一种多端输入突触器件其可塑性调制方法技术

本发明专利技术公开了一种多端输入突触器件及其可塑性调制方法，器件为电导值非易失器件，器件电导值在外部激励连续调控下变化，器件包含：在接收信号后使其电导值变大的前端口，用于连接突触前神经元，接收突触前神经元传输信号；在接收信号后使其电导值变小的后端口，用于连接突触后神经元，接收突触后神经元传输信号；在接收信号后使前端口输入信号对电导值控制规律发生变化或者后端口输入信号对电导值控制规律发生变化的控制端，用于接收控制信号；以及在接收小于阈值的信号后其电导值保持不变的读出端口，用于根据前端口的输入信号、后端口的输入信号及控制端的输入信号输出输出信号。该人工突触器件实现学习与学习结果读取并行进行。

A plastic modulation method for multiterminal input synaptic devices

The invention discloses a multi-terminal input synaptic device and its plastic modulation method. The device is a non-volatile device of conductivity value. The conductivity value of the device varies continuously under external excitation. The device comprises a front port that enlarges its conductivity value after receiving a signal, which is used to connect presynaptic neurons and receive presynaptic neuron transmission. After receiving the signal, the back port, which reduces its conductivity, is used to connect the postsynaptic neurons and receive the postsynaptic neurons to transmit the signal. After receiving the signal, the front port input signal changes the law of conductivity control or the back port input signal changes the law of conductivity control. The readout port whose conductivity remains unchanged after receiving the signal below the threshold is used to output the output signal according to the input signal of the front port, the input signal of the rear port and the input signal of the control terminal. The artificial synaptic device realizes parallel reading of learning and learning results.

【技术实现步骤摘要】
一种多端输入突触器件其可塑性调制方法
本专利技术属于人工神经网络
，更具体地，涉及一种多端输入突触器件其可塑性调制方法。
技术介绍
大数据时代下，海量数据大规模计算存储及传输的问题亟待解决。传统冯诺依曼计算机架构由于数据计算与存储分离，以总线连接，使数据的传输速度大大受限。而人脑中计算与存储并行计算的信息处理方式为突破冯诺依曼瓶颈提供了一种新思路，人工神经网络的研究成为计算与存储并行进行的有效可行方案。人脑神经系统庞大而复杂，大约由1011个神经元及1014个神经突触构成。在人脑并行记忆与计算所接收信息时，每个神经元与突触都在同步地存储并处理信息，当外部刺激通过神经系统由神经电位的变化传递至突触时，突触权重会根据刺激的种类和强度相应地发生增强和减弱，这样的突触行为被称为突触可塑性。突触可塑性是人脑传递和处理信息时的神经生物分子学基础，也是人脑最基本的认知活动——学习和记忆的基础。在神经系统中，最常见的突触可塑性包括：细胞间长时程增强(LTP，LongTermPotentiation)、长时程抑制(LTD，LongTermDepression)、脉冲时序依赖突触可塑性(STDP，SpikeTimingDependentPlasticity)、脉冲频率依赖突触可塑性(SRDP，SpikeRateDependentPlasticity)等。脉冲时序依赖突触可塑性STDP作为一种在昆虫乃至人脑不同神经环路中都有发现的突触行为，已经成为被广泛认可接受的神经网络学习法则。STDP学习法则与突触前神经元活动和突触后神经元活动在时间上的先后顺序紧密相关，突触的权重变化随着突触前和突触后神经元脉冲到达该突触的时间差决定。若突触前神经元脉冲比突触后神经元脉冲更早到达该突触，则突触的权重增强，两神经元之间的联系强度也增强，且增强的程度随着两脉冲的间隔时间增大而减小；若突触前神经元脉冲比突触后神经元脉冲更晚到达该突触，则突触的权重减弱，两神经元之间的联系强度也减弱，且减弱的程度也随着两脉冲的间隔时间增大而减小。突触权重的变化量与前后脉冲到达的时间差满足指数关系。图1为具体的STDP脉冲时序依赖突触可塑性学习法则的曲线示意图。目前，利用单个人工突触器件实现STDP功能的研究中，所用到的器件多为阻变存储器、相变存储器或铁磁存储器等二端器件，因此，不仅单个突触器件的调控范围及调控精度受到限制，由于器件只有两个输入端口，人工突触器件的学习操作与权重的读取操作必须分步进行，复杂化了人工突触器件的学习过程。此外，人脑神经网络中神经元与突触之间连接复杂，二端器件约束了单个突触器件在神经网络中的集成互联。因此，致力于三端乃至更多端调控的人工突触器件中各种突触可塑性的模拟实现是发展人工神经网络重要的研究方向之一。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种多端突触器件其可塑性调制方法，旨在解决现有的突触器件采用两端口导致学习与学习结果读取不能并行进行的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供一种多端突触器件，所述多端人工突触器件为电导值非易失器件，器件电导值在外部激励连续调控下变化，器件包含：在接收信号后使其电导值变大的前端口Ipre，用于连接突触前神经元，接收突触前神经元传输信号；在接收信号后使其电导值变小的后端口Ipost，用于连接突触后神经元，接收突触后神经元传输信号；在接收信号后使前端口Ipre输入信号对电导值控制规律发生变化或者后端口Ipost输入信号对电导值控制规律发生变化的控制端Ic，用于接收控制信号；以及在接收小于阈值的信号后其电导值保持不变的读出端口Iread，用于根据前端口Ipre的输入信号、后端口Ipost的输入信号及控制端Ic的输入信号输出输出信号，输出信号同多端人工突触器件的电导值有关。优选地，所述多端人工突触器件包含有多个控制端Ic。优选地，所述多端人工突触器件为二维平面器件或者三维结构器件。优选地，三维立体多端输入器件为双极性晶体管器件或者场效应晶体管器件。优选地，场效应晶体管器件为NORFlash器件、NANDFlash器件、SONOS器件、浮栅晶体管器件、铁电场效应晶体管器件、自旋场效应晶体管器件或氧化物场效应晶体管器件。优选地，当多端人工突触器件为浮栅晶体管器件或者SONOS器件时，栅极作为多端人工突触器件的后端口Ipost，体电极作为多端人工突触器件的前端口Ipre，漏电极作为多端人工突触器件的读出端口Iread，源电极端作为多端人工突触器件的控制端Ic；其中，浮栅晶体管包括依次层叠布置的栅氧化层、浮栅层、浮栅绝缘层及衬底层；栅氧化层上面设有栅极，在衬底层两侧依次设有漏电极和源电极，在衬底层设有体电极；SONOS器件包括依次层叠放置的上氧化绝缘层、氮化硅层、下氧化绝缘层及衬底层；上氧化绝缘层上面设有栅极，在衬底层两端设置有漏电极和源电极，体电极连接衬底层。优选地，当多端人工突触器件为铁电场效应晶体管时，栅极作为多端人工突触器件的前端口Ipre，体电极作为多端人工突触器件的后端口Ipost，漏电极作为多端人工突触器件的读出端口Iread，源电极端作为多端人工突触器件的控制端Ic；铁电场效应晶体管包括依次层叠布置的铁电材料层、绝缘层及衬底层，在铁电材料层上方设置有栅极，在衬底层两端设置有漏电极和源电极，体电极连接衬底层。作为本专利技术的另一方面，本专利技术提供基于上述的多端人工突触器件的多阶突触可塑性调制方法，包括如下步骤：在前端口Ipre输入脉冲信号序列，将后端口Ipost接地，脉冲信号序列中每个脉冲信号能使人工突触器件的电导值增大，且脉冲信号序列中后一个脉冲信号的幅值大于前一个脉冲信号的幅值，或者后一个脉冲信号的宽度大于前一个脉冲信号的宽度，使人工突触器件的电导值增大的程度变大，实现增强型突触可塑性功能；或者在后端口Ipost输入脉冲信号序列，将前端口Ipre接地，脉冲信号序列中每个脉冲信号能使人工突触器件的电导值减小，且脉冲信号序列中后一个脉冲信号的幅值大于前一个脉冲信号的幅值，或者后一个脉冲信号的宽度大于前一个脉冲信号的宽度，使人工突触器件的电导值减小的程度变大，实现抑制型突触可塑性功能。作为本专利技术的另一方面，本专利技术提供基于上述的多端人工突触器件的脉冲时序依赖突触可塑性调制方法，包括如下步骤：前端口Ipre输入突触前脉冲信号Ppre，后端口Ipost输入突触后脉冲信号Ppost；突触前脉冲信号与突触后脉冲信号的时间差Δt大于零，叠加信号的有效幅值大于零，且叠加信号的有效幅值随时间差Δt增大而减小；实现增强型脉冲时序依赖突触可塑性功能；或者前端口Ipre输入突触前脉冲信号Ppre，后端口Ipost输入突触后脉冲信号Ppost；突触前脉冲信号与突触后脉冲信号的时间差Δt小于零，叠加信号的有效幅值小于零，且叠加信号的有效幅值随时间差Δt增大而减小，实现抑制型脉冲时序依赖突触可塑性功能。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本专利技术提供的多端人工突触器件，设有前端口Ipre、后端口Ipost、读出端口Iread及控制端口Ic。其中，前端口Ipre、后端口Ipost分别用于接收突触前神经元的信号和突触后神经元的信号，在上述输入信号的激励下，器件的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多端人工突触器件，其特征在于，所述多端人工突触器件为电导值非易失器件，器件电导值在外部激励连续调控下变化，器件包含：在接收信号后使其电导值变大的前端口Ipre，用于连接突触前神经元，接收突触前神经元传输信号；在接收信号后使其电导值变小的后端口Ipost，用于连接突触后神经元，接收突触后神经元传输信号；在接收信号后使前端口Ipre输入信号对电导值控制规律发生变化或者后端口Ipost输入信号对电导值控制规律发生变化的控制端Ic，用于接收控制信号；以及在接收小于阈值的信号后其电导值保持不变的读出端口Iread，用于根据前端口Ipre的输入信号、后端口Ipost的输入信号及控制端Ic的输入信号输出输出信号，输出信号同多端人工突触器件的电导值有关。

【技术特征摘要】
1.一种多端人工突触器件，其特征在于，所述多端人工突触器件为电导值非易失器件，器件电导值在外部激励连续调控下变化，器件包含：在接收信号后使其电导值变大的前端口Ipre，用于连接突触前神经元，接收突触前神经元传输信号；在接收信号后使其电导值变小的后端口Ipost，用于连接突触后神经元，接收突触后神经元传输信号；在接收信号后使前端口Ipre输入信号对电导值控制规律发生变化或者后端口Ipost输入信号对电导值控制规律发生变化的控制端Ic，用于接收控制信号；以及在接收小于阈值的信号后其电导值保持不变的读出端口Iread，用于根据前端口Ipre的输入信号、后端口Ipost的输入信号及控制端Ic的输入信号输出输出信号，输出信号同多端人工突触器件的电导值有关。2.如权利要求1所述的多端人工突触器件，其特征在于，所述多端人工突触器件包含有多个控制端Ic。3.如权利要求1或2所述的多端人工突触器件，其特征在于，所述多端人工突触器件为二维平面器件或者三维结构器件。4.如权利要求3所述的多端人工突触器件，其特征在于，三维结构器件为双极性晶体管器件或者场效应晶体管器件。5.如权利要求4所述的多端人工突触器件，其特征在于，场效应晶体管器件为NORFlash器件、NANDFlash器件、SONOS器件、浮栅晶体管器件、铁电场效应晶体管器件、自旋场效应晶体管器件或氧化物场效应晶体管器件。6.如权利要求1至5任一项所述的多端人工突触器件，其特征在于，当多端人工突触器件为浮栅晶体管器件或者SONOS器件时，栅极作为多端人工突触器件的后端口Ipost，体电极作为多端人工突触器件的前端口Ipre，漏电极作为多端人工突触器件的读出端口Iread，源电极端作为多端人工突触器件的控制端Ic；其中，浮栅晶体管包括依次层叠布置的栅氧化层、浮栅层、浮栅绝缘层及衬底层；栅氧化层上面设有栅极，在衬底层两侧依次设有漏电极和源电极，在衬底层设有体电极；SONOS器件包括依次层叠放置的上氧化绝缘层、氮化硅层、下氧化绝缘层及衬底层；上氧化绝缘层上面设有栅极，在衬底层两端设置有...

【专利技术属性】
技术研发人员：缪向水，段念，李祎，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42