广告

生物仿真硅耳蜗实现神经拟态技术关键词捕捉

2021-04-12 10:04:06 Sunny Bains 阅读:
苏黎世神经科学研究所开发的动态音频传感器的核心是一个生物仿真硅耳蜗,仿真耳朵中毛细胞的功能。由硅耳蜗产生的事件串流可用于语音端点检测(关键词识别的第一阶段),类耳蜗图可以由神经网络读入并解码其含义。关键词捕捉是目前各种神经拟态技术的一个重要目标。

我们使用的传感和计算设备无处不在,而且会不断增多,设备始终处于工作状态,因此功率变得越来越重要。最好的例子就是放在办公桌上、口袋里以及散布家中各处的声控设备。关键词捕捉是目前各种神经拟态技术的一个目标。0sLednc

硅耳蜗

2020年,神经拟态工程学Misha Mahowald奖的获得者是Shih-Chii Liu教授及其团队,他们一直致力于研究低延迟、低功率传感器,用于语音检测。苏黎世神经科学研究所(INI)的Shi-Chii Liu及其团队开发的动态音频传感器拓展了这一市场(图1)。传感器的核心是一个生物仿真硅耳蜗。首先,它利用一组模拟带通滤波器将输入的声音滤入到各个频道,并在输出侧对其进行半波整流。这组电路仿真耳朵中毛细胞的功能。0sLednc

0sLednc

图1:A.在常见的音频系统中,声音首先通过模数转换器转换成数字信号,然后使用数字快速傅立叶变换(FFT)和带通滤波(BPF)提取信号特征。这些信号由数字信号处理器(DSP)运行语音端点检测(VAD)或自动语音识别算法进行处理。B.在苏黎世INI的动态音频传感器中,接收信号为模拟音频频带,其特征和变化被并行编码成一系列的异步尖峰信号(事件),随后进行处理。0sLednc

这一过程类似于生物学中让不同通道为大脑的处理做好准备。在人耳中,神经节细胞将信号快速编码为一串化学离子;在硅耳蜗中,则被转换成电尖峰信号。这一步可以通过使用常用的IF神经元模型或异步增量调制器(ADM)来完成:ADM将信号与两个阈值进行比较,并在信号超过阈值时发送事件——相当于信号特征提取器。因为忽略了不变的信号,从而减少了传递到下一级的冗余信息。0sLednc

从功率的角度来看,在没有任何活动时,硅耳蜗几乎不会消耗任何电量,随着活动的增加,尖峰信号的数量也随之增加。对于一直在听却很少进行处理的应用而言,这是一个巨大的优势;而当应用一直需要对相关内容进行解码时,则没有明显的功耗优势。0sLednc

由于这种音频传感器的功耗只有几微瓦,系统设计人员在设计中可以将其作为一个很有用的选择,以便提高电源效率。此外,该音频传感器是在连续时间内工作,尖峰之间的距离可近可远,因此它也支持非常高的动态范围。0sLednc

语音识别

这项工作的关键是证明硅耳蜗的有用性,具体而言,就是由硅耳蜗产生的事件串流可以用于语音端点检测(关键词识别的第一阶段)等实际应用中。Liu和她的团队成功地做到了,他们使用事件输出来创建2D数据帧,尖峰信号到达的直方图在5ms的帧上按频率排列。这即是类耳蜗图,可以由神经网络读入并解码其含义。0sLednc

“IEEE ISSCC社群对在传感器上使用深度网络非常感兴趣,音频边缘计算正在兴起,深度网络出现得非常及时。”Liu说,“现在已经有很多利用低功耗专用集成电路(ASIC)进行关键词识别的论文,但这些论文都采用类似频谱图的常规功能。我们的一个目标是要证明混合方案(混合模拟信号设计)可以提供更低的功率,减少响应延迟。”0sLednc

去年INI发布了一段视频,展示了数字识别系统。该系统现在仍处于开发初期,还不是绝对可靠。Liu的团队成员还有Minhao Yang、Chang Gao、Enea Ceolini、Adrian Huber、Jithendar Anumula、Ilya Kiselev和Daniel Neil,多年来他们还研究了传感器融合,将音频和视频信息结合起来,以进行更可靠的分类。他们一直遵循初期的设计准则来决定什么时候应该选择模拟传感器,什么时候应使用数字传感器。0sLednc

0sLednc

图2:Misha Mahowald是地址事件表示法(AER)的发明者之一,“神经拟态工程奖”就是以她的名字命名的。0sLednc

他们的另一个目标是提高数据采集系统(DAS)的电源效率和性能,包括利用源极跟随器实现带通滤波器,以及设计模拟特征提取器。0sLednc

减少模拟电子器件易变性的影响是另一个重要的研究领域。为了解决这个问题,Liu及其团队设计了一个硬件仿真器。他们表示,与Cadence Virtuoso这样的商用软件相比,该仿真器可以更快地测试这些问题。使用软件而非硬件来训练二进制神经网络进行分类,能够准确预测多种测试芯片的分类性能。Liu及其团队正在考虑在系统中增加噪音来测试其易变性,使设计过程更加稳健。0sLednc

Mahowald奖

Liu是神经拟态工程学的早期研究者之一,她在加州理工Carver Mead的实验室工作过,是苏黎世神经信息学研究所的创始人之一,当时研究组许多人员离开加州前往苏黎世。Mahowald(图2)也曾在该实验室工作。0sLednc

在获得该奖项时,Liu说:“我们很荣幸能够获得这个奖项,特别是与这么多神经拟态工程学的优秀研究人员一起。这项工作建立在数十年早期硅耳蜗设计的基础上,是Dick Lyon、Carver Mead、Lloyd Watts、Rahul Sarpeshkar、Eric Vittoz和Andre van Schaik的工作的延续。0sLednc

谈到神经拟态工程学的重要性,她说:“即便摩尔定律走到尽头,数字计算的能效仍比生物学的落后,只有其千分之一。因此,DAS这类混合模拟电子系统能达到什么样的效率比以往任何时候都更加重要。”0sLednc

(本文授权编译自EDN姐妹网站EETimes,原文参考链接:Allowing Machines to Listen, and Understand,由Jenny Liao编译)0sLednc

本文为《电子技术设计》2021年4月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里0sLednc

本文为电子技术设计原创文章,未经授权禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 计算中常见的RMS和RSS,你真的了解吗? RSS与RMS看起来很相似,但概念截然不同···
  • 苹果将终止自研5G基带芯片,仍要继续依赖高通 据报道,苹果将停止内部 5G 调制解调器的开发,并可能继续依赖高通。根据一份新报告,苹果似乎远未实现其目标,因为它已决定停止开发内部 5G 调制解调器。这些报道现阶段尚未得到证实,但多个消息来源报道了类似的情况。
  • 爱立信推出基于“Intel 4”工艺的处理器,甚至领先于英 爱立信在其新闻稿中指出,与上一代相比,新的 RAN 处理器 6672 和无线电处理器 6372 的容量增加了四倍,效率提高了一倍。他们声称,Intel 4上的新处理器的功耗比行业基准低30%到60%。
  • 首款背接触微米光伏电池问世,阴影效应降低95% 加拿大渥太华大学领导的国际科研团队,研制出了全球首款背接触微米光伏电池,相较于普通的光伏电池,这种背接触电池正面无栅线,正负极全部挪到了电池背面,能让太阳能电池板吸收更多太阳光···
  • 首款国产LPDDR5存储芯片来了!已在小米、传音等品牌机型 长鑫存储面向中高端移动设备市场,正式推出LPDDR5系列产品,成为国内首家推出自主研发生产的LPDDR5产品的品牌,不仅进一步完善长鑫存储DRAM芯片的产品布局,更实现了国内市场零的突破。
  • 5G和天线模块的演变 新的5G用例和功能改变了5G天线模块的格局,使其从智能手机和平板电脑中使用的专用、通常是定制设计和开发的便携式移动设备硬件,转变为集成到传感器平台、自主移动机器人(AMR)、工业控制设备、增强现实/虚拟现实(AR/VR)头戴设备/系统以及汽车平台中的物联网模块···
  • 西门子推出HEEDS AI Simulation Predictor和Simcenter 西门子的HEEDS AI Simulation Predictor解决方案能够帮助企业发挥数字孪生优势,通过内置准确性意识的人工智能技术,实现产品优化;基于历史仿真研究中积累的知识和经验,更快地交付创新的高性能设计;Simcenter Reduced Order Modeling解决方案利用高精度仿真或测试数据,训练并验证AI/ML模型,使其能够在几分之一秒内做出预测
  • Achronix推出基于FPGA的加速自动语音识别解决方案 提供超低延迟和极低错误率(WER)的实时流式语音转文本解决方案,可同时运行超过1000个并发语音流
  • B站UP主买了一颗国产卫星:微波炉大小,在轨360度拍摄宇宙 B站UP主“影视飓风”11月28日发布了最新一期视频《我们买了一颗国产卫星》。该视频播放量已成为全站排行榜榜首。视频中介绍,影视飓风和Insta360公司共同出资定制了这颗微波炉大小的卫星,装了一枚Insta360全景相机,可拍到卫星和地球的大合影。
  • 如何正确使用以确保舌簧继电器的可靠性? 当在指定的操作参数范围内使用时,舌簧继电器可以执行数百亿次操作,而性能变化很小或没有变化。例如,每天每小时运行 100 次(24 小时周期),大约需要 1141 年才能达到 10 亿次运行的里程碑。增加操作频率不应引起关注,因为要达到每分钟 100 次操作 19 年后才能达到相同的里程碑,而每秒 100 次操作则需要近 4 个月。
  • 龙芯3A6000问世,国产自研CPU最新里程碑 龙芯3A6000采用的是我国自主设计的指令系统和架构,无需依赖任何国外授权技术,是我国自主研发、自主可控的新一代通用处理器,标志着我国自主研发的CPU在自主可控程度和产品性能方面达到新高度,性能达到国际主流产品水平···
  • 苹果Vision Pro即将量产,华为也将推出麒麟芯竞品? 华为其实很早也开始了在XR领域的布局,华为的AR Engine早在汽车、手机等设备上进行了广泛的应用,截至今年十月,AR Engine的安装量已经达到了21亿次,接入的应用数量超过了4100款···
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了