In Materia Neuron Spiking Plasticity for Sequential Event Processing Based on Dual‐Mode Memristor
Creators
- 1. Peking University
- 2. Zhejiang University
- 3. University of Cambridge
Description
Artificial neurons are the fundamental elements in neuromorphic computing systems. Studies have revealed neuronal spike‐rate adaptation owing to intrinsic plasticity that neurons will adapt to the spiking patterns and store the events in the background spiking through clustered neuronal spiking. The event can be reactivated by specific retrieval clues instead of solely relying on synaptic plasticity. However, the neural adaptation, as well as the interactive adaptations of neuronal activity for information processing, have not been implemented. Herein, an artificial adaptive neuron via in materia modulation of the VO 2 /HfO 2 based dual‐mode memristor is demonstrated. By changing the conductance of the HfO 2 layer, the firing threshold can be modulated, thus the excitability and inhibition can be adjusted according to the previous stimuli without any complex peripherals, showing an adaptive firing rate even under the same stimuli. The artificial neuron clusters can emulate the concept of neuronal memory and neural adaptation, demonstrating spatiotemporal encoding capabilities via the correlated neural firing patterns. This conceptual work provides an alternative way to expand the computation power of spiking neural networks by exploiting the neural adaptation and could be enlightenment to maximize the synergy across both synapse and neuron in neuromorphic computing systems.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
الخلايا العصبية الاصطناعية هي العناصر الأساسية في أنظمة الحوسبة العصبية. كشفت الدراسات عن تكيف معدل الارتفاعات العصبية بسبب اللدونة الجوهرية التي ستتكيف بها الخلايا العصبية مع أنماط الارتفاعات وتخزن الأحداث في الخلفية من خلال الارتفاعات العصبية المتجمعة. يمكن إعادة تنشيط الحدث من خلال أدلة استرجاع محددة بدلاً من الاعتماد فقط على اللدونة المتشابكة. ومع ذلك، لم يتم تنفيذ التكيف العصبي، وكذلك التكيفات التفاعلية للنشاط العصبي لمعالجة المعلومات. هنا، يتم عرض خلية عصبية تكيفية اصطناعية عبر التعديل المادي لمقاوم الذاكرة ثنائي الوضع القائم على VO 2 /HfO 2. من خلال تغيير موصلية طبقة HfO 2، يمكن تعديل عتبة الإطلاق، وبالتالي يمكن ضبط الاستثارة والتثبيط وفقًا للمنبهات السابقة دون أي أجهزة طرفية معقدة، مما يدل على معدل إطلاق تكيفي حتى في ظل نفس المنبهات. يمكن لمجموعات الخلايا العصبية الاصطناعية محاكاة مفهوم الذاكرة العصبية والتكيف العصبي، مما يدل على قدرات الترميز الزماني المكاني عبر أنماط الإطلاق العصبي المترابطة. يوفر هذا العمل المفاهيمي طريقة بديلة لتوسيع القدرة الحسابية للشبكات العصبية المتصاعدة من خلال استغلال التكيف العصبي ويمكن أن يكون استنارة لزيادة التآزر عبر كل من المشبك العصبي والخلية العصبية في أنظمة الحوسبة العصبية.Translated Description (French)
Les neurones artificiels sont les éléments fondamentaux des systèmes informatiques neuromorphes. Des études ont révélé une adaptation du taux de pics neuronaux en raison de la plasticité intrinsèque que les neurones s'adaptent aux schémas de pics et stockent les événements en arrière-plan grâce à des pics neuronaux groupés. L'événement peut être réactivé par des indices de récupération spécifiques au lieu de s'appuyer uniquement sur la plasticité synaptique. Cependant, l'adaptation neuronale, ainsi que les adaptations interactives de l'activité neuronale pour le traitement de l'information, n'ont pas été mises en œuvre. Ici, un neurone adaptatif artificiel via une modulation in materia du memristor bimode à base de VO 2 /HfO 2 est démontré. En modifiant la conductance de la couche HfO 2, le seuil de déclenchement peut être modulé, ainsi l'excitabilité et l'inhibition peuvent être ajustées en fonction des stimuli précédents sans aucun périphérique complexe, montrant une vitesse de déclenchement adaptative même sous les mêmes stimuli. Les groupes de neurones artificiels peuvent émuler le concept de mémoire neuronale et d'adaptation neuronale, démontrant des capacités de codage spatio-temporel via les modèles de déclenchement neuronal corrélés. Ce travail conceptuel fournit un moyen alternatif d'étendre la puissance de calcul des réseaux de neurones dopants en exploitant l'adaptation neuronale et pourrait être éclairant pour maximiser la synergie entre les synapses et les neurones dans les systèmes informatiques neuromorphes.Translated Description (Spanish)
Las neuronas artificiales son los elementos fundamentales en los sistemas informáticos neuromórficos. Los estudios han revelado la adaptación de la tasa de picos neuronales debido a la plasticidad intrínseca de que las neuronas se adaptarán a los patrones de picos y almacenarán los eventos en el fondo a través de picos neuronales agrupados. El evento puede reactivarse mediante pistas de recuperación específicas en lugar de depender únicamente de la plasticidad sináptica. Sin embargo, la adaptación neuronal, así como las adaptaciones interactivas de la actividad neuronal para el procesamiento de la información, no se han implementado. En este documento, se demuestra una neurona adaptativa artificial a través de la modulación in materia del memristor de modo dualbasado en VO 2 /HfO 2. Al cambiar la conductancia de la capa de HfO 2, se puede modular el umbral de disparo, por lo que la excitabilidad y la inhibición se pueden ajustar de acuerdo con los estímulos anteriores sin ningún periférico complejo, mostrando una velocidad de disparo adaptativa incluso bajo los mismos estímulos. Los grupos de neuronas artificiales pueden emular el concepto de memoria neuronal y adaptación neuronal, demostrando capacidades de codificación espaciotemporal a través de los patrones de activación neuronal correlacionados. Este trabajo conceptual proporciona una forma alternativa de expandir el poder de cálculo de las redes neuronales de picos mediante la explotación de la adaptación neuronal y podría ser una iluminación para maximizar la sinergia tanto en la sinapsis como en la neurona en los sistemas informáticos neuromórficos.Files
download.pdf
Files
(2.2 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:b83e052ad95487edb13655fcfe7e23d6
|
2.2 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- في المواد العصبية تصاعد اللدونة لمعالجة الأحداث المتسلسلة بناءً على مقاوم الذاكرة ثنائيالوضع
- Translated title (French)
- Plasticité de dopage des neurones In Materia pour le traitement séquentiel des événements basé sur un mémoire àdoublemode
- Translated title (Spanish)
- Plasticidad de estimulación neuronal en materia para el procesamiento secuencial de eventos basado en un memistor demodo dual
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4221004380
- DOI
- 10.1002/aisy.202100264
References
- https://openalex.org/W1502963283
- https://openalex.org/W1521233350
- https://openalex.org/W1985489865
- https://openalex.org/W2033708181
- https://openalex.org/W2041862584
- https://openalex.org/W2066989363
- https://openalex.org/W2138913040
- https://openalex.org/W2164126088
- https://openalex.org/W2164990192
- https://openalex.org/W2170007119
- https://openalex.org/W2289996588
- https://openalex.org/W2389556795
- https://openalex.org/W2481995903
- https://openalex.org/W2623266097
- https://openalex.org/W2725814939
- https://openalex.org/W2792208628
- https://openalex.org/W2979879900
- https://openalex.org/W2998840182
- https://openalex.org/W3002434563
- https://openalex.org/W3022214422
- https://openalex.org/W3048814456
- https://openalex.org/W3059205627
- https://openalex.org/W3100658279
- https://openalex.org/W3104609718
- https://openalex.org/W3140196993
- https://openalex.org/W4206344586