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High-Matching and Low-Cost Realization of the FHN Neuron Model on Reconfigurable FPGA Board

现场可编程门阵列 计算机科学 神经形态工程学 生物神经元模型 实现(概率) 计算机硬件 计算机工程 计算机体系结构 人工神经网络 人工智能 并行计算 算法 数学 统计
作者
Yisu Ge,Ruyu Liu,Guodao Zhang,Mohammad Sh. Daoud,Qiwen Zhang,Xuecai Huang,Abdulilah Mohammad Mayet,Zhaomin Chen,Shike He
出处
期刊:IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:18 (2): 451-459
标识
DOI:10.1109/tbcas.2023.3337335
摘要

The main objectives of neuromorphic engineering are the research, modeling, and implementation of neural functioning in the human brain. We provide a hardware solution that can replicate such a nature-inspired system by merging multiple scientific domains and is based on neural cell processes. This work provides a modified version of the original Fitz-Hugh Nagumo (FHN) neuron using a simple $\rm 2^{V}$ term called Hybrid Piece-Wised Base-2 Model (HPWBM), which accurately reproduces numerous patterns of the original neuron model. With reduced terms, we suggest modifying the original nonlinear term to achieve high matching accuracy and little computing error. Time domain and phase portraits are used to validate the proposed model, which shows that it can reproduce all of the FHN model's properties with high accuracy and little mistake. We provide an effective digital hardware approach for large-scale neuron implementations based on resource-sharing and pipelining strategies. The Hardware Description Language (HDL) is used to construct the hardware on an FPGA as a proof of concept. The recommended model hardly uses 0.48 percent of the resources on a Virtex 4 FPGA board, according to the results of the hardware implementation. The circuit can run at a maximum frequency of 448.236 MHz, according to the static timing study.

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