Realization of a system of pulse-coupled phase oscillators with complementing firing-period in ultra-large scale brain-like CMOS circuit

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16K16130
• Research Institution: Ube National College of Technology
• Principal Investigator: 松坂 建治 宇部工業高等専門学校, 制御情報工学科, 准教授 (00755879)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 結合位相振動子系 / ニューラルネットワーク / 電子回路 / 集積回路 / 超大規模脳型回路

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，脳型知的情報処理の大規模集積回路化に向けた大規模結合位相振動子系において，振動子間の動作ばらつきに頑健な発火周期保障型パルス結合位相振動子系モデルおよびそれを実現する回路を開発した．開発したモデルの大規模結合ネットワークを数値計算シミュレーションにより検証を行い，さらに開発モデルを実現する電子回路の設計および回路シミュレーションによる動作検証を実施した．これらにより，大規模結合系構築における開発モデルの有効性・工学的価値を明らかにした．
開発した発火周期保障モデルは系の同相同期現象に至る過程の振る舞いを利用して結合位相振動子の周期動作のしきい値更新を実行する．大規模ネットワークの数値計算シミュレーションでは回路実装した際に生じる振動子間の周期ばらつきを想定した数値シミュレーションを実施し，周期保障動作の検証を行った．しきい値更新結合強度と素子間の周期ばらつき，および更新回数の関係を検証し，しきい値結合強度のパラメータ範囲が周期に対し1.0E-11~1.0E-8の場合ネットワーク全体の素子の周期を収束させることができることを明らかにした．また，位相更新による同相同期動作において，周期保障動作が完了している場合はいかなる位相更新結合強度パラメータを用いた場合でもネットワーク全体の同相同期現象が引き起こされることを確認した．
発火周期保障モデルを実現するCMOSアナログ電子回路を設計し，回路シミュレーションによる検証を実施した．発火周期保障機能と振動子状態更新機能の2つの機能を実現する回路を同一の回路ブロックとし，発火信号出力をデジタル順序回路により制御することで，回路の素子数および回路実装面積を増大を最低限に抑え発火周期保障モデルを実現できた．