Calcul neuromorphique à base de spikes analogiques pour des applications IoT intelligentes à faible consommation

Analog spike-based neuromorphic computing for low-power smart IoT applications

• Auteur / Autrice : Zalfa Jouni
• Direction : Pietro Maris Ferreira, Siqi Wang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Photonique et Micro-Nanotechnologies
• Date : Soutenance le 09/10/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Damien Querlioz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florence Podevin, Sylvain Saïghi, Haralampos Stratigopoulos, Patricia Desgreys
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florence Podevin, Sylvain Saïghi
• DOI : 10.70675/629c31f9z9e41z46f3zb75fzeb8c49582028

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux neuronaux (informatique)

Systèmes analogiques

Économies d'énergie

Internet des objets

Mots clés libres

IoT en périphérie

Localisation écoénergétique

Informatique neuromorphique

Réseau de neurones à impulsions

Conception analogique

Edge IoT

Energy-Efficient Localization

Neuromorphic Computing

Spiking Neural Networks

Analog Integrated Circuits

Résumé

Avec l'expansion de l'Internet des objets (IoT) et l'augmentation des appareils connectés et des communications complexes, la demande de technologies de localisation précises et économes en énergie s'est intensifiée. Les techniques traditionnelles de machine learning et d'intelligence artificielle (IA) offrent une haute précision dans la localisation par radiofréquence (RF), mais au prix d'une complexité accrue et d'une consommation d'énergie élevée. Pour relever ces défis, cette thèse explore le potentiel de l'informatique neuromorphique, inspirée par les mécanismes du cerveau, pour permettre une localisation RF basée sur l'IA et économe en énergie. Elle présente un système neuromorphique analogique à base de pointes (RF NeuroAS), avec une version simplifiée entièrement implémentée en technologie BiCMOS 55 nm. Ce système identifie les positions des sources dans une plage de 360 degrés sur un plan bidimensionnel, en maintenant une haute résolution (10 ou 1 degré) même dans des conditions bruyantes. Le cœur de ce système, un réseau de neurones à impulsions basé sur l'analogique (A-SNN), a été formé et testé sur des données simulées (SimLocRF) à partir de MATLAB et des données expérimentales (MeasLocRF) provenant de mesures en chambre anéchoïque, tous deux développés dans cette thèse. Les algorithmes d'apprentissage pour l'A-SNN ont été développés selon deux approches: l'apprentissage profond (DL) et la plasticité dépendante du timing des impulsions (STDP) bio-plausible.RF NeuroAS atteint une précision de localisation de 97,1% avec SimLocRF et de 90,7% avec MeasLoc à une résolution de 10 degrés, tout en maintenant une haute performance avec une faible consommation d'énergie de l'ordre du nanowatt. Le RF NeuroAS simplifié consomme seulement 1.1 nW et fonctionne dans une plage dynamique de 30 dB. L'apprentissage de l'A-SNN, via DL et STDP, a démontré des performances sur les problèmes XOR et MNIST.Le DL dépend de la non-linéarité des fonctions de transfert post-layout des neurones et des synapses de l'A-SNN, tandis que le STDP dépend du bruit aléatoire dans les circuits neuronaux analogiques. Ces résultats marquent des avancées dans les applications IoT économes en énergie grâce à l'informatique neuromorphique, promettant des percées dans l'IoT intelligent à faible consommation d'énergie inspirées par les mécanismes du cerveau.

As the Internet of Things (IoT) expands with more connected devices and complex communications, the demand for precise, energy-efficient localization technologies has intensified. Traditional machine learning and artificial intelligence (AI) techniques provide high accuracy in radio-frequency (RF) localization but often at the cost of greater complexity and power usage. To address these challenges, this thesis explores the potential of neuromorphic computing, inspired by brain functionality, to enable energy-efficient AI-based RF localization. It introduces an end-to-end analog spike-based neuromorphic system (RF NeuroAS), with a simplified version fully implemented in BiCMOS 55 nm technology. RF NeuroAS is designed to identify source positions within a 360-degree range on a two-dimensional plane, maintaining high resolution (10 or 1 degree) even in noisy conditions. The core of this system, an analog-based spiking neural network (A-SNN), was trained and tested on a simulated dataset (SimLocRF) from MATLAB and an experimental dataset (MeasLocRF) from anechoic chamber measurements, both developed in this thesis.The learning algorithms for A-SNN were developed through two approaches: software-based deep learning (DL) and bio-plausible spike-timing-dependent plasticity (STDP). RF NeuroAS achieves a localization accuracy of 97.1% with SimLocRF and 90.7% with MeasLoc at a 10-degree resolution, maintaining high performance with low power consumption in the nanowatt range. The simplified RF NeuroAS consumes just over 1.1 nW and operates within a 30 dB dynamic range. A-SNN learning, via DL and STDP, demonstrated performance on XOR and MNIST problems. DL depends on the non-linearity of post-layout transfer functions of A-SNN's neurons and synapses, while STDP depends on the random noise in analog neuron circuits. These findings highlight advancements in energy-efficient IoT through neuromorphic computing, promising low-power smart edge IoT breakthroughs inspired by brain mechanisms.