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DE102024201676A1 - Method and device for data processing - Google Patents

Method and device for data processing

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Publication number
DE102024201676A1
DE102024201676A1 DE102024201676.4A DE102024201676A DE102024201676A1 DE 102024201676 A1 DE102024201676 A1 DE 102024201676A1 DE 102024201676 A DE102024201676 A DE 102024201676A DE 102024201676 A1 DE102024201676 A1 DE 102024201676A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
matrix
input signal
signal
vector
output signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102024201676.4A
Other languages
German (de)
Inventor
Sebastian Siegel
John Paul Strachan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority to DE102024201676.4A priority Critical patent/DE102024201676A1/en
Priority to PCT/EP2025/054007 priority patent/WO2025176566A1/en
Publication of DE102024201676A1 publication Critical patent/DE102024201676A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • G06COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10Complex mathematical operations
    • G06F17/16Matrix or vector computation, e.g. matrix-matrix or matrix-vector multiplication, matrix factorization
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06GANALOGUE COMPUTERS
    • G06G7/00Devices in which the computing operation is performed by varying electric or magnetic quantities
    • G06G7/12Arrangements for performing computing operations, e.g. operational amplifiers
    • G06G7/16Arrangements for performing computing operations, e.g. operational amplifiers for multiplication or division
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
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    • G06N7/04Physical realisation
    • G06N7/043Analogue or partially analogue implementation

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung sowie eine Verwendung. In einem Verfahren zur Datenverarbeitung wird ein analoges elektrisches Eingangssignal (4) zeitkontinuierlich mit einer Matrix (A, B) multipliziert. Auf diese Weise wird eine zeitkontinuierliche Projektion des Eingangssignals in einen Funktionenraum möglich. The invention relates to a method and a device for data processing, as well as to a use thereof. In a data processing method, an analog electrical input signal (4) is multiplied continuously by a matrix (A, B). This enables a continuous-time projection of the input signal into a function space.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung sowie eine Verwendung.The invention relates to a method and a device for data processing and a use.

Mit einer Projektion von kontinuierlichen analogen Eingangssignalen ein einen typischerweise hochdimensionalen Funktionenraum können die Eingangssignale angenähert und/oder abgebildet werden. Dies findet vielfältige Anwendung, beispielsweise in der Datenkompression, der Datenübertragung, zur Mustererkennung und zum Filtern. Die Signale können wie bei einer Fourieranalyse in den Frequenzbereich transformiert werden. Es ist möglich, die Eingangssignale anschließend wieder zu rekonstruieren.By projecting continuous analog input signals into a typically high-dimensional function space, the input signals can be approximated and/or mapped. This has a wide range of applications, for example, in data compression, data transmission, pattern recognition, and filtering. The signals can be transformed into the frequency domain, as in Fourier analysis. It is then possible to reconstruct the input signals.

Digitale Schaltungen sind der Standard für derartige Datenverarbeitungen. Der erste Schritt ist demnach typischerweise die Analog-Digital-Wandlung der Eingangssignale mit geeigneten Konvertern bzw. Wandlern (ADC oder DA-Wandler). Dabei sind die Präzision (Auflösung) sowie die Abtastrate (Samplingrate) abhängig von den erwarteten Signalen, den Anforderung des Algorithmus und der konkreten Anwendung. Der ADC muss für den „worst case“ ausgelegt sein, also für den Fall der maximalen Anforderungen, und benötigt daher in der Regel einen großen Teil der für die gesamte Datenverarbeitung benötigten Energie und Chipfläche.Digital circuits are the standard for such data processing. The first step is typically the analog-to-digital conversion of the input signals using suitable converters (ADCs or DA converters). The precision (resolution) and sampling rate depend on the expected signals, the algorithm requirements, and the specific application. The ADC must be designed for the "worst case," i.e., for the case of maximum requirements, and therefore typically consumes a large portion of the power and chip area required for the entire data processing.

Anschließend erfolgt die Ausführung des jeweiligen Algorithmus. Dies erfolgt entweder in einer speziell für den jeweiligen Algorithmus entworfenen Schaltung (anwendungsspezifische integrierte Schaltung, ASIC) oder in einem herkömmlichen Computersystem (Universalprozessor, GPP). Im ersten Fall kann der Algorithmus ressourcenschonend und effizient ausgeführt werden, im Gegenzug ist die Flexibilität gering; andere Algorithmen können nicht oder nur sehr eingeschränkt ausgeführt werden. Das herkömmliche Computersystem kann dagegen unterschiedliche Algorithmen ausführen, wofür im Gegenzug in der Regel deutlich mehr Ressourcen wie etwa Energie und Chipfläche benötigt werden.The respective algorithm is then executed. This occurs either in a circuit specifically designed for the respective algorithm (application-specific integrated circuit, ASIC) or in a conventional computer system (general-purpose processor, GPP). In the former case, the algorithm can be executed efficiently and with minimal resource consumption, but in return, flexibility is limited; other algorithms cannot be executed or can only be executed to a very limited extent. Conventional computer systems, on the other hand, can execute various algorithms, which in return generally require significantly more resources, such as energy and chip area.

Die digitale Datenverarbeitung kann je nach Anwendung viele Schritte umfassen und die Zwischenspeicherung von Signalkomponenten enthalten. Hierdurch kommt es zu teils erheblichen zeitlichen Verzögerungen sowie hohem Flächen- und Energieverbrauch, insbesondere im Fall von Universalprozessoren. ASICs sind dagegen, wie oben beschrieben, wenig flexibel.Depending on the application, digital data processing can involve many steps and the buffering of signal components. This can result in significant delays and high space and energy consumption, especially in the case of general-purpose processors. ASICs, on the other hand, are not very flexible, as described above.

Ein Beispiel für einen Algorithmus zur Projektion von kontinuierlichen analogen Eingangssignalen ein einen hochdimensionalen Funktionenraum ist die „Polynomprojektion hoher Ordnung“ (High-order polynomial projection; HiPPO). Hierbei wird das analoge Eingangssignal mittels Matrixmultiplikation in einen höherdimensionalen Raum von Polynomfunktionen projiziert. Es werden Koeffizienten berechnet, aus denen das Eingangssignal wieder rekonstruiert werden kann. Der Algorithmus entspricht einer Differentialgleichung erster Ordnung. Da die rechnerische Komplexität von Matrixmultiplikationen quadratisch mit der Dimension der Matrizen und damit der Projektionsdimension des HiPPO-Algorithmus steigt, ist ein solcher Algorithmus mit einem hohen zeitlichen und energetischen Aufwand verbunden.An example of an algorithm for projecting continuous analog input signals into a high-dimensional function space is the "high-order polynomial projection" (HiPPO). Here, the analog input signal is projected into a higher-dimensional space of polynomial functions using matrix multiplication. Coefficients are calculated from which the input signal can be reconstructed. The algorithm corresponds to a first-order differential equation. Since the computational complexity of matrix multiplications increases quadratically with the dimension of the matrices and thus the projection dimension of the HiPPO algorithm, such an algorithm is associated with a high time and energy expenditure.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Datenverarbeitung zu verbessern. Insbesondere sollen die genannten Nachteile zumindest teilweise behoben werden.The object of the invention is to improve data processing. In particular, the aforementioned disadvantages are to be at least partially remedied.

Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Datenverarbeitung nach Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung und die Verwendung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by the data processing method according to claim 1, as well as by the device and the use according to the independent claims. Advantageous embodiments are specified in the subclaims.

Zur Lösung der Aufgabe dient ein Verfahren zur Datenverarbeitung. Es wird ein analoges elektrisches Eingangssignal zeitkontinuierlich mit einer Matrix multipliziert.A data processing method is used to solve this problem. An analog electrical input signal is multiplied continuously by a matrix.

Auf diese Weise wird die Projektion des elektrischen Eingangssignals in einen hochdimensionalen Funktionenraum auf zeitkontinuierliche Weise, also z. B. in Echtzeit, ermöglicht. Die Projektion ist zudem wertekontinuierlich möglich, es können also nichtdiskrete, analoge Signale als Eingangssignal verwendet werden. Es ist also gegenüber der digitalen Datenverarbeitung eine deutlich erhöhte Geschwindigkeit möglich. Im digitalen Raum müsste eine sehr ineffiziente, immer wiederkehrende Matrixmultiplikation erfolgen. Die rechnerische Komplexität bei einer kontinuierlichen bzw. analogen Datenverarbeitung hängt von mit der Dimension der Matrix zusammen. Deshalb können auch sehr hochdimensionale Matrizen in Echtzeit multipliziert werden.This enables the projection of the electrical input signal into a high-dimensional function space in a continuous-time manner, i.e., in real time. Furthermore, the projection is possible with continuous values, meaning that non-discrete, analog signals can be used as input signals. This significantly increases the speed compared to digital data processing. In digital space, a very inefficient, repetitive matrix multiplication would have to occur. The computational complexity of continuous or analog data processing depends on the dimension of the matrix. Therefore, even very high-dimensional matrices can be multiplied in real time.

Insbesondere erfolgt eine Projektion des Eingangssignals in einen höherdimensionalen Funktionsraum. Typischerweise werden also mehrere Polynome überlagert, die insbesondere orthogonal aufeinander stehen bzw. nicht replizierend sind. Es kann sich beispielsweise um Fourier-Polynome und/oder um Polynomfunktionen handeln.In particular, the input signal is projected into a higher-dimensional function space. Typically, several polynomials are superimposed, which are particularly orthogonal to each other or non-replicating. These can be, for example, Fourier polynomials and/or polynomial functions.

Eine Matrix umfasst Elemente, beispielsweise Werte oder Terme, die rechteckig bzw. in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Die Elemente der Matrix werden auch als Koeffizienten bezeichnet. Die Matrix kann aufgefasst werden als mehrere Vektoren, die in Zeilen oder Spalten hintereinander angeordnet sind.A matrix contains elements, such as values or terms, arranged rectangularly or in rows and columns. The elements of the matrix are also called coefficients. The matrix can be understood as several vectors. arranged in rows or columns one after the other.

Wird das Eingangssignal mit der Matrix multipliziert, erfolgt eine Multiplikation mit zumindest einem Teil der Werte und/oder Terme der Matrix, beispielsweise mit einem Vektor. Es ist nicht notwendig, dass das Eingangssignal mit allen Elementen der Matrix multipliziert wird. Bei der Multiplikation wird das Eingangssignal mit Werten oder Koeffizienten der Matrix multipliziert. Die Matrix kann technisch als resistive Matrix realisiert werden. Die Matrix dient der Projektion in einen Funktionenraum und kann daher als Projektionsmatrix bezeichnet werden.If the input signal is multiplied by the matrix, it is multiplied by at least some of the values and/or terms of the matrix, for example, by a vector. It is not necessary for the input signal to be multiplied by all elements of the matrix. During multiplication, the input signal is multiplied by values or coefficients of the matrix. The matrix can be technically implemented as a resistive matrix. The matrix serves as a projection into a function space and can therefore be referred to as a projection matrix.

Die Multiplikation erfolgt zeitkontinuierlich. Eine Unterteilung in diskrete Zeitschritte ist weder vorgesehen noch notwendig. Insbesondere erfolgt die Multiplikation auf analogem Weg, beispielsweise in einer Vorrichtung zur analogen Datenverarbeitung. Es kann ein zeitkontinuierliches Eingangssignal dauerhaft und/oder in Echtzeit verarbeitet werden.The multiplication occurs continuously over time. A subdivision into discrete time steps is neither intended nor necessary. In particular, the multiplication occurs analogically, for example, in an analog data processing device. A continuous-time input signal can be processed continuously and/or in real time.

Als Ergebnis der Multiplikation wird typischerweise ein insbesondere zeitkontinuierlicher Vektor erhalten. Der Vektor kann als Eingangsgröße für einen weiteren Teil der Matrix dienen.The result of the multiplication typically results in a continuous-time vector. This vector can serve as an input for another part of the matrix.

Das Eingangssignal ist insbesondere ein Spannungssignal. Insbesondere wird das Eingangssignal direkt in die Matrix geleitet, also ohne zwischengeschaltete Schritte. Es erfolgt bevorzugt keine Abtastung oder Digitalisierung des Eingangssignals. Das Eingangssignal wird in die Matrix geleitet. Das Eingangssignal ist typischerweise ein Spannungssignal. Es kann ein anderes Datensignal verwendet werden, beispielsweise ein Stromsignal. Dieses kann dann zunächst in ein Spannungssignal umgeformt werden.The input signal is, in particular, a voltage signal. In particular, the input signal is fed directly into the matrix, i.e., without any intermediate steps. Preferably, no sampling or digitization of the input signal takes place. The input signal is fed into the matrix. The input signal is typically a voltage signal. Another data signal can be used, for example, a current signal. This can then be converted into a voltage signal.

Insbesondere ist die Matrix so gewählt, dass ein Algorithmus der „Polynomprojektion hoher Ordnung“ (High-order polynomial projection; HiPPO) ausgeführt wird. In einer Ausführungsform wird ein HiPPO-Algorithmus verwendet, um das Eingangssignal in einen Fourierbasisraum zu projizieren. Hierbei wird das Signal mit Sinus- und Cosinusfunktionen mit unterschiedlichen Frequenzen dargestellt wird. Es kann also auf kontinuierliche Weise eine Transformation ähnlich einer Fouriertransformation erreicht werden. Die Matrix umfasst insbesondere reelle Werte. Die reell-wertige Matrix kann in einer resistiven Matrix umgesetzt werden, z. B. durch lineare Abbildung.In particular, the matrix is chosen to execute a high-order polynomial projection (HiPPO) algorithm. In one embodiment, a HiPPO algorithm is used to project the input signal into a Fourier basis space. Here, the signal is represented with sine and cosine functions at different frequencies. Thus, a transformation similar to a Fourier transform can be achieved in a continuous manner. The matrix, in particular, comprises real values. The real-valued matrix can be implemented in a resistive matrix, e.g., by linear mapping.

In einer Ausgestaltung umfasst die Matrix einen Vektor und eine quadratische Matrix. Die Matrix kann aufgefasst werden als ein Vektor und eine unmittelbar direkt daran anschließende quadratische Matrix. Die quadratische Matrix weist m Zeilen und m Spalten und demnach die Dimension m auf. Die Matrix weist m Zeilen und n Spalten und damit die Dimension m × n auf. Insbesondere gilt: n = m + 1. Insbesondere entspricht die Anzahl an Elementen des Vektors der Zahl der Zeilen m der Matrix.In one embodiment, the matrix comprises a vector and a square matrix. The matrix can be understood as a vector and a directly adjacent square matrix. The square matrix has m rows and m columns and thus the dimension m. The matrix has m rows and n columns and thus the dimension m × n. In particular, n = m + 1. In particular, the number of elements of the vector corresponds to the number of rows m of the matrix.

Der Vektor und die quadratische Matrix können dabei unterschiedliche Funktionen erfüllen, beispielsweise können unterschiedliche Signale in den Vektor und die quadratische Matrix eingeleitet werden.The vector and the square matrix can fulfill different functions, for example, different signals can be introduced into the vector and the square matrix.

In einer Ausgestaltung wird das Eingangssignal mit dem Vektor multipliziert. Das Eingangssignal wird mit dem Vektor als Teil der Matrix multipliziert. Das Eingangssignal wird also in den Vektor geleitet. Das Ergebnis ist wiederum ein Vektor. Ist das Eingangssignal ein Spannungssignal, ist das Ergebnis der Multiplikation mit dem Vektor ein Vektor aus Stromsignalen. Dieser als Ergebnis der Multiplikation erhaltene Vektor kann mit einem Ergebnis eines Produkts aus der quadratischen Matrix und einem Vektor mit Signalen addiert werden.In one embodiment, the input signal is multiplied by the vector. The input signal is multiplied by the vector as part of the matrix. The input signal is thus fed into the vector. The result is again a vector. If the input signal is a voltage signal, the result of the multiplication by the vector is a vector of current signals. This vector obtained as a result of the multiplication can be added to the result of the product of the square matrix and a vector of signals.

In einer Ausgestaltung wird ein Signalvektor in die quadratische Matrix eingeleitet. Der Vektor mit Signalen findet Eingang in die Matrix. Insbesondere handelt es sich bei den Signalen um Spannungen. Typischerweise hat der Vektor m Elemente. Die Anzahl der Elemente des Vektors entspricht also der Dimension der quadratischen Matrix.In one embodiment, a signal vector is introduced into the square matrix. The vector of signals is then input into the matrix. Specifically, the signals are voltages. Typically, the vector has m elements. The number of elements in the vector thus corresponds to the dimension of the square matrix.

Typischerweise erfolgt eine Multiplikation des Vektors mit der Matrix. Dabei entstehen typischerweise Ströme. Insbesondere werden die Ströme aufgrund des Kirchhoffschen Gesetzes addiert. Das Ausgangssignal aus der quadratischen Matrix und/oder die Summe der Addition kann ein Stromvektor sein. Das Ausgangssignal aus der quadratischen Matrix entspricht typischerweise dem Ausgangsignal der Matrix.Typically, the vector is multiplied by the matrix. This typically results in currents. In particular, the currents are added according to Kirchhoff's law. The output signal from the square matrix and/or the sum of the addition can be a current vector. The output signal from the square matrix typically corresponds to the output signal of the matrix.

In einer Ausgestaltung wird ein Ausgangssignal der Matrix zeitlich integriert. Es erfolgt also eine Integration des Ausgangssignals der Matrix nach der Zeit. Dies erfolgt insbesondere in einem Integrator. Das Ausgangssignal der Matrix kann wie beschrieben ein Vektor aus Strömen (Stromvektor) und/oder ein Ausgangssignal der quadratischen Matrix sein. Das Ausgangssignal ergibt sich typischerweise als Summe der Produkte aus Eingangssignal und Vektor und einerseits und dem Produkt oder den Produkten aus dem Vektor mit Signalen und der quadratischen Matrix andererseits. Das Ergebnis der Integration kann dann ein Spannungsvektor sein. Die Werte dieses Spannungsvektors werden auch als Koeffizienten bezeichnet. Das Ausgangssignal der Matrix kann ein Ausgangssignal der quadratischen Matrix sein.In one embodiment, an output signal of the matrix is integrated over time. This means that the output signal of the matrix is integrated over time. This is done in particular in an integrator. The output signal of the matrix can, as described, be a vector of currents (current vector) and/or an output signal of the square matrix. The output signal is typically the sum of the products of the input signal and the vector on the one hand, and the product or products of the vector with signals and the square matrix on the other. The result of the integration can then be a voltage vector. The values of this voltage vector are also referred to as coefficients. The output signal of the matrix can be an output signal of the square matrix.

In einer Ausgestaltung wird das integrierte Ausgangssignal aus der Matrix als Signalvektor in die quadratische Matrix eingeleitet. Es erfolgt demnach eine Rückkopplung. Das integrierte Ausgangssignal der Matrix wird wieder in die Matrix bzw. in einen Teil der Matrix, nämlich die quadratische Matrix, eingeleitet. Das integrierte Ausgangssignal kann direkt oder indirekt in die Matrix eingeleitet werden. Bei einer indirekten Einleitung können zwischen Integration und Einleitung ein oder mehrere Verarbeitungsschritte des Ausgangssignals erfolgen, beispielsweise kann ein Ausgangssignal invertiert werden.In one embodiment, the integrated output signal from the matrix is fed into the square matrix as a signal vector. This creates a feedback loop. The integrated output signal of the matrix is fed back into the matrix or into a part of the matrix, namely the square matrix. The integrated output signal can be fed into the matrix directly or indirectly. With indirect feeding, one or more processing steps of the output signal can occur between integration and feeding; for example, an output signal can be inverted.

Das Ausgangssignal der Matrix entspricht typischerweise einer zeitlichen Ableitung des Signalvektors.The output signal of the matrix typically corresponds to a time derivative of the signal vector.

In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren mindestens einen der Schritte:

  • - Komprimieren eines Ausgangssignals der Matrix,
  • - Abtasten und/oder Digitalisieren eines Ausgangssignals der Matrix,
  • - Rekonstruieren des Eingangssignals aus einem Ausgangssignal der Matrix.
In one embodiment, the method comprises at least one of the following steps:
  • - Compressing an output signal of the matrix,
  • - Sampling and/or digitizing an output signal of the matrix,
  • - Reconstructing the input signal from an output signal of the matrix.

Es können mehrere der genannten Schritte in beliebiger Kombination erfolgen. Das Ausgangssignal der Matrix ist insbesondere ein Spannungsvektor, der wie beschrieben Koeffizienten umfasst.Several of the above steps can be performed in any combination. The output signal of the matrix is, in particular, a voltage vector comprising coefficients as described.

Die Kompression kann beispielsweise erfolgen, um das Eingangssignal über einen oder mehrere begrenzte und/oder gestörte Kanäle zu übertragen. Das Verfahren kann diese Übertragung umfassen. Durch Übertragung des Resultats der Kompression bzw. der Koeffizienten anstelle des Eingangssignals kann eine Bandbreitenreduktion erzielt werden. Die Koeffizienten können zu diesem Zweck oder zu beliebigen anderen Zwecken abgetastet und ggf. digitalisiert werden. Das so erhaltene digitale Signal kann bei geringerer Frequenz und/oder auf derselben oder einer verringerten Anzahl an Kanälen übertragen werden.Compression can be performed, for example, to transmit the input signal over one or more limited and/or noisy channels. The method can include this transmission. By transmitting the result of the compression or the coefficients instead of the input signal, a bandwidth reduction can be achieved. The coefficients can be sampled and, if necessary, digitized for this purpose or for any other purpose. The resulting digital signal can be transmitted at a lower frequency and/or on the same or a reduced number of channels.

Es kann eine Transformation in einen Frequenzraum erfolgen, ähnlich einer Fourieranalyse. Beispielsweise können „Mel Frequency Cepstrum Coefficients“ (MFCC) bzw. Mel-Frequenz-Cepstrum-Koeffizienten ermittelt werden. Auf diese Weise kann z. B. eine automatische Sprachverarbeitung erfolgen. Anstelle des Fourier-Raums kann in einen anderen Raum projiziert werden.A transformation into a frequency domain can be performed, similar to a Fourier analysis. For example, "Mel Frequency Cepstrum Coefficients" (MFCC) can be determined. This can be used, for example, for automatic speech processing. Instead of Fourier domain, projection can be performed into another domain.

Das Ausgangssignal kann zu den genannten Zwecken direkt oder indirekt verwendet werden. Bei einer indirekten Verwendung können zwischenzeitlich ein oder mehrere Verarbeitungsschritte erfolgen. Das Komprimieren, Digitalisieren und/oder Rekonstruieren des Eingangssignals erfolgt insbesondere auf Basis der Koeffizienten.The output signal can be used for the aforementioned purposes directly or indirectly. In the case of indirect use, one or more processing steps can be performed in between. The compression, digitization, and/or reconstruction of the input signal is performed primarily based on the coefficients.

In einer Ausführungsform werden der Vektor B, die quadratische Matrix A und/oder die Matrix A, B mit einer Methode des Trainings neuronaler Netze gelernt. Mit anderen Worten werden der Vektor, die quadratische Matrix und/oder die Matrix selbst gelernt. Auf diese Weise kann ein Lernvorgang ermöglicht werden, um gewünschte Projektionen zu ermöglichen.In one embodiment, the vector B, the square matrix A, and/or the matrix A, B are learned using a neural network training method. In other words, the vector, the square matrix, and/or the matrix itself are learned. In this way, a learning process can be enabled to enable desired projections.

Das Verfahren kann verwendet werden, um Muster zu erkennen. Beispielsweise können bestimmte Ereignisse detektiert werden, die sich durch bestimmte Muster auszeichnen. So kann im Voraus die Notwendigkeit einer Wartung beispielsweise eines technischen Systems erkannt werden. Ein solches Vorgehen kann etwa im Rahmen einer vorausschauenden Wartung (engl.: predictive maintance) erfolgen.The method can be used to recognize patterns. For example, certain events can be detected that exhibit certain patterns. This allows the need for maintenance of a technical system, for example, to be identified in advance. Such an approach can be implemented, for example, as part of predictive maintenance.

Zum Rekonstruieren können die ermittelten Koeffizienten mit einem geeigneten zeitkonstanten Vektor multipliziert werden. Dieser Vektor kann aus der quadratischen Matrix A und dem Vektor B bestimmt werden.For reconstruction, the determined coefficients can be multiplied by a suitable time-constant vector. This vector can be determined from the square matrix A and the vector B.

Das Eingangssignal ist insbesondere ein eindimensionales Eingangssignal, beispielsweise ein Tonsignal. Es kann jedoch bei geeigneter Wahl der Matrix grundsätzlich auch ein mehrdimensionales, beispielsweise zwei- oder dreidimensionales Eingangssignal verarbeitet werden.The input signal is, in particular, a one-dimensional input signal, for example, an audio signal. However, with a suitable choice of matrix, a multidimensional input signal, for example, a two- or three-dimensional one, can also be processed.

In einer Ausgestaltung wird ein mehrdimensionales Eingangssignal verwendet und zeitkontinuierlich mit einer mehrdimensionalen Matrix multipliziert.In one embodiment, a multidimensional input signal is used and multiplied continuously with a multidimensional matrix.

Ist das Eingangssignal zweidimensional wie beispielsweise ein Videosignal (ohne Ton), wird auch eine zweidimensionale Matrix verwendet. Anstelle eines Vektors und einer quadratischen Matrix stehen dann eine Matrix und eine kubische bzw. dreidimensionale Matrix. Auch Eingangssignale mit mehr Dimensionen können verarbeitet werden, wenn entsprechende Matrizen verwendet werden. Grundsätzlich erfolgt die Verarbeitung zeitkontinuierlich.If the input signal is two-dimensional, such as a video signal (without sound), a two-dimensional matrix is also used. Instead of a vector and a square matrix, a matrix and a cubic or three-dimensional matrix are used. Input signals with more dimensions can also be processed if appropriate matrices are used. Processing is generally continuous-time.

Wird ein Video bearbeitet, kann jedes Pixel zunächst erfindungsgemäß zeitkontinuierlich verarbeitet werden. Es können insbesondere anschließend Koeffizienten gebildet werden, um die räumliche Veränderung abzubilden. Dies kann beispielsweise mittels Faltung (engl.: convolution) erfolgen, bei der die Differenzen benachbarter Pixel betrachtet werden können.When editing a video, each pixel can first be processed continuously in time according to the invention. In particular, coefficients can then be generated to represent the spatial variation. This can be done, for example, using convolution, which allows the differences between neighboring pixels to be considered.

In einer Ausführungsform ist das Eingangssignal ein statisches oder bewegtes Bildsignal. Diese können im Stile eines Variationsproblems in Funktionsräumen mit höherer Dimension dargestellt werden. Hierbei lassen sich große Einsparungen bei der Datenrate realisieren, da die Frequenzdynamik von insbesondere realistischen Bildern oft geringer ist als die von Audiosignalen. In einer Ausgestaltung ist das Eingangssignal ein Videosignal. Es kann eine Kompression eines Videosignals erfolgen. Für diesen Zweck kann beispielsweise eine dreidimensionale memristive Matrix verwendet werden.In one embodiment, the input signal is a static or moving image signal. These can be represented in higher-dimensional function spaces in the style of a variational problem. This allows for significant savings in data rate, since the frequency dynamics of realistic images, in particular, are often lower than those of audio signals. In one configuration, the input signal is a video signal. Compression of a video signal can be performed. For this purpose, a three-dimensional memristive matrix, for example, can be used.

Ein weiterer, unabhängiger Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Datenverarbeitung, bei dem ein analoges elektrisches Eingangssignal im zeitdiskreten Raum und/oder auf zeitdiskrete Weise mit einer Matrix multipliziert wird, wobei die Matrix insbesondere resistive, bevorzugt memristive Elemente umfasst. Alle Merkmale, Vorteile und Ausgestaltungen des eingangs beschriebenen Verfahrens können analog für diesen Aspekt gelten.A further, independent aspect of the invention is a data processing method in which an analog electrical input signal is multiplied by a matrix in discrete-time space and/or in a discrete-time manner, wherein the matrix comprises, in particular, resistive, preferably memristive elements. All features, advantages, and embodiments of the method described above can apply analogously to this aspect.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung. Diese umfasst einen Eingang zur Eingabe eines analogen elektrischen Eingangssignals, eine Matrix zur zeitkontinuierlichen Verarbeitung des Eingangssignals mittels Multiplikation mit der Matrix sowie einen Ausgang zur Ausgabe eines Ausgangssignals. Alle Merkmale, Vorteile und Ausgestaltungen des eingangs beschriebenen Verfahrens können analog für die Vorrichtung gelten und umgekehrt. Insbesondere ist die Vorrichtung eine analoge Vorrichtung bzw. eine Vorrichtung zur analogen Datenverarbeitung.A further aspect of the invention is a data processing device. This device comprises an input for inputting an analog electrical input signal, a matrix for continuously processing the input signal by multiplying it by the matrix, and an output for outputting an output signal. All features, advantages, and configurations of the method described above can apply analogously to the device, and vice versa. In particular, the device is an analog device or a device for analog data processing.

Die Vorrichtung kann als stromnetzunabhängige Vorrichtung, z. B. für eine IoT-(Internet of Things)-Anwendung ausgeführt sein. Eine derartig ausgeführte Vorrichtung kann eine ggf. wiederaufladbare Batterie zur Stromversorgung der Vorrichtung und/oder eine Schnittstelle zur Kommunikation mit einem Netzwerk wie z. B. einem WLAN oder mobilem Internet umfassen. Die Vorrichtung ermöglicht einen energieeffizienten Betrieb und ist kostengünstig herstellbar. Diese Vorteile führen zu einer besonderen Eignung als stromnetzunabhängige Vorrichtung.The device can be designed as a power-off-grid device, e.g., for an IoT (Internet of Things) application. A device designed in this way can include a rechargeable battery for powering the device and/or an interface for communication with a network such as a Wi-Fi or mobile internet. The device enables energy-efficient operation and is cost-effective to manufacture. These advantages make it particularly suitable as a power-off-grid device.

Die Vorrichtung ist geeignet, das Eingangssignal zeitkontinuierlich mit der Matrix zu multiplizieren. Die Vorrichtung kann zudem geeignet sein, das Eingangssignal im zeitdiskreten Raum und/oder auf zeitdiskrete Weise mit der Matrix zu multiplizieren. Hierbei würde die Berechnung ebenfalls mittels analoger Signale erfolgen. Der Vorteil der schnellen Berechnung bliebe erhalten.The device is suitable for multiplying the input signal by the matrix continuously over time. The device can also be suitable for multiplying the input signal by the matrix in a discrete-time space and/or in a discrete-time manner. In this case, the calculation would also be performed using analog signals. The advantage of fast calculation would be retained.

In einer Ausgestaltung umfasst die Matrix resistive Elemente. Die Matrix ist demnach eine resistive Matrix und kann auch als resistives Array bezeichnet werden. Insbesondere ist die Matrix aus resistiven Elementen aufgebaut bzw. wird von diesen repräsentiert. Das heißt, dass in Spalten und Zeilen angeordnete resistive Elemente die Matrix ausbilden bzw. eine technische Implementierung der Matrix darstellen. Ein resistives Element ist im einfachsten Fall ein Widerstand. Es hat sich gezeigt, dass resistive Elemente besonders gut geeignet sind, um auf zeitkontinuierliche Weise eine Matrixmultiplikation durchzuführen. Dies ist demnach in Echtzeit möglich. Diese Ausgestaltung ermöglicht zudem einen besonders geringen Flächenverbrauch.In one embodiment, the matrix comprises resistive elements. The matrix is therefore a resistive matrix and can also be referred to as a resistive array. In particular, the matrix is constructed from or represented by resistive elements. This means that resistive elements arranged in columns and rows form the matrix or represent a technical implementation of the matrix. In the simplest case, a resistive element is a resistor. It has been shown that resistive elements are particularly well suited for performing matrix multiplication in a continuous-time manner. This is therefore possible in real time. This embodiment also enables particularly low space requirements.

In einer Ausgestaltung umfasst die Matrix memristive Elemente. Insbesondere sind die Elemente der Matrix memristive Elemente. Memristive Elemente, auch als memristiv schaltende Elemente bezeichnet, sind Elemente oder Schaltungen, die einen idealen Memristor nachbilden. Ein Memristor ist ein hypothetisches passives elektrisches Bauelement, das zwischen seinen beiden Anschlüssen einen elektrischen Widerstand aufweist, der von der Historie der angelegten Spannungen abhängt. Der Widerstand ist damit veränderbar bzw. einstellbar. Dies ermöglicht eine rasche Programmierung bis hin zur Programmierung während der Laufzeit. Es sind unterschiedliche Bauweisen von memristiven Elementen bekannt, die einem idealen Memristor ausreichend nahekommen.In one embodiment, the matrix comprises memristive elements. In particular, the elements of the matrix are memristive elements. Memristive elements, also referred to as memristive switching elements, are elements or circuits that emulate an ideal memristor. A memristor is a hypothetical passive electrical component that has an electrical resistance between its two terminals that depends on the history of the applied voltages. The resistance is thus variable or adjustable. This enables rapid programming, even runtime programming. Various designs of memristive elements are known that are sufficiently close to an ideal memristor.

Memristive Elemente sind in der Lage, Daten in Form von Widerständen zu speichern. Die Werte der Matrix können auf diese Weise implementiert werden. Insbesondere können Anschlüsse vorhanden sein, um die memristiven Elemente, beispielsweise jeweils eine Spalte von memristiven Elementen, zu programmieren, also die Werte der Matrix zu schreiben. Diese Anschlüsse können beispielsweise als Zugriffstransistoren ausgeführt sein. Dies ermöglicht es, in einer Vorrichtung unterschiedliche Matrizen zu realisieren, um das Eingangssignal in unterschiedliche Funktionenräume zu projizieren.Memristive elements are capable of storing data in the form of resistors. The values of the matrix can be implemented in this way. In particular, connections can be provided to program the memristive elements, for example, a column of memristive elements, i.e., to write the values of the matrix. These connections can be implemented as access transistors, for example. This makes it possible to implement different matrices in one device to project the input signal into different function spaces.

Diese Ausgestaltung ermöglicht neben dem geringen Flächenverbrauch zudem eine Anpassung der Matrix, sodass die Vorrichtung zur Ausführung unterschiedlicher Algorithmen verwendet werden kann. In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren die Änderung des Projektionsraumes und/oder der Projektionsdimension des Algorithmus. Der Algorithmus kann, wie beschrieben, ein HiPPO-Algorithmus sein.In addition to its low space requirement, this design also allows for adaptation of the matrix, so that the device can be used to execute different algorithms. In one design, the method includes changing the projection space and/or the projection dimension of the algorithm. The algorithm can be a HiPPO algorithm, as described.

In einer Ausgestaltung werden nicht-volatile memristive Elemente verwendet. Diese Elemente hängen nicht von einem Eingangssteuersignal ab und müssen auch nicht aus einem separaten Speicher geladen werden, wie dies bei DRAM bzw. SRAM der Fall wäre. Es wird nur dann Energie verbraucht, wenn Berechnungen bzw. Anpassungen durchgeführt werden.In one embodiment, non-volatile memristive elements are used. These elements do not depend on an input control signal and do not need to be loaded from a separate memory, as would be the case with DRAM or SRAM. Energy is only consumed when needed when calculations or adjustments are carried out.

In einer Ausgestaltung liegt jedes Element der Matrix in zweifacher Ausführung vor. Insbesondere verknüpft eine erste Ausführung das Eingangssignal mit einem integrierten Ausgangssignal der Matrix. Insbesondere verknüpft eine zweite Ausführung das invertierte Eingangssignal mit einem invertierten, integrierten Ausgangssignal der Matrix. Insbesondere sind beide Ausführungen eines jeweiligen Elements der Matrix mit demselben Ausgang verbunden. Die Invertierung entspricht einem Vorzeichenwechsel. Dies ermöglicht es, auch negative Werte der Matrix technisch zu implementieren. Es kann ein Inverter vorhanden sein, um Ergebnisse der Multiplikation zu invertieren. Die Ergebnisse der Multiplikation können dem Ausgangssignal der Matrix entsprechen.In one embodiment, each element of the matrix is present in duplicate. In particular, a first embodiment links the input signal to an integrated output signal of the matrix. In particular, a second embodiment links the inverted input signal to an inverted, integrated output signal of the matrix. In particular, both embodiments of a respective element of the matrix are connected to the same output. The inversion corresponds to a change in sign. This also makes it possible to technically implement negative values of the matrix. An inverter can be present to invert the results of the multiplication. The results of the multiplication can correspond to the output signal of the matrix.

Ein Element der Matrix verknüpft ein jeweiliges Eingangssignal mit einem jeweiligen Ausgangssignal. Damit ist gemeint, dass das jeweilige Eingangssignal sowie das jeweilige Ausgangssignal in die Matrix geleitet werden und dort einer Operation, beispielsweise einer Multiplikation unterworfen werden.An element of the matrix links a respective input signal with a respective output signal. This means that the respective input signal and the respective output signal are fed into the matrix and subjected to an operation, such as multiplication.

In einer Ausgestaltung weist die Vorrichtung einen Integrator zur zeitlichen Integration des Ausgangssignals der Matrix auf. Insbesondere ist für jede Zeile der Matrix ein Integrator vorhanden. Auf diese Weise kann jedes Ausgangssignal des Ausgangssignalvektors zeitlich integriert werden.In one embodiment, the device comprises an integrator for temporally integrating the output signal of the matrix. In particular, an integrator is provided for each row of the matrix. In this way, each output signal of the output signal vector can be temporally integrated.

In einer Ausgestaltung umfasst der Integrator einen Operationsverstärker. Ein Operationsverstärker, auch kurz als OpAmp bezeichnet, bringt den Vorteil mit sich, dass eine virtuelle Masse am Ausgang der Matrix anliegt. Auf diese Weise wird der Ausgang der Matrix bzw. das Ausgangssignal nicht belastet. Es baut sich keine Spannung auf, die zu einer Verfälschung von Werten führen könnte.In one embodiment, the integrator includes an operational amplifier. An operational amplifier, also referred to as an op-amp for short, has the advantage of providing a virtual ground at the matrix output. This way, the matrix output or the output signal is not loaded. No voltage builds up that could lead to value corruption.

Einige Ausführungen von Integratoren, insbesondere solche mit einem Operationsverstärker, invertieren das Signal. Aus diesem Grund kann die Vorrichtung einen Inverter umfassen, um aus dem integrierten Signal die Koeffizienten zu ermitteln.Some integrator designs, especially those with an operational amplifier, invert the signal. For this reason, the device may include an inverter to determine the coefficients from the integrated signal.

Insbesondere umfasst die Vorrichtung für jede Zeile der Matrix einen Inverter. So kann für jedes integrierte Signal des Vektors aus integrierten Signalen ein Koeffizient ermittelt werden. Es wird also typischerweise ein Vektor aus Koeffizienten ermittelt.In particular, the device comprises an inverter for each row of the matrix. This allows a coefficient to be determined for each integrated signal of the vector of integrated signals. Typically, a vector of coefficients is thus determined.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Verwendung von resistiven Elementen, insbesondere von memristiven Elementen, zur zeitkontinuierlichen Multiplikation eines analogen elektrischen Eingangssignals.A further aspect of the invention is a use of resistive elements, in particular memristive elements, for the continuous-time multiplication of an analog electrical input signal.

Die resistiven oder memristiven Elemente werden insbesondere verwendet, um eine Matrix abzubilden oder zu erhalten, die auf diese Weise mit dem Eingangssignal multipliziert werden kann. Alle Merkmale, Vorteile und Ausgestaltungen des eingangs beschriebenen Verfahrens sowie der Vorrichtung können analog für die Verwendung gelten und umgekehrt.The resistive or memristive elements are used in particular to map or maintain a matrix, which can be multiplied by the input signal in this way. All features, advantages, and configurations of the method and device described above can apply analogously to the use, and vice versa.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung auch anhand von Figuren näher erläutert. Merkmale der Ausführungsbeispiele können einzeln oder in einer Mehrzahl mit den beanspruchten Gegenständen kombiniert werden, sofern nichts Gegenteiliges angegeben wird. Die beanspruchten Schutzbereiche sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.Below, exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the figures. Features of the exemplary embodiments can be combined individually or in multiples with the claimed subject matter, unless otherwise stated. The claimed scope of protection is not limited to the exemplary embodiments.

Es zeigen:

  • 1: eine schematische Darstellung einer quadratischen Matrix;
  • 2: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 3: eine weitere schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 4: eine weitere schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; sowie
  • 5 bis 8: ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Datenverarbeitung.
They show:
  • 1 : a schematic representation of a square matrix;
  • 2 : a schematic representation of a device according to the invention;
  • 3 : a further schematic representation of a device according to the invention;
  • 4 : a further schematic representation of a device according to the invention; and
  • 5 to 8 : an example of data processing according to the invention.

1 zeigt eine quadratische Matrix A. Die quadratische Matrix A weist 4 Zeilen und 4 Spalten und demnach die Dimension 4 auf. Die einzelnen Matrixelemente sind mit w und den Indizes für die Zeile und Spalte gekennzeichnet. 1 shows a square matrix A. The square matrix A has 4 rows and 4 columns and therefore the dimension 4. The individual matrix elements are labeled w and the indices for the row and column.

In der dargestellten technischen Umsetzung mittels einer Vorrichtung zur analogen Datenverarbeitung kann jedes Matrixelement durch ein memristives Element 7 repräsentiert sein. Ein beispielhafter grundsätzlicher Aufbau eines solchen memristiven Elements 7 ist auf der linken Seite anhand eines vergrößerten Schaltbildes dargestellt. Das memristive Element 7 umfasst einen einstellbaren Widerstand und einen Transistor 12 oder einen Selektor, die wie dargestellt an eine Wortleitung 13, eine Auswahlleitung 14 und eine Bitleitung 15 angeschlossen sind. Die Auswahlleitung 14 dient der Initialisierung der quadratischen Matrix A, bzw. dem Speichern von Werten in das memristive Element bzw. den Widerstand. Das Verfahren umfasst insbesondere die Initialisierung der quadratischen Matrix A und/oder des Vektors B.In the illustrated technical implementation using a device for analog data processing, each matrix element can be represented by a memristive element 7. An exemplary basic structure of such a memristive element 7 is shown on the left using an enlarged circuit diagram. The memristive element 7 comprises an adjustable resistor and a transistor 12 or a selector, which, as shown, are connected to a word line 13, a selection line 14, and a bit line 15. The selection line 14 serves to initialize the square matrix A or to store values in the memristive element or resistor. The method comprises, in particular, the initialization of the square matrix A and/or the vector B.

Jedes Matrixelement kann wie dargestellt einen Transistor 12 und ein memristives Element 7 umfassen oder daraus bestehen. Der Transistor 12 wird nur für die Initialisierung (Programmierung) der memristiven Elemente und damit der Matrix benötigt. Im normalen Betrieb sind die Transistoren 12 über eine Gate-Spannung vollständig geöffnet.Each matrix element can include or consist of a transistor 12 and a memristive element 7, as shown. Transistor 12 is required only for initializing (programming) the memristive elements and thus the matrix. During normal operation, transistors 12 are fully open via a gate voltage.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst neben der quadratischen Matrix A typischerweise noch den in den folgenden Figuren dargestellten Vektor B. Die Elemente des Vektors B können auch durch die hier dargestellten und beschriebenen memristiven Elemente 7 repräsentiert sein.In addition to the square matrix A, the device according to the invention typically also comprises the vector B shown in the following figures. The elements of the vector B can also be represented by the memristive elements 7 shown and described here.

Zur Datenverarbeitung werden Spannungen v mit den jeweiligen Indizes in die einzelnen Zeilen der quadratischen Matrix A eingeleitet. In den Spalten der quadratischen Matrix A ergeben sich Ströme i mit den jeweiligen Indizes.For data processing, voltages v with the respective indices are introduced into the individual rows of the square matrix A. Currents i with the respective indices result in the columns of the square matrix A.

2 zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung 1 zur Datenverarbeitung. Oben links ist in einer Vergrößerung die Darstellung aus 1 gezeigt, die der quadratischen Matrix A entspricht. Links von der quadratischen Matrix A im Hauptbild befindet sich der Vektor B, der typischerweise dieselbe Anzahl an Elementen aufweist wie die Anzahl der Zeilen und Spalten der Matrix. Quadratische Matrix A und Vektor B bilden zusammen die Matrix A, B. Weil die quadratische Matrix die Dimension 4 aufweist, siehe oben, weist die Matrix A, B die Dimension 4 × 5 auf. 2 shows schematically the structure of a device 1 for data processing. Top left is an enlarged view of the illustration from 1 shown, which corresponds to the square matrix A. To the left of the square matrix A in the main image is the vector B, which typically has the same number of elements as the number of rows and columns of the matrix. The square matrix A and vector B together form the matrix A, B. Because the square matrix has dimension 4, see above, the matrix A, B has dimension 4 × 5.

Ein Eingang 2 der Vorrichtung dient zur Eingabe eines analogen elektrischen Eingangssignals 4 in die Matrix A, B, hier in den Vektor B der Matrix A, B. Aus dem Vektor B werden Signale in die quadratische Matrix A geleitet. Zudem wird ein Signalvektor 6 in die quadratische Matrix A eingeleitet, auf den weiter unten eingegangen wird.An input 2 of the device serves to input an analog electrical input signal 4 into the matrix A, B, here into the vector B of the matrix A, B. Signals from the vector B are fed into the square matrix A. In addition, a signal vector 6 is fed into the square matrix A, which will be discussed further below.

Die Ausgangssignale 5 der Matrix A, B werden aus dem Ausgang 3 der Vorrichtung 1 ausgegeben und entsprechen einer temporären zeitlichen Ableitung c t von Koeffizienten c. Diese werden in einem Integrator 9 zeitlich integriert und dann als Signalvektor 6 in die quadratische Matrix A geleitet. Die integrierten Ausgangssignale 5 entsprechen den Koeffizienten c. Die Koeffizienten c sind eine Projektion des Eingangssignals 4 in den hochdimensionalen Funktionenraum und können abgegriffen werden, beispielsweise für eine Signalübertragung, um das Eingangssignal zu rekonstruieren und/oder um digitalisiert zu werden.The output signals 5 of the matrix A, B are output from the output 3 of the device 1 and correspond to a temporary time derivative c t of coefficients c. These are integrated over time in an integrator 9 and then fed into the square matrix A as a signal vector 6. The integrated output signals 5 correspond to the coefficients c. The coefficients c are a projection of the input signal 4 into the high-dimensional function space and can be tapped, for example, for signal transmission, to reconstruct the input signal and/or to be digitized.

3 zeigt eine konkrete technische Umsetzung einer Vorrichtung zur Datenverarbeitung. Die Elemente w der Matrix A, B sind als memristive Elemente gemäß 1 ausgestaltet. In 3 sind nur beispielhaft einige Elemente w gekennzeichnet. 3 shows a concrete technical implementation of a device for data processing. The elements w of the matrix A, B are memristive elements according to 1 designed. In 3 Some elements w are marked as examples only.

Das Eingangssignal 4, ein analoges Spannungssignal, wird in den Vektor B eingeleitet. Ein Signal eines jeden Elements w des Vektors B wird in ein Element w der ersten Spalte der quadratischen Matrix A geleitet. Zudem werden die Koeffizienten c als Signalvektor 6 in die Matrix B eingeleitet. Der Signalvektor 6 enthält insbesondere elektrische Spannungssignale. Die Ströme addieren sich in jeder Zeile der quadratischen Matrix A und ergeben am Ende der Matrix A bzw. der quadratischen Matrix A, B als Ausgangssignal einen Vektor aus Stromsignalen. Dieses entspricht der zeitlichen Ableitung c t der Koeffizienten c. Die Elemente dieses Vektors werden mittels des Integrators 9 zeitlich integriert. Es ergibt sich ein Spannungsvektor, der die Koeffizienten c enthält.The input signal 4, an analog voltage signal, is fed into the vector B. A signal from each element w of the vector B is fed into an element w of the first column of the square matrix A. In addition, the coefficients c are fed into the matrix B as signal vector 6. The signal vector 6 contains, in particular, electrical voltage signals. The currents add up in each row of the square matrix A and result in a vector of current signals as the output signal at the end of the matrix A or the square matrix A, B. This corresponds to the time derivative. c t the coefficients c. The elements of this vector are integrated over time using integrator 9. This results in a voltage vector containing the coefficients c.

Wie der 3 zu entnehmen ist, wird im hier gezeigten Beispiel als Integrator 9 eine Schaltung mit einem Operationsverstärker verwendet. Es ist für jede Zeile der quadratischen Matrix A ein derartiger Integrator 9 vorhanden. Um aus den durch die spezifische Ausgestaltung des Integrators invertierten Signalen die Koeffizienten c zu ermitteln, wird im Anschluss an jeden Integrator 9 ein Inverter 10 verwendet. Aus den Invertern 10 wird so der Spannungsvektor der Koeffizienten c ausgegeben und als Rückkopplung in die quadratische Matrix A zurückgeführt. Der Vektor c kann - je nach Ausgestaltung der quadratischen Matrix A - abhängig vom gesamten bisher verarbeiteten Eingangssignal, von zeitlich unterschiedlich, insbesondere exponentiell, gewichteten, Anteilen des gesamten Eingangssignals oder vom Eingangssignal in einem fixen Zeitraum vor der aktuellen Zeit abhängen.Again 3 As can be seen, in the example shown here a circuit with an operational amplifier is used as integrator 9. There is one such integrator 9 for each row of the square matrix A. In order to determine the coefficients c from the signals inverted by the specific design of the integrator, an inverter 10 is used after each integrator 9. The voltage vector of the coefficients c is output from the inverters 10 and fed back into the square matrix A as feedback. The vector c can - depending on the design of the square matrix A - depend on the entire input signal processed so far, on components of the entire input signal that are weighted at different times, in particular exponentially, or on the input signal in a fixed period of time before the current time.

In 3 ist für jede Spalte der Matrix A, B ferner ein Auswahlanschluss 8 dargestellt, an die ein Zugangstransistor angeschlossen werden kann. Die Auswahlanschlüsse 8 sind mit den jeweiligen Auswahlleitungen 14 (siehe 1) verbunden und dienen der Initialisierung der memristiven Elemente der Matrix A, B, also sowohl der quadratischen Matrix A als auch des Vektors B. Zudem ist ein Integrator-Reset 11 dargestellt, mit dem die Integratoren 9 vor Beginn einer Signalverarbeitung zurückgesetzt werden können.In 3 For each column of the matrix A, B, a selection terminal 8 is also shown, to which an access transistor can be connected. The selection terminals 8 are connected to the respective selection lines 14 (see 1 ) and are used to initialize the memristive elements of the matrix A, B, i.e. both the square matrix A and the vector B. In addition, an integrator reset 11 is shown, with which the integrators 9 can be reset before signal processing begins.

4 zeigt eine geringfügig abgewandelte Ausführungsform. Zur Steigerung der Übersichtlichkeit ist hier rein beispielhaft eine quadratische Matrix A der Dimension 2 dargestellt. Im Unterschied zu 3 ist hier jedes Element w der Matrix A, B in zweifacher Ausführung vorhanden. Es sind beispielhaft zwei Ausführungen eines Elements mit w' und w'' gekennzeichnet. In die erste Ausführung wird das Eingangssignal 4' eingegeben und in die zweite Ausführung wird ein invertiertes (negatives) Eingangssignal 4'' eingegeben. Zu diesem Zweck kann die Vorrichtung einen Inverter umfassen. 4 shows a slightly modified version. For clarity, a square matrix A of dimension 2 is shown here purely as an example. In contrast to 3 Here, each element w of the matrix A, B exists in duplicate. Two examples of an element are labelled w' and w''. In the first example, the Input signal 4' is inputted, and an inverted (negative) input signal 4'' is inputted into the second embodiment. For this purpose, the device may comprise an inverter.

In den Signalweg der ersten Ausführung werden die mit dem Integrator 9 integrierten und die mit dem Inverter 10 invertierten Ausgangssignale, die den Koeffizienten c entsprechen, eingegeben. Auch hier basieren die Integratoren 9 auf Operationsverstärkern, so dass die Koeffizienten c durch einen anschließenden Inverter 10 erzeugt werden. In den Signalweg der zweiten Ausführung werden die mit dem Integrator 9 integrierten und nicht erneut invertierten Ausgangssignale, die also den invertierten oder negativen Koeffizienten -c entsprechen, eingegeben.The signal path of the first embodiment inputs the output signals integrated with integrator 9 and inverted with inverter 10, which correspond to the coefficients c. Here, too, the integrators 9 are based on operational amplifiers, so that the coefficients c are generated by a subsequent inverter 10. The signal path of the second embodiment inputs the output signals integrated with integrator 9 and not inverted again, which correspond to the inverted or negative coefficients -c.

Diese Ausführungsform dient dazu, den in einigen Ausführungsformen positiven und negativen Werten der Matrix Rechnung zu tragen. Resistive bzw. memristive Leitfähigkeiten bzw. Widerstände können nur positiv sein. Da Elemente der Matrix aber auch negative Werte annehmen können, wird in diesem Ausführungsbeispiel jedes Element der Matrix mit zwei memristiven Elementen w' und w'' realisiert, so dass die positiven Werte und die negativen Werte separat ermittelt werden können. Mit anderen Worten umfasst die Matrix bzw. der Vektor B und die quadratische Matrix A jeweils deine Positive Teilmatrix und eine negative Teilmatrix, deren Differenz jeweils der ursprünglichen Matrix entspricht. Dies kann durch die folgende Formel wiedergegeben werden, wobei i und j die Indizes der quadratischen Matrix sind, A+ dem positiven Matrixelement bzw. memristiven Element entspricht und A- dem negativen Matrixelement bzw. memristiven Element entspricht: c i j t = c i * A i j + + ( c i ) * A i j = c i * ( A i j + A i j ) = c i * A i j . This embodiment serves to account for the positive and negative values of the matrix in some embodiments. Resistive or memristive conductivities or resistances can only be positive. However, since elements of the matrix can also assume negative values, in this embodiment, each element of the matrix is implemented with two memristive elements w' and w'', so that the positive and negative values can be determined separately. In other words, the matrix or vector B and the square matrix A each comprise a positive submatrix and a negative submatrix, the difference of which corresponds to the original matrix. This can be represented by the following formula, where i and j are the indices of the square matrix, A + corresponds to the positive matrix element or memristive element, and A - corresponds to the negative matrix element or memristive element: c i j t = c i * A i j + + ( c i ) * A i j = c i * ( A i j + A i j ) = c i * A i j .

Die 5 bis 8 zeigen unterschiedliche Datenverarbeitungen eines gemeinsamen Eingangssignals, nämlich eines eindimensionales analogen elektrischen Eingangssignals in Form eines Mono-Audiosignals. 5 zeigt das Eingangssignal. Aufgetragen ist der Wert va über die Zeit, wobei auf der x-Achse einzelne Zeitschritte aufgetragen sind. Aufgetragen ist in dunkler Farbe das Original O, das dem unbearbeiteten Eingangssignal entspricht, sowie in heller Farbe die Rekonstruktion R des Eingangssignals.The 5 to 8 show different data processing of a common input signal, namely a one-dimensional analog electrical input signal in the form of a mono audio signal. 5 shows the input signal. The value va is plotted over time, with individual time steps shown on the x-axis. The original O, which corresponds to the unprocessed input signal, is plotted in dark color, and the reconstruction R of the input signal is plotted in light color.

Zur Berechnung der Rekonstruktion wurde das oben beschriebene und in den 3 oder 4 dargestellte, erfindungsgemäße Verfahren verwendet. Aus den Koeffizienten wurde anschließend das Eingangssignal rekonstruiert bzw. angenähert. Es zeigt sich, dass es eine Abweichung der Rekonstruktion R vom Original O dahingehend ergibt, dass sich ein zeitlich kumulierender zeitlicher Versatz aufbaut. Dies ist nicht im Verfahren oder im Algorithmus begründet, sondern auf einen Programmierfehler zurückzuführen, der inzwischen behoben wurde. Darüber hinaus ist ersichtlich, dass es nur äußerst geringe sichtbare Abweichungen zwischen dem Original O und der Rekonstruktion R gibt.To calculate the reconstruction, the method described above and in the 3 or 4 The method according to the invention shown in Figure 1 was used. The input signal was then reconstructed or approximated from the coefficients. It can be seen that the reconstruction R deviates from the original O in such a way that a cumulative temporal offset builds up. This is not due to the method or algorithm, but rather to a programming error that has since been corrected. Furthermore, it is evident that there are only extremely small visible deviations between the original O and the reconstruction R.

6 zeigt ein klassisches Spektrogramm, das auf herkömmlichem Weg mit schneller Fourier-Transformation (engl.: fast Fourier transform; FFT) erstellt wurde. Dargestellt sind die Intensitäten der unterschiedlichen Frequenzen f über die Zeit. Die Zeit ist in unspezifischen Zeiteinheiten aufgetragen. 7 zeigt die aus dem Eingangssignal erfindungsgemäß auf kontinuierlichem Weg ermittelten Koeffizienten c. Die Matrix wurde so gewählt, dass ein Fourier FouT-HiPPO-Algorithmus umgesetzt wurde. Es ist also eine Projektion in einen Fourier-Funktionenraum erfolgt. 6 shows a classic spectrogram created using a conventional fast Fourier transform (FFT). It plots the intensities of the different frequencies f over time. Time is plotted in non-specific time units. 7 shows the coefficients c determined continuously from the input signal according to the invention. The matrix was chosen to implement a Fourier FouT-HiPPO algorithm. Thus, a projection into a Fourier function space was performed.

8 zeigt ein Spektrogramm, das mittels der Koeffizienten c aus 7 rekonstruiert wurde. Es wurde anhand der Koeffizienten eine Frequenz-aufgelöste Rekonstruktion des Signals errechnet. Es wurden beispielhaft zwei Koeffizienten ermittelt, die einer Sinus- und einer Cosinus-Funktion derselben Frequenz entsprechen. Die Kombination der Koeffizienten erfolgte durch Addition ihrer Quadrate. 8 shows a spectrogram obtained using the coefficients c from 7 was reconstructed. A frequency-resolved reconstruction of the signal was calculated based on the coefficients. As an example, two coefficients were determined, corresponding to a sine and a cosine function of the same frequency. The coefficients were combined by adding their squares.

Es zeigt sich, dass die ermittelte Spektrum große Ähnlichkeit zum klassischen Spektrogramm aus 6 aufweist. Die Intensität in dB ist unterschiedlich, aber die Merkmale zu bestimmten Zeiten haben gut sichtbar einen gleichartigen Verlauf. Es hat sich gezeigt, dass für eine derartige Abbildung eine vergleichsweise geringe Auflösung (< 16 Bit) ausreicht. Die x-Achse zeigt unbestimmte Zeiteinheiten und wurde so angepasst, dass sie mit der Darstellung von 6 übereinstimmt. Die x-Achse der Koeffizienten c in 7 entspricht der x-Achse der 8.It turns out that the spectrum obtained is very similar to the classical spectrogram from 6 The intensity in dB varies, but the features at specific times clearly have a similar pattern. It has been shown that a comparatively low resolution (< 16 bits) is sufficient for such a representation. The x-axis shows indefinite time units and has been adjusted to be consistent with the representation of 6 The x-axis of the coefficients c in 7 corresponds to the x-axis of the 8 .

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Vorrichtungdevice
22
EingangEntrance
33
AusgangExit
4, 4'4, 4'
EingangssignalInput signal
4''4''
Invertiertes EingangssignalInverted input signal
55
AusgangssignalOutput signal
66
SignalvektorSignal vector
77
Memristives ElementMemristive element
88
AuswahlanschlussSelective connection
99
IntegratorIntegrator
1010
InverterInverter
1111
Integrator-ResetIntegrator reset
1212
Transistortransistor
1313
WortleitungWording
1414
AuswahlleitungSelection management
1515
BitleitungBit line
A, BAWAY
Matrixmatrix
AA
quadratische Matrixsquare matrix
BB
Vektorvector
cc
Koeffizientcoefficient
-c-c
Invertierter KoeffizientInverted coefficient
zeilitliche Ableitungtemporal derivation
w, w', w''w, w', w''
Elementelement
vv
SpannungTension
ii
StromElectricity
vava
WertValue
ff
Frequenzfrequency
OO
OriginalOriginal
RR
Rekonstruktionreconstruction

Claims (15)

Verfahren zur Datenverarbeitung, bei dem ein analoges elektrisches Eingangssignal (4) zeitkontinuierlich mit einer Matrix (A, B) multipliziert wird.Method for data processing in which an analog electrical input signal (4) is multiplied continuously by a matrix (A, B). Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (A, B) einen Vektor (B) und eine quadratische Matrix (A) umfasst.Method according to the preceding claim, characterized in that the matrix (A, B) comprises a vector (B) and a square matrix (A). Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangssignal (4) mit dem Vektor (B) multipliziert wird.Method according to the preceding claim, characterized in that the input signal (4) is multiplied by the vector (B). Verfahren nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signalvektor (6) in die quadratische Matrix (A) eingeleitet wird.Method according to one of the two preceding claims, characterized in that a signal vector (6) is introduced into the square matrix (A). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangssignal (5) der Matrix (A, B) zeitlich integriert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that an output signal (5) of the matrix (A, B) is integrated over time. Verfahren nach den zwei vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das integrierte Ausgangssignal (5) der Matrix (A, B) als Signalvektor (6) in die quadratische Matrix (A) eingeleitet wird.Method according to the two preceding claims, characterized in that the integrated output signal (5) of the matrix (A, B) is introduced into the square matrix (A) as a signal vector (6). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend mindestens einen der Schritte: - Komprimieren eines Ausgangssignals (5) der Matrix (A, B), - Abtasten und/oder Digitalisieren eines Ausgangssignals (5) der Matrix (A, B), - Rekonstruieren des Eingangssignals (4) aus einem Ausgangssignal (5) der Matrix (A, B).Method according to one of the preceding claims, further comprising at least one of the following steps: - compressing an output signal (5) of the matrix (A, B), - sampling and/or digitizing an output signal (5) of the matrix (A, B), - reconstructing the input signal (4) from an output signal (5) of the matrix (A, B). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mehrdimensionales Eingangssignal (4) verwendet wird und zeitkontinuierlich mit einer mehrdimensionalen Matrix (A, B) multipliziert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a multi-dimensional input signal (4) is used and is multiplied continuously in time by a multi-dimensional matrix (A, B). Vorrichtung (1) zur Datenverarbeitung, umfassend einen Eingang (2) zur Eingabe eines analogen elektrischen Eingangssignals (4), eine Matrix (A, B) zur zeitkontinuierlichen Verarbeitung des Eingangssignals (4) mittels Multiplikation mit der Matrix (A, B) sowie einen Ausgang (3) zur Ausgabe eines Ausgangssignals (5).Device (1) for data processing, comprising an input (2) for inputting an analog electrical input signal (4), a matrix (A, B) for the continuous-time processing of the input signal (4) by multiplication with the matrix (A, B) and an output (3) for outputting an output signal (5). Vorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Matrix (A, B) resistive Elemente umfasst.Device (1) according to the preceding claim, wherein the matrix (A, B) comprises resistive elements. Vorrichtung (1) nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, wobei die Matrix (A, B) memristive Elemente (7) umfasst.Device (1) according to one of the two preceding claims, wherein the matrix (A, B) comprises memristive elements (7). Vorrichtung (1) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Element (w) der Matrix (A, B) in zweifacher Ausführung vorliegt, wobei eine erste Ausführung das Eingangssignal (4) mit einem integrierten Ausgangssignal (5) der Matrix (A, B) verknüpft und eine zweite Ausführung ein invertiertes Eingangssignal (4) mit einem invertierten, integrierten Ausgangssignal der Matrix (A, B) verknüpft.Device (1) according to one of the three preceding claims, characterized in that each element (w) of the matrix (A, B) is present in duplicate, a first version linking the input signal (4) to an integrated output signal (5) of the matrix (A, B) and a second version linking an inverted input signal (4) to an inverted, integrated output signal of the matrix (A, B). Vorrichtung (1) nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen Integrator (9) zur zeitlichen Integration des Ausgangssignals (5) der Matrix (A, B) aufweist.Device (1) according to one of the four preceding claims, characterized in that the device (1) has an integrator (9) for the temporal integration of the output signal (5) of the matrix (A, B). Vorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Integrator (9) einen Operationsverstärker umfasst und/oder dass die Vorrichtung (1) einen Inverter (10) umfasst, um aus dem integrierten Signal Koeffizienten (c) zu ermitteln.Device (1) according to the preceding claim, characterized in that the integrator (9) comprises an operational amplifier and/or that the device (1) comprises an inverter (10) in order to determine coefficients (c) from the integrated signal. Verwendung von resistiven Elementen, insbesondere von memristiven Elementen (7), zur zeitkontinuierlichen Multiplikation eines analogen elektrischen Eingangssignals (4).Use of resistive elements, in particular memristive elements (7), for the continuous-time multiplication of an analog electrical input signal (4).
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