Accessible Requires Authentication Published by Oldenbourg Wissenschaftsverlag September 13, 2016

SSDCα – Inherently robust integrated biomimetic sensor-to-spike-to-digital converter based on peripheral neural ensembles

SSDCα – Ein inhärent robuster integrierter bioinspirierter Sensor-zu-Spike-nach-Digital-Wandler auf der Basis peripherer Neuronenstrukturen
Abhaya Chandra Kammara S. and Andreas König
From the journal tm - Technisches Messen

Abstract

Rethinking analog to digital conversion has become extremely crucial in the race towards aggressively scaled technology nodes with decaying signal swings. The concept of more recent TDCs, which are completely designed in digital domain, make them simpler, easier to manufacture and faster to market. In previous work, LUCOS[1], a high dynamic range image sensor using spike based processing with high pixel uniformity had been designed. This motivated a generic ADC concept, which makes use of spike processing, to design a highly effective sensor signal processing system, which carries the promise of robustness to technology scaling, for effective use in IoT and Industrie 4.0. In this work, an ADC concept based on acoustic localization in biological sensory systems has been pursued. An ADC has been designed based on this concept using biological models of spiking neurons. The first proof-of-concept prototype chip SSDCα has been designed in ams 350 nm technology node with area of the chip is 8.5 mm2, sampling rate from DC to 150 kHz, resolution from 8-bit to 13-bit, with 28, 200 transistors, 263 neurons and 517 synapses. The future work will move from 350 nm to 90 nm technology node to show the improvement and robustness of the SSDC with technology scaling.

Zusammenfassung

Innovation in der Analog-Umwandlung hat eine entscheidende Bedeutung im Rennen hin zu aggressiv skalierten Technologien mit stark sinkenden Aussteuerbereichen gewonnen. Beispielsweise das in jüngerer Vergangenheit hinzugekommene Prinzip sogenannter TDCs, die nahezu vollständig in der digitalen Domäne realisiert sind, macht deren Realisierung strukturell einfacher, unempfindlicher und erleichtert die Herstellung. In Vorarbeiten wurde ein Bildsensor mit Spike-basierter Verarbeitung, hohem Dynamik- und Wertauflösungsbereich und sehr hoher Pixeluniformität entworfen (LUCOS). Diese Erfahrungen motivierten die Verfolgung eines generischen ADC-Konzepts, das die Verwendung von Spike-Verarbeitung nutzt, um eine höchsteffektive Sensorsignalverarbeitung zu erreichen, und verspricht robust hinsichtlich einer Technologieskalierung zu sein und damit eine Grundlage für den effektiven Einsatz integrierter Sensorelektronik in IoT und Industrie 4.0 zu bieten. In dieser Arbeit wurde konkret ein ADC-Konzept basierend auf akustischer Lokalisierung in biologischen Sinnessystemen verfolgt. Ein ADC wurde auf der Grundlage dieses Konzepts mit biologischen Modellen spikender Neuronen entworfen. Der erste Prototyp-Chip SSDCα zur Demonstration und Validierung des Ansatzes wurde in der ams 350 nm-Technologie entworfen, besitzt eine Fläche von 8.5 mm2, weist 28.200 Transistoren und 263 Neuronen mit 517 Synapsen auf, erlaubt eine Abtastrate von DC bis 150 kHz, und bietet eine Auflösung von 8 Bit bis 13 Bit. In künftiger Arbeit wird u. a. eine Skalierung des Entwurfs von 350 nm auf z. B. 90 nm-Technologie angestrebt, um die Vorteile und Robustheit des SSDC hinsichtlich Technologieskalierung zu belegen.

Received: 2015-12-4
Revised: 2016-7-12
Accepted: 2016-7-13
Published Online: 2016-9-13
Published in Print: 2016-9-28

©2016 Walter de Gruyter Berlin/Boston