Hybrid neuromorphic hardware with sparing 2D synapse and CMOS neuron for character recognition

神经形态工程学 CMOS芯片 计算机科学 突触 编码(社会科学) 人工神经网络 计算机硬件 计算机体系结构 人工智能 电子工程 神经科学 工程类 生物 数学 统计
作者
Siwei Xue,Shuiyuan Wang,Tianxiang Wu,Ziye Di,Nuo Xu,Yibo Sun,Chaofan Zeng,Shunli Ma,Peng Zhou
出处
期刊:Science Bulletin [Elsevier]
卷期号:68 (20): 2336-2343 被引量:13
标识
DOI:10.1016/j.scib.2023.09.006
摘要

Neuromorphic computing enables efficient processing of data-intensive tasks, but requires numerous artificial synapses and neurons for certain functions, which leads to bulky systems and energy challenges. Achieving functionality with fewer synapses and neurons will facilitate integration density and computility. Two-dimensional (2D) materials exhibit potential for artificial synapses, including diverse biomimetic plasticity and efficient computing. Considering the complexity of neuron circuits and the maturity of complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS), hybrid integration is attractive. Here, we demonstrate a hybrid neuromorphic hardware with 2D MoS2 synaptic arrays and CMOS neural circuitry integrated on board. With the joint benefit of hybrid integration, frequency coding and feature extraction, a total cost of twelve MoS2 synapses, three CMOS neurons, combined with digital/analogue converter enables alphabetic and numeric recognition. MoS2 synapses exhibit progressively tunable weight plasticity, CMOS neurons integrate and fire frequency-encoded spikes to display the target characters. The synapse- and neuron-saving hybrid hardware exhibits a competitive accuracy of 98.8% and single recognition energy consumption of 11.4 μW. This work provides a viable solution for building neuromorphic hardware with high compactness and computility.
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