Neuro-inspired architectures for nano-circuits
Architectures de circuits nanoélectroniques neuro-inspirée
Résumé
Novel manufacturing techniques, such as nanoscale self-assembly or nanoimprint, allow a cost-efficient way to fabricate high-density crossbar matrices (1012 nanodevices/cm2). However, it is expected that these technologies will be accompanied by a significant increase of defects and dispersion in device characteristics. Thus, programming these crossbars require new computational techniques that possess high tolerance for such variations. In this context, approaches based on neural networks are promising for configuring nanodevices, since they provide a natural way for tolerating low yields and device variations. The main objective of this thesis is to explore such a neural-network approach, by examining factors such as efficiency and reliability, using the memristor crossbar architecture or neurocrossbar (NC). We introduce algorithms for learning the logic functions on the NC, and the tolerance of NC against static defects (stuck-defect) and dispersion of device properties is discussed. Probabilistic analytical models for predicting the convergence of NC are proposed and compared with Monte Carlo simulations, which take into account the impact of each type of defect and dispersion. These analytical models can be extrapolated to study large-sized NCs. Finally, the effectiveness of the proposed methods is experimentally demonstrated through the learning of logic functions by a real NC made of Optically Gated Carbon Nanotube Field Effect Transistor (OG-CNTFET).
Les nouvelles techniques de fabrication nanométriques comme l’auto-assemblage ou la nanoimpression permettent de réaliser des matrices régulières (crossbars) atteignant des densités extrêmes (jusqu’à 1012 nanocomposants/cm2) tout en limitant leur coût de fabrication. Cependant, il est attendu que ces technologies s’accompagnent d’une augmentation significative du nombre de défauts et de dispersions de caractéristiques. La capacité à exploiter ces crossbars est alors conditionnée par le développement de nouvelles techniques de calcul capables de les spécialiser et de tolérer une grande densité de défauts. Dans ce contexte, l’approche neuromimétique qui permet tout à la fois de configurer les nanodispositifs et de tolérer leurs défauts et dispersions de caractéristiques apparaît spécialement pertinente. L’objectif de cette thèse est de démontrer l’efficacité d’une telle approche et de quantifier la fiabilité obtenue avec une architecture neuromimétique à base de crossbar de memristors, ou neurocrossbar (NC). Tout d’abord la thèse introduit des algorithmes permettant l’apprentissage de fonctions logiques sur un NC. Par la suite, la thèse caractérise la tolérance du modèle NC aux défauts et aux variations de caractéristiques des memristors. Des modèles analytiques probabilistes de prédiction de la convergence de NC ont été proposés et confrontés à des simulations Monte-Carlo. Ils prennent en compte l’impact de chaque type de défaut et de dispersion. Grâce à ces modèles analytiques il devient possible d’extrapoler cette étude à des circuits NC de très grande taille. Finalement, l’efficacité des méthodes proposées est expérimentalement démontrée à travers l’apprentissage de fonctions logiques par un NC composé de transistors à nanotube de carbone à commande optique (OG-CNTFET).
Origine : Version validée par le jury (STAR)