Littérature scientifique sur le sujet « Informatique Neuromorphique »

La recherche dans le domaine de l'informatique neuro-inspirée suscite beaucoup d'intérêt depuis quelques années. Avec des applications potentielles dans des domaines tels que le traitement de données à grande échelle, la robotique ou encore les systèmes autonomes intelligents pour ne citer qu'eux, des paradigmes de calcul bio-inspirés sont étudies pour la prochaine génération solutions informatiques (post-Moore, non-Von Neumann) ultra-basse consommation. Dans ce travail, nous discutons les rôles que les différentes technologies de mémoire résistive non-volatiles émergentes (RRAM), notamment (i) Phase Change Memory (PCM), (ii) Conductive-Bridge Memory (CBRAM) et de la mémoire basée sur une structure Metal-Oxide (OXRAM) peuvent jouer dans des dispositifs neuromorphiques dédies. Nous nous concentrons sur l'émulation des effets de plasticité synaptique comme la potentialisation à long terme (Long Term Potentiation, LTP), la dépression à long terme (Long Term Depression, LTD) et la théorie STDP (Spike-Timing Dependent Plasticity) avec des synapses RRAM. Nous avons développé à la fois de nouvelles architectures de faiblement énergivore, des méthodologies de programmation ainsi que des règles d'apprentissages simplifiées inspirées de la théorie STDP spécifiquement optimisées pour certaines technologies RRAM. Nous montrons l'implémentation de systèmes neuromorphiques a grande échelle et efficace énergétiquement selon deux approches différentes: (i) des synapses multi-niveaux déterministes et (ii) des synapses stochastiques binaires. Des prototypes d'applications telles que l'extraction de schéma visuel et auditif complexe sont également montres en utilisant des réseaux de neurones impulsionnels (Feed-forward Spiking Neural Network, SNN). Nous introduisons également une nouvelle méthodologie pour concevoir des neurones stochastiques très compacts qui exploitent les caractéristiques physiques intrinsèques des appareils CBRAM.

Le Reservoir Computing (RC) est un paradigme s’inspirant du cerveau humain, apparu récemment au début des années2000. Il s'agit d'un calculateur neuromorphique habituellement décomposé en trois parties dont la plus importanteappelée "réservoir" est très proche d'un réseau de neurones récurrent. Il se démarque des autres réseaux de neuronesartificiels notamment grâce aux traditionnelles phases d'apprentissage et d’entraînement qui ne sont plus appliquées surla totalité du réseau de neurones mais uniquement sur la lecture du réservoir, ce qui simplifie le fonctionnement etfacilite une réalisation physique. C'est précisément dans ce contexte qu’ont été réalisés les travaux de recherche de cettethèse, durant laquelle nous avons réalisé une première implémentation physique opto-électronique de système RC.Notre approche des systèmes physiques RC repose sur l'utilisation de dynamiques non-linéaires à retards multiples dansl'objectif de reproduire le comportement complexe d'un réservoir. L'utilisation d'un système dynamique purementtemporel pour reproduire la dimension spatio-temporelle d'un réseau de neurones traditionnel, nécessite une mise enforme particulière des signaux d'entrée et de sortie, appelée multiplexage temporel ou encore étape de masquage. Troisannées auront été nécessaires pour étudier et construire expérimentalement nos démonstrateurs physiques basés sur desdynamiques non-linéaires à retards multiples opto-électroniques, en longueur d'onde et en intensité. La validationexpérimentale de nos systèmes RC a été réalisée en utilisant deux tests de calcul standards. Le test NARMA10 (test deprédiction de séries temporelles) et la reconnaissance vocale de chiffres prononcés (test de classification de données) ontpermis de quantifier la puissance de calcul de nos systèmes RC et d'atteindre pour certaines configurations l'état del'art
Reservoir Computing (RC) is a currently emerging new brain-inspired computational paradigm, which appeared in theearly 2000s. It is similar to conventional recurrent neural network (RNN) computing concepts, exhibiting essentiallythree parts: (i) an input layer to inject the information in the computing system; (ii) a central computational layercalled the Reservoir; (iii) and an output layer which is extracting the computed result though a so-called Read-Outprocedure, the latter being determined after a learning and training step. The main originality compared to RNNconsists in the last part, which is the only one concerned by the training step, the input layer and the Reservoir beingoriginally randomly determined and fixed. This specificity brings attractive features to RC compared to RNN, in termsof simplification, efficiency, rapidity, and feasibility of the learning, as well as in terms of dedicated hardwareimplementation of the RC scheme. This thesis is indeed concerned by one of the first a hardware implementation of RC,moreover with an optoelectronic architecture.Our approach to physical RC implementation is based on the use of a sepcial class of complex system for the Reservoir,a nonlinear delay dynamics involving multiple delayed feedback paths. The Reservoir appears thus as a spatio-temporalemulation of a purely temporal dynamics, the delay dynamics. Specific design of the input and output layer are shownto be possible, e.g. through time division multiplexing techniques, and amplitude modulation for the realization of aninput mask to address the virtual nodes in the delay dynamics. Two optoelectronic setups are explored, one involving awavelength nonlinear dynamics with a tunable laser, and another one involving an intensity nonlinear dynamics with anintegrated optics Mach-Zehnder modulator. Experimental validation of the computational efficiency is performedthrough two standard benchmark tasks: the NARMA10 test (prediction task), and a spoken digit recognition test(classification task), the latter showing results very close to state of the art performances, even compared with purenumerical simulation approaches

L’étude du fonctionnement de notre système nerveux et des mécanismes sensoriels a mené à la création de capteurs événementiels. Ces capteurs ont un fonctionnement qui retranscrit les atouts de nos yeux et oreilles par exemple. Cette thèse se base sur la recherche de méthodes bio-inspirés et peu coûteuses en énergie permettant de traiter les données envoyées par ces nouveaux types de capteurs. Contrairement aux capteurs conventionnels, nos rétines et cochlées ne réagissent qu’à l’activité perçue dans l’environnement sensoriel. Les implémentations de type « rétine » ou « cochlée » artificielle, que nous appellerons capteurs dynamiques, fournissent des trains d’évènements comparables à des impulsions neuronales. La quantité d’information transmise est alors étroitement liée à l’activité présentée, ce qui a aussi pour effet de diminuer la redondance des informations de sortie. De plus, n’étant plus contraint à suivre une cadence d’échantillonnage, les événements créés fournissent une résolution temporelle supérieure. Ce mode bio-inspiré de retrait d’information de l’environnement a entraîné la création d’algorithmes permettant de suivre le déplacement d’entité au niveau visuel ou encore reconnaître la personne parlant ou sa localisation au niveau sonore, ainsi que des implémentations d’environnements de calcul neuromorphiques. Les travaux que nous présentons s’appuient sur ces nouvelles idées pour créer de nouvelles solutions de traitement. Plus précisément, les applications et le matériel développés s’appuient sur un codage temporel de l’information dans la suite d'événements fournis par le capteur
Studying how our nervous system and sensory mechanisms work lead to the creation of event-driven sensors. These sensors follow the same principles as our eyes or ears for example. This Ph.D. focuses on the search for bio-inspired low power methods enabling processing data from this new kind of sensor. Contrary to legacy sensors, our retina and cochlea only react to the perceived activity in the sensory environment. The artificial “retina” and “cochlea” implementations we call dynamic sensors provide streams of events comparable to neural spikes. The quantity of data transmitted is closely linked to the presented activity, which decreases the redundancy in the output data. Moreover, not being forced to follow a frame-rate, the created events provide increased timing resolution. This bio-inspired support to convey data lead to the development of algorithms enabling visual tracking or speaker recognition or localization at the auditory level, and neuromorphic computing environment implementation. The work we present rely on these new ideas to create new processing solutions. More precisely, the applications and hardware developed rely on temporal coding of the data in the spike stream provided by the sensors

Avec le développement des objets nanométriques (nanotube de carbone,. . . ), se pose la question de leur utilisation dans des structures de calcul. Ce travail de thèse a consisté à rechercher l'architecture de calcul qui serait la plus adaptée pour les dispositifs issus des nanotechnologies. Dans un premier temps une étude critique de ces architectures de calcul envisageables a été réalisée. Celle-ci s'est basée sur une évaluation des propriétés de chaque architecture en fonction des particularités des objets nanométriques. De notre étude, il est ressorti que les réseaux de neurones constituent l'architecture la plus adaptée. Nous nous sommes en particulier focalisé sur la réalisation expérimentale d'une fonction particulière : la synapse. Une telle réalisation expérimentale réclame la fabrication d'un dispositif combinant des propriétés de transistor et de mémoire. Pour cela nous avons élaboré un transistor à pentacène contenant des nanoparticules insérées dans le composé organique. Les propriétés de transistor et de mémoire ont été démontrés par des caractérisations électriques. La fonctionnalité synaptique du dispositif a également été mise en évidence. En particulier le rôle des nanoparticules dans ces propriétés a été prouvé.

On estime que le nombre d'objets connectés à l'Internet atteindra 50 à 100 milliards en 2020. La recherche s'organise en deux champs principaux pour répondre à ce défi : l'internet des objets et les grandes masses de données. La demande en puissance de calcul augmente plus vite que le développement de nouvelles architectures matérielles en particulier à cause du ralentissement de la loi de Moore. La raison principale en est le mur de la mémoire, autrement appelé le goulet d'étranglement de Von Neumann, qui vient des différences de vitesse croissantes entre le processeur et la mémoire. En conséquence, il y a besoin d'une nouvelle architecture matérielle rapide et économe en énergie pour répondre aux besoins énormes de puissance de calcul.Dans cette thèse, nous proposons de nouvelles architectures pour les processeurs de prochaine génération utilisant des nanotechnologies émergentes telles que les memristors. Nous étudions des méthodes de calcul non conventionnelles aussi bien numériques qu'analogiques. Notre contribution principale concerne les réseaux de neurones à impulsion (RNI) ou architectures neuromorphiques. Dans la première partie de la thèse, nous passons en revue les memristors existants, étudions leur utilisation dans une architecture numérique à base de crossbars, puis introduisons les architectures neuromorphiques. La deuxième partie contient la contribution principale~: le développement d'un simulateur d'architectures neuromorphiques (N2S3), l'introduction d'un nouveau type de synapse pour améliorer l'apprentissage, une exploration des paramètres en vue d'améliorer les RNI, et enfin une étude de la faisabilité des réseaux profonds dans les RNI
By 2020, there will be 50 to 100 billion devices connected to the Internet. Two domains of hot research to address these high demands of data processing are the Internet of Things (IoT) and Big Data. The demands of these new applications are increasing faster than the development of new hardware particularly because of the slowdown of Moore's law. The main reason of the ineffectiveness of the processing speed is the memory wall or Von Neumann bottleneck which is coming from speed differences between the processor and the memory. Therefore, a new fast and power-efficient hardware architecture is needed to respond to those huge demands of data processing. In this thesis, we introduce novel high performance architectures for next generation computing using emerging nanotechnologies such as memristors. We have studied unconventional computing methods both in the digital and the analog domains. However, the main focus and contribution is in Spiking Neural Network (SNN) or neuromorphic analog computing. In the first part of this dissertation, we review the memristive devices proposed in the literature and study their applicability in a hardware crossbar digital architecture. At the end of part~I, we review the Neuromorphic and SNN architecture. The second part of the thesis contains the main contribution which is the development of a Neural Network Scalable Spiking Simulator (N2S3) suitable for the hardware implementation of neuromorphic computation, the introduction of a novel synapse box which aims at better learning in SNN platforms, a parameter exploration to improve performance of memristor-based SNN, and finally a study of the application of deep learning in SNN

Les travaux de cette thèse apportent une contribution à l'automatisation du flot de conception analogique et mixte, en termes de méthodologies de réutilisation. Des méthodologies de développement et d'exploration de bibliothèque d'IPs (Intellectual Property) analogiques sont développées : définition et caractérisation d'un IP analogiques, création et exploration d'une base de données d'IPs, aide à la réutilisation destinée au concepteur. Le circuit utilisé pour l'application de ces méthodologies est un système neuromimétique c'est-à-dire qu'il reproduit l'activité électrique de neurones biologiques. Ces applications montrent à travers trois exemples, l'efficacité et la souplesse de notre méthodologie de redimensionnement de circuits analogiques CMOS lors d'une migration technologique.

Dans le contexte actuel, l’Intelligence Artificielle (IA) est largement répandue et s’applique à de nombreux domaines tels que les transports, la médecine et les véhicules autonomes. Parmi les algorithmes d'IA, on retrouve principalement les réseaux de neurones, qui peuvent être répartis en deux familles : d'une part, les Réseaux de Neurones Impulsionnels (SNNs) qui sont issus du domaine des neurosciences ; d'autre part, les Réseaux de Neurones Analogiques (ANNs) qui sont issus du domaine de l'apprentissage machine. Les ANNs connaissent un succès inédit grâce à des résultats inégalés dans de nombreux secteurs tels que la classification d'images et la reconnaissance d'objets. Cependant, leur déploiement nécessite des capacités de calcul considérables et ne conviennent pas à des systèmes très contraints. Afin de pallier ces limites, de nombreux chercheurs s'intéressent à un calcul bio-inspiré, qui serait la parfaite alternative aux calculateurs conventionnels basés sur l'architecture de Von Neumann. Ce paradigme répond aux exigences de performance de calcul, mais pas aux exigences d'efficacité énergétique. Il faut donc concevoir des circuits matériels neuromorphiques adaptés aux calculs parallèles et distribués. Dans ce contexte, nous avons établi un certain nombre de critères en termes de précision et de coût matériel pour différencier les SNNs et ANNs. Dans le cas de topologies simples, nous avons montré que les SNNs sont plus efficaces en termes de coût matériel que les ANNs, et ce, avec des précisions de prédiction quasiment similaires. Ainsi, dans ce travail, notre objectif est de concevoir une architecture neuromorphique basée sur les SNNs. Dans cette perspective, nous avons mis en place un flot de conception composé de trois niveaux, qui permet la réalisation d’une architecture neuromorphique dédiée et adaptée aux applications d’IA embarquée.Dans un contexte d'efficacité énergétique, nous avons réalisé une étude approfondie sur divers paradigmes de codage neuronal utilisés avec les SNNs. Par ailleurs, nous avons proposé de nouvelles versions dérivées du codage fréquentiel, visant à se rapprocher de l'activité produite avec le codage temporel, qui se caractérise par un nombre réduit d'impulsions (spikes) se propageant dans le SNN. En faisant cela, nous sommes en mesure de réduire le nombre de spikes, ce qui se traduit par un SNN avec moins d'événements à traiter, et ainsi, réduire la consommation énergétique sous-jacente. Pour cela, deux techniques nouvelles ont été proposées : "First Spike", qui se caractérise par l'utilisation d’un seul spike au maximum par donnée ; "Spike Select", qui permet de réguler et de minimiser l'activité globale du SNN.Dans la partie d’exploration RTL, nous avons comparé de manière quantitative un certain nombre d’architectures de SNN avec différents niveaux de parallélisme et multiplexage de calculs. En effet, le codage "Spike Select" engendre une régulation de la distribution des spikes, avec la majorité générée dans la première couche et peu d'entre eux propagés dans les couches profondes. Nous avons constaté que cette distribution bénéficie d’une architecture hybride comportant une première couche parallèle et les autres multiplexées. Par conséquent, la combinaison du "Spike Select" et de l'architecture hybride serait une solution efficace, avec un compromis efficace entre coût matériel, consommation et latence.Enfin, en se basant sur les choix architecturaux et neuronaux issus de l'exploration précédente, nous avons élaboré une architecture évènementielle dédiée aux SNNs mais suffisamment programmable pour supporter différents types et tailles de réseaux de neurones. L'architecture supporte les couches les plus utilisées : convolution, pooling et entièrement connectées. En utilisant cette architecture, nous serons bientôt en mesure de comparer les ANNs et les SNNs sur des applications réalistes et enfin conclure sur l'utilisation des SNNs pour l'IA embarquée
Nowadays, Artificial Intelligence (AI) is a widespread concept applied to many fields such as transportation, medicine and autonomous vehicles. The main AI algorithms are artificial neural networks, which can be divided into two families: Spiking Neural Networks (SNNs), which are bio-inspired models resulting from neuroscience, and Analog Neural Networks (ANNs), which result from machine learning. The ANNs are experiencing unprecedented success in research and industrial fields, due to their recent successes in many application contexts such as image classification and object recognition. However, they require considerable computational capacity for their deployment which is not adequate to very constrained systems such as 'embedded systems'. To overcome these limitations, many researchers are interested in brain-inspired computing, which would be the perfect alternative to conventional computers based on the Von Neumann architecture (CPU/GPU). This paradigm meets computing performance but not energy efficiency requirements. Hence, it is necessary to design neuromorphic hardware circuits adaptable to parallel and distributed computing. In this context, we have set criteria in terms of accuracy and hardware implementation cost to differentiate the two neural families (SNNs and ANNs). In the case of simple network topologies, we conducted a study that has shown that the spiking models have significant gains in terms of hardware cost when compared to the analog networks, with almost similar prediction accuracies. Therefore, the objective of this thesis is to design a generic neuromorphic architecture that is based on spiking neural networks. To this end, we have set up a three-level design flow for exploring and implementing neuromorphic architectures.In an energy efficiency context, a thorough exploration of different neural coding paradigms for neural data representation in SNNs has been carried out. Moreover, new derivative versions of rate-based coding have been proposed that aim to get closer to the activity produced by temporal coding, which is characterized by a reduced number of spikes propagating in the network. In this way, the number of spikes can be reduced so that the number of events to be processed in the SNNs gets smaller. The aim in doing this approach is to reduce the hardware architecture's energy consumption. The proposed coding approaches are: First Spike, which is characterized using at most one single spike to present an input data, and Spike Select, which allows to regulate and minimize the overall spiking activity in the SNN.In the RTL design exploration, we quantitatively compared three SNN architectural models having different levels of computing parallelism and multiplexing. Using Spike Select coding results in a distribution regulation of the spiking data, with most of them generated within the first layer and few of them propagate into the deep layers. Such distribution benefits from a so-called 'hybrid architecture' that includes a fully-parallel part for the first layer and multiplexed parts to the other layers. Therefore, combining the Spike Select and the Hybrid Architecture would be an effective solution for embedded AI applications, with an efficient hardware and latency trade-off.Finally, based on the architectural and neural choices resulting from the previous exploration, we have designed a final event-based architecture dedicated to SNNs supporting different neural network types and sizes. The architecture supports the most used layers: convolutional, pooling and fully-connected. Using this architecture, we will be able to compare analog and spiking neural networks on realistic applications and to finally conclude about the use of SNNs for Embedded Artificial Intelligence

Les neurosciences computationnelles sont une grande source d'inspiration pour le traitement de données. De nos jours, aussi bon que soit l'état de l'art de la vision par ordinateur, il reste moins performant que les possibilités offertes par nos cerveaux ou ceux d'autres animaux ou insectes. Cette thèse se base sur cette observation afin de développer de nouvelles méthodes de calcul pour la vision par ordinateur ainsi que pour le calcul de manière générale reposant sur les données issues de capteurs événementiels tels que les "rétines artificielles". Ces capteurs copient la biologie et sont utilisés dans ces travaux pour le caractère épars de leurs données ainsi que pour leur précision temporelle : l'information est codée dans des événements qui sont générés avec une précision de l'ordre de la microseconde. Ce concept ouvre les portes d'un paradigme complètement nouveau pour la vision par ordinateur, reposant sur le temps plutôt que sur des images. Ces capteurs ont été utilisés pour développer des applications comme le suivi ou la reconnaissance d'objets ou encore de l'extraction de motifs élémentaires. Des plate-formes de calcul neuromorphiques ont aussi été utilisées pour implémenter plus efficacement ces algorithmes, nous conduisant à repenser l'idée même du calcul. Les travaux présentés dans cette thèse proposent une nouvelle façon de penser la vision par ordinateur via des capteurs événementiels ainsi qu'un nouveau paradigme pour le calcul. Le temps remplace la mémoire permettant ainsi des opérations complètement locales, ce qui permet de réaliser des machines hautement parallèles avec une architecture non-Von Neumann
Computational Neurosciences are a great source of inspiration for data processing and computation. Nowadays, how great the state of the art of computer vision might be, it is still way less performant that what our brains or the ones from other animals or insects are capable of. This thesis takes on this observation to develop new computational methods for computer vision and generic computation relying on data produced by event-based sensors such as the so called “silicon retinas”. These sensors mimic biology and are used in this work because of the sparseness of their data and their precise timing: information is coded into events which are generated with a microsecond precision. This opens doors to a whole new paradigm for machine vision, relying on time instead of using images. We use these sensors to develop applications such as object tracking or recognition and feature extraction. We also used computational neuromorphic platforms to better implement these algorithms which led us to rethink the idea of computation itself. This work proposes new ways of thinking computer vision via event-based sensors and a new paradigm for computation. Time is replacing memory to allow for completely local operations, enabling highly parallel machines in a non-Von Neumann architecture

Reproduire les fonctionnalités du cerveau représente un défi majeur dans le domaine des technologies de l’information et de la communication. Plus particulièrement, l’ingénierie neuromorphique, qui vise à implémenter au niveau matériel les propriétés de traitement de l’information du cerveau, apparait une direction de recherche prometteuse. Parmi les différentes stratégies poursuivies dans ce domaine, la proposition de composant memristif a permis d’envisager la réalisation des fonctionnalités des synapses et de répondre potentiellement aux problématiques d’intégration. Dans cette dissertation, nous présenterons comment les fonctionnalités synaptiques avancées peuvent être réalisées à partir de composants mémoires memristifs. Nous présentons une revue de l’état de l’art dans le domaine de l’ingénierie neuromorphique. En nous intéressant à la physique des composants mémoires filamentaires de type cellules électrochimiques, nous démontrons comment les processus de mémoire à court terme et de mémoire à long terme présents dans les synapses biologiques peuvent être réalisés en contrôlant la croissance de filaments de type dendritiques. Ensuite nous implémentons dans ces composants une fonctionnalité synaptique basée sur la corrélation temporelle entre les signaux provenant des neurones d’entrée et de sortie. Ces deux approches sont ensuite analysées à partir d’un modèle inspiré de la biologie permettant de mettre l’accent sur l’analogie entre synapses biologiques et composants mémoires filamentaires. Finalement, à partir de cette approche de modélisation, nous évaluons les potentialités de ces composants mémoires pour la réalisation de fonctions neuromorphiques concrètes
Replicating the computational functionalities of the brain remains one of the biggest challenges for the future of information and communication technologies. In this context, neuromorphic engineering appears a very promising direction. In this context memristive devices have been recently proposed for the implementation of synaptic functions, offering the required features and integration potentiality in a single component. In this dissertation, we present how advanced synaptic features can be implemented in memristive nanodevices. By exploiting the physical properties of filamentary switching, we successfully implemented a non-Hebbian plasticity form corresponding to the synaptic adaptation. We demonstrate that complex filament shape, such as dendritic paths of variable density and width, can reproduce short- and long- term processes observed in biological synapses and can be conveniently controlled by achieving a flexible way to program the device memory state and the relative state volatility. Then, we show that filamentary switching can be additionally controlled to reproduce a Hebbian plasticity form that corresponds to an increase of the synaptic weight when time correlation between pre- and post-neuron firing is experienced at the synaptic connection. We interpreted our results in the framework of a phenomenological model developed for biological synapses. Finally, we exploit this model to investigate how spike-based systems can be realized for memory and computing applications. These results pave the way for future engineering of neuromorphic computing systems, where complex behaviors of memristive physics can be exploited

Le cerveau humain est un système computationnel complexe mais énergétiquement efficace qui excelle aux applications cognitives grâce à sa capacité naturelle à faire de l'inférence. À l'inverse, les systèmes de calculs traditionnels reposant sur la classique architecture de Von Neumann exigent des consommations de puissance importantes pour exécuter de telles tâches. Ces considérations ont donné naissance à la fameuse approche neuromorphique, qui consiste à construire des systèmes de calculs inspirés du cerveau. Dans cette thèse, nous examinons l'utilisation de technologies novatrices, à savoir les mémoires résistives (RRAMs) et les technologies tridimensionnelles (3D) monolithiques, pour permettre l'implémentation matérielle compacte de processeurs neuromorphiques impulssionnels (SNNs) et reconfigurables à faible puissance. Dans un premier temps, nous fournirons une étude détaillée sur l'impact des propriétés électriques des RRAMs dans les SNNs utilisant des synapses à base de RRAMs, et entraînés avec des méthodes d'apprentissage non-supervisées (plasticité fonction du temps d'occurence des impulsions, STDP). Notamment, nous clarifierons le rôle de la variabilité synaptique provenant de la variabilité résistive des RRAMs. Dans un second temps, nous étudierons l'utilisation de matrices de mémoires ternaires adressables par contenu (TCAMs) à base de RRAMs en tant que tables de routage synaptique dans les processeurs SNNs, afin de permettre la reconfigurabilité de la topologie du réseau. Pour ce faire, nous présenterons des caractérisations électriques approfondies de deux circuits TCAMs à base de RRAMs: (i) la structure TCAM la plus courante avec deux-transistors/deux-RRAMs (2T2R), et (ii) une nouvelle structure TCAM avec un-transistor/deux-RRAMs/un-transistor (1T2R1T), toutes deux dotées de la plus petite surface silicium à l'heure actuelle. Nous comparerons les deux structures en termes de performances, fiabilité et endurance. Pour finir, nous explorerons le potentiel des technologies 3D monolithiques en vue d'améliorer l'efficacité en surface. En plus de la classique intégration monolithique des RRAMs dans le retour en fin de ligne (back-end-of-line) des technologies CMOS, nous analyserons l'empilement vertical de transistors CMOS les uns au-dessus des autres. Pour cela, nous démontrerons la possibilité d'intégrer monolithiquement deux niveaux de transistors CMOS avec un niveau de dispositifs RRAMs. Cette preuve de concept sera appuyée par des caractérisations électriques effectuées sur les dispositifs fabriqués
The human brain is a complex, energy-efficient computational system that excels at cognitive tasks thanks to its natural capability to perform inference. By contrast, conventional computing systems based on the classic Von Neumann architecture require large power budget to execute such assignments. Herein comes the idea to build brain-inspired electronic computing systems, the so-called neuromorphic approach. In this thesis, we explore the use of novel technologies, namely Resistive Memories (RRAMs) and three-dimensional (3D) monolithic technologies, to enable the hardware implementation of compact, low-power reconfigurable Spiking Neural Network (SNN) processors. We first provide a comprehensive study of the impact of RRAM electrical properties on SNNs with RRAM synapses and trained with unsupervised learning (Spike-Timing-Dependent Plasticity (STDP)). In particular, we clarify the role of synaptic variability originating from RRAM resistance variability. Second, we investigate the use of RRAM-based Ternary Content-Addressable Memory (TCAM) arrays as synaptic routing tables in SNN processors to enable on-the-fly reconfigurability of network topology. For this purpose, we present in-depth electrical characterisations of two RRAM-based TCAM circuits: (i) the most common two-transistors/two-RRAMs (2T2R) RRAM-based TCAM, and (ii) a novel one-transistor/two-RRAMs/one-transistor (1T2R1T) RRAM-based TCAM, both featuring the smallest silicon area up-to-date. We compare both structures in terms of performance, reliability, and endurance. Finally, we explore the potential of 3D monolithic technologies to improve area-efficiency. In addition to the conventional monolithic integration of RRAMs in the back-end-of-line of CMOS technology, we examine the vertical stacking of CMOS over CMOS transistors. To this end, we demonstrate the full 3D monolithic integration of two tiers of CMOS transistors with one tier of RRAM devices, and present electrical characterisations performed on the fabricated devices