Theory and modeling of complex nonlinear delay dynamics applied to neuromorphic computing

• Main Author: Penkovsky, Bogdan
• Other Authors: Bourgogne Franche-Comté
• Language: en
• Published: 2017
• Subjects: Reservoir computing; Dynamique nonlineaire à retard; Systèmes complexes; Calcul neuromorphique; États Chimère; FPGA; Nonlinear delay dynamics; Complex systems; Neuromorphic computing; Chimera states; 535
• Online Access: http://www.theses.fr/2017UBFCD059/document

Cette thèse développe une nouvelle approche pour la conception d'un reservoir computer, l'un des défis de la science et de la technologie modernes. La thèse se compose de deux parties, toutes deux s'appuyant sur l'analogie entre les systèmes optoelectroniques à retard et les dynamiques spatio-temporelles non linéaires. Dans la première partie (Chapitres 1 et 2) cette analogie est utilisée dans une perspective fondamentale afin d'étudier les formes auto-organisées connues sous le nom d'états Chimère, mis en évidence une première fois comme une conséquence de ces travaux. Dans la deuxième partie (Chapitres 3 et 4) la même analogie est exploitée dans une perspective appliquée afin de concevoir et mettre en oeuvre un concept de traitement de l'information inspiré par le cerveau: un réservoir computer fonctionnant en temps réel est construit dans une puce FPGA, grâce à la mise en oeuvre d'une dynamique à retard et de ses couches d'entrée et de sortie, pour obtenir un système traitement d'information autonome intelligent. === The thesis develops a novel approach to design of a reservoir computer, one of the challenges of modern Science and Technology. It consists of two parts, both connected by the correspondence between optoelectronic delayed-feedback systems and spatio-temporal nonlinear dynamics. In the first part (Chapters 1 and 2), this correspondence is used in a fundamental perspective, studying self-organized patterns known as chimera states, discovered for the first time in purely temporal systems. Study of chimera states may shed light on mechanisms occurring in many structurally similar high-dimensional systems such as neural systems or power grids. In the second part (Chapters 3 and 4), the same spatio-temporal analogy is exploited from an applied perspective, designing and implementing a brain-inspired information processing device: a real-time digital reservoir computer is constructed in FPGA hardware. The implementation utilizes delay dynamics and realizes input as well as output layers for an autonomous cognitive computing system.