Event-based neuromorphic systems provide a low-power solution by using artificial neurons and synapses to process data asynchronously in the form of spikes. Ferroelectric Tunnel Junctions (FTJs) are ultra low-power memory devices and are well-suited to be integrated in these systems. Here, we present a hybrid FTJ-CMOS Integrate-and-Fire neuron which constitutes a fundamental building block for new-generation neuromorphic networks for edge computing. We demonstrate electrically tunable neural dynamics achievable by tuning the switching of the FTJ device.

为了寻求低功率，以生物启发的计算均基于回忆性和基于成年的人工神经网络（ANN）一直是对硬件实施神经形态计算的焦点的主题。进一步的一步，要求使用绝热计算的再生电容性神经网络，为降低能源消耗提供了诱人的途径，尤其是与“ Memimpedace”元素结合使用时。在这里，我们提出了一种人工神经元，具有绝热的突触电容器，以产生神经元的膜电位。后者通过动态闩锁比较器实现，并使用电阻随机访问存储器（RRAM）设备增强。我们最初的4位绝热电容性神经元概念验证示例显示了90％的突触能量节省。在4个突触/SOMA时，我们已经看到总体减少35％的能量。此外，工艺和温度对4位绝热突触的影响显示，在整个角落100度摄氏时，最大能量变化为30％，而没有任何功能损失。最后，我们对ANN的绝热方法的功效进行了512和1024突触/神经元的测试，最差和最佳的情况突触载荷条件以及可变的均衡电容的可变量化均等能力量化了均衡电容和最佳功率 - 电信频率范围之间的预期权衡。加载（即活动突触的百分比）。

人工智能革命（AI）提出了巨大的存储和数据处理要求。大量的功耗和硬件开销已成为构建下一代AI硬件的主要挑战。为了减轻这种情况，神经形态计算引起了极大的关注，因为它在功耗非常低的功能方面具有出色的数据处理能力。尽管无情的研究已经进行了多年，以最大程度地减少神经形态硬件的功耗，但我们离达到人脑的能源效率还有很长的路要走。此外，设计复杂性和过程变化阻碍了当前神经形态平台的大规模实现。最近，由于其出色的速度和功率指标，在低温温度中实施神经形态计算系统的概念引起了人们的兴趣。可以设计几种低温装置，可作为具有超低功率需求的神经形态原始设备。在这里，我们全面回顾了低温神经形态硬件。我们将现有的低温神经形态硬件分类为几个分层类别，并根据关键性能指标绘制比较分析。我们的分析简洁地描述了相关电路拓扑的操作，并概述了最先进的技术平台遇到的优势和挑战。最后，我们提供了见解，以规避这些挑战，以实现未来的研究发展。

传统的神经结构倾向于通过类似数量（例如电流或电压）进行通信，但是，随着CMOS设备收缩和供应电压降低，电压/电流域模拟电路的动态范围变得更窄，可用的边缘变小，噪声免疫力降低。不仅如此，在常规设计中使用操作放大器（运算放大器）和时钟或异步比较器会导致高能量消耗和大型芯片区域，这将不利于构建尖峰神经网络。鉴于此，我们提出了一种神经结构，用于生成和传输时间域信号，包括神经元模块，突触模块和两个重量模块。所提出的神经结构是由晶体管三极区域的泄漏电流驱动的，不使用操作放大器和比较器，因此与常规设计相比，能够提供更高的能量和面积效率。此外，由于内部通信通过时间域信号，该结构提供了更大的噪声免疫力，从而简化了模块之间的接线。提出的神经结构是使用TSMC 65 nm CMOS技术制造的。拟议的神经元和突触分别占据了127 UM2和231 UM2的面积，同时达到了毫秒的时间常数。实际芯片测量表明，所提出的结构成功地用毫秒的时间常数实现了时间信号通信函数，这是迈向人机交互的硬件储层计算的关键步骤。

在神经形态计算中，人工突触提供了一种基于来自神经元的输入来设置的多重导电状态，类似于大脑。可能需要超出多重权重的突触的附加属性，并且可以取决于应用程序，需要需要从相同材料生成不同的突触行为。这里，我们基于使用磁隧道结和磁畴壁的磁性材料测量人造突触。通过在单个磁隧道结下面的畴壁轨道中制造光刻槽口，我们实现了4-5个稳定的电阻状态，可以使用自旋轨道扭矩电气可重复控制。我们分析几何形状对突触行为的影响，表明梯形装置具有高可控性的不对称性重量，而直线装置具有较高的随机性，但具有稳定的电阻水平。设备数据被输入到神经形态计算模拟器中以显示特定于应用程序突触函数的有用性。实施应用于流式的时尚 - MNIST数据的人工神经网络，我们表明梯形磁突出可以用作高效在线学习的元塑功能。为CiFar-100图像识别实施卷积神经网络，我们表明直流突触由于其电阻水平的稳定性而达到近乎理想的推理精度。这项工作显示多重磁突触是神经形态计算的可行技术，并为新兴人工突触技术提供设计指南。

我们提出了Memprop，即采用基于梯度的学习来培训完全的申请尖峰神经网络（MSNNS）。我们的方法利用固有的设备动力学来触发自然产生的电压尖峰。这些由回忆动力学发出的尖峰本质上是类似物，因此完全可区分，这消除了尖峰神经网络（SNN）文献中普遍存在的替代梯度方法的需求。回忆性神经网络通常将备忘录集成为映射离线培训网络的突触，或者以其他方式依靠关联学习机制来训练候选神经元的网络。相反，我们直接在循环神经元和突触的模拟香料模型上应用了通过时间（BPTT）训练算法的反向传播。我们的实现是完全的综合性，因为突触重量和尖峰神经元都集成在电阻RAM（RRAM）阵列上，而无需其他电路来实现尖峰动态，例如模数转换器（ADCS）或阈值比较器。结果，高阶电物理效应被充分利用，以在运行时使用磁性神经元的状态驱动动力学。通过朝着非同一梯度的学习迈进，我们在以前报道的几个基准上的轻巧密集的完全MSNN中获得了高度竞争的准确性。

通过制造不精确和装置随机性来阻碍用于储存神经晶体系统中重量的模拟抗性状态，限制突触重量的精度。通过使用自旋转移扭矩磁阻随机接入存储器（STT-MRAM）的二进制状态的随机切换来模拟模拟行为来解决该挑战。然而，基于STT-MRAM的先前方法以异步方式操作，这难以通过实验实施。本文提出了一种具有时钟电路的同步尖峰神经网络系统，其执行无监督的学习利用STT-MRAM的随机切换。所提出的系统使单层网络能够在MNIST数据集上实现90％的推理准确性。

在这项工作中，我们介绍了一种光电尖峰，能够以超速率（$ \ \左右100磅/光学尖峰）和低能耗（$ <$ PJ /秒码）运行。所提出的系统结合了具有负差分电导的可激发谐振隧道二极管（RTD）元件，耦合到纳米级光源（形成主节点）或光电探测器（形成接收器节点）。我们在数值上学习互连的主接收器RTD节点系统的尖峰动态响应和信息传播功能。使用脉冲阈值和集成的关键功能，我们利用单个节点来对顺序脉冲模式进行分类，并对图像特征（边缘）识别执行卷积功能。我们还展示了光学互连的尖峰神经网络模型，用于处理超过10 Gbps的时空数据，具有高推理精度。最后，我们展示了利用峰值定时依赖性可塑性的片外监督的学习方法，使能RTD的光子尖峰神经网络。这些结果证明了RTD尖峰节点用于低占地面积，低能量，高速光电实现神经形态硬件的潜在和可行性。

Brain-inspired computing proposes a set of algorithmic principles that hold promise for advancing artificial intelligence. They endow systems with self learning capabilities, efficient energy usage, and high storage capacity. A core concept that lies at the heart of brain computation is sequence learning and prediction. This form of computation is essential for almost all our daily tasks such as movement generation, perception, and language. Understanding how the brain performs such a computation is not only important to advance neuroscience but also to pave the way to new technological brain-inspired applications. A previously developed spiking neural network implementation of sequence prediction and recall learns complex, high-order sequences in an unsupervised manner by local, biologically inspired plasticity rules. An emerging type of hardware that holds promise for efficiently running this type of algorithm is neuromorphic hardware. It emulates the way the brain processes information and maps neurons and synapses directly into a physical substrate. Memristive devices have been identified as potential synaptic elements in neuromorphic hardware. In particular, redox-induced resistive random access memories (ReRAM) devices stand out at many aspects. They permit scalability, are energy efficient and fast, and can implement biological plasticity rules. In this work, we study the feasibility of using ReRAM devices as a replacement of the biological synapses in the sequence learning model. We implement and simulate the model including the ReRAM plasticity using the neural simulator NEST. We investigate the effect of different device properties on the performance characteristics of the sequence learning model, and demonstrate resilience with respect to different on-off ratios, conductance resolutions, device variability, and synaptic failure.

Guillain-Barre综合征是一种罕见的神经系统疾病，其中人免疫系统攻击周围神经系统。周围神经系统似乎是神经元模型的数学模型的扩散连接系统，并且该系统的周期比每个神经回路的周期都短。传导路径中的刺激将被轴突接收到失去其功能的髓鞘鞘，并在外部传递到靶器官，旨在解决降低神经传导的问题。在神经元模拟环境中，可以创建神经元模型并定义系统内发生的生物物理事件。在这种环境中，细胞和树突之间的信号传递是图形的。模拟的钾和钠电导是充分复制的，电子动作电位与实验测量的电位相当。在这项工作中，我们提出了一个模拟和数字耦合的神经元模型，该模型包括个人兴奋性和抑制性神经回路块，用于低成本和节能系统。与数字设计相比，我们的模拟设计的性能较低，但能源效率降低了32.3 \％。因此，所得的耦合模拟硬件神经元模型可以是模拟神经传导减少的模型。结果，模拟耦合的神经元（即使具有更大的设计复杂性）为未来开发的可穿戴传感器设备的竞争者，该设备可能有助于治疗吉兰 - 巴雷综合症和其他神经系统疾病。

基于旋转扭矩振荡器的复合值Hopfield网络模拟可以恢复相位编码的图像。存储器增强逆变器的序列提供可调谐延迟元件，通过相位转换振荡器的振荡输出来实现复合权重的可调延迟元件。伪逆培训足以存储在一组192个振荡器中，至少代表16 $ \倍数为12个像素图像。恢复图像所需的能量取决于所需的错误级别。对于这里考虑的振荡器和电路，来自理想图像的5％均方方偏差需要大约5 00美元$ S并消耗大约130 NJ。模拟显示，当振荡器的谐振频率可以调整为具有小于10 ^ {-3} $的分数扩展时，网络功能良好，具体取决于反馈的强度。

尖峰神经网络的事件驱动性质使它们具有生物学上可符合的和比人工神经网络更节能。在这项工作中，我们展示了二维视野中对象的运动检测。这里呈现的网络架构是生物学卓越的，并使用CMOS模拟泄漏整合和灭火神经元和超低功耗多层RRAM突触。具体的跨晶体管纤维Spice模拟表明，所提出的结构可以在二维视野中准确可靠地检测物体的复杂运动。

本文报告了温度变化对预先训练的全弗洛德式深神经网络的推理准确性的影响，以及合理的设计技术以减轻这些影响。我们采用了预训练的人工神经网络（N.N.），在MNIST数据集上具有96.4％的推理准确性作为基线。作为温度变化的后果，紧凑的模型捕获了编程单元在广泛的栅极偏置上的电导率漂移。我们观察到N.N.在233 K的模拟神经网络中的明显推断精度降解。在300 K进行培训。最后，我们通过“读取电压”优化部署了二进制神经网络，以确保N.N.的免疫力。在温度变化下的准确性降解，保持96％的推理精度。关键词：铁电回忆

Organic neuromorphic device networks can accelerate neural network algorithms and directly integrate with microfluidic systems or living tissues. Proposed devices based on the bio-compatible conductive polymer PEDOT:PSS have shown high switching speeds and low energy demand. However, as electrochemical systems, they are prone to self-discharge through parasitic electrochemical reactions. Therefore, the network's synapses forget their trained conductance states over time. This work integrates single-device high-resolution charge transport models to simulate neuromorphic device networks and analyze the impact of self-discharge on network performance. Simulation of a single-layer nine-pixel image classification network reveals no significant impact of self-discharge on training efficiency. And, even though the network's weights drift significantly during self-discharge, its predictions remain 100\% accurate for over ten hours. On the other hand, a multi-layer network for the approximation of the circle function is shown to degrade significantly over twenty minutes with a final mean-squared-error loss of 0.4. We propose to counter the effect by periodically reminding the network based on a map between a synapse's current state, the time since the last reminder, and the weight drift. We show that this method with a map obtained through validated simulations can reduce the effective loss to below 0.1 even with worst-case assumptions. Finally, while the training of this network is affected by self-discharge, a good classification is still obtained. Electrochemical organic neuromorphic devices have not been integrated into larger device networks. This work predicts their behavior under nonideal conditions, mitigates the worst-case effects of parasitic self-discharge, and opens the path toward implementing fast and efficient neural networks on organic neuromorphic hardware.

可激发的光电设备代表了在神经形态（脑启发）光子系统中实施人工尖峰神经元的关键构件之一。这项工作介绍并实验研究了用谐振隧穿二极管（RTD）构建的光电 - 光学（O/E/O）人工神经元，该神经元（RTD）耦合到光电探测器作为接收器和垂直腔表面发射激光器作为发射机。我们证明了一个明确定义的兴奋性阈值，在此上面，该神经元在该神经元中产生100 ns的光学尖峰反应，具有特征性的神经样耐受性。我们利用其粉丝功能来执行设备中的重合检测（逻辑和）以及独家逻辑或（XOR）任务。这些结果提供了基于RTD的Spiking光电神经元的确定性触发和任务的首次实验验证，并具有输入和输出光学（I/O）终端。此外，我们还从理论上研究了拟议系统的纳米光子实施的前景，并结合了纳米级RTD元素和纳米剂的整体设计。因此，在未来的神经形态光子硬件中，证明了基于RTD的综合兴奋节点对低足迹，高速光电尖峰神经元的潜力。

神经网络的越来越大的规模及其越来越多的应用空间对更高的能量和记忆有效的人工智能特定硬件产生了需求。 venues为了缓解主要问题，von neumann瓶颈，包括内存和近记忆架构，以及算法方法。在这里，我们利用磁隧道结（MTJ）的低功耗和固有的二进制操作来展示基于MTJ的无源阵列的神经网络硬件推断。通常，由于设备到装置的变化，写入误差，寄生电阻和非前沿，在性能下将训练的网络模型转移到推动的硬件。为了量化这些硬件现实的效果，我们将300个唯一重量矩阵解决方案的23个唯一的重量矩阵解决方案进行分类，以分类葡萄酒数据集，用于分类准确性和写真保真度。尽管设备不完美，我们可以实现高达95.3％的软件等效精度，并在15 x 15 MTJ阵列中正确调整具有一系列设备尺寸的阵列。此调谐过程的成功表明，需要新的指标来表征混合信号硬件中再现的网络的性能和质量。

这项研究提出了依赖电压突触可塑性（VDSP），这是一种新型的脑启发的无监督的本地学习规则，用于在线实施HEBB对神经形态硬件的可塑性机制。拟议的VDSP学习规则仅更新了突触后神经元的尖峰的突触电导，这使得相对于标准峰值依赖性可塑性（STDP）的更新数量减少了两倍。此更新取决于突触前神经元的膜电位，该神经元很容易作为神经元实现的一部分，因此不需要额外的存储器来存储。此外，该更新还对突触重量进行了正规化，并防止重复刺激时的重量爆炸或消失。进行严格的数学分析以在VDSP和STDP之间达到等效性。为了验证VDSP的系统级性能，我们训练一个单层尖峰神经网络（SNN），以识别手写数字。我们报告85.01 $ \ pm $ 0.76％（平均$ \ pm $ s.d。）对于MNIST数据集中的100个输出神经元网络的精度。在缩放网络大小时，性能会提高（400个输出神经元的89.93 $ \ pm $ 0.41％，500个神经元为90.56 $ \ pm $ 0.27），这验证了大规模计算机视觉任务的拟议学习规则的适用性。有趣的是，学习规则比STDP更好地适应输入信号的频率，并且不需要对超参数进行手动调整。

基于von-neumann架构的传统计算系统，数据密集型工作负载和应用程序（如机器学习）和应用程序都是基本上限制的。随着数据移动操作和能量消耗成为计算系统设计中的关键瓶颈，对近数据处理（NDP），机器学习和特别是神经网络（NN）的加速器等非传统方法的兴趣显着增加。诸如Reram和3D堆叠的新兴内存技术，这是有效地架构基于NN的基于NN的加速器，因为它们的工作能力是：高密度/低能量存储和近记忆计算/搜索引擎。在本文中，我们提出了一种为NN设计NDP架构的技术调查。通过基于所采用的内存技术对技术进行分类，我们强调了它们的相似之处和差异。最后，我们讨论了需要探索的开放挑战和未来的观点，以便改进和扩展未来计算平台的NDP架构。本文对计算机学习领域的计算机架构师，芯片设计师和研究人员来说是有价值的。

尖峰神经网络（SNN）提供了一个新的计算范式，能够高度平行，实时处理。光子设备是设计与SNN计算范式相匹配的高带宽，平行体系结构的理想选择。 CMO和光子元件的协整允许将低损耗的光子设备与模拟电子设备结合使用，以更大的非线性计算元件的灵活性。因此，我们在整体硅光子学（SIPH）过程上设计和模拟了光电尖峰神经元电路，该过程复制了超出泄漏的集成和火（LIF）之外有用的尖峰行为。此外，我们探索了两种学习算法，具有使用Mach-Zehnder干涉法（MZI）网格作为突触互连的片上学习的潜力。实验证明了随机反向传播（RPB）的变体，并在简单分类任务上与标准线性回归的性能相匹配。同时，将对比性HEBBIAN学习（CHL）规则应用于由MZI网格组成的模拟神经网络，以进行随机输入输出映射任务。受CHL训练的MZI网络的性能比随机猜测更好，但不符合理想神经网络的性能（没有MZI网格施加的约束）。通过这些努力，我们证明了协调的CMO和SIPH技术非常适合可扩展的SNN计算体系结构的设计。

独立组件分析是一种无监督的学习方法，用于从多元信号或数据矩阵计算独立组件（IC）。基于权重矩阵与多元数据矩阵的乘法进行评估。这项研究提出了一个新型的Memristor横杆阵列，用于实施ACY ICA和快速ICA，以用于盲源分离。数据输入以脉冲宽度调制电压的形式应用于横梁阵列，并且已实现的神经网络的重量存储在Memristor中。来自Memristor列的输出电荷用于计算重量更新，该重量更新是通过电压高于Memristor SET/RESET电压执行的。为了证明其潜在应用，采用了基于ICA架构的基于ICA架构的拟议的Memristor横杆阵列用于图像源分离问题。实验结果表明，所提出的方法非常有效地分离图像源，并且与常规ACY的基于软件的ACY实施相比，与结构相似性的百分比相比，结构相似性的百分比为67.27％，图像的对比度得到了改进。 ICA和快速ICA算法。