Дослідження режимів вихідної генерації лінеаризованих штучних нейронів на базі апаратного рішення із ПЛІС архітектурою

Автор(и)

  • Є. М. Сніжко Днепровский национальный университет им. О. Т. Гончара, Україна
  • Дмитрий Владимирович Чернетченко Днепровский национальный университет им. О. Т. Гончара, Україна https://orcid.org/0000-0003-3644-0334

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347020020053

Ключові слова:

модель штучного нейрона, математична модель нейрону, штучна нейронна мережа, мультистабільна нейронна мережа, ПЛІС, Spartan-3E, VHDL

Анотація

Виконано розробку вбудованого програмного забезпечення для впровадження та тестування базової поведінки штучної моделі мультистабільного нейрона за допомогою апаратної архітектури програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС). Досліджено і реалізовано реальну поведінку і функцію біологічного нейрона із лінеаризованими характеристиками активації мовою програмування VHDL. За базову обрано модель тристабільного нейрона з трьома асиметричними дендритами. Для розробки апаратної моделі використано компартментальну математичну модель нейрона, на базі якої синтезовано відповідну дискретну модель. Модель складається з таких модулів як вхідний блок, таймер, генератор тактової частоти, пороговий елемент та блок генерації вихідного сигналу. Показано, що реалізована система дозволяє синтезувати нейронну модель із заздалегідь заданим числом стабільних дискретних станів, при цьому нейрон зміню свій стабільний стан в залежності від вхідного вектору. Кожному стабільному стану відповідає своя вихідна функція нейрона. Розроблена модель штучних нейронів реалізована на комплектації Digilent Basys ІІ Spartan-3E XC3S100E FPGA у середовищі WebPACKTM ISE 13.3. Наведено результати генерації різних вихідних паттернів, в залежності від послідовності вхідних синаптичних активацій та структури нейрона. Результати роботи дозволяють дослідити швидкодіючі нейронні мережі із динамічною структурою із застосуванням ПЛІС, що може бути використано для широкого кола сучасних задач, таких як розпізнавання, класифікація паттернів і для розробки елементів штучного інтелекту.

Біографія автора

Дмитрий Владимирович Чернетченко, Днепровский национальный университет им. О. Т. Гончара

Факультет физики, электроники и компьютерных систем,

кафедра экспериментальной физики и физики металлов,

должность: ассистент

Посилання

J. A. Bailey, R. Wilcock, P. R. Wilson, and J. E. Chad, “Behavioral simulation and synthesis of biological neuron systems using synthesizable VHDL,” Neurocomputing, vol. 74, no. 14–15, pp. 2392–2406, Jul. 2011, doi: https://doi.org/10.1016/j.neucom.2011.04.001.

P. Wilson, B. Metcalfe, J. Graham-Harper-Cater, and J. A. Bailey, “A reconfigurable architecture for real-time digital simulation of neurons,” in 2017 Intelligent Systems Conference, IntelliSys 2017, 2018, vol. 2018-January, pp. 66–75, doi: https://doi.org/10.1109/IntelliSys.2017.8324340.

R. R. Borges et al., “Effects of the spiketiming-dependent plasticity on the synchronisation in a random Hodgkin-Huxley neuronal network,” Commun. Nonlinear Sci. Numer. Simul., vol. 34, pp. 12–22, 2016, doi: https://doi.org/10.1016/j.cnsns.2015.10.005.

J. E. G-H-Cater, C. T. Clarke, B. W. Metcalfe, and P. R. Wilson, “A reconfigurable architecture for implementing locally connected neural arrays,” in Advances in Intelligent Systems and Computing, 2019, vol. 857, pp. 76–92, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-01177-2_6.

I. Sahin and N. K. Saritekin, “A data path design tool for automatically mapping artificial neural networks on to FPGA-based systems,” J. Electr. Eng. Technol., vol. 11, no. 5, pp. 1466–1474, Sep. 2016, doi: https://doi.org/10.5370/JEET.2016.11.5.1466.

E. Z. Mohammed and H. K. Ali, “Hardware Implementation of Artificial Neural Network Using Field Programmable Gate Array,” Int. J. Comput. Theory Eng., pp. 780–783, 2013, doi: https://doi.org/10.7763/ijcte.2013.v5.795.

F. Pérez-Peña, A. Morgado-Estévez, and A. Linares-Barranco, “Inter-spikes-intervals exponential and gamma distributions study of neuron firing rate for SVITE motor control model on FPGA,” Neurocomputing, vol. 149, no. PB, pp. 496–504, Feb. 2015, doi: https://doi.org/10.1016/j.neucom.2014.08.024.

F. Akopyan et al., “TrueNorth: Design and Tool Flow of a 65 mW 1 Million Neuron Programmable Neurosynaptic Chip,” IEEE Trans. Comput. Des. Integr. Circuits Syst., vol. 34, no. 10, pp. 1537–1557, Oct. 2015, doi: https://doi.org/10.1109/TCAD.2015.2474396.

W. Rawat and Z. Wang, “Deep convolutional neural networks for image classification: A comprehensive review,” Neural Computation, vol. 29, no. 9. MIT Press Journals, pp. 2352–2449, 01-Sep-2017, doi: https://doi.org/10.1162/NECO_a_00990.

Y. Ghelamallah, D. Chalabi, A. Saïdane, and Z. Chalabi, “Implementation on FPGA circuit of the medical image processing algorithms within the framework of assistance to the medical diagnosis,” Int. Rev. Comput. Softw., vol. 10, no. 10, pp. 987–994, 2015, doi: https://doi.org/10.15866/irecos.v10i10.7155.

A. Podili, C. Zhang, and V. Prasanna, “Fast and efficient implementation of Convolutional Neural Networks on FPGA,” in Proceedings of the International Conference on Application-Specific Systems, Architectures and Processors, 2017, pp. 11–18, doi: https://doi.org/10.1109/ASAP.2017.7995253.

S. M. Korogod and D. V. Chernetchenko, “Nature of Electrical Tristability in a Neuron Model with Bistable Asymmetrical Dendrites,” Neurophysiology, vol. 40, no. 5–6, pp. 412–416, Sep. 2008, doi: https://doi.org/10.1007/s11062-009-9067-2.

Є. М. Сніжко і Д. В. Чернетченко, “Динаміка електричних потенціалів моделі мережі нейронів із нелінійними функціями активації,” Вісник ДНУ. Серія Фізика. Радіоелектроніка, Т. 20, № 2, с. 50–57, 2012.

A. Alaburda, M. Alaburda, A. Baginskas, A. Gutman, and G. Svirskis, “Criteria of bistability of the cylindrical dendrite with a variable negative slope of the N-shaped current-voltage membrane characteristic,” Biofizika, vol. 46, no. 2, p. 340, 2001, Accessed: 04-Feb-2020. [Online]. Available: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11368033.

S. Yin et al., “A High Energy Efficient Reconfigurable Hybrid Neural Network Processor for Deep Learning Applications,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 53, no. 4, pp. 968–982, Apr. 2018, doi: https://doi.org/10.1109/JSSC.2017.2778281.

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-03-28

Як цитувати

Сніжко, Є. М., & Чернетченко, Д. В. (2020). Дослідження режимів вихідної генерації лінеаризованих штучних нейронів на базі апаратного рішення із ПЛІС архітектурою. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 63(2), 114–124. https://doi.org/10.20535/S0021347020020053

Номер

Том 63 № 2 (2020)

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.