In situ learning using intrinsic memristor variability via Markov chain Monte Carlo sampling

神经形态工程学 计算机科学 记忆电阻器 电阻随机存取存储器 稳健性(进化) 强化学习 蒙特卡罗方法 概率逻辑 马尔科夫蒙特卡洛 CMOS芯片 人工智能 马尔可夫链 贝叶斯推理 电子工程 机器学习 贝叶斯概率 人工神经网络 工程类 电气工程 电压 化学 统计 基因 生物化学 数学
作者
Thomas Dalgaty,N. Castellani,Clément Turck,Kamel-Eddine Harabi,Damien Querlioz,Elisa Vianello
出处
期刊:Nature electronics [Nature Portfolio]
卷期号:4 (2): 151-161 被引量:170
标识
DOI:10.1038/s41928-020-00523-3
摘要

Resistive memory technologies could be used to create intelligent systems that learn locally at the edge. However, current approaches typically use learning algorithms that cannot be reconciled with the intrinsic non-idealities of resistive memory, particularly cycle-to-cycle variability. Here, we report a machine learning scheme that exploits memristor variability to implement Markov chain Monte Carlo sampling in a fabricated array of 16,384 devices configured as a Bayesian machine learning model. We apply the approach experimentally to carry out malignant tissue recognition and heart arrhythmia detection tasks, and, using a calibrated simulator, address the cartpole reinforcement learning task. Our approach demonstrates robustness to device degradation at ten million endurance cycles, and, based on circuit and system-level simulations, the total energy required to train the models is estimated to be on the order of microjoules, which is notably lower than in complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS)-based approaches. The non-ideal characteristics of resistive memory devices can be used to develop low-power and resilient probabilistic neuromorphic computing hardware, suitable for highly constrained edge-based applications.
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