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Abstract

Accelerated mixed-signal neuromorphic hardware presents a promising approach to overcome run time and scalability issues of software-based neural network simulations. It accomplishes this by physical emulation of the neuronal dynamics via specialized analog circuitry instead of numerical calculations. However, facilitating the advantage of such highly custom hardware with a similar convenience as conventional simulators poses various challenges. This thesis addresses these in two ways: First a multi-layered software architecture developed for the second-generation BrainScaleS neuromorphic systems is presented. Welldefined interfaces allow utilization of the hardware in different stages of development with the appropriate level of abstraction. The upper layers provide an interface to effciently describe neuroscience experiments and handle automated translation of population-based spiking neural network graphs to valid hardware configurations and experiment flow programs. Suitable run time performance and scalability of the software are verified by extensive measurements while usability is demonstrated via an SNN-based Sudoku solver. The second part covers the challenges of supplying novel compute hardware as a research platform to the neuroscience community. A convenient and robust multi-user access is facilitated via customization of the prevalent SLURM resource scheduler to the requirements of neuromorphic experiment workflows. Finally, a monitoring infrastructure vital for system commissioning and experiment reproducibility is established.

Translation of abstract (German)

Beschleunigte neuromorphe digital-analoge Hardware ist ein vielversprechender Ansatz zur Überwindung der Laufzeit- und Skalierbarkeitsproblemen von softwarebasierten Simulationen neuronaler Netze. Erreicht wird dies durch die physikalische Emulation der neuronalen Dynamik mittels spezialisierter analoger Schaltungen anstelle von numerischen Berechnungen. Es ist jedoch eine Herausforderung, die Vorteile solcher hochgradig spezialisierter Hardware mit einem ähnlichen Komfort wie bei herkömmlichen Simulatoren zu verbinden. In dieser Arbeit werden diese auf zwei Arten angegangen: Im ersten Teil wird eine mehrschichtige Softwarearchitektur für die zweite Generation der BrainScaleS neuromorphen Systeme vorgestellt. Gut deffnierte Schnittstellen Ermöglichen die Nutzung der Hardware in verschiedenen Entwicklungsstadien mit der entsprechenden Abstraktionsebene. Die oberen Schichten bieten eine Schnittstelle zur effzienten Beschreibung neurowissenschaftlicher Experimente und zur automatischen Übersetzung populationsbasierter Graphen pulsbasierter neuronaler Netze in valide Hardwarekonfigurationen und Experimentablaufprogramme. Die geeignete Laufzeitleistung und Skalierbarkeit der Software wird durch umfangreiche Messungen veriziert, während die Benutzerfreundlichkeit anhand eines Sudoku-Lösers auf Basis pulsbasierter Netze demonstriert wird. Der zweite Teil befasst sich mit den Herausforderungen, die mit der Bereitstellung dieser neuartigen Hardware als Forschungsplattform für die neurowissenschaftliche Gemeinschaft verbunden sind. Ein handlicher und robuster Mehrbenutzerzugang wird durch die Anpassung des weit verbreiteten SLURM-Ressourcenmanagers an die Anforderungen neuromorpher Experimentabläufe ermöglicht. Abschließend wird eine Überwachungsinfrastruktur eingerichtet, die für die Inbetriebnahme des Systems und die Reproduzierbarkeit der Experimente unerlässlich ist.