶;孟凡;張大華;石萬文
• 申請（專利權(quán)）人: 北京他山科技有限公司
• 主分類號: G06N3/04
• 分類號: G06N3/04;G06N3/06;G06N3/08
• 代理公司: 北京金之橋知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11137
• 代理人: 林建軍

提供了基于R?SpiNNaker系統(tǒng)構(gòu)建的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。R?SpiNNaker系統(tǒng)包括多個芯片，所述多個芯片的每個包括神經(jīng)單元與一個或多個網(wǎng)絡(luò)端口或點(diǎn)對點(diǎn)端口；經(jīng)單元包括一個或多個神經(jīng)元；所述多個芯片通過各自的網(wǎng)絡(luò)端口或點(diǎn)對點(diǎn)端口連接；所述多個芯片的一個或多個芯片各自的神經(jīng)單元包括第一神經(jīng)單元與第二神經(jīng)單元；第一神經(jīng)單元的多個神經(jīng)元共同構(gòu)成一個或多個第一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；第二神經(jīng)單元的多個神經(jīng)元共同構(gòu)成一個或多個第二神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請涉及基于R-SpiNNaker系統(tǒng)構(gòu)建脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SNN)，具體地，構(gòu)建具有不同層級的多個SNN，用于分布式電容測量和物體感知。

背景技術(shù)

曼徹斯特大學(xué)的Steve B.Furber教授主持的SpiNNaker項目(參見IEEE-JournalsMagazines Volume 62,Issue 12,Dec.2013上的“Overview of the SpiNNakerSystem architecture”)的初衷是試圖理解和模擬人類大腦如何表示何處理信息的。SpiNNaker試圖模擬哺乳類動物的大腦行為，并不涉及模擬哺乳類動物感官行為，因此SpiNNaker是一個大規(guī)模并行多核純數(shù)字計算系統(tǒng)。它可以包含多達(dá)1,036,800個ARM9核和7Tbytes的RAM，分布在整個系統(tǒng)的57K節(jié)點(diǎn)(芯片)中，每個節(jié)點(diǎn)包含18個核，可以模擬10億個神經(jīng)元的行為。

圖1A是SpiNNaker芯片架構(gòu)的示意圖。

SpiNNaker的中心思想是所有計算信息都是由AER(地址事件表示方式，AddressEvent Representation)表示的。AER的基本原理在腦神經(jīng)科學(xué)中得到了很好的證實(shí)，即當(dāng)一個神經(jīng)元觸發(fā)脈沖是一個純粹的異步事件。所有的信息只需包含脈沖產(chǎn)生的時間和發(fā)出脈沖的神經(jīng)元的身份地址。在SpiNNaker系統(tǒng)中，每個節(jié)點(diǎn)(芯片)都有自己獨(dú)立的時鐘，接受信息的神經(jīng)元只需知道接受脈沖的源地址和兩個脈沖之間間隔的相對時間即可，因此在AER系統(tǒng)中，當(dāng)一個神經(jīng)元發(fā)出脈沖時只需傳遞它的身份地址，而脈沖產(chǎn)生的相對時間間隔信息由接受神經(jīng)元所在的節(jié)點(diǎn)自行計算出來，由于SpiNNaker需要模擬10億個神經(jīng)元，因此需要4個字節(jié)32位地址空間。實(shí)現(xiàn)SpiNNaker思想的關(guān)鍵是每一個節(jié)點(diǎn)(芯片)都設(shè)置一個片上路由器，AER信息通訊是通過片上路由器以組播路由的方式實(shí)現(xiàn)的。每個片上路由器都有24個路由通道，其中18個用于片內(nèi)18個核的信息通訊，其余6個用于片間通訊，由于SpiNNaker的目標(biāo)是用5萬7千個18核芯片集群組成百萬核級超級計算機(jī)來模擬人腦活動，其6個片間路由物理通道采用適用近距離通訊的7線制高速異步鏈路。節(jié)點(diǎn)之間通過交換承載AER信息的數(shù)據(jù)包來實(shí)現(xiàn)，將承載AER信息的數(shù)據(jù)包稱為AER包。

基于電容的傳感器被廣泛應(yīng)用。類似于ADC(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，Analog DigitalConverter)，CDC(電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器)測量電容值并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出。

圖1B展示了利用CDC測量電容的電容測量單元的示意圖。電容測量單元包括CDC、電容極板與連接線。連接線將電容極板連接到CDC，從而CDC得以向電容極板施加激勵或接收響應(yīng)以測量電容。

CDC包括激勵信號線端口(AEC)與互電容輸入信號線端口(ACC)。可選地，CDC還包括自電容信號線端口(SCA)、主動屏蔽信號線端口(SHD)和/或同步時鐘端口(CLK)。EXC代表激勵源，例如方波信號源。

在一種工作模式中，被測量的電容(Cm)的兩個極板分別與激勵信號線端口(AEC)與互電容輸入信號線端口(ACC)相連，構(gòu)成互電容測量回路。激勵源EXC連接到激勵信號線端口(AEC)，CDC通過其激勵信號線端口(AEC)向電容(Cm)的極板施加激勵信號，并通過其互電容輸入信號線端口(ACC)采集從電容(Cm)的極板獲取的對激勵信號的響應(yīng)，并根據(jù)響應(yīng)測量電容(Cm)的電容值。由于電容(Cm)的兩個極板都同CDC相連，將電容(Cm)稱為互電容。