CCF: Small: Real-Number Function Encoding Driven Error Resilient Signal Processing and Control: Application to Nonlinear Systems from Adaptive Filters to DNNs

CCF:小型:实数函数编码驱动的误差弹性信号处理和控制:从自适应滤波器到 DNN 的非线性系统应用

基本信息

  • 批准号:
    2128419
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 50万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-10-01 至 2025-09-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Technology scaling, device integration and high circuit speeds have increased the risk of errors in digital processors running computing and control applications. Such errors can jeopardize the operational safety of autonomous systems employing embedded processors in the field, causing severe loss of performance, accidents, or damage to life and property. To put this in perspective, applications such as self-driving cars and drones demand tera-ops of computation throughput and yet must perform with exacting levels of reliability and safety. The latter reliability and safety demands must be met with minimal degrees of hardware and software redundancy without negatively impacting dependability, power consumption, payload, form factor and cost considerations that are critical for commercial success. To alleviate relevant safety threats, this project aims to deploy low-cost and efficient methods for detecting and mitigating the effects of monitored errors in real time and in the field as effectively and rapidly as possible. This will enable a paradigm shift in the way failure-tolerance technologies are applied to autonomous systems while maintaining their reliability, affordability and cost. The project integrates research with education involving development of educational infrastructure for teaching and laboratory work, incorporation of diversity in student participation, exchanges with industry, technology transfer and engagement with undergraduate and high-school students, all with the goal of producing highly qualified trained engineers for the workplace of the future.Today, implementing failure tolerance for nonlinear signal-processing and control algorithms is dependent on some form of computation duplication. The algorithm-based fault-tolerance techniques of the past were designed mostly for linear computations and are not directly applicable to error control in nonlinear computations of modern autonomous systems. To resolve this, the project is built around the concept of algorithmic checks that encode nonlinear computations with linearized or nonlinear checking mechanisms. The checks are created using analytical methods for weakly nonlinear systems or by machine-learning algorithms for generic nonlinear systems and enable real-time error detection in switched capacitor circuits, nonlinear digital filters, adaptive state-estimation filters, nonlinear control algorithms and deep neural networks. Error correction is performed via state restoration in which the system state after error detection is restored to a prior fault-free system state or by using probabilistic error-compensation techniques. The core techniques can be applied to different aspects of the core computations performed in embedded computing infrastructure for autonomous systems, namely perception, intelligence, decision-making and control to make them error-resilient and trustworthy. The underlying science is enabling the design of entirely new classes of self-checking reliable autonomous systems that are beyond the scope of the current state of the art.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
技术扩展、器件集成和高电路速度增加了运行计算和控制应用的数字处理器的错误风险。 这些错误可能会危及在现场使用嵌入式处理器的自主系统的操作安全,导致严重的性能损失、事故或生命和财产损失。从这个角度来看,自动驾驶汽车和无人机等应用需要万亿次的计算吞吐量,但必须在严格的可靠性和安全性水平下运行。后者的可靠性和安全性要求必须以最低程度的硬件和软件冗余来满足,而不会对商业成功至关重要的可靠性、功耗、有效载荷、形状因子和成本因素产生负面影响。为了减轻相关的安全威胁,该项目旨在部署低成本和高效率的方法,以尽可能有效和迅速地在现场真实的检测和减轻监测错误的影响。这将使容错技术应用于自主系统的方式发生范式转变,同时保持其可靠性,可负担性和成本。 该项目将研究与教育相结合,涉及教学和实验室工作的教育基础设施的发展,学生参与的多样性,与行业的交流,技术转让和本科生和高中生的参与,所有这些都是为了培养未来工作场所的高素质训练有素的工程师。今天,实现非线性信号处理和控制算法的故障容限依赖于某种形式的计算重复。过去基于算法的容错技术主要是针对线性计算而设计的,不能直接应用于现代自治系统的非线性计算中的误差控制。为了解决这个问题,该项目是围绕算法检查的概念,编码与线性或非线性检查机制的非线性计算。 这些检查是使用弱非线性系统的分析方法或通过一般非线性系统的机器学习算法创建的,并且能够在开关电容器电路、非线性数字滤波器、自适应状态估计滤波器、非线性控制算法和深度神经网络中进行实时错误检测。纠错是通过状态恢复来执行的,在状态恢复中,错误检测之后的系统状态被恢复到先前的无故障系统状态,或者通过使用概率错误补偿技术来执行。 核心技术可以应用于自主系统的嵌入式计算基础设施中执行的核心计算的不同方面,即感知,智能,决策和控制,以使它们具有容错性和可信性。基础科学使设计全新的自我检查可靠的自主系统,超出了目前最先进的范围。这个奖项反映了NSF的法定使命,并已被认为是值得通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估的支持。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
A Resilience Framework for Synapse Weight Errors and Firing Threshold Perturbations in RRAM Spiking Neural Networks
  • DOI:
    10.1109/ets56758.2023.10174229
  • 发表时间:
    2023-05
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Anurup Saha;C. Amarnath;A. Chatterjee
  • 通讯作者:
    Anurup Saha;C. Amarnath;A. Chatterjee
A Novel Approach to Error Resilience in Online Reinforcement Learning
Efficient Low Cost Alternative Testing of Analog Crossbar Arrays for Deep Neural Networks
  • DOI:
    10.1109/itc50671.2022.00060
  • 发表时间:
    2022-09
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Kwondo Ma;Anurup Saha;C. Amarnath;A. Chatterjee
  • 通讯作者:
    Kwondo Ma;Anurup Saha;C. Amarnath;A. Chatterjee
Error Resilient Transformer Networks: A Novel Sensitivity Guided Approach to Error Checking and Suppression
容错变压器网络:一种新颖的灵敏度引导的错误检查和抑制方法
  • DOI:
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Ma, Kwondo.;Amarnath, Chandramouli.;Chatterjee, Abhijit.
  • 通讯作者:
    Chatterjee, Abhijit.
Soft Error Resilient Deep Learning Systems Using Neuron Gradient Statistics
使用神经元梯度统计的软错误弹性深度学习系统
  • DOI:
    10.1109/iolts56730.2022.9897815
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Amarnath, Chandramouli;Mejri, Mohamed;Ma, Kwondo;Chatterjee, Abhijit
  • 通讯作者:
    Chatterjee, Abhijit
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Abhijit Chatterjee其他文献

迅速・簡便な染色方法に用いた湖底土の特徴
快速简易染色法所用湖底土的特点
  • DOI:
  • 发表时间:
    2004
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Nagase Takako;Abhijit Chatterjee;Alfred P.Tanaka;Margot L.Tanco;Kazue Tazaki;Kazue Tazaki;田崎和江
  • 通讯作者:
    田崎和江
An algorithm for estimating kinetic parameters of atomistic rare events using finite-time temperature programmed molecular dynamics trajectories
  • DOI:
    10.1016/j.cpc.2021.107828
  • 发表时间:
    2021-05-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
  • 作者:
    Saurabh Shivpuje;Manish Kumawat;Abhijit Chatterjee
  • 通讯作者:
    Abhijit Chatterjee
Contrasting features of winter-time PMsub2.5/sub pollution and PMsub2.5/sub-toxicity based on oxidative potential: A long-term (2016–2023) study over Kolkata megacity at eastern Indo-Gangetic Plain
基于氧化潜能的冬季 PM2.5 污染和 PM2.5 毒性的对比特征:对印度恒河平原东部加尔各答特大城市长达 8 年(2016-2023 年)的研究
  • DOI:
    10.1016/j.scitotenv.2024.176640
  • 发表时间:
    2024-12-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    8.000
  • 作者:
    Abhinandan Ghosh;Monami Dutta;Abhijit Chatterjee
  • 通讯作者:
    Abhijit Chatterjee
Molecular cloning and sequence analysis of the cDNA encoding thyroid-stimulating hormone β-subunit of common duck and mule duck pituitaries: <em>In vitro</em> regulation of steady-state TSHβ mRNA level
  • DOI:
    10.1016/j.cbpb.2006.11.018
  • 发表时间:
    2007-03-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
  • 作者:
    Ya-Lun Hsieh;Indrajit Chowdhury;Jung-Tsun Chien;Abhijit Chatterjee;John Yuh-Lin Yu
  • 通讯作者:
    John Yuh-Lin Yu
A Low-Cost Test Methodology for Dynamic Specification Testing of High-Speed Data Converters

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  • 发表时间:
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Collaborative Research: An Effective and Efficient Low-Cost Alternate to Cell Aware Test Generation for Cell Internal Defects
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    $ 50万
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    2014
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    $ 50万
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CCF:SMALL:TIMING VARIATION RESILIENT SIGNAL PROCESSING: HARDWARE-ASSISTED CROSS-LAYER ADAPTATION
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    1319783
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    2013
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协作研究:在极端工艺变化的情况下瞄准多核时钟性能增益
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    0903454
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    2009
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CIF:使用重要性驱动计算的不完美弹性可扩展数字信号处理算法和架构
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    0834484
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    2008
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Continuing Grant

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  • 财政年份:
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  • 资助金额:
    $ 50万
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知道了