数字IC实践项目（9）—SNN加速器的设计和实现(tiny_ODIN)

写在前面的话

项目介绍：
SNN硬件加速器是一种专为脉冲神经网络（Spiking Neural Networks）设计的硬件加速器。脉冲神经网络模拟了生物大脑中神经元之间的工作方式，通过离散的脉冲信号传递信息。SNN硬件加速器可以加速脉冲神经网络模型的训练和推理过程，提高神经网络的效率和能耗表现。

通过在硬件级别优化脉冲神经网络的计算，SNN硬件加速器可以实现更快的推理速度和更低的能耗，适用于诸如智能感知、边缘计算和神经形态学计算等领域。

本项目是对经典SNN的复现，是从开源的ODIN SNN处理器进行调整而来tinyODIN。是一款低成本的脉冲神经网络（SNN）处理器，简化为最简单的交叉阵列形式。tinyODIN内嵌了256个12位漏积分-放电（LIF）神经元和64k个4位突触，tinyODIN中没有现象学的Izhikevich神经元模型，也没有在线学习突触。

重要性：
SNN（脉冲神经网络）硬件加速器在人工智能和神经形态学计算方面具有重要性，其重要性体现在以下几个方面：

1. 高效能耗比：SNN硬件加速器可以针对脉冲神经网络的特性进行优化，实现更高的能耗效率。由于神经元的活动是以脉冲的形式进行传递，因此专门针对这种模式设计的硬件可以显著降低能耗，提高能效比。
2. 实时处理能力：脉冲神经网络通常用于处理实时感知和决策任务，例如视觉处理和运动控制。SNN硬件加速器的并行计算和快速响应特性，使其能够满足实时处理的需求，对于嵌入式系统和边缘计算等领域尤为重要。
3. 神经形态学研究：对于神经形态学和神经科学研究来说，SNN硬件加速器提供了一种高度可定制和可调节的平台，有助于模拟大规模神经网络的活动，加深对大脑功能的理解，并促进人工智能与生物学的交叉研究。

对于找工作的帮助：

1. 就业竞争力增强： SNN硬件加速器是人工智能领域的前沿技术之一，掌握其设计将使数字IC专业学生在求职市场上具备更强的竞争力。公司在人工智能芯片设计、边缘计算、物联网等领域都需要数字IC工程师具备相关技能，因此拥有SNN硬件加速器的设计经验将使学生更容易获得相关职位。
2. 加深理论与实践结合： SNN硬件加速器的设计涉及到神经形态学计算原理、硬件架构优化等多个领域的知识。通过掌握SNN硬件加速器的设计，学生能够将所学的理论知识与实践相结合，加深对数字集成电路设计和人工智能的理解，并且能够在实际项目中应用所学的知识。
3. 开拓创新思维： SNN硬件加速器的设计是一个创新的领域，需要工程师具备创新思维和解决问题的能力。掌握SNN硬件加速器的设计将培养学生的创新能力，激发他们在数字IC领域中提出新的设计理念和解决方案的能力，这对于找工作时的项目经验展示和职业发展都非常有帮助。

项目整体框图

项目整体框图如下，以SNN硬件突触和片上SRAM为核心，搭配SPI外围模块完成权重配置和事件输入，处理器采用了时间多路复用的方式，实现了一个包含256个神经元和64k个突触的交叉架构。
每个神经元和突触的状态和参数分别存储在1 kB 和32 kB的单口同步存储器中。

• 控制器负责神经元和突触更新逻辑的时间多路复用
• 调度器则处理来自输入AER总线的内部和外部事件

完整电路框图

整个电路结构如下，主要分为六个部分，分别为：

1. aer_out：事件输出端口，用于处理地址和SNN突触触发结果。
2. spi_slave:spi配置端口，用于设置全局寄存器、SNN突触权重以及事件配置等命令，支持双向读写。
3. controller:SNN内部主控制模块。
4. scheduler：事件分发模块，用于处理Bus数据和内部事件。
5. synaptic_core:SNN突触阵列，存储突触状态，分时复用，降低SNN突触例化数量。
6. neuron_core：LIF模型

项目难度：⭐⭐⭐⭐⭐
项目推荐度：⭐⭐⭐⭐
项目推荐天数：14~21天

项目简介和学习目的

基于开源项目完成rtl前仿到icc2布局，感兴趣的同学可以私信我，整个项目还有很多可以优化改进的地方，大家可以在完成学习的基础上进行改进，希望可以帮助大家更好的完成求职！

软件环境要求

整个项目对于初学者要求较高，完成复现需要花费较长的时间搭建软件环境，这里建议大家按需完成学习，循序渐进，可以从神经网络、SNN硬件加速器、RTL代码以及综合等方面进行展开。

要求的软件和EDA环境：
（1）操作系统要求：
Centos
（2）EDA 软件要求：
VCS2018，DC2018，ICC2 2018
（3）硬件要求：
电脑运行内存 >= 16Gb(便于综合）

项目学习目的：
（1）熟练掌握复杂项目的工程管理；
（2）熟悉 Verilog HDL仿真、综合工具以及了解数字IC设计工具及流程；
（3）学习SNN网络的基本结构和基础原理；
（4）学习SNN硬件加速器；
（5）熟练掌握Verilog语法和验证方法；

Wave&Coverage

配置SNN突触权重后，通过SPI完成事件输入，在Aerout ACk上可以采样到LIF单元对应状态。

整个项目的Coverage如下：

Timing，Area & Power

基于tsmc 40nm工艺完成综合，以下为相关报告。

Timing：

Area：

power：

icc2布局如下：
ps：手动粗糙布局，也没有对应SRAM的IP，图一乐。

总结

项目涵盖了SNN硬件加速器的基础理论，Verilog实现和仿真和测试所需脚本和环境配置。
需要搭建完整的软件和硬件环境，相对先前列出的开源和初级项目来说，整体难度稍高，适合作为前期的提升项目。