Systèmes neuromorphiques temps réel

N° d’ordre : 4051
THÈSE
PRESENTEE A
L'UNIVERSITÉ BORDEAUX I
ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L ’ INGENIEUR
par Bilel BELHADJ-MOHAMED
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : ELECTRONIQUE
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Systèmes neuromorphiques temps réel : contribution a
l’intégration de réseaux de neurones biologiquement
réalistes avec fonctions de plasticité
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Soutenance le : 22 Juillet 2010
Après avis des rapporteurs :
M. Bertrand GRANADO Professeur ENSEA
M. Laurent FESQUET Maître de conférences, HDR INP Grenoble
Devant la commission d’examen composée de :
M. Yannick BORNAT Maître de conférences ENSEIRB-IPB Invité
M. Dominique DALLET Professeur ENSEIRB-IPB Président
M. Laurent FESQUET Maître de conférences, HDR INP Grenoble Rapporteur
M. Bertrand GRANADO Professeur ENSEA Rapporteur
Mme Sihem GUEMARA Professeur SUP’COM Examinatrice
Mme Sylvie RENAUD Professeur ENSEIRB-IPB Directrice
M. Jean TOMAS Maître de conférences Université Bordeaux 1 Co-directeur
– 2010 –

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Remerciements
Je remercie, au premier lieu, mon Dieu qui m’a offert et préservé une bonne santé et qui
m’a entouré de sa bienveillance et sa grâce. Je le remercie également de m’avoir confié à des
gens respectueux, responsables et scientifiques pendant ces années de thèse.
Je remercie le professeur Pascal Fouillat pour m’avoir accueilli au sein du laboratoire
IMS pendant la réalisation de ces travaux.
Merci également au professeur Sylvie Renaud, pour m’avoir accordé cette opportunité
d’effectuer ces travaux de thèse au sein de son groupe de recherche et de m’avoir introduit à
une large communauté scientifique nationale et internationale du domaine des neurosciences.
Un grand merci aussi pour la bonne ambiance qu’elle veille à diffuser entre les membres de
l’équipe : les innombrables gâteaux, le chocolat ainsi que l’humour qui les accompagne en
sont des bons témoins.
Merci à Jean Tomas de m’avoir encadré de près durant ces années. Sa sagesse et son sens
des responsabilités étaient une source de sérénité, de discussions fructueuses et de l’humour
pour toute l’équipe. Mais surtout l’écoute, la compréhension et la confiance en toutes
situations qui auront influencé ma formation tout ce temps.
Merci à Yannick Bornat pour son soutien moral, sa précieuse aide technique, sa
disponibilité, sa précipitation à fournir de l’aide dans les moments difficiles et, plus que tout,
sa patience lors des discussions imprévisibles qui, malgré nous, durent quelques heures contre
les quelques minutes pré-annoncées. Merci beaucoup.
Je remercie les professeurs Bertrand Granado et Laurent Fesquet pour le temps qu’ils
m’ont consacré en tant que rapporteurs de thèse.
Merci à Sihem Guemara et Dominique Dallet pour l’intérêt qu’ils ont porté à mon travail
en acceptant de participer au jury de thèse.
Un merci à Sylvain Saïghi et Noëlle Lewis, travailler avec vous est un vrai plaisir. J’ai
appris beaucoup de choses de votre bon sens et savoir faire.
Olivia Malot, l’ingénieur qui m’a accompagné dans les réalisations de la partie technique
de ces travaux. Notre collaboration fut très fructueuse et enrichissante. Je te souhaite une
bonne continuation dans ta vie professionnelle.

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Une pensée aussi pour tous ceux qui ont contribué à ce travail, notamment les stagiaires
que j’ai encadré comme Lionel, Vivien, Frédéric, Dominique, Jonathan, Muammer et Youssef
mais aussi les stagiaires que je n’ai pas encadré comme Arnaud, Jean Baptiste, Romain et
Tamara.
J’aimerais remercier l’ensemble du personnel du laboratoire IMS pour leur accueil, leurs
services et leurs sourires quotidiens.
A tous mes collègues : Guilherme, Youssef, Adam, Laure, Filippo, Adel, Adeline et Gilles,
merci de votre soutien et les bons moments qu’on a passé ensemble.
Je remercie aussi les membres de l’équipe Bio-EM pour l’apport scientifique, les
chaleureuses réunions et la bonne coopération. Je vous souhaite beaucoup de réussite.
Voilà, le grand moment est venu, il s’agit de remercier mes parents ; sans leur soutien, je
ne serais pas capable de surmonter les difficultés de cette vie.
Finalement, un merci pour tous ceux qui ont animé ma vie en dehors du cadre du travail :
Soumaya, Saif, Aladin (wildi), Najmeddine (Ami), Najeh (Ami), Sahbi, Charlotte, Gilles,
Moutassar (Mounta), Hassène, Camille, Joëlle, Hassène, Moez, Mouhamed-Hicham (Momo),
Ali, Younes, François, Atidel, Mohamed (el masri), Mahmoud, Si-Mohamed et plein d’autres
dont les noms ne sont pas présents dans mon esprit à l’instant mais à qui, certainement, je
pense.

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Table des matières
Introduction générale................................................................................................................1
1. Simulation matérielle des réseaux de neurones impulsionnels.......................................6
1 Neurosciences et ingénierie neuromorphique.............................................................................. 6
1.1 Les neurosciences modernes.................................................................................................................... 6
1.2 L’apport de la modélisation..................................................................................................................... 7
1.3 Simulation logicielle vs. Simulation matérielle....................................................................................... 8
1.4 Les approches neuromorphiques : un nouveau paradigme de calcul..................................................... 10
2 Les bases de neurobiologie.......................................................................................................... 11
2.1 Les éléments d’un système neuronal ..................................................................................................... 11
2.2 Le neurone impulsionnel ....................................................................................................................... 12
2.3 La synapse............................................................................................................................................. 13
2.4 La plasticité synaptique......................................................................................................................... 14
3 Les modèles utilisés...................................................................................................................... 15
3.1 La modélisation du soma....................................................................................................................... 15
3.2 La synapse............................................................................................................................................. 19
3.3 La plasticité (STDP).............................................................................................................................. 21
4 Des outils de modélisation matériels........................................................................................... 23
4.1 Un simulateur de fonctions cognitives (Schemmel, 2007).................................................................... 23
4.2 Winner takes all (Chicca, 2007) ............................................................................................................ 24
4.3 Un simulateur dynamiquement reconfigurable (Vogelstein, 2007)....................................................... 24
4.4 FPNA : Field-Programmable Neural Array (Farquhar, 2006)............................................................... 25
4.5 Neurogrid : modélisation du cortex (Boahen, 2006) ............................................................................. 25
4.6 Un simulateur biologiquement réaliste (Renaud, 2010) ....................................................................... 26
5 Conclusion .................................................................................................................................... 27
2. Le simulateur PAX : historique et évolution..................................................................28
1 Le contexte du travail.................................................................................................................. 28
1.1 L’équipe Ingénierie des Systèmes Neuromorphiques (ISN).................................................................. 28
1.2 Le projet SenseMaker............................................................................................................................ 30
1.3 Le projet FACETS ................................................................................................................................. 30
2 Le simulateur PAX (Plasticity Algorithm Computing System)............................................... 32
2.1 Les abstractions dans PAX.................................................................................................................... 32
2.2 La démarche méthodologique................................................................................................................ 35
2.3 Les fonctions neuronales ....................................................................................................................... 36
2.4 Les contraintes de fonctionnement........................................................................................................ 37
3 PAX1 : une plasticité logicielle.................................................................................................... 39
3.1 Vue d’ensemble..................................................................................................................................... 39
3.2 La carte PAX1....................................................................................................................................... 40
3.3 Le circuit Trieste (Alvado, 2003)........................................................................................................... 41
4 PAX2 : le système purement matériel........................................................................................ 42
4.1 Vue d’ensemble..................................................................................................................................... 42
4.2 La carte Gaillimh................................................................................................................................... 44