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Faculté des Sciences appliquées
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Mémoire

Master thesis : Neuromodulation Controller Enabling Robustness to Transistor Variability in Subthreshold Silicon Neurons

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Filée, Victoria ULiège
Promoteur(s) : Drion, Guillaume ULiège
Date de soutenance : 29-jui-2026/30-jui-2026 • URL permanente : http://hdl.handle.net/2268.2/26101
Détails
Titre : Master thesis : Neuromodulation Controller Enabling Robustness to Transistor Variability in Subthreshold Silicon Neurons
Auteur : Filée, Victoria ULiège
Date de soutenance  : 29-jui-2026/30-jui-2026
Promoteur(s) : Drion, Guillaume ULiège
Membre(s) du jury : Redouté, Jean-Michel ULiège
Franci, Alessio ULiège
Fyon, Arthur ULiège
Mendolia, Loris ULiège
Langue : Anglais
Nombre de pages : 92
Mots-clés : [en] neuromorphic chip, neuromodulation, transistor mismatch, controller
Discipline(s) : Ingénierie, informatique & technologie > Ingénierie électrique & électronique
Institution(s) : Université de Liège, Liège, Belgique
Diplôme : Master : ingénieur civil électricien, à finalité spécialisée en Neuromorphic Engineering
Faculté : Mémoires de la Faculté des Sciences appliquées

Résumé

[en] In the brain, billions of neurons communicate through neuronal signaling based on both electrical and chemical processes, particularly action potentials. This communication process is implemented in analog neuromorphic neurons using electronic circuits that emulate the behavior of biological neurons. In such implementations, transistor-intrinsic mismatch arises, causing intra- and inter-neuron variability. One consequence of mismatch is the difficulty of implementing neuromodulation, the process by which neuronal activity is regulated, enabling neurons to adapt their behavior to context and to support different functions.

Therefore, this thesis investigates the feasibility of feedback-based regulation of neuronal activity, robust to mismatch, in an analog neuromorphic neuron.

A controller is designed using dynamic input conductances for neuronal activity tracking, allowing control of excitability instead of raw voltage trajectories. This approach is first validated with the computational model of the neuron chip and against artificial mismatch. Then, variability is characterized both globally and individually by incorporating mismatch models, providing insight into the impact of device variability. After controller adaptation and neuron calibration, the control loop is tested on ultra-low-power neurons implemented on the developed chip, while accounting for practical mismatch effects and electronic constraints.

The results show that neuronal activity can be robustly regulated despite variability. However, large-scale implementation appears impractical, as the parameters must be specifically calibrated for each individual neuron. The framework is therefore evaluated at higher power levels to reduce mismatch-induced variability. Under these conditions, neuronal dynamics become more consistent across neurons, enabling a common calibration strategy that is more suitable for large-scale integration.

Overall, this work demonstrates that neuromodulation is achievable in analog subthreshold neurons through activity-based feedback control, despite the pronounced effects of device mismatch, contributing to robust, adaptive behavior in scalable and biologically inspired neurons.


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Taille: 161.65 kB
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Taille: 10 MB
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Auteur

  • Filée, Victoria ULiège Université de Liège > Master ing. civ. électr. fin. spéc. neur. engi.

Promoteur(s)

Membre(s) du jury

  • Redouté, Jean-Michel ULiège Université de Liège - ULiège > Dép. d'électric., électron. et informat. (Inst.Montefiore) > Systèmes microélectroniques intégrés
    ORBi Voir ses publications sur ORBi
  • Franci, Alessio ULiège Université de Liège - ULiège > Dép. d'électric., électron. et informat. (Inst.Montefiore) > Brain-Inspired Computing
    ORBi Voir ses publications sur ORBi
  • Fyon, Arthur ULiège Université de Liège - ULiège > Dép. d'électric., électron. et informat. (Inst.Montefiore) > Systèmes et modélisation
    ORBi Voir ses publications sur ORBi
  • Mendolia, Loris ULiège Université de Liège - ULiège > Dép. d'électric., électron. et informat. (Inst.Montefiore) > Brain-Inspired Computing
    ORBi Voir ses publications sur ORBi








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