基于随机神经元IP的硅基微显示TSA融合映射方法研究

This project aims at the implementation mechanism for the 4K×2K ultra-high resolution microdisplay-on-silicon with ultra-high grayscale level (4096 levels). It will start from both of the theoretical simulation and the experiment verification to study the technical issues on the mass data mapping, analog drive precision, timing redundancy, non-linear distortion and IP circuit area in the implementation of the microdisplay-on-silicon. In the theoretical layer, this project will build the triple fusion modulation topology structure which maps the display image data to the amplitude gray scanning, timing and spatial self-coupling dithering. It will derive the theoretical model of its corresponding TSA (time, space, amplitude) fusion nested mapping process. In the technical implementation layer, this project will research on the stochastic computing logic units with the two-dimensional kernel function state transfer structure. The multi stochastic neural network logic algorithm will be built for the resource conservation. Its theoretical model will be deduced, which optimizes the implementation of the TSA model algorithm and enhances the IP integration degree. As a result, the scan controller of the ultra-high resolution microdisplay-on-silicon can be implemented with the ASIC under the normal CMOS technology. As the application requirements of the ultra-high resolution microdisplay-on-silicon used in the smart wearable devices have already been put on the agenda in the field of the consuming electronics, military and industry, the research and the technique achievement of this project has a great application value and further development potential.

本课题针对4K×2K超高分辨率硅基微显示器的超高灰度（4096级）实现机理，从理论仿真和实验验证的角度，分析海量数据映射、模拟驱动精度、时间冗余与非线性突变、IP核面积资源等硅基微显示实现技术问题，提出一种扫描映射控制器的解决方案；在理论层面，构建显示图像数据到幅度灰度扫描、时间映射及空间自耦合抖动的三重融合调制拓扑架构，推导相应的TSA (时间、空间、幅度) 融合嵌套映射的理论模型；在技术实现层面，研究具有二维核函数状态转移结构的随机计算逻辑单元，构建资源节约化的多重随机计算神经网络逻辑算法，进行理论模型的求解，以此优化TSA模型实现算法及IP核的集成度；最终使常规IC线宽工艺下的超高清硅基微显示扫描控制器的ASIC芯片得以工程实现。由于超高清硅基微显示器在消费电子、军事及工业等智能穿戴设备的应用需求已提上议事日程；因此，本项目的研究与技术成果将具有巨大的实际应用价值和进一步发展潜力

本课题针对4K×2K超高分辨率硅基微显示器的超高灰度（4096级）实现技术中存在的海量数据映射的瓶颈、模拟驱动的精度限制、数字驱动方式的时间冗余与非线性突变以及扫描控制器IP核的面积资源等四大问题，提出一种扫描映射控制器的融合解决方案；形成一种新的TSA（时间、空间、幅度）数模融合嵌套映射架构，推导了理论模型；研究了基于随机计算RBF神经元的指数函数实现算法，完成了硅基微显示器样品验证。主要工作和成果如下：.1、构建了硅基微显示器TSA灰度调制映射拓扑架构：采用幅值调制的方法实现低位灰度调制；采用时间调制的分屏子空间分形位权值扫描方法实现高位灰度调制；采用空间调制的帧自耦合抖动方法合成高位与低位灰度数据；获得三个维度嵌套的融合拓扑和实现路径。为解决海量数据映射、模拟驱动精度、时间冗余与非线性突变问题奠定了架构基础。.2、建立了硅基微显示器TSA融合映射的理论模型：抽象了电路模型，确定了模型中累积效应等的共性原则，提取了维数控制特征；研究了幅值域电压振幅调制模型、时间域的分形调制模型及空间域调制的帧自耦合抖动模型的三重嵌套机制，形成TSA融合映射数学模型，解决了最高扫描效率的问题。.3、提出节约化的多重随机计算神经元逻辑算法及IP优化策略：引入了低密度随机计算逻辑单元概念，研究了一种可以实现复杂激活函数和核函数的饱和二维状态转移结构，构建可以处理TSA融合映射模型数据调制的RBF网络的神经元方法；以此优化TSA模型算法及扫描控制IP集成度；为硅基微显示器实现提供了新的思路和解决方案。.4、硅基微显示器TSA融合映射IP核的算法研究与技术实现：研究了纯逻辑推导实现方法；建立相对应的硬件逻辑实现模型和电路模型；完成了像素分辨率为1280(×3)×1024的硅基OLED微显示器芯片的设计流片，验证了具有TSA融合嵌套映射控制扫描成像微显示器的工程效果。.课题执行期间，发表科学论文36篇；申请专利16件；培养博士/硕士研究生共计26名；全面完成了课题目标任务。