Quantum Tunneling Based Ultra-Compact and Energy Efficient Spiking Neuron Enables Hardware SNN

计算机科学 CMOS芯片 尖峰神经网络 生物神经元模型 电子工程 电气工程 人工智能 工程类 人工神经网络
作者
Ajay Kumar Singh,Vivek Saraswat,Maryam Shojaei Baghini,Udayan Ganguly
出处
期刊:IEEE Transactions on Circuits and Systems I-regular Papers [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:69 (8): 3212-3224 被引量:27
标识
DOI:10.1109/tcsi.2022.3172176
摘要

Low-power and low-area neurons are essential for hardware implementation of large-scale SNNs. Various novel-physics-based leaky-integrate-and-fire (LIF) neuron architectures have been proposed with low power and area, but are not compatible with CMOS technology to enable brain scale implementation of SNN. In this paper, for the first time, we demonstrate hardware implementation of recurrent SNN using proposed low-power, low-area, and low-leakage band-to-band-tunneling (BTBT) based neurons. A low-power thresholding circuit is proposed. We further propose a predistortion technique to linearize a nonlinear neuron without any area and power overhead. We establish the equivalence of the proposed neuron with the ideal LIF neuron to demonstrate its versatility. The tunneling regime enables a high input impedance in the BTBT neurons (few $\text{G}\Omega$ ) to enable a voltage input without loading the synaptic array. To verify the effect of the proposed neuron, a 36-neuron recurrent SNN is fabricated in GF-45nm PDSOI technology. We achieved 5000x lower energy-per-spike at a similar area and 10x lower standby power at a similar area and energy-per-spike. Such overall performance improvement enables brain scale computing.
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