面向大数据分析的自学习网络关键技术研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61674006
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0406.集成电路器件、制造与封装
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Big data analytics is a technology that can reveal hidden patterns and internal correlations from a big amount and a large variety of data, which could lead to faster decision making, cost reduction and improved customer experience for companies, and therefore it has become a key technology in the era of big data. This project proposes a novel approach of doing big data analysis using artificial neural networks based on emerging memristors with self-learning capability. This approach allows the analysis of unstructured or semi-structured data, supports online learning, and has the advantages of very compact integration and low power consumption. This project plans to investigate the critical devices, integration technology and algorithms that are involved in this approach. We will adopt a novel heterostructure resistive switching layer and finely tune the ion conduction in the devices via systematically manipulating the stoichiometry of materials, the type and distribution of defects, the barrier of ion migration as well as the ion diffusion coefficient, etc., so as to obtain analog synaptic components with a speed of ≤100 ns, power consumption of ≤50 pJ, endurance of ≥10^6 and other good performance metrics including large on/off ratio as well as high linearity, etc. The devices will be further integrated into ≥1k array. The latest research findings in biological neural networks will be used to guide the design of algorithms and neurons, and the data analysis capability of the self-learning networks will be further implemented in hardware prototype. This project is expected to provide key technologies for the development of novel big data analytics.
大数据分析是从大规模、不同类型的数据中发现隐含信息与内在联系的技术,有助于企业快速决策、降低成本、提高客户满意度等,成为大数据时代的核心技术。本项目提出利用基于新型忆阻器的自学习人工神经网络执行大数据分析任务的新方案。该方法能够用于非结构化数据或半结构化数据的分析,支持在线学习,并且具有集成度高、功耗低等潜在优势。本项目计划对该方案所需的核心器件、集成技术、算法等进行深入研究。通过在阻变层中采用新型异质结复合结构,并系统调控阻变层化学计量比、缺陷类型、缺陷分布、离子迁移势垒、离子扩散系数等精细调控忆阻器中的离子输运,研发响应速度≤100纳秒,操作功耗≤50pJ,循环次数≥10^6,具有良好开关比、线性度等性能的突触单元,并进行≥1k的阵列集成。借鉴生物神经网络最新研究进展进行学习算法、神经元等设计,并通过硬件原型验证实现自学习网络的数据分析功能,为新型大数据分析技术的发展提供关键技术支持。

结项摘要

围绕大数据、人工智能时代众多数据密集型计算任务对于智能化、高能效基础器件及神经网络系统的迫切需求,本项目在纳米尺度神经形态器件微观机理、高精度人工突触与人工神经元、面向高效数据分析的智能系统构建等研究方面取得了一系列创新成果。针对长期困扰氧化物忆阻器研究的机理难题,本项目提出了利用微小静电力表征阻变存储器氧离子输运的创新方法,实现了对氧化铪神经形态器件微观离子输运过程和权值调整机制的解析,为从原理出发设计优化神经形态器件奠定了物理基础;针对已有器件缺乏时空复杂性处理能力、能耗过高等限制,本项目提出并实现了离子栅控型时敏突触,单脉冲能耗为30fJ,达到了与生物突触相当的水平,首次研制了具有非线性增益与时空动力学的人工神经元,为构建神经形态计算系统奠定了器件基础;基于项目研制的神经形态器件实现了突触和神经元完全基于忆阻器、支持在线学习的全忆阻神经网络,并将混沌动力学引入到神经网络中,首次在单个忆阻器阵列中实现了暂态混沌神经网络,实现了函数优化、组合优化等复杂优化问题的高效硬件求解;面向移动端对于在线学习能力的需求,本项目基于4Mb相变存储器芯片实现了大规模卷积神经网络VGG-16的在线训练,并结合优化的直接误差反传算法将训练时间和能耗减少了3倍以上;提出并研制了基于忆阻器的数据高效对称加密解密、汉明距离计算、蒙特卡洛计算、汉明纠错码等一系列高效存算一体数据处理系统,为下一代智能化、高能效存算一体架构和芯片的研发奠定了基础。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(6)
会议论文数量(2)
专利数量(0)
Physically Transient Optic-Neural Synapse for Secure In-Sensor Computing
用于安全传感器内计算的物理瞬态视神经突触
  • DOI:
    10.1109/led.2020.3025791
  • 发表时间:
    2020-11-01
  • 期刊:
    IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS
  • 影响因子:
    4.9
  • 作者:
    Dang, Bingjie;Ma, Lan;Huang, Ru
  • 通讯作者:
    Huang, Ru
神经形态器件研究进展与未来趋势
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    科学通报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王洋昊;刘昌;黄如;杨玉超
  • 通讯作者:
    杨玉超
Probing electrochemistry at the nanoscale: in situ TEM and STM characterizations of conducting filaments in memristive devices
纳米尺度电化学探测:忆阻器件中导电丝的原位 TEM 和 STM 表征
  • DOI:
    10.1007/s10832-017-0069-y
  • 发表时间:
    2017-02
  • 期刊:
    Journal of Electroceramics
  • 影响因子:
    1.7
  • 作者:
    Yuchao Yang;Yasuo Takahashi;Atsushi Tsurumaki-Fukuchi;Masashi Arita;M. Moors;M. Buckwell;A. Mehonic;A. J. Kenyon
  • 通讯作者:
    A. J. Kenyon

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其他文献

内充压力介质管道弯曲力学行为的实验研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    山东科技大学学报(自然科学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘锋;吴月磊;杨玉超;张利民
  • 通讯作者:
    张利民
洞庭湖区黑线姬鼠食性调查
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
    动物学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李波;朱俊霞;杨玉超;徐正刚
  • 通讯作者:
    徐正刚
受环境侵蚀油气管道轴向拉伸行为数值模拟
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    中国石油大学学报( 自然科学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘锋;杨玉超;席丰
  • 通讯作者:
    席丰
食物蛋白含量和食物量的限食对雌性东方田鼠生理特性的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    生态学报(Acta Ecologica Sinica)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李波;张美文;王勇;朱俊霞;杨玉超
  • 通讯作者:
    杨玉超

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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