Technologies émergentes de mémoire résistive pour les systèmes et application neuromorphique

Emerging Resistive Memory Technology for Neuromorphic Systems and Applications

• Auteur / Autrice : Manan Suri
• Direction : Barbara De Salvo, Dominique Vuillaume
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologie industrielles
• Date : Soutenance le 18/09/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire d'Electronique, de Technologie et d'Instrumentation
• Jury : Président / Présidente : Gérard Ghibaudo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rose-marie Sauvage, Philippe Candelier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Daniele Ielmini, Giacomo Indiveri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ingénierie

Mots clés libres

Mémoire à changement de phase

Réseau de neurones artificiels

Synapse de mémoire résistive

Informatique cognitive, visuelle et auditive

Extraction de motifs

Phase Change Memory (PCM)

Conductive Bridge Memory (CBRAM)

Spiking Neural Networks

Neuromorphic Computing

Resistive Oxide Memor

Cognitive Computing

Résumé

La recherche dans le domaine de l’informatique neuro-inspirée suscite beaucoup d'intérêt depuis quelques années. Avec des applications potentielles dans des domaines tels que le traitement de données à grande échelle, la robotique ou encore les systèmes autonomes intelligents pour ne citer qu'eux, des paradigmes de calcul bio-inspirés sont étudies pour la prochaine génération solutions informatiques (post-Moore, non-Von Neumann) ultra-basse consommation. Dans ce travail, nous discutons les rôles que les différentes technologies de mémoire résistive non-volatiles émergentes (RRAM), notamment (i) Phase Change Memory (PCM), (ii) Conductive-Bridge Memory (CBRAM) et de la mémoire basée sur une structure Metal-Oxide (OXRAM) peuvent jouer dans des dispositifs neuromorphiques dédies. Nous nous concentrons sur l'émulation des effets de plasticité synaptique comme la potentialisation à long terme (Long Term Potentiation, LTP), la dépression à long terme (Long Term Depression, LTD) et la théorie STDP (Spike-Timing Dependent Plasticity) avec des synapses RRAM. Nous avons développé à la fois de nouvelles architectures de faiblement énergivore, des méthodologies de programmation ainsi que des règles d’apprentissages simplifiées inspirées de la théorie STDP spécifiquement optimisées pour certaines technologies RRAM. Nous montrons l’implémentation de systèmes neuromorphiques a grande échelle et efficace énergétiquement selon deux approches différentes: (i) des synapses multi-niveaux déterministes et (ii) des synapses stochastiques binaires. Des prototypes d'applications telles que l’extraction de schéma visuel et auditif complexe sont également montres en utilisant des réseaux de neurones impulsionnels (Feed-forward Spiking Neural Network, SNN). Nous introduisons également une nouvelle méthodologie pour concevoir des neurones stochastiques très compacts qui exploitent les caractéristiques physiques intrinsèques des appareils CBRAM.

Research in the field of neuromorphic- and cognitive- computing has generated a lot of interest in recent years. With potential application in fields such as large-scale data driven computing, robotics, intelligent autonomous systems to name a few, bio-inspired computing paradigms are being investigated as the next generation (post-Moore, non-Von Neumann) ultra-low power computing solutions. In this work we discuss the role that different emerging non-volatile resistive memory technologies (RRAM), specifically (i) Phase Change Memory (PCM), (ii) Conductive-Bridge Memory (CBRAM) and Metal-Oxide based Memory (OXRAM) can play in dedicated neuromorphic hardware. We focus on the emulation of synaptic plasticity effects such as long-term potentiation (LTP), long term depression (LTD) and spike-timing dependent plasticity (STDP) with RRAM synapses. We developed novel low-power architectures, programming methodologies, and simplified STDP-like learning rules, optimized specifically for some RRAM technologies. We show the implementation of large-scale energy efficient neuromorphic systems with two different approaches (i) deterministic multi-level synapses and (ii) stochastic-binary synapses. Prototype applications such as complex visual- and auditory- pattern extraction are also shown using feed-forward spiking neural networks (SNN). We also introduce a novel methodology to design low-area efficient stochastic neurons that exploit intrinsic physical effects of CBRAM devices.