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2017 | OriginalPaper | Buchkapitel

Hardware Spiking Artificial Neurons, Their Response Function, and Noises

verfasst von : Doo Seok Jeong

Erschienen in: Advances in Neuromorphic Hardware Exploiting Emerging Nanoscale Devices

Verlag: Springer India

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Abstract

In this chapter, overviewed are hardware-based spiking artificial neurons that code neuronal information by means of action potential, viz. spike, in hardware artificial neural networks (ANNs). Ongoing attempts to realize neuronal behaviours on Si ‘to a limited extent’ are addressed in comparison with biological neurons. Note that ‘to a limited extent’ in this context implicitly means ‘sufficiently’ for realizing key features of neurons as information processors. This ambiguous definition is perhaps open to a question as to what neuronal behaviours the key features encompass. The key features are delimited within the framework of neuromorphic engineering, and thus, they approximately are (i) integrate-and-fire; (ii) neuronal response function, i.e. spike-firing rate change upon synaptic current; and (iii) noise in neuronal response function. Hardware-based spiking artificial neurons are aimed to achieve these goals that are ambitious albeit challenging. Overviewing a number of attempts having made up to now illustrates approximately two seemingly different approaches to the goal: a mainstream approach with conventional active circuit elements, e.g. complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS), and an emerging one with monostable resistive switching devices, i.e. threshold switches. This chapter will cover these approaches with particular emphasis on the latter. For instance, available types of threshold switches, which are classified upon underlying physics will be dealt with in detail.

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Literatur
1.
Zurück zum Zitat Averbeck, B.B., Latham, P.E., Pouget, A.: Nat. Rev. Neurosci. 7, 358–366 (2006)CrossRef Averbeck, B.B., Latham, P.E., Pouget, A.: Nat. Rev. Neurosci. 7, 358–366 (2006)CrossRef
2.
3.
Zurück zum Zitat Indiveri, G., Linares-Barranco, B., Hamilton, T.J., van Schaik, A., Etienne-Cummings, R., Delbruck, T., Liu, S.-C., Dudek, P., Häfliger, P., Renaud, S., Schemmel, J., Cauwenberghs, G., Arthur, J., Hynna, K., Folowosele, F., Saighi, S., Serrano-Gotarredona, T., Wijekoon, J., Wang, Y., Boahen, K.: Front. Neurosci. 5, 1–23 (2011) Indiveri, G., Linares-Barranco, B., Hamilton, T.J., van Schaik, A., Etienne-Cummings, R., Delbruck, T., Liu, S.-C., Dudek, P., Häfliger, P., Renaud, S., Schemmel, J., Cauwenberghs, G., Arthur, J., Hynna, K., Folowosele, F., Saighi, S., Serrano-Gotarredona, T., Wijekoon, J., Wang, Y., Boahen, K.: Front. Neurosci. 5, 1–23 (2011)
4.
Zurück zum Zitat Hamann, C.H., Hamnett, A., Vielstich, W.: Electrochemistry, 2nd edn. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co., Weinheim (2007) Hamann, C.H., Hamnett, A., Vielstich, W.: Electrochemistry, 2nd edn. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co., Weinheim (2007)
5.
6.
Zurück zum Zitat Jeong, D.S., Kim, I., Ziegler, M., Kohlstedt, H.: RSC Adv. 3, 3169–3183 (2013)CrossRef Jeong, D.S., Kim, I., Ziegler, M., Kohlstedt, H.: RSC Adv. 3, 3169–3183 (2013)CrossRef
7.
8.
Zurück zum Zitat Dayan, P., Abbott, L.F.: Theoretical Neuroscience. The MIT Press, London (2001)MATH Dayan, P., Abbott, L.F.: Theoretical Neuroscience. The MIT Press, London (2001)MATH
10.
Zurück zum Zitat Deneve, S., Latham, P.E., Pouget, A.: Nat. Neurosci. 4, 826–831 (2001)CrossRef Deneve, S., Latham, P.E., Pouget, A.: Nat. Neurosci. 4, 826–831 (2001)CrossRef
11.
12.
Zurück zum Zitat Ma, W.J., Beck, J.M., Latham, P.E., Pouget, A.: Nat. Neurosci. 9, 1432–1438 (2006)CrossRef Ma, W.J., Beck, J.M., Latham, P.E., Pouget, A.: Nat. Neurosci. 9, 1432–1438 (2006)CrossRef
13.
14.
Zurück zum Zitat Bialek, W., Rieke, F.: de Ruyter van Steveninck R. Warland D. Science 252, 1854–1857 (1991) Bialek, W., Rieke, F.: de Ruyter van Steveninck R. Warland D. Science 252, 1854–1857 (1991)
16.
17.
Zurück zum Zitat Eliasmith, C., Anderson, C.H.: Neural Engineering: Computation, Representation, and Dynamics in Neurobiological Systems. MIT Press, Cambridge, MA (2003) Eliasmith, C., Anderson, C.H.: Neural Engineering: Computation, Representation, and Dynamics in Neurobiological Systems. MIT Press, Cambridge, MA (2003)
18.
Zurück zum Zitat Anderson, C.: Computational Intelligence Imitating Life. IEEE Press, New York (1994) Anderson, C.: Computational Intelligence Imitating Life. IEEE Press, New York (1994)
19.
Zurück zum Zitat Pouget, A., Dayan, P., Zemel, R.S.: Annu. Rev. Neurosci. 26, 381–410 (2003)CrossRef Pouget, A., Dayan, P., Zemel, R.S.: Annu. Rev. Neurosci. 26, 381–410 (2003)CrossRef
20.
Zurück zum Zitat Weiss, Y., Fleet, D.J.: Velocity Likelihoods in Biological and Machine Vision. In Statistical Theories of the Cortex. MIT Press, Cambridge, MA (2002) Weiss, Y., Fleet, D.J.: Velocity Likelihoods in Biological and Machine Vision. In Statistical Theories of the Cortex. MIT Press, Cambridge, MA (2002)
21.
Zurück zum Zitat Lim, H., Kornijcuk, V., Seok, J.Y., Kim, S.K., Kim, I., Hwang, C.S., Jeong, D.S.: Sci. Rep. (2015) Lim, H., Kornijcuk, V., Seok, J.Y., Kim, S.K., Kim, I., Hwang, C.S., Jeong, D.S.: Sci. Rep. (2015)
22.
Zurück zum Zitat Lapicque, L.: J. Physiol. Pathol. Gen. 9, 620–635 (1907) Lapicque, L.: J. Physiol. Pathol. Gen. 9, 620–635 (1907)
24.
Zurück zum Zitat Gerstner, W., Kistler, W.M.: Spiking Neuron Models: Single Neurons, Populations. Cambridge University Press, Plasticity (2002)CrossRefMATH Gerstner, W., Kistler, W.M.: Spiking Neuron Models: Single Neurons, Populations. Cambridge University Press, Plasticity (2002)CrossRefMATH
25.
Zurück zum Zitat Jolivet, R., Lewis, T.J., Gerstner, W.: Generalized Integrate-and-Fire Models of Neuronal Activity Approximate Spike Trains of a Detailed Model to a High Degree of Accuracy, vol 92. vol 2. doi:10.1152/jn.00190.2004 (2004) Jolivet, R., Lewis, T.J., Gerstner, W.: Generalized Integrate-and-Fire Models of Neuronal Activity Approximate Spike Trains of a Detailed Model to a High Degree of Accuracy, vol 92. vol 2. doi:10.​1152/​jn.​00190.​2004 (2004)
26.
28.
Zurück zum Zitat Nagumo, J., Arimoto, S., Yoshizawa, S.: Proc. IRE 50, 2061–2070 (1962)CrossRef Nagumo, J., Arimoto, S., Yoshizawa, S.: Proc. IRE 50, 2061–2070 (1962)CrossRef
30.
Zurück zum Zitat Kepler, T., Abbott, L.F., Marder, E.: Biol. Cybern. 66, 381–387 (1992)CrossRef Kepler, T., Abbott, L.F., Marder, E.: Biol. Cybern. 66, 381–387 (1992)CrossRef
31.
Zurück zum Zitat Mead, C.: Analog VLSI and Neural Systems. Adison-Wesley, Reading, MA (1989)MATH Mead, C.: Analog VLSI and Neural Systems. Adison-Wesley, Reading, MA (1989)MATH
33.
Zurück zum Zitat Indiveri, G., Chicca, E., Douglas, R.: IEEE Trans. Neural Netw. 17, 211–221 (2006)CrossRef Indiveri, G., Chicca, E., Douglas, R.: IEEE Trans. Neural Netw. 17, 211–221 (2006)CrossRef
34.
Zurück zum Zitat Pickett, M.D., Medeiros-Ribeiro, G., Williams, R.S.: Nat. Mater. 12, 114–117 (2012)CrossRef Pickett, M.D., Medeiros-Ribeiro, G., Williams, R.S.: Nat. Mater. 12, 114–117 (2012)CrossRef
36.
Zurück zum Zitat Jeong, D.S., Thomas, R., Katiyar, R.S., Scott, J.F., Kohlstedt, H., Petraru, A., Hwang, C.S.: Rep. Prog. Phys. 75, 076502 (2012)CrossRef Jeong, D.S., Thomas, R., Katiyar, R.S., Scott, J.F., Kohlstedt, H., Petraru, A., Hwang, C.S.: Rep. Prog. Phys. 75, 076502 (2012)CrossRef
37.
Zurück zum Zitat Jeong, D.S., Lim, H., Park, G.-H., Hwang, C.S., Lee, S.: Cheong B-k. J. Appl. Phys. 111, 102807 (2012)CrossRef Jeong, D.S., Lim, H., Park, G.-H., Hwang, C.S., Lee, S.: Cheong B-k. J. Appl. Phys. 111, 102807 (2012)CrossRef
39.
Zurück zum Zitat Lee, M.-J., Lee, D., Cho, S.-H., Hur, J.-H., Lee, S.-M., Seo, D.H., Kim, D.-S., Yang, M.-S., Lee, S., Hwang, E., Uddin, M.R., Kim, H., Chung, U.I., Park, Y., Yoo, I.-K.: Nat. Commun. 4, 2629 (2013) Lee, M.-J., Lee, D., Cho, S.-H., Hur, J.-H., Lee, S.-M., Seo, D.H., Kim, D.-S., Yang, M.-S., Lee, S., Hwang, E., Uddin, M.R., Kim, H., Chung, U.I., Park, Y., Yoo, I.-K.: Nat. Commun. 4, 2629 (2013)
40.
Zurück zum Zitat Ahn, H.-W., Jeong, D.S., Cheong, B.-K., Kim, S.-D., Shin, S.-Y., Lim, H., Kim, D., Lee, S.: ECS Solid State Lett. 2, N31–N33 (2013) Ahn, H.-W., Jeong, D.S., Cheong, B.-K., Kim, S.-D., Shin, S.-Y., Lim, H., Kim, D., Lee, S.: ECS Solid State Lett. 2, N31–N33 (2013)
42.
Zurück zum Zitat Cario, L., Vaju, C., Corraze, B., Guiot, V., Janod, E.: Adv. Mater. 22, 5193–5197 (2010)CrossRef Cario, L., Vaju, C., Corraze, B., Guiot, V., Janod, E.: Adv. Mater. 22, 5193–5197 (2010)CrossRef
44.
45.
Zurück zum Zitat Liu, X., Sadaf, S.M., Son, M., Shin, J., Park, J., Lee, J., Park, S., Hwang, H.: Nanotechnology 22, 475702 (2011)CrossRef Liu, X., Sadaf, S.M., Son, M., Shin, J., Park, J., Lee, J., Park, S., Hwang, H.: Nanotechnology 22, 475702 (2011)CrossRef
46.
Zurück zum Zitat Bienenstock, E., Cooper, L., Munro, P.: J. Neurosci. 2, 32–48 (1982) Bienenstock, E., Cooper, L., Munro, P.: J. Neurosci. 2, 32–48 (1982)
47.
Zurück zum Zitat Deneve, S., Latham, P.E., Pouget, A.: Nat. Neurosci. 2, 740–745 (1999)CrossRef Deneve, S., Latham, P.E., Pouget, A.: Nat. Neurosci. 2, 740–745 (1999)CrossRef
48.
Zurück zum Zitat DerChang, K., Tang, S., Karpov, I.V., Dodge, R., Klehn, B., Kalb, J.A., Strand, J., Diaz, A., Leung, N., Wu, J., Lee, S., Langtry, T., Kuo-wei, C., Papagianni, C., Jinwook, L., Hirst, J., Erra, S., Flores, E., Righos, N., Castro, H.: Spadini G A stackable cross point Phase Change Memory. In: IEEE International Electron Devices Meeting, vol. 7–9, pp. 1–4 (2009) DerChang, K., Tang, S., Karpov, I.V., Dodge, R., Klehn, B., Kalb, J.A., Strand, J., Diaz, A., Leung, N., Wu, J., Lee, S., Langtry, T., Kuo-wei, C., Papagianni, C., Jinwook, L., Hirst, J., Erra, S., Flores, E., Righos, N., Castro, H.: Spadini G A stackable cross point Phase Change Memory. In: IEEE International Electron Devices Meeting, vol. 7–9, pp. 1–4 (2009)
49.
Zurück zum Zitat Merolla, P.A., Arthur, J.V., Alvarez-Icaza, R., Cassidy, A.S., Sawada, J., Akopyan, F., Jackson, B.L., Imam, N., Guo, C., Nakamura, Y., Brezzo, B., Vo, I., Esser, S.K., Appuswamy, R., Taba, B., Amir, A., Flickner, M.D., Risk, W.P., Manohar, R., Modha, D.S.: Science 345, 668–673 (2014)CrossRef Merolla, P.A., Arthur, J.V., Alvarez-Icaza, R., Cassidy, A.S., Sawada, J., Akopyan, F., Jackson, B.L., Imam, N., Guo, C., Nakamura, Y., Brezzo, B., Vo, I., Esser, S.K., Appuswamy, R., Taba, B., Amir, A., Flickner, M.D., Risk, W.P., Manohar, R., Modha, D.S.: Science 345, 668–673 (2014)CrossRef
50.
Zurück zum Zitat Gehlhaar, J.: Neuromorphic processing: a new frontier in scaling computer architecture. In: Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems, Salt Lake City, UT, USA, pp. 317–318 (2014) Gehlhaar, J.: Neuromorphic processing: a new frontier in scaling computer architecture. In: Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems, Salt Lake City, UT, USA, pp. 317–318 (2014)
Metadaten
Titel
Hardware Spiking Artificial Neurons, Their Response Function, and Noises
verfasst von
Doo Seok Jeong
Copyright-Jahr
2017
Verlag
Springer India
DOI
https://doi.org/10.1007/978-81-322-3703-7_1

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