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Scaling Limits of Memristor-Based Routers for Asynchronous Neuromorphic Systems

神经形态工程学 记忆电阻器 异步通信 缩放比例 计算机科学 计算机体系结构 人工神经网络 人工智能 计算机网络 电子工程 工程类 数学 几何学
作者
Jun-Ren Chen,Siyao Yang,Huaqiang Wu,Giacomo Indiveri,Melika Payvand
出处
期刊:IEEE Transactions on Circuits and Systems Ii-express Briefs [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:71 (3): 1576-1580 被引量:4
标识
DOI:10.1109/tcsii.2023.3343292
摘要

Multi-core neuromorphic systems typically use onchip routers to transmit spikes among cores.These routers require significant memory resources and consume a large part of the overall system's energy budget.A promising alternative approach to using standard CMOS and SRAM-based routers is to exploit the features of memristive crossbar arrays and use them as programmable switch-matrices that route spikes.However, the scaling of these crossbar arrays presents physical challenges, such as "IR drop" on the metal lines due to the parasitic resistance, and leakage current accumulation on multiple active memristors in their "off" state.While reliability challenges of this type have been extensively studied in synchronous systems for compute-inmemory matrix-vector multiplication (MVM) accelerators and storage class memory, little effort has been devoted so far to characterizing the scaling limits of memristor-based crossbar routers.Here, we study the challenges of memristive crossbar arrays, when used as routing channels to transmit spikes in asynchronous Spiking Neural Network (SNN) hardware.We validate our analytical findings with experimental results obtained from a 4K-ReRAM chip which demonstrates its functionality as a routing crossbar.We determine the functionality bounds on the routing due to the IR drop and leak problem, based on theoretical modeling, circuit simulations for a 22 nm FDSOI technology, and experimental measurements.This work highlights the limitations of this approach and provides useful guidelines for engineering the memristor device properties in memristive crossbar routers for multi-core asynchronous neuromorphic systems.

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