CV - Dipartimento Ingegneria dell'Informazione - Università di Siena

Luca Pancioni
Dati Personali
CURRICULUM VITAE
Indirizzo: *******************************************
Data di nascita: 14 Febbraio 1972
Cittadinanza: Italiana
Lingua: Italiano, Inglese
Contatti
Telefono: +39 0577 234641/42
Fax: +39 0577 233602
Cellulare: **************
E-Mail: pancioni@dii.unisi.it
Profilo Accademico
Posizione attuale: titolare di un assegno di ricerca presso l’Università degli Studi
di Siena da Novembre 2004.
Dottorato di ricerca: Dottore di Ricerca in Ingegneria dell’Informazione - XVII
Ciclo, conseguito nell’anno accademico 2003/2004 presso l’Università degli Studi
di Siena.
Tesi: Reti Neurali Cellulari: aspetti teorici riguardanti la stabilità e la dinamica
complessa ed aspetti applicativi riguardanti il progetto circuitale microelettronico.
Laurea: Ingegneria delle Telecomunicazioni. La laurea è stata conseguita presso
l’Università degli Studi di Siena in data 16 Luglio 2001 con votazione 100/110.
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Tesi: Studio di strutture CMOS ottimizzate per la realizzazione di funzioni di attivazione
lineari a tratti nelle Reti Neurali Cellulari.
Abilitazione professionale: conseguita nel mese di Luglio 2001 presso l’Università
degli Studi di Firenze.
Corsi post laurea
Corsi specialistici frequentati:
• Winter School on Chaotic Communications, presso University of California,
San Diego, 15-19 Gennaio 2002.
• Scuola di Dottorato in Elettronica, presso l’Università di Trieste, Trieste, 3-6
Giugno 2002.
• Riunione Annuale del Gruppo di Elettronica, presso l’Università di Trieste,
Trieste 6-8 Giugno 2002.
• International School on Topics in Nonlinear Dynamics, presso il Center for
Complex Systems Studies (C. S. C.), Siena, 9-11 Luglio 2003.
• Course on CMOS Analog Integrated Circuit Design (tenuto dal Prof. P. E.
Allen), presso il Centro per la Ricerca Scientifica e Tecnologica (ITC-irst),
Trento, 13-17 Ottobre 2003.
• International Workshop on Nonlinear Dynamics and Complexity in Information
and Communication Technology, presso l’Università degli Studi di
Bologna, Bologna, 6-8 Settembre 2004.
• International Advanced School on Nonlinear Analysis of Complex Dynamical
Systems, presso il Center for Complex Systems Studies (C. S. C.), Siena,
16-18 Novembre 2005.
Visite presso istituti di ricerca stranieri: nel periodo Marzo-Giugno 2004 ha
svolto attività di ricerca su tematiche riguardanti la dinamica complessa in Reti
Neurali Cellulari presso l’Accademia delle Scienze Ungherese (MTA Sztaki) in
Budapest (Ungheria).
Corsi di dottorato:
Anno 2001/2002:
• Teoria dei giochi
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• Introduzione ai Sistemi Real Time
• Tecniche 3D per l’elaborazione delle immagini
• Pianificazione dei sitemi robotizzati
• Sistemi di acquisizione dati
Anno 2002/2003:
• Elementi di analisi funzionale
• Sicurezza dei sistemi e delle reti informatiche
• Teoria delle trasformate e interpolazione
• Algoritmi di ottimizzazione convessa
• Dinamiche non lineari di tipo caotico
Anno 2003/2004:
• Algoritmi di tipo primale-duale in ottimizzazione combinatoria
• MEMS: Tecnologie e applicazioni
• Ottica Integrata ed elaborazione di segnali ottici
• High-frequency measurement tecniques in anechoich chambers
• Kernel Methods for Pattern Analysis
• Perceptual Image Modeling: Bridging Vision
• Grafica Computazionale e Realtà Virtuale
• Convex Optimization of Communications Systems
• Strumenti FP6 per il finanziamento della ricerca in Europa
• Wavelets and beyond in Image Representation
Attività didattiche:
• A.A. 2001-2002 - Attività di co-docenza per il corso di Elettrotecnica I e II,
Elettronica III ed attività di laboratorio.
• A.A. 2002-2003 - Attività di co-docenza per il corso di Elettrotecnica I e II,
Elettronica III ed attività di laboratorio.
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• A.A. 2003-2004 - Attività di co-docenza per il corso di Elettrotecnica I e II,
Elettronica I ed attività di laboratorio.
• A.A. 2004-2005 - Attività di co-docenza per il corso di Elettrotecnica I e II,
Elettronica II ed attività di laboratorio.
Partecipazioni a progetti di ricerca:
• Progetto coordinato PRIN, ’Sviluppo e sperimentazione di un sistema in tempo
reale, basato su circuiti e algoritmi neurali, per l’estrazione di informazioni
mediante visione stereoscopica in ambiente 3D’, 2001.
• Progetto PAR Università degli Studi di Siena, ’Fondamenti teorici ed applicazioni
di reti neurali ricorrenti’, 2002.
• Progetto PAR Università degli Studi di Siena, ’Metodi per l’analisi della
dinamica non-lineare di reti neurali’, 2004.
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Argomenti di ricerca
Temi di ricerca
1. Analisi della stabilità e delle dinamiche complesse in reti neurali cellulari.
2. Studio e progetto di circuiti integrati CMOS analogici e di tipo misto analogico/digitale.
Descrizione delle tematiche
Le reti neurali cellulari (CNN), introdotte formalmente da L. O. Chua ed L. Yang
nel 1988 (L. O. Chua, L. Yang: ’Cellular Neural Networks: Theory and Applications’,
IEEE Trans. on Circ. and Syst., vol. 35, pages 1257-1290, 1988), sono
attualmente un paradigma di fondamentale importanza per lo studio e la risoluzione
di una vasta gamma di problematiche di calcolo complesso. Infatti, in generale,
molti problemi di questa classe possono essere ricondotti a sistemi di equazioni differenziali
non-lineari ordinarie (ODE), ed alle derivate parziali (PDE), per le quali
le CNNs presentano una struttura particolarmente adeguata alla loro risoluzione
(T. Roska et al.: ’Simulating Nonlinear Waves and Partial Differential Equations
via CNN: Basic Techniques and Typical Examples’, IEEE Trans. on Circ. and
Syst., vol. 42, pages 807-820, 1995). Le CNNs risultano essere adatte, più in generale,
all’elaborazione (analogica) non-lineare di segnali (L. O. Chua: ’CNN: a
Paradigm of Complexity’, World Scientific, 2000). Gli impieghi principali per cui
le CNNs sono effettivamente utilizzate riguardano l’elaborazione di immagini, pattern
recognition, controllo real-time, error correction, ottimizzazione, tracking, data
compression, ecc.
1 - Analisi della stabilità e delle dinamiche complesse in reti neurali cellulari
Particolarmente interessante risulta essere la ricerca delle condizioni, in funzione
dei parametri di progetto, che garantiscono la stabilità completa ovvero la convergenza
delle traiettorie verso punti di equilibrio. Più specificatamente, nel caso di
interconnessioni non-simmetriche tra neuroni, risulta rilevante lo studio del caso
speciale di CNN con un singolo punto di equilibrio (proprietà denominata stabilità
globale) ma anche il caso in cui sono presenti punti di equilibrio multipli (ad esempio
in problemi di elaborazioni di immagini). Nel caso in cui, invece, la rete sia
reciproca (ovvero si ha simmetria delle interconnessioni), è di notevole importanza
lo studio del ruolo che tale proprietà svolge in relazione alla stabilità completa.
E’ infatti possibile mostrare che la simmetria della matrice di interconnessione
garantisce la stabilità completa della rete. In particolar modo è estremamente interessante
l’analisi della robustezza della stabilità completa in funzione di piccole
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perturbazioni nei coefficienti della matrice di interconnessione. Infatti la simmetria
non può essere garantita allorquando la rete viene implementata circuitalmente (ad
esempio su silicio in tecnologia VLSI).
Il lavoro svolto finora, il quale si è concretizzato nelle pubblicazioni [J.3] e [C.3],
ha reso possibile dimostrare che la proprietà di simmetria della matrice di interconnessione
(condizione sufficiente affinché la rete sia completamente stabile), non
garantisce la robustezza di tale proprietà a fronte di perturbazioni della matrice stessa.
Questo risultato è stato ottenuto considerando perturbazioni in termini sia di
errori assoluti sia di errori relativi arbitrariamente piccoli. L’analisi è stata effettuata
inizialmente considerando una classe di CNN del terzo ordine con funzione di
attivazione lineare a tratti. In questo caso sono state valutate le entità delle perturbazioni
additive, relative alla matrice di interconnessione, che originano soluzioni
oscillatorie ed in generale non convergenti. Tali perturbazioni sono state ottenute in
termini di errori assoluti prossimi a zero. Successivamente il lavoro è stato ampliato
considerando una classe di CNN del quarto ordine. Anche per tale famiglia di reti è
stato dimostrato che la simmetria della matrice di interconnessione non garantisce
la robustezza della stabilità completa rispetto a piccole perturbazioni. Questo fatto
è valido anche in termini di errori relativi arbitrariamente prossimi a zero sui coefficienti
della matrice di interconnessione, ed è stato dimostrato tramite l’introduzione
di una speciale famiglia di reti del quarto ordine.
Lo studio precedente può essere realizzato in maniera sistematica partendo da
una classe di reti del terzo ordine. A tal fine è stata introdotta una procedura per
il trasferimento di dinamiche di CNN cooperative-competitive (i cui coefficienti
di interconnessione possono essere sia positivi che negativi), di ordine N, in reti
competitive di ordine M strettamente maggiore di N. Più precisamente si ha che le
dinamiche del sistema originario vengono replicate in una varietà di dimensione N.
Tale replica è ottenuta proiettando le traiettorie del sistema competitivo sulla varietà
precedentemente definita. La procedura di trasferimento prevede l’introduzione
di alcuni parametri dai quali dipendono le proprietà della varietà di dimensione
N. Questi parametri possono essere scelti in maniera tale che tale varietà risulti
invariante e globalmente attrattiva per le soluzioni della rete di ordine M.
2 - Studio e progetto di circuiti integrati CMOS analogici e di tipo misto analogico/digitale.
Nell’ambito di questo tema di ricerca lo studio è stato suddiviso in due argomenti
principali:
2.1 Strutture microelettroniche differenziali finalizzate alla realizzazione della
funzione di attivazione in reti neurali cellulari.
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2.2 Strutture microelettroniche differenziali finalizzate alla realizzazione di celle
logiche elementari.
2.1 - Strutture microelettroniche differenziali finalizzate alla realizzazione della
funzione di attivazione in reti neurali cellulari
L’analisi teorica sulle CNN svolta fino ad ora ha riguardato, oltre che la stabilità
completa, anche altri argomenti tra cui lo studio dell’implementazione circuitale
finalizzata alla realizzazione di un elaboratore analogico (CNN Universal Machine).
La versatilità di questa tipologia di reti nel realizzare applicazioni diverse si basa sul
fatto che i coefficienti, i quali definiscono le interconnessioni locali tra i neuroni e
quindi anche il tipo di funzionalità che la rete deve implementare, possono essere
programmati da parte dell’utente tramite una struttura logica inclusa nel circuito
integrato. Il precedente studio sulla robustezza della completa stabilità ha permesso
di indicare le linee guida per il progetto delle varie parti componenti il dispositivo
una volta note le caratteristiche sulla tolleranza dovute alla tecnologia.
Il blocco progettuale più critico ai fini del progetto dei punti di equilibrio di una
CNN Universal Machine è quello relativo all’implementazione della funzione di attivazione
lineare a tratti. Il lavoro descritto di seguito ed esposto in [J.1] e [C.1] ha
riguardato, quindi, lo studio per la realizzazione di un dispositivo che implementi
la funzione di attivazione in maniera più fedele rispetto alle implementazioni classiche
proposte in letteratura. La struttura di base che è stata considerata è quella ad
amplificatore differenziale, in quanto è di gran lunga quella maggiormente utilizzata
nelle applicazioni. L’analisi ha reso possibile l’individuazione di alcune strutture
circuitali adatte allo scopo. Più precisamente, una di queste è risultata particolarmente
appropriata ad essere realizzata su silicio, in quanto presenta una complessità
circuitale comparabile con le strutture differenziali classiche. Essa si basa, infatti, su
un amplificatore differenziale con retroazione locale tensione-serie (degenerazione
di source) che rende la funzione di attivazione estremamente fedele a quella ideale,
senza richiedere un significativo incremento di area di silicio, rispetto alle implementazioni
standard. I risultati ottenuti sono basati su una tecnologia CMOS a 0.35
µm.
La struttura proposta risulta essere robusta rispetto alle tolleranze del processo
implementativo eccetto che per il guadagno del tratto centrale della funzione di
attivazione. A tal riguardo è stato quindi realizzato uno studio sulla stabilità dei
punti di equilibrio di una rete cellulare che tenga conto delle variazioni sul guadagno
della caratteristica di attivazione. Sono state anche fornite condizioni sulla stabilità
(asintotica) che generalizzano quelle presenti in letteratura per una funzione
di attivazione ideale.
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2.2 - Strutture microelettroniche differenziali finalizzate alla realizzazione di celle
logiche elementari
Sulla base dell’analisi delle strutture differenziali precedentemente descritte, è stato
realizzato uno studio relativo ad una possibile modifica della cella base della logica
a source accoppiato (SCL).
La modifica proposta è descritta analiticamente in [J.2]. Partendo dalle struttura
della cella base della logiche SCL, è stata introdotta una retroazione positiva che ha
reso il guadagno del circuito differenziale superiore di oltre un ordine di grandezza
rispetto ai dispositivi standard, a parità di fattore di forma dei MOSFET di ingresso.
Tale incremento di guadagno può essere sfruttato per gestire con diversi criteri di
ottimizzazione il compromesso progettuale tra ritardo, potenza dissipata, ed area
occupata.
In dettaglio il lavoro svolto ha portato alla definizione di un modello analitico
per questi dispositivi, atto alla valutazione delle caratteristiche statiche e di quelle
dinamiche, come riportato nella pubblicazione [C.2]. Inoltre sono state valutate le
prestazioni anche in termini di compromesso ritardo, area e potenza, e i risultati
sono stati pubblicati in [C.4]. La validità del modello fornito per la variante proposta
della logica SCL standard (denominata PFSCL, positive feedback source coupled
logic) è stata verificata tramite il confronto con delle simulazioni realizzate in tecnologia
CMOS a 0.18 µm [C.2] e [C.4]. Tale modello è risultato essere valido per
un vasto range di condizioni di lavoro.
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Elenco pubblicazioni
Tesi di laurea
L. Pancioni, ’Studio di strutture CMOS ottimizzate per la realizzazione di funzioni
di attivazione lineari a tratti nelle Reti Neurali Cellulari’, Università degli Studi di
Siena, Luglio 2001.
Tesi di dottorato
L. Pancioni, ’Reti Neurali Cellulari: aspetti teorici riguardanti la stabilità e la dinamica
complessa ed aspetti applicativi riguardanti il progetto circuitale microelettronico’,
Università degli Studi di Siena, Novembre 2004.
Pubblicazioni su riviste internazionali
• [J.1] Forti M., Pancioni L., Rocchi S., Vignoli V.:’Implementation of CNN
neuron activations’, IEEE Electronics Letters, Volume 38, Issue 22, 24 Oct
2002 Page(s): 1369 - 1370;
• [J.2] Alioto M., Pancioni L., Rocchi S., Vignoli V.: ’Modeling and Evaluation
of Positive-Feedback Source-Coupled Logic’, IEEE Transactions on Circuits
and Systems I: Regular Papers, Volume 51, Issue 12, Dec. 2004 Page(s):
2345 - 2355;
Articoli accettati per la pubblicazioni su riviste internazionali
• [J.3] Di Marco M., Forti M., Grazzini M., Pancioni L.: ’Fourth-Order Nearly-
Symmetric CNNs Exhibiting Complex Dynamics’, International Journal Bifurcation
and Chaos, May 2005 (allegata lettera di accettazione).
• [J.4] Aggiungere physicad
• [J.5] Aggiungere TcsaII
Pubblicazioni a conferenze internazionali
• [C.1] Forti M., Pancioni L., Rocchi S., Vignoli V.:’Accurate CMOS Implementation
of PWL CNN Neuron Activations’, IEEE International Symposium
on Circuits and Systems, 2002. ISCAS 2002. Volume 1, 26-29 May
2002 Page(s): I-221 - I-224 vol.1;
• [C.2] Alioto M., Fort A., Pancioni L., Rocchi S., Vignoli V.: ’Positive-Feedback
Source-Coupled Logic: a Delay Model’, Proceedings of the 2004 International
Symposium on Circuits and Systems, 2004. ISCAS ’04. Volume 2,
23-26 May 2004 Page(s): II - 641-4 Vol.2;
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• [C.3] Di Marco M., Forti M., Grazzini M., Pancioni L.: ’Complex Dynamics
in a Class of Nearly-Symmetric Competitive CNNs’, IEEE International
Symposium on Circuits and Systems, 2005. ISCAS 2005, 23-26 May 2005
Page(s): 4677 - 4680 Vol. 5;
• [C.4] Alioto M., Fort A., Pancioni L., Rocchi S., Vignoli V.: ’An Approach to
the Design of PFSCL Gates’, IEEE International Symposium on Circuits and
Systems, 2005. ISCAS 2005, 23-26 May 2005 Page(s): 2437 - 2440 Vol. 3.
Articoli accettati per la pubblicazioni a conferenze internazionali
• [C.5] aggiungere iscas06 CNN
Ai sensi delle norme in materia di dichiarazioni sostitutive di cui agli artt. 46 e segg.
del D. P. R. 445/2000, il sottoscritto dichiara che quanto sopra riportato corrisponde
a verità.
Luogo e data Firma
Siena
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