[发明专利]基于R-SpiNNaker系统构建脉冲神经网络

说明书

提供了基于R‑SpiNNaker系统构建的脉冲神经网络。R‑SpiNNaker系统包括多个芯片，所述多个芯片的每个包括神经单元与一个或多个网络端口或点对点端口；经单元包括一个或多个神经元；所述多个芯片通过各自的网络端口或点对点端口连接；所述多个芯片的一个或多个芯片各自的神经单元包括第一神经单元与第二神经单元；第一神经单元的多个神经元共同构成一个或多个第一神经网络；第二神经单元的多个神经元共同构成一个或多个第二神经网络。

技术领域

本申请涉及基于R-SpiNNaker系统构建脉冲神经网络(SNN)，具体地，构建具有不同层级的多个SNN，用于分布式电容测量和物体感知。

背景技术

曼彻斯特大学的Steve B.Furber教授主持的SpiNNaker项目(参见IEEE-JournalsMagazines Volume 62,Issue 12,Dec.2013上的“Overview of the SpiNNakerSystem architecture”)的初衷是试图理解和模拟人类大脑如何表示何处理信息的。SpiNNaker试图模拟哺乳类动物的大脑行为，并不涉及模拟哺乳类动物感官行为，因此SpiNNaker是一个大规模并行多核纯数字计算系统。它可以包含多达1,036,800个ARM9核和7Tbytes的RAM，分布在整个系统的57K节点(芯片)中，每个节点包含18个核，可以模拟10亿个神经元的行为。

图1A是SpiNNaker芯片架构的示意图。

SpiNNaker的中心思想是所有计算信息都是由AER(地址事件表示方式，AddressEvent Representation)表示的。AER的基本原理在脑神经科学中得到了很好的证实，即当一个神经元触发脉冲是一个纯粹的异步事件。所有的信息只需包含脉冲产生的时间和发出脉冲的神经元的身份地址。在SpiNNaker系统中，每个节点(芯片)都有自己独立的时钟，接受信息的神经元只需知道接受脉冲的源地址和两个脉冲之间间隔的相对时间即可，因此在AER系统中，当一个神经元发出脉冲时只需传递它的身份地址，而脉冲产生的相对时间间隔信息由接受神经元所在的节点自行计算出来，由于SpiNNaker需要模拟10亿个神经元，因此需要4个字节32位地址空间。实现SpiNNaker思想的关键是每一个节点(芯片)都设置一个片上路由器，AER信息通讯是通过片上路由器以组播路由的方式实现的。每个片上路由器都有24个路由通道，其中18个用于片内18个核的信息通讯，其余6个用于片间通讯，由于SpiNNaker的目标是用5万7千个18核芯片集群组成百万核级超级计算机来模拟人脑活动，其6个片间路由物理通道采用适用近距离通讯的7线制高速异步链路。节点之间通过交换承载AER信息的数据包来实现，将承载AER信息的数据包称为AER包。

基于电容的传感器被广泛应用。类似于ADC(模拟数字转换器，Analog DigitalConverter)，CDC(电容数字转换器)测量电容值并转换为数字量输出。

图1B展示了利用CDC测量电容的电容测量单元的示意图。电容测量单元包括CDC、电容极板与连接线。连接线将电容极板连接到CDC，从而CDC得以向电容极板施加激励或接收响应以测量电容。

CDC包括激励信号线端口(AEC)与互电容输入信号线端口(ACC)。可选地，CDC还包括自电容信号线端口(SCA)、主动屏蔽信号线端口(SHD)和/或同步时钟端口(CLK)。EXC代表激励源，例如方波信号源。

在一种工作模式中，被测量的电容(Cm)的两个极板分别与激励信号线端口(AEC)与互电容输入信号线端口(ACC)相连，构成互电容测量回路。激励源EXC连接到激励信号线端口(AEC)，CDC通过其激励信号线端口(AEC)向电容(Cm)的极板施加激励信号，并通过其互电容输入信号线端口(ACC)采集从电容(Cm)的极板获取的对激励信号的响应，并根据响应测量电容(Cm)的电容值。由于电容(Cm)的两个极板都同CDC相连，将电容(Cm)称为互电容。