Le système nerveux central humain est un système de traitement de l'information stupéfiant en termes de capacités, de polyvalence, d’adaptabilité et de faible consommation d'énergie. Sa structure complexe se compose de milliards de neurones, interconnectés par plusieurs trillions de synapses, formant des grappes spécialisées. Récemment, l'imitation de ces paradigmes a suscité un intérêt croissant en raison de la nécessité d'approches informatiques avancées pour s'attaquer aux défis liés à la génération de quantités massives de données complexes dans l'ère de l’Internet des Objets (IoT). Ceci a mené à un nouveau domaine de recherche, connu sous le nom d’informatique cognitive ou d'ingénierie neuromorphique, qui repose sur les architectures dites non-von-Neumann (inspirées du cerveau) en opposition aux architectures von-Neumann (ordinateurs classiques). Dans cette thèse, nous examinons l'utilisation des technologies de mémoire résistive telles que les mémoires à accès aléatoires à base de lacunes d’oxygène (OxRAM) et les mémoires à pont conducteur (CBRAM) pour la conception de synapses artificielles, composants de base indispensables des réseaux neuromorphiques. De plus, nous développons un réseau de neurones impulsionnels artificiel (SNN), utilisant des synapses OxRAM, pour l'analyse de données impulsionnelles provenant du cerveau humain en vue du traitement de troubles neurologiques, en connectant la sortie du SNN à une interface cerveau-ordinateur (BCI). L'impact des problèmes de fiabilité, caractéristiques des OxRAMs, sur les performances du système est étudié en détail et les moyens possibles pour atténuer les pénalités liées aux incertitudes des dispositifs seuls sont démontrés. En plus de l’implémentation avec des OxRAMs et CBRAMs de la bien connue plasticité fonction du temps d’occurrence des impulsions (STDP), qui constitue une forme de plasticité à long terme (LTP), les dispositifs OxRAM ont également été utilisés pour imiter la plasticité à court terme (STP). Les fonctionnalités fondamentalement différentes de la LTP et STP sont mises en évidence. / The central nervous system of humankind is an astonishing information processing system in terms of its capabilities, versatility, adaptability and low energy consumption. Its complex structure consists of billions of neurons interconnected by trillions of synapses forming specialized clusters. Recently, mimicking those paradigms has attracted a strongly growing interest, triggered by the need for advanced computing approaches to tackle challenges related to the generation of massive amounts of complex data in the Internet of Things (IoT) era. This has led to a new research field, known as cognitive computing or neuromorphic engineering, which relies on the so-called non-von-Neumann architectures (brain-inspired) in contrary to von-Neumann architectures (conventional computers). In this thesis, we explore the use of resistive memory technologies such as oxide vacancy based random access memory (OxRAM) and conductive bridge RAM (CBRAM) for the design of artificial synapses that are a basic building block for neuromorphic networks. Moreover, we develop an artificial spiking neural network (SNN) based on OxRAM synapses dedicated to the analysis of spiking data recorded from the human brain with the goal of using the output of the SNN in a brain-computer interface (BCI) for the treatment of neurological disorders. The impact of reliability issues characteristic to OxRAM on the system performance is studied in detail and potential ways to mitigate penalties related to single device uncertainties are demonstrated. Besides the already well-known spike-timing-dependent plasticity (STDP) implementation with OxRAM and CBRAM which constitutes a form of long term plasticity (LTP), OxRAM devices were also used to mimic short term plasticity (STP). The fundamentally different functionalities of LTP and STP are put in evidence.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2017GREAS028 |
| Date | 10 July 2017 |
| Creators | Werner, Thilo |
| Contributors | Grenoble Alpes, Yvert, Blaise, De Salvo, Barbara |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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