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2022 年度 実績報告書

報酬信号を考慮したスパイキングニューロン用学習モデルの提案とそのハードウェア実装

研究課題

研究課題/領域番号 21K17818
研究機関東北大学

研究代表者

守谷 哲  東北大学, 電気通信研究所, 特任助教 (10898117)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2023-03-31
キーワード神経回路モデル / STDP / 脳型計算 / スパイキングニューラルネットワーク / 脳型コンピュータ
研究実績の概要

低消費電力性に加えて耐障害性や可拡張性を兼ね備えた情報処理システムの実現を目標として、神経細胞が生じるスパイクなどの局所情報から効率的に学習を行うための学習モデルの開発を行った。神経スパイクのタイミングに依存して細胞間の結合重みが変化するスパイクタイミング依存可塑性(STDP)という現象に加え、強化学習の分野で用いられる報酬信号を考慮した学習モデルを新たに構築し、時系列信号処理に適用した際の性能評価およびモデルの効率的なハードウェア実装に向けた研究を行った。数百ニューロン程度からなるスパイキングニューラルネットワークの活動を再現するプログラムを作成し、提案学習モデルを用いて音声信号をはじめとした時系列信号が弁別できることを確かめた。STDP学習則を単純に適用した場合よりも、報酬信号を加えることによって性能が向上することを示した。これらの結果を踏まえ、スパイキングニューラルネットワークおよび提案学習機構を効率的に実現するための専用デジタルハードウェアの構成を検討した。STDPの関数をメモリにあらかじめ保存しておくことで、指数関数や乗算の計算を削減した。またそのハードウェア構成をもとに、提案学習のデジタルハードウェア実装をおこなった。提案学習則において重要な機能である発火の時間差から重みの更新を行う計算について実装を行い、その動作を確かめた。得られた成果は、限られた消費電力で高度な情報処理を行う必要があるエッジコンピューティングへの応用が期待される。

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 10件、 招待講演 1件)

  • [国際共同研究] Polytechnic University of Catalonia(スペイン)

    • 国名
      スペイン
    • 外国機関名
      Polytechnic University of Catalonia
  • [雑誌論文] A Fully Analog CMOS Implementation of a Two-variable Spiking Neuron in the Subthreshold Region and its Network Operation2022

    • 著者名/発表者名
      Moriya Satoshi、Yamamoto Hideaki、Sato Shigeo、Yuminaka Yasushi、Horio Yoshihiko、Madrenas Jordi
    • 雑誌名

      2022 International Joint Conference on Neural Networks (IJCNN)

      ページ: 1--7

    • DOI

      10.1109/IJCNN55064.2022.9891920

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Analog LSI implementation of spiking neural network for energy efficient computing2023

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Moriya, Hideaki Yamamoto, Shigeo Sato, Yasushi Yuminaka, Yoshihiko Horio, Jordi Madrenas
    • 学会等名
      The 11th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • 国際学会
  • [学会発表] Optimization of reservoir neural network structure for sensorimotor control2023

    • 著者名/発表者名
      Arisa Fujimoto, Hideaki Yamamoto, Satoshi Moriya, Keita Tokuda, Yuichi Katori, Shigeo Sato
    • 学会等名
      The 11th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • 国際学会
  • [学会発表] Interfacing considerations for digital neuromorphic spiking neural hardware2023

    • 著者名/発表者名
      Jordi Madrenas, Bernardo Vallejo, Mireya Zapata, Satoshi Moriya, Shigeo Sato
    • 学会等名
      The 11th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Parameter optimization of two-dimensionally connected Josephson junctions for reservoir computing2023

    • 著者名/発表者名
      Kohki Watanabe, Yoshinao Mizugaki, Satoshi Moriya, Hideaki Yamamoto, Shigeo Sato
    • 学会等名
      The 11th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • 国際学会
  • [学会発表] In vitro reconstruction of artificial neuronal networks with oriented intermodular connections2023

    • 著者名/発表者名
      Nobuaki Monma, Hideaki Yamamoto, Hakuba Murota, Moriya Satoshi, Ayumi Hirano, Shigeo Sato
    • 学会等名
      The 11th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • 国際学会
  • [学会発表] Analog CMOS implementation of spiking neural networks for edge computing2023

    • 著者名/発表者名
      Shigeo Sato, Satoshi Moriya, Hideaki Yamamoto, Yoshihiko Horio, Yasushi Yuminaka, Jordi Madrenas
    • 学会等名
      The 11th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • 国際学会
  • [学会発表] 2次元接続されたジョセフソン接合を用いたリザバー計算の画像分類応用における性能について2023

    • 著者名/発表者名
      渡邊紘基,水柿義直,守谷哲,山本英明,佐藤茂雄
    • 学会等名
      応用物理学会 春季学術講演会
  • [学会発表] 報酬変調型STDP学習則と荷重値分配を用いた時系列信号分類手法の提案2023

    • 著者名/発表者名
      飯田 陽介,守谷 哲,山本 英明,佐藤 茂雄
    • 学会等名
      電子情報通信学会 総合大会
  • [学会発表] A fully analog CMOS implementation of a two-variable spiking neuron in the subthreshold region and its network operation2022

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Moriya, Hideaki Yamamoto, Shigeo Sato, Yasushi Yuminaka, Yoshihiko Horio, Jordi Madrenas
    • 学会等名
      2022 International Joint Conference on Neural Networks
    • 国際学会
  • [学会発表] Ultra-low power analog CMOS implementation of spiking neural networks for reservoir computing applications2022

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Moriya, Hideaki Yamamoto, Shigeo Sato, Yasushi Yuminaka, Yoshihiko Horio, Jordi Madrenas
    • 学会等名
      The 2022 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications
    • 国際学会
  • [学会発表] スパイキングニューラルネットワークのアナログ回路実装と時系列情報処理への応用2022

    • 著者名/発表者名
      守谷 哲,山本 英明,弓仲 康史,堀尾 喜彦,佐藤 茂雄
    • 学会等名
      電子情報通信学会 ニューロコンピューティング研究会
  • [学会発表] Multi-model spiking neural network hardware execution2022

    • 著者名/発表者名
      Bernardo Vallejo, Jordi Madrenas, Mireya Zapata, Satoshi Moriya, Shigeo Sato
    • 学会等名
      The 2022 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications
    • 国際学会
  • [学会発表] Optimization of circuit parameters for JTL-based reservoir computing2022

    • 著者名/発表者名
      Kohki Watanabe, Yoshinao Mizugaki, Satoshi Moriya, Hideaki Yamamoto, Shigeo Sato
    • 学会等名
      The 2022 JSPS 146th Committee International Symposium on Superconductor Electronics jointed with 15th Superconducting SFQ VLSI Workshop
    • 国際学会
  • [学会発表] ニューラルネットワーク応用へ向けたアナログCMOS多数決回路のLSI実装2022

    • 著者名/発表者名
      小野 哲史,守谷 哲,菅家 由佳,山本 英明,弓仲 康史,佐藤 茂雄
    • 学会等名
      電子情報通信学会 ニューロコンピューティング研究会
  • [学会発表] 波形分類のためのジョセフソン伝送線路を用いた物理リザバー2022

    • 著者名/発表者名
      渡邊紘基, 水柿義直, 守谷 哲, 山本英明, 佐藤茂雄
    • 学会等名
      電子情報通信学会 超伝導エレクトロニクス研究会
  • [学会発表] 結合行列の対称性制御によるリカレントニューラルネットワークの構造最適化2022

    • 著者名/発表者名
      藤本 ありさ,山本 英明,守谷 哲,徳田 慶太,香取 勇一,佐藤 茂雄
    • 学会等名
      電子情報通信学会 ニューロコンピューティング研究会
  • [学会発表] モジュール間結合に指向性を有する人工神経回路の作製と自発活動解析2022

    • 著者名/発表者名
      門間信明,山本英明,守谷哲,平野愛弓,佐藤茂雄
    • 学会等名
      応用物理学会 秋季学術講演会

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公開日: 2023-12-25  

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