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A fully flexible circuit implementation of clique-based neural networks in 65-nm CMOS: [Invited]

Authors :
Benoit Larras
Cyril Lahuec
Paul Chollet
Fabrice Seguin
Matthieu Arzel
Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520 (IEMN)
Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)
Microélectronique Silicium - IEMN (MICROELEC SI - IEMN)
Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)
Département Electronique (ELEC)
Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-Télécom Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)
ANR-18-CE24-0006,LEOPAR,Unité de pré-traitement pour systèmes intégrés à faible énergie(2018)
Microélectronique Silicium - IEMN (MICROE SI - IEMN)
Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Télécom Bretagne
Lab-STICC_IMTA_CACS_IAS
Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC)
École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique (IMT Atlantique)
Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique (IMT Atlantique)
Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)
Département Electronique (IMT Atlantique - ELEC)
IMT Atlantique (IMT Atlantique)
Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)
École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique)
Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique)
IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique)
Source :
ISCAS, IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 2018, 66 (5), pp.1-12. ⟨10.1109/TCSI.2018.2881508⟩, IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, IEEE, 2018, 66 (5), pp.1-12. ⟨10.1109/TCSI.2018.2881508⟩, Proceedings ISCAS 2018 : IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), ISCAS 2018 : IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), ISCAS 2018 : IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), May 2018, Firenze, Italy. ⟨10.1109/ISCAS.2018.8350954⟩
Publication Year :
2018
Publisher :
IEEE, 2018.

Abstract

International audience; Clique-based neural networks implement low-complexity functions working with a reduced connectivity between neurons. Thus, they address very specific applications operating with a very low-energy budget. However, the implementation in the state of the art is not flexible and a fabricated circuit is only usable in a unique use case. Besides, the silicon area of hardwired circuits grows exponentially with the number of implemented neurons that is prohibitive for embedded applications. This paper proposes a flexible and iterative neural architecture capable of implementing multiple types of clique-based neural networks of up to 3968 neurons. The circuit has been integrated in an ST 65-nm CMOS ASIC and occupies a 0.21-mm 2 silicon surface area. The proper functioning of the circuit is illustrated using two application cases: a keyword recovery application and an electrocardiogram classification. The neurons outputs are updated 83 ns after a stimulation, and a neuron needs an energy of 115 fJ to propagate a change at the input to its output.

Details

ISSN :
15498328 and 15580806
Database :
OpenAIRE
Journal :
2018 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS)
Accession number :
edsair.doi.dedup.....fa8bd81bc9bcfdf4dc9fce6e02f71b07
Full Text :
https://doi.org/10.1109/iscas.2018.8350954