Neural Spike Sorting Using Binarized Neural Networks

尖峰分选 Spike(软件开发) 分类 专用集成电路 计算机科学 人工神经网络 CMOS芯片 人工智能 计算机硬件 电子工程 算法 工程类 软件工程
作者
Daniel Valencia,Amirhossein Alimohammad
出处
期刊:IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:29: 206-214 被引量:20
标识
DOI:10.1109/tnsre.2020.3043403
摘要

This article presents the design and efficient hardware implementation of binarized neural networks (BNNs) for brain-implantable neural spike sorting. In contrast to the conventional artificial neural networks (ANNs), in which the weights and activation functions of neurons are represented using real values, the BNNs utilize binarized weights and activation functions to dramatically reduce the memory requirement and computational complexity of the ANNs. The designed BNN is trained using several realistic neural datasets to verify its accuracy for neural spike sorting. The application-specific integrated circuit (ASIC) implementation of the designed BNN in a standard 0.18-μm CMOS process occupies 0.33 mm2 of silicon area. Power consumption estimation of the ASIC layout shows that the BNN dissipates 2.02μW of power from a 1.8 V supply while operating at 24 kHz. The designed BNN-based spike sorting system is also implemented on a field-programmable gate array and is shown to reduce the required on-chip memory by 89% compared to those of the alternative state-of-the-art spike sorting systems. To the best of our knowledge, this is the first work employing BNNs for real-time in vivo neural spike sorting.
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