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Les fichiers sons qui accompagne mon document sont au format midi. Le programme que nous avons développés pour ce travail est en language Python. / Les réseaux de neurones à réservoir, dont le principe est de combiner un vaste réseau de neurones fixes avec un apprenant ne possédant aucune forme de mémoire, ont récemment connu un gain en popularité dans les communautés d’apprentissage machine, de traitement du signal et des neurosciences computationelles. Ces réseaux qui peuvent être classés en deux catégories : 1. les réseaux à états échoïques (ESN)[29] dont les activations des neurones sont des réels 2. les machines à états liquides (LSM)[43] dont les neurones possèdent des potentiels d’actions, ont été appliqués à différentes tâches [11][64][49][45][38] dont la génération de séquences mélodiques [30]. Dans le cadre de la présente recherche, nous proposons deux nouveaux modèles à base de réseaux de neurones à réservoir. Le premier est un modèle pour la reconnaissance de rythmes utilisant deux niveaux d’apprentissage, et avec lequel nous avons été en mesure d’obtenir des résultats satisfaisants tant au niveau de la reconnaissance que de la résistance au bruit. Le second modèle sert à l’apprentissage et à la génération de séquences périodiques. Ce modèle diffère du modèle génératif classique utilisé avec les ESN à la fois au niveau de ses entrées, puisqu’il possède une Horloge, ainsi qu’au niveau de l’algorithme d’apprentissage, puisqu’il utilise un algorithme que nous avons spécialement développé pour cette tache et qui se nomme "Orbite". La combinaison de ces deux éléments, nous a permis d’obtenir de bons résultats, pour la génération, le sur-apprentissage et l’extraction de données. Nous pensons également que ce modèle ouvre une fenêtre intéressante vers la réalisation d’un orchestre entièrement virtuel et nous proposons deux architectures possibles que pourrait avoir cet orchestre. Dans la dernière partie de ce travail nous présentons les outils que nous avons développés pour faciliter notre travail de recherche. / Reservoir computing, the combination of a recurrent neural network and one or more memoryless readout units, has seen recent growth in popularity in and machine learning, signal processing and computational neurosciences. Reservoir-based methods have been successfully applied to a wide range of time series problems [11][64][49][45][38] including music [30], and usually can be found in two flavours: Echo States Networks(ESN)[29], where the reservoir is composed of mean rates neurons, and Liquid Sates Machines (LSM),[43] where the reservoir is composed of spiking neurons. In this work, we propose two new models based upon the ESN architecture. The first one is a model for rhythm recognition that uses two levels of learning and with which we have been able to get satisfying results on both recognition and noise resistance. The second one is a model for learning and generating periodic sequences, with this model we introduced a new architecture for generative models based upon ESNs where the reservoir receives inputs from a clock, as well as a new learning algorithm that we called "Orbite". By combining these two elements within our model, we were able to get good results on generation, over-fitting and data extraction. We also believe that a combination of several instances of our model can serve as a basis for the elaboration of an entirely virtual orchestra, and we propose two architectures that this orchestra may have. In the last part of this work, we briefly present the tools that we have developed during our research.

<p>Deep ‘Analog Artificial Neural Networks’ (AANNs) perform complex classification problems with high accuracy. However, they rely on humongous amount of power to perform the calculations, veiling the accuracy benefits. The biological brain on the other hand is significantly more powerful than such networks and consumes orders of magnitude less power, indicating some conceptual mismatch. Given that the biological neurons are locally connected, communicate using energy efficient trains of spikes, and the behavior is non-deterministic, incorporating these effects in Artificial Neural Networks (ANNs) may drive us few steps towards a more realistic neural networks. </p> <p> </p> <p>Emerging devices can offer a plethora of benefits including power efficiency, faster operation, low area in a vast array of applications. For example, memristors and Magnetic Tunnel Junctions (MTJs) are suitable for high density, non-volatile Random Access Memories when compared with CMOS implementations. In this work, we analyze the possibility of harnessing the characteristics of such emerging devices, to achieve neuro-inspired solutions to intricate problems.</p> <p> </p> <p>We propose how the inherent stochasticity of nano-scale resistive devices can be utilized to realize the functionality of spiking neurons and synapses that can be incorporated in deep stochastic Spiking Neural Networks (SNN) for image classification problems. While ANNs mainly dwell in the aforementioned classification problem solving domain, they can be adapted for a variety of other applications. One such neuro-inspired solution is the Cellular Neural Network (CNN) based Boolean satisfiability solver. Boolean satisfiability (k-SAT) is an NP-complete (k≥3) problem that constitute one of the hardest classes of constraint satisfaction problems. We provide a proof of concept hardware based analog k-SAT solver that is built using MTJs. The inherent physics of MTJs, enhanced by device level modifications, is harnessed here to emulate the intricate dynamics of an analog, CNN based, satisfiability (SAT) solver. </p> <p> </p> <p>Furthermore, in the effort of reaching human level performance in terms of accuracy, increasing the complexity and size of ANNs is crucial. Efficient algorithms for evaluating neural network performance is of significant importance to improve the scalability of networks, in addition to designing hardware accelerators. We propose a scalable approach for evaluating Liquid State Machines: a bio-inspired computing model where the inputs are sparsely connected to a randomly interlinked reservoir (or liquid). It has been shown that biological neurons are more likely to be connected to other neurons in the close proximity, and tend to be disconnected as the neurons are spatially far apart. Inspired by this, we propose a group of locally connected neuron reservoirs, or an ensemble of liquids approach, for LSMs. We analyze how the segmentation of a single large liquid to create an ensemble of multiple smaller liquids affects the latency and accuracy of an LSM. In our analysis, we quantify the ability of the proposed ensemble approach to provide an improved representation of the input using the Separation Property (SP) and Approximation Property (AP). Our results illustrate that the ensemble approach enhances class discrimination (quantified as the ratio between the SP and AP), leading to improved accuracy in speech and image recognition tasks, when compared to a single large liquid. Furthermore, we obtain performance benefits in terms of improved inference time and reduced memory requirements, due to lower number of connections and the freedom to parallelize the liquid evaluation process.</p>

Les réseaux de neurones à réservoir, dont le principe est de combiner un vaste réseau de neurones fixes avec un apprenant ne possédant aucune forme de mémoire, ont récemment connu un gain en popularité dans les communautés d’apprentissage machine, de traitement du signal et des neurosciences computationelles. Ces réseaux qui peuvent être classés en deux catégories : 1. les réseaux à états échoïques (ESN)[29] dont les activations des neurones sont des réels 2. les machines à états liquides (LSM)[43] dont les neurones possèdent des potentiels d’actions, ont été appliqués à différentes tâches [11][64][49][45][38] dont la génération de séquences mélodiques [30]. Dans le cadre de la présente recherche, nous proposons deux nouveaux modèles à base de réseaux de neurones à réservoir. Le premier est un modèle pour la reconnaissance de rythmes utilisant deux niveaux d’apprentissage, et avec lequel nous avons été en mesure d’obtenir des résultats satisfaisants tant au niveau de la reconnaissance que de la résistance au bruit. Le second modèle sert à l’apprentissage et à la génération de séquences périodiques. Ce modèle diffère du modèle génératif classique utilisé avec les ESN à la fois au niveau de ses entrées, puisqu’il possède une Horloge, ainsi qu’au niveau de l’algorithme d’apprentissage, puisqu’il utilise un algorithme que nous avons spécialement développé pour cette tache et qui se nomme "Orbite". La combinaison de ces deux éléments, nous a permis d’obtenir de bons résultats, pour la génération, le sur-apprentissage et l’extraction de données. Nous pensons également que ce modèle ouvre une fenêtre intéressante vers la réalisation d’un orchestre entièrement virtuel et nous proposons deux architectures possibles que pourrait avoir cet orchestre. Dans la dernière partie de ce travail nous présentons les outils que nous avons développés pour faciliter notre travail de recherche. / Reservoir computing, the combination of a recurrent neural network and one or more memoryless readout units, has seen recent growth in popularity in and machine learning, signal processing and computational neurosciences. Reservoir-based methods have been successfully applied to a wide range of time series problems [11][64][49][45][38] including music [30], and usually can be found in two flavours: Echo States Networks(ESN)[29], where the reservoir is composed of mean rates neurons, and Liquid Sates Machines (LSM),[43] where the reservoir is composed of spiking neurons. In this work, we propose two new models based upon the ESN architecture. The first one is a model for rhythm recognition that uses two levels of learning and with which we have been able to get satisfying results on both recognition and noise resistance. The second one is a model for learning and generating periodic sequences, with this model we introduced a new architecture for generative models based upon ESNs where the reservoir receives inputs from a clock, as well as a new learning algorithm that we called "Orbite". By combining these two elements within our model, we were able to get good results on generation, over-fitting and data extraction. We also believe that a combination of several instances of our model can serve as a basis for the elaboration of an entirely virtual orchestra, and we propose two architectures that this orchestra may have. In the last part of this work, we briefly present the tools that we have developed during our research. / Les fichiers sons qui accompagne mon document sont au format midi. Le programme que nous avons développés pour ce travail est en language Python.

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