Einführung von SPAIC: Ein effizienter Analog-Frontend-Chip

Niedrigenergieere Ereignis-basierte analoge Front-Ends (AFE) sind wichtig, um effiziente Systeme im Edge-Computing zu schaffen. Diese Systeme verarbeiten Sensordaten in Echtzeit, was Geräten ermöglicht, schneller zu arbeiten und weniger Energie zu verbrauchen. Während es mehrere neuromorphe Chips für spiking neuronale Netzwerke (SNNs) gibt, gibt es nur wenige analoge Front-End-Geräte, die analoge Signale in Spike-Signale umwandeln und effektiv mit neuromorphen Prozessoren verbunden werden können.

#Was ist SPAIC?

In diesem Zusammenhang stellen wir SPAIC vor, einen anpassbaren analogen Front-End-Chip. SPAIC steht für "Signal-to-Spike-Konverter für analoge KI-Berechnungen". Er bietet eine Möglichkeit, analoge Signale in Spike-Signale umzuwandeln, und zwar mit zwei verschiedenen Methoden: Delta-Modulation und Pulsfrequenzmodulation. Dieser Chip ist dafür ausgelegt, mit einer breiten Palette von Signal-Frequenzen zu arbeiten und wurde entwickelt, um in einen 180-nm-Technologie-Rahmen zu passen.

Das Hauptmerkmal von SPAIC ist seine Fähigkeit, verschiedene Signale über einen breiten Frequenzbereich zu kodieren und dabei einen Ausgang zu erzeugen, der mit bestehenden Systemen kompatibel ist, die neuromorphe Prozessoren verwenden. Erste Tests von SPAIC haben vielversprechende Ergebnisse gezeigt und bestätigt, dass die grundlegenden Funktionen wie gewünscht arbeiten.

#Warum ist es wichtig?

Spiking Neuronale Netzwerke (SNNs) stellen eine neue Art der Datenverarbeitung dar, die energieeffizient ist. Diese Netzwerke können kontinuierliche Datenströme verarbeiten, was sie für Edge-Computing-Aufgaben geeignet macht, bei denen Geschwindigkeit und geringer Stromverbrauch entscheidend sind. Um das Beste aus dieser Technologie herauszuholen, ist es jedoch wichtig, effektive analoge Front-Ends zu haben, die dafür entwickelt wurden.

Die Fähigkeit, analoge Signale in Spikes umzuwandeln, ist entscheidend, da sie es dem System ermöglicht, schnell auf Veränderungen in der Umgebung zu reagieren. Das ist ähnlich, wie biologische Systeme sensorische Eingaben verarbeiten.

#Wie funktioniert SPAIC?

Die Architektur von SPAIC besteht aus 16 identischen Kanälen, die alle mit einer gemeinsamen Schnittstelle verbunden sind, die Address Event Representation (AER) verwendet. Jeder Kanal hat vier Hauptteile:

1. Low Noise Amplifier (LNA): Dieses Bauteil verstärkt schwache Signale, damit sie effektiv verarbeitet werden können. Es kann seine Verstärkung von 0 bis 24 dB anpassen.

2. Flipped Voltage Follower Bandpass Filter (FVF BPF): Dieser Filter verfeinert das verstärkte Signal und macht es für die weitere Verarbeitung geeignet. Er kann für verschiedene Frequenzen abgestimmt werden.

3. Programmable Gain Stage (PGA): Nach dem Filtern kann diese Stufe das Signal weiter verstärken, mit einer Verstärkung, die ebenfalls bis zu 24 dB angepasst werden kann.

4. Encoding Stage: Die letzte Stufe kodiert das verarbeitete Signal in entweder delta-modulierte Spikes oder pulsfrequenz-modulierte Spikes, je nach dem, welche Operation durchgeführt wird.

#Konfigurierbare Funktionen

SPAIC ermöglicht mehrere Konfigurationen, um unterschiedliche Anwendungsbedürfnisse zu erfüllen. Diese Flexibilität wird durch einen Bias-Generator erreicht, der die notwendigen Ströme für die Schaltungen festlegt, einen kondensatorischen Digital-zu-Analog-Wandler (CDAC) und einen Spannung-DAC, der die Schwellenwerte für die Delta-Modulation anpasst.

Diese Anpassungen können über ein Kommunikationsprotokoll namens Serial Peripheral Interface (SPI) vorgenommen werden, was es einfach macht, den Chip für verschiedene Aufgaben zu konfigurieren.

#Schaltungsimplementierung

Der SPAIC-Chip wurde im 180-nm-Technologieprozess gefertigt, was ihm eine kompakte Grösse von 2,5 mm mal 2,5 mm verleiht. Die Komponenten innerhalb des Chips sind so gestaltet, dass sie modular sind, wobei sowohl LNA als auch PGA auf demselben Kernstruktur aufgebaut sind, was eine bessere Rauschperformance und Energieeffizienz ermöglicht.

#Low Noise Amplifiers

Die Low Noise Amplifiers (LNA) sind entscheidend, um sicherzustellen, dass schwache Signale ausreichend verstärkt werden können. Sie verwenden ein bekanntes Design, das signifikante Eingangsänderungen bewältigen kann, um unterschiedliche Sensor-Ausgaben zu berücksichtigen. Die Verstärkungseinstellungen können feinjustiert werden, um die Leistung zu optimieren.

#Flipped Voltage Follower-basiertes Bandpassfilter

Jeder Kanal von SPAIC enthält ein Viertel-Ordnung-Bandpassfilter, das ein geflipptes Spannungfolger-Design nutzt. Diese Struktur ermöglicht ein besseres Rauschmanagement und eine Anpassbarkeit der Frequenzeinstellungen. Durch die Verwendung von programmierbaren Kondensatoren kann der Filter genau auf verschiedene Frequenzantworten abgestimmt werden, was für unterschiedliche Anwendungen essenziell ist.

#Kodierungstechniken

SPAIC verwendet zwei verschiedene Kodierungsmethoden:

1. Asynchrone Delta-Modulation (ADM): Diese Methode erzeugt Spikes basierend darauf, ob das verstärkte Signal bestimmte Spannungsschwellen überschreitet. Wenn das Signal die obere Schwelle überschreitet, erzeugt es einen "UP"-Spike, und wenn es unter die untere Schwelle fällt, tritt ein "DOWN"-Spike auf. Hysterese wird hinzugefügt, um falsche Spikes, die durch Rauschen verursacht werden, zu vermeiden.

2. Pulsfrequenzmodulation (PFM): Bei dieser Methode wird ein Eingangsstrom in eine Spike-Frequenz umgewandelt. Das Eingangssignal wird zuerst modifiziert und gelangt dann in einen Neuronenschaltkreis, der einen Spike erzeugt, sobald ein bestimmter Schwellenwert erreicht ist.

#Leistungsvalidierung

Um die Funktionalität zu testen, haben Forscher ein individuelles Board gebaut, um über einen Mikrocontroller mit SPAIC zu kommunizieren. Diese Einrichtung ermöglichte die unabhängige Bewertung der Kodierungswege.

Während der Tests wurden die Frequenzantworten der Verstärker und die Rauschmessungen aufgezeichnet, die zeigten, dass das System effektiv Rauschen reduzierte, insbesondere im Niedrigfrequenzbereich. Zum Beispiel zeigte eine Messung ein rauschfreies Eingangssignal von 1,4 µV für den Ausgang des ersten LNA.

Das Bandpassfilter wurde ebenfalls getestet und zeigte eine breite Frequenzantwort mit mehreren verfügbaren Einstellungen. SPAIC bewies, dass es verschiedene Frequenzen bewältigen konnte und erfolgreich einen Bereich von 100 Hz bis 100 kHz abdeckte.

#Fazit

Der SPAIC-Chip stellt einen bedeutenden Fortschritt in der analogen Front-End-Technologie dar, die speziell für Anwendungen mit spiking neuronalen Netzwerken entwickelt wurde. Seine Dual-Mode-Kodierungsfähigkeiten ermöglichen eine grössere Flexibilität bei der Verarbeitung verschiedener Signaltypen.

Im Vergleich zu anderen ähnlichen Geräten bietet SPAIC eine wettbewerbsfähige Leistung, insbesondere in Bezug auf Dynamikbereich und Rauschcharakteristika. Er dient als entscheidendes Element für den Aufbau effizienter Datenerfassungssysteme, die auf Edge-Computing-Aufgaben zugeschnitten sind.

Künftige Forschungen werden sich darauf konzentrieren, SPAIC auf spezifische Anwendungen anzuwenden, die Leistung in verschiedenen Einstellungen zu bewerten und den Energieverbrauch für unterschiedliche Nutzungsszenarien zu bestimmen. Durch den Fortschritt dieser Technologie können wir die Echtzeitverarbeitungskapazitäten verbessern und zur Entwicklung intelligenterer und reaktionsschnellerer Systeme beitragen.