Nöromorfik devre tasarımı ve yeni uygulamaları
Neuromorphic circuit design and its new applications
Yazar: MELİH YILDIRIM
Danışman: PROF. DR. FIRAT KAÇAR
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Analog tümleşik devreler = Analog integrated circuits ; Devre tasarımı = Circuit design ; Devreler = Circuits ; Görüntü işleme = Image processing ; Konvolüsyon = Convolution ; Nöromorfik = Neuromorphic ; Nöromorfik devreler = Neuromorphic circuits

Özet:
Bu tez çalışması farklı nöromorfik devre tasarımlarını ve retina-ilhamlı analog görüntü işleme uygulamalarını içermektedir. Yapılan çalışmanın ilk bölümünde, 4. pasif devre bileşeni olarak ortaya çıkan memristör elemanından faydalanılarak elde edilen memristör fuse tabanlı retina mimarisi önerilmiştir. Tezde kullanılan memristör taklit devresi SPICE modellemesi yerine aktif ve pasif elektronik devre bileşenleri kullanılarak tasarlanmıştır. Ayrıca bu eleman tıpkı biyolojik sistemler gibi lineer olmayan davranış sergilemekte olup, retina taklit devresi için oldukça uygundur.

Çalışmanın ikinci bölümünde, retinada meydana gelen bir biyolojik olay olan lateral inhibisyon özelliği gösteren devre mimarisi verilmiştir. Analog görüntü işleme karakteristiğine sahip bu devre ile kenar iyileştirme ve kenar algılama metotları başarıyla gerçekleştirilmiştir. Sadece MOS (Metal-Oxide Semiconductor) transistörlerden oluşan analog devre tasarımında akım aynaları ve akım çıkarıcı devre yapısı kullanılmıştır. Ayrıca bu mimaride sayısal görüntü işlemede kullanılan konvolüsyon teorisinden ve görüntü maskeleme kavramından yararlanılmıştır.

Çalışmanın en son kısmında, Laplacian filtre tabanlı analog görüntü işleme özelliğine sahip özgün bir devre mimarisi verilmiştir. İmgenin en küçük parçası piksel olduğundan ötürü öncellikle tek bir piksele ait retina-ilhamlı devre sunulmuştur. Piksel devresinin yapısında lateral inhibisyon devresindeki yapı modifiye edilerek kullanılmıştır. Daha sonra konvolüsyon ve Laplacian maskeleme teorilerine uygun bir biçimde piksel bağlantıları yapılarak 100x100 pikselden meydana gelen grid mimari tasarlanmıştır.

Tez çalışmasının tamamında yapılan analiz sonuçları beklenen sonuçlar ile uyumlu olarak başarıyla elde edilmiştir.

Abstract:
This thesis includes neuromorphic circuit designs and retina-inspired analog image processing applications. In the first part of the conducted study, memristor fuse based retina architecture which is obtained utilizing memristor as a fourth passive circuit component is proposed. Memristor emulator circuit in this thesis is designed using active and passive electronic circuit components instead of SPICE model. In addition, this element displays non-linear characteristic just like biological systems and is quite suitable for retina-inspired circuit.

Circuit architecture which exhibits the behavior of lateral inhibition, a biological phenomenon occurring in retina, is presented in the second part of study. Edge enhancement and edge detection methods are successfully achieved with this circuit having the feature of analog image processing. Current mirrors and current subtractor circuit structure are used in the analog circuit design consisting of only MOS (Metal-Oxide Semiconductor) transistors. Moreover, convolution theory and image masking concept in digital image processing are utilized in this architecture.

In the last part of this study, a novel circuit architecture providing Laplacian filter based analog image processing feature is given. Since pixel is the smallest part in an image, a single pixel circuit mimicking the retina is first of all suggested. Structure in the lateral inhibition emulator circuit is modified and employed. Then, a grid architecture of 100x100 pixels is designed making pixel connections according to convolution and Laplacian masking theories.
 
Analysis results carried out on the entire thesis work are successfully obtained in accordance with the expected results.