वास्तुकला दो प्रमुख नवाचारों के आसपास बनाई गई है (वाई. हे एट अल., 2024),(पी. रूसो एट अल., 2026):
- सेंड-ऑन-डेल्टा सिग्नल अधिग्रहण, पारंपरिक निक्वेस्ट-रेट सैंपलिंग को एक इवेंट-संचालित योजना के साथ प्रतिस्थापित करता है जो केवल तंत्रिका सिग्नल बदलने पर डेटा उत्पन्न करता है।
- एक टर्नरी पैकेट-आधारित एईआर सीरियलाइज़र (ईएसईआर), जो कुशल क्रमबद्धता और नियतात्मक ट्रांसमिशन के लिए इन घटनाओं को कॉम्पैक्ट पैकेट में समूहित करता है।
साथ में, ये बिल्डिंग ब्लॉक एनसीटी को अनावश्यक डेटा को खत्म करने की अनुमति देते हैं – इस प्रकार (i) बीसीआई की शक्ति और बैंडविड्थ आवश्यकताओं को कम करते हुए, उच्च-निष्ठा स्पाइक पुनर्निर्माण के लिए आवश्यक सभी जानकारी को संरक्षित करते हुए
चित्र 1: Imec ने दोषरहित, वास्तविक समय डेटा कटौती के लिए एक NCT चिप विकसित की है।
अधिकांश कॉर्टिकल न्यूरॉन्स आश्चर्यजनक रूप से कभी-कभार ही सक्रिय होते हैं – आम तौर पर दस हर्ट्ज़ से कम, यानी प्रति सेकंड केवल कुछ दर्जन स्पाइक्स (और अक्सर इससे भी कम)। यह अंतर्निहित विरलता डेटा संपीड़न और कमी के लिए एक बड़ा अवसर प्रस्तुत करती है।
पारंपरिक नाइक्विस्ट-दर नमूनाकरण एक निश्चित आवृत्ति पर सिग्नल कैप्चर करता है – आमतौर पर तंत्रिका संवेदन के लिए 20-30 किलोहर्ट्ज़ – भले ही कोई तंत्रिका घटना (यानी, स्पाइक) वास्तव में हो रही हो। इससे नमूनों की एक सतत धारा उत्पन्न होती है, जिनमें से अधिकांश निरर्थक होते हैं (जब न्यूरॉन्स चुप होते हैं)।
इमेक का सेंड-ऑन-डेल्टा सैंपलिंग/एन्कोडिंग दृष्टिकोण मौलिक रूप से अलग रास्ता अपनाता है। निश्चित अंतराल पर नमूना लेने के बजाय, सेंड-ऑन-डेल्टा एक घटना-आधारित, सिग्नल-निर्भर अस्थायी नमूनाकरण योजना का प्रस्ताव करता है: डेटा केवल तभी उत्पन्न होता है जब सिग्नल पूर्वनिर्धारित सीमा (Δ) से अधिक बदलता है। इस प्रकार, आउटपुट एक सघन तरंगरूप नहीं है, बल्कि सूचना-समृद्ध घटनाओं की एक विरल धारा है।
इससे कई फायदे मिलते हैं: काफी कम डेटा पॉइंट (अक्सर परिमाण के क्रम से), काफी कम बिजली की खपत, और बहुत कम बैंडविड्थ की जरूरत – जबकि सभी स्पाइक्स को उच्च निष्ठा के साथ कैप्चर किया जाता है।
imec के नवीनतम (दूसरी पीढ़ी) सेंड-ऑन-डेल्टा तंत्र में एक महत्वपूर्ण सुधार यह है कि एन्कोडिंग अब पूरी तरह से डिजिटल डोमेन में संचालित होती है: पावर-भूखे सेंड-ऑन-डेल्टा एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर (एडीसी) के माध्यम से गुजरने वाले कच्चे एनालॉग वोल्टेज से शुरू होने के बजाय, सिस्टम डिजिटल-स्टेट प्रतिनिधित्व के साथ काम करता है जो तंत्रिका सिग्नल में सार्थक परिवर्तनों को दर्शाता है।
सरल शब्दों में, सिग्नल बदलने पर सेंड-ऑन-डेल्टा डिजिटल रूप से पता लगाता है, और फिर तय करता है कि अंतर्निहित डेटा के साथ क्या करना है।
जबकि imec का सेंड-ऑन-डेल्टा दृष्टिकोण तंत्रिका गतिविधि की विरलता का प्रभावी ढंग से शोषण करता है, यह स्वाभाविक रूप से स्पाइक-संचालित डेटा स्ट्रीम उत्पन्न करता है (केवल जब तंत्रिका संकेत बदलते हैं, निश्चित अंतराल पर नहीं)।
बिजली बचत हासिल करने के लिए यह वांछनीय है, लेकिन इसके लिए एक संचार पद्धति की आवश्यकता होती है जो अनियमित, स्पाइक-संचालित डेटा को संभाल सके।
एड्रेस-इवेंट प्रतिनिधित्व (एईआर) प्रोटोकॉल स्पाइक-संचालित इवेंट संचार के लिए एक सामान्य समाधान है।
हालाँकि, उच्च-घनत्व तंत्रिका रिकॉर्डिंग पर लागू होने पर मौजूदा एईआर योजनाएं कई सीमाएं दिखाती हैं।
उदाहरण के लिए, जब कई रीडआउट चैनल एक ही समय में घटनाएँ उत्पन्न करते हैं, तो शास्त्रीय एईआर घटना मध्यस्थता या पावती-आधारित हैंडशेकिंग पर निर्भर करता है – जो बड़े चैनल की गिनती के लिए अच्छा नहीं होता है, और अप्रत्याशित विलंबता का परिचय देता है।
इसके अलावा, तंत्रिका स्पाइक्स मजबूत स्थानिक सहसंबंध प्रदर्शित करते हैं – एक एकल स्पाइक कई आसन्न इलेक्ट्रोडों में दिखाई दे सकता है – फिर भी पारंपरिक एईआर विधियां प्रत्येक घटना को स्वतंत्र रूप से पैकेटाइज़ और क्रमबद्ध करती हैं, बार-बार अनावश्यक पता जानकारी प्रसारित करती हैं और अनावश्यक प्रोटोकॉल ओवरहेड खर्च करती हैं।
इन सीमाओं को दूर करने के लिए, imec ने एक इवेंट-आधारित सीरियलाइज़र (eSER) विकसित किया जो टर्नरी पैकेट-आधारित AER प्रोटोकॉल के साथ सेंड-ऑन-डेल्टा को जोड़ता है – जिसका उद्देश्य तंत्रिका टेलीमेट्री के लिए बनाया गया है। इमेक का डिज़ाइन कई प्रमुख लाभ पेश करता है:
- घटना-संचालित धारावाहिक प्रसारण – केवल जब तंत्रिका गतिविधि होती है,
- सहसंबंधित घटनाओं का स्थानिक समूहन – कई छोटे संदेशों के बजाय एक कॉम्पैक्ट पैकेट भेजना, जो अनावश्यक मेटाडेटा को समाप्त करता है, और प्रोटोकॉल ओवरहेड को दो के कारक तक कम करता है,
- मध्यस्थता या टकराव-हैंडलिंग तर्क की कोई आवश्यकता नहीं – एक साथ घटनाओं के बीच मध्यस्थता करने के बजाय, ईएसईआर पहले सभी Δ आउटपुट एकत्र करता है और फिर नियंत्रित अनुक्रम में एक पैकेट उत्सर्जित करता है; यह पूरी तरह से घटना टकराव से बचाता है, जबकि अनिश्चितकालीन विलंबता के साथ जटिल मध्यस्थता सर्किटरी की आवश्यकता को दूर करता है – पारंपरिक एईआर में एक बड़ी बाधा,
- दोषरहित पुनर्निर्माण के लिए समृद्ध, मल्टी-बिट (टर्नरी) एन्कोडिंग – imec के AER पैकेट में दोषरहित स्पाइक तरंग पुनर्निर्माण को सक्षम करने के लिए Δ मान, परिवर्तन की दिशा और चैनल आईडी शामिल हैं (यहां तक कि कम आयाम वाले स्पाइक्स के लिए ~ 31 μV तक)।
जैसे, imec का AER संचार को तंत्रिका संकेतों की वास्तविक प्रकृति – विरल, फटा हुआ और स्थानिक रूप से सहसंबद्ध – के साथ संरेखित करके पारंपरिक कार्यान्वयन की स्केलेबिलिटी, जटिलता, ओवरहेड, (अनिश्चितकालीन) विलंबता और शक्ति संबंधी चिंताओं को हल करता है। घटनाओं को समझदारी से समूहित करके, समृद्ध Δ जानकारी को एन्कोड करके, और केवल आवश्यकता होने पर (जब Δ शून्य के बराबर नहीं होता है) सीरियलाइज़र को सक्रिय करके, सिस्टम स्रोत पर अनावश्यक डेटा को फ़िल्टर करता है और नाटकीय रूप से उच्च संपीड़न और अल्ट्रा-लो-पावर ऑपरेशन प्राप्त करता है।
चित्र 2: इमेक का दृष्टिकोण उन्नत पैकेटीकरण और क्रमबद्धता के लिए टर्नरी पैकेट-आधारित एईआर प्रोटोकॉल के साथ दोषरहित, इवेंट-संचालित सिग्नल अधिग्रहण के लिए सेंड-ऑन-डेल्टा एन्कोडिंग को जोड़ता है। स्रोत: imec.
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