Neuromorphic algorithms and hardware for event-based processing

The demand for computing power steadily increases to enable new and more intelligent functionalities in our current technology. The combined computing power of mobile systems such as phones, drones, autonomous vehicles and embedded systems increases rapidly, but each system has a limited power budget. Efficient computation is thus of utmost importance. For the past decades we have relied on the growing amount of transistors per unit area to keep up with computing demand while keeping power consumption in check, but this trend is declining as transistor sizes are reaching physical limits. While architecture improvements stagnate, we find ourselves in the early stages of creating intelligent systems, which raises the question how current system can scale and which makes the exploration of alternative computing principles worth wile. This thesis examines the role of new bio-inspired computation paradigms for low-power computation, to drive a future generation of intelligent systems. Neuromorphic computing is an emerging interdisciplinary field that looks at biological systems such as the retina or the brain for inspiration on how to compute efficiently. From that it is possible to create sensors, algorithms and hardware that process information much closer to how the biological model works than current conventional computer architecture.We examine how neuromorphic cameras, algorithms and hardware can gradually replace conventional components to make the system overall use less power. We approach the issue through the lens of efficiency, and propose an event-based face detection algorithm, a framework that brings event-based computer vision to mobile devices with optimised hardware and methods based on precise timing for spiking neural networks on neuromorphic hardware. In this attempt we bring technology into being that starts to resemble the organic counterpart, to show the capabilities of brain-inspired computing.
La demande en puissance de calcul augmente régulièrement pour permettre de nouvelles fonctionnalités plus intelligentes au vu de la technologie actuelle. La puissance de calcul disponible des systèmes mobiles tels que les téléphones, les drones, les véhicules autonomes et les systèmes embarqués augmente rapidement, mais chaque système a un budget limité. Le calcul efficace est donc de la plus haute importance. Au cours des dernières décennies, nous nous sommes appuyés sur la densité croissante de transistors integrés dans un processeur, pour répondre à la demande en puissance de calcul tout en maîtrisant la consommation d'énergie, mais cette tendance diminue à mesure que les tailles des transistors atteignent leurs limites physiques. Alors que les améliorations de l'architecture stagnent, nous nous trouvons dans les premières étapes de la création de systèmes intelligents, ce qui rend l'exploration de principes de calcul alternatifs indispensable. Cette thèse examine le rôle des nouveaux paradigmes de calcul bio-inspirés permettant le calcul à faible coût indispensable à la conception de la future génération de systèmes intelligents. Le calcul neuromorphique est un domaine interdisciplinaire émergent qui s'inspire des systèmes biologiques tels que la rétine ou le cerveau pour calculer efficacement. À partir de là, il est possible de créer des capteurs, des algorithmes et du matériel qui traitent les informations de façon bio-inspirée. Nous examinons comment les caméras neuromorphiques, les algorithmes et ainsi que le matériel peuvent remplacer progressivement les composants conventionnels pour arriver à un système moins gourmand en énergie. Nous abordons le problème à travers le prisme de l'efficacité et proposons un algorithme bio-inspiré de détection de visage, puis un cadriciel permettant de développer des algorithmes neuromorphiques sur des smartphones. Enfin nous proposons de porter des méthodes basées sur la précision temporelle dans les réseaux de neurones impulsionnels sur du matériel neuromorphique. Avec cette tentative, nous apportons une technologie qui commence à ressembler à la contrepartie organique, pour montrer les capacités de l'informatique inspirée du cerveau.