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Emerging Network Structures and Neuromorphic Applications

Projektbeschreibung

Auf in die Welt der neuartigen neuromorphen Anwendungen

Neuromorphes Rechnen ahmt die Art nach, wie sich neuronale Netze im Gehirn auf dynamische Weise neu vernetzen, um reagierend auf bestimmte Reize Entscheidungen zu treffen. Genutzt werden neue algorithmische Ansätze, um die Leistungseigenschaften der nächsten Computergeneration zu verbessern und sie mit bislang nie erreichten Ressourcen auszustatten. Das EU-finanzierte Projekt NEUROMORPH zielt auf die Entwicklung mathematischer Modelle und innovativer Rechenverfahren ab, wozu Konzepte aus der Thermodynamik, Zellbiologie und Elektrotechnik miteinander kombiniert werden. Die Forschenden werden Modelle entwickeln, die das Verhalten von Synapsen und die neuronale Konnektivität zusammenfassen. Gesamtziel der Arbeit sind neuartige Memristorbauelemente für ultradichte Elektronik, die Big Data speichern, lernen und verarbeiten können.

Ziel

Network structures arise in many applications like for biological tissues, neuron systems, and nanoelectronic devices. Neuronal network structures are inspiring novel neuromorphic computer architectures, overcoming physical scaling limits in traditional hardware. The project NEUROMORPH focuses on the interplay of emerging structures in biological neuron systems and electronic circuit models. The problems we address are formulated in terms of nonlinear partial differential systems, including stochastic and nonlocal terms. Examples include transport through ion channels, chemotaxis-fluid systems, mean-field network models, and memristor networks.
The aims of this mathematics-oriented project are to explore the structure of the multiscale systems, prove their well-posedness, and devise structure-preserving numerical methods. Mathematical challenges are coming from the cross-diffusion character, the coupling of different types of equations (partially diffusive, stochastic, algebraic), the nonstandard degeneracies of the equations, and the hierarchy of scales, ranging from the molecular to the cellular to the network level.
To achieve these goals, we develop new tools by combining variants of the boundedness-by-entropy method, compensated compactness, stability theory, and stochastic analysis. We build on the expertise of the PI on semiconductor device modeling, theory of cross-diffusion systems, numerical analysis, and recent work on stochastic differential equations. Concepts from thermodynamics, cell biology, and electrical engineering will be condensed into innovative mathematical theories for cross-diffusion systems and multiscale models.
The project culminates in the simulation of small bio-inspired neuromorphic circuits, where memristor devices model the behavior of synapses or ion channels and mimic neuronal connectivity. The combination of bio-physical and device-circuit models is expected to make a vital progress for the design of neuromorphic structures.

Finanzierungsplan

ERC-ADG - Advanced Grant

Gastgebende Einrichtung

TECHNISCHE UNIVERSITAET WIEN
Netto-EU-Beitrag
€ 1 945 713,00
Adresse
KARLSPLATZ 13
1040 Wien
Österreich

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Region
Ostösterreich Wien Wien
Aktivitätstyp
Higher or Secondary Education Establishments
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Gesamtkosten
€ 1 945 713,00

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