Σχεδίαση Αναλογικού Ολοκληρωμένου Συστήματος Ασαφούς Συμπερασμού για Διεπιστημονικές Εφαρμογές

Abstract

Στόχος της παρούσας διπλωματικής είναι η σχεδίαση μίας αρχιτεκτονικής αναλογικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων χαμηλής κατανάλωσης ισχύος για την υλοποίηση ενός τύπου-2 Συστήματος Ασαφούς Συμπερασμού γενικού σκοπού. Προτεραιότητα της σχεδίασης αποτελεί η υψηλή ακρίβεια της υλοποίησης και η χαμηλή κατανάλωση ισχύος, που επιτυγχάνεται με τη χρήση ρευμάτων πόλωσης της τάξης των nA, τάσης τροφοδοσίας 0.6 V και τρανζίστορ στην περιοχή λειτουργίας του υποκατωφλίου (sub-threshold). Η αρχιτεκτονική του συστήματος και τα βασικά δομικά της κυκλωματικά μέρη αναλύονται, ενώ καινοτόμες κυκλωματικές αρχιτεκτονικές προτείνονται για την ενίσχυση της ποιότητας της απόκρισης και τη μείωση της κατανάλωσης ισχύος καθενός από αυτά. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική υλοποιεί αποκλειστικά αναλογικά τη λειτουργία ενός type-2 Fuzzy Inference System και αποτελείται από τροποποιημένα Bump κυκλώματα για την κατασκευή γκαουσιανών συναρτήσεων συμμετοχής (ασαφών συνόλων), current-mode MIN/MAX τελεστές για την υλοποίηση της ασαφούς συλλογιστικής και ΟΤΑs σε συνδεσμολογία voltage follower-aggregation για το μπλοκ αποασαφοποίησης κέντρου μάζας. Η αρχιτεκτονική είναι εύκολα ρυθμιζόμενη σε επίπεδο σχεδιασμού, όσον αφορά τις διάφορες υπερπαραμέτρους του συστήματος, με αποτέλεσμα ένα ασαφές σύστημα γενικού σκοπού που μπορεί να τροποποιηθεί ώστε να ταιριάζει σε μεγάλη ποικιλία εφαρμογών υλικού ασαφούς συλλογιστικής. Τέλος, το σύστημα είναι πλήρως προγραμματιζόμενο και ηλεκτρονικά ρυθμιζόμενο ακόμη και μετά την κατασκευή του. Ο τρόπος εκπαίδευσης, λειτουργίας και προσαρμογής της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής περιγραφέται αναλυτικά. Η αποτελεσματικότητα και η ακρίβεια της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής επιβεβαιώνονται σε εφαρμογές ασαφούς ταξινόμησης σε πραγματικά δεδομένα. ΄Εξι συνολικά αναλογικοί ασαφείς ταξινομητές σχεδιάστηκαν σε τεχνολογία CMOS TSMC 90nm με χρήση του προγράμματος σχεδίασης Cadence IC Suite για τον ηλεκτρoνικό και φυσικό σχεδιασμό βάσει της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής για τρεις εφαρμογές ταξινόμησης. Κάθε αναλογικός ταξινομητής αξιολογείται στο αντίστοιχο σύνολο δεδομένων τόσο ως προς την ακρίβεια της ταξινόμησης συγκριτικά με τον ισοδύναμο ασαφή ταξινομητή σε επίπεδο λογισμικού, όσο και ως προς την ευαισθησία του αναλογικού συστήματος.