During the past two decades, epileptic seizure detection and prediction algorithms have evolved rapidly. However, despite significant performance improvements, their hardware implementation using conventional technologies, such as Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS), in power and area-constrained settings remains a challenging task; especially when many recording channels are used. In this paper, we propose a novel low-latency parallel Convolutional Neural Network (CNN) architecture that has between 2-2,800x fewer network parameters compared to SOTA CNN architectures and achieves 5-fold cross validation accuracy of 99.84% for epileptic seizure detection, and 99.01% and 97.54% for epileptic seizure prediction, when evaluated using the University of Bonn Electroencephalogram (EEG), CHB-MIT and SWEC-ETHZ seizure datasets, respectively. We subsequently implement our network onto analog crossbar arrays comprising Resistive Random-Access Memory (RRAM) devices, and provide a comprehensive benchmark by simulating, laying out, and determining hardware requirements of the CNN component of our system. To the best of our knowledge, we are the first to parallelize the execution of convolution layer kernels on separate analog crossbars to enable 2 orders of magnitude reduction in latency compared to SOTA hybrid Memristive-CMOS DL accelerators. Furthermore, we investigate the effects of non-idealities on our system and investigate Quantization Aware Training (QAT) to mitigate the performance degradation due to low ADC/DAC resolution. Finally, we propose a stuck weight offsetting methodology to mitigate performance degradation due to stuck RON/ROFF memristor weights, recovering up to 32% accuracy, without requiring retraining. The CNN component of our platform is estimated to consume approximately 2.791W of power while occupying an area of 31.255mm$^2$ in a 22nm FDSOI CMOS process.


翻译:在过去20年中,癫痫收缴检测和预测算法发生了迅速的变化,然而,尽管业绩有了显著改善,但它们在电力和地区受限环境下使用补充金属-氧化-半导体(CMOS)等常规技术的硬件实施仍是一项挑战性任务,特别是当许多记录渠道被使用时。在本文件中,我们提议建立一个新型的低长平行神经网络(CNN)结构,与SOTACN结构相比,网络参数减少了2-2 800x,并实现了5倍的交叉验证精确度99.84%用于癫痫收缴检测,99.01%和97.54%用于癫痫收缴预测,而分别使用波恩大学电源图(EEEG)、CHB-MIT和SWEC-ETZ的缉获数据集进行评估。我们随后将我们的网络安装在包含抗力随机超强记忆(RAM)装置的模拟阵列中,通过模拟、展示和确定CNOS系统组成部分的到期硬件要求,从而降低我们系统不连续运行的运行效率。

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