人工神经元装置制造方法及图纸

技术编号:19397114 阅读:47 留言:0更新日期:2018-11-10 05:07
人工神经元装置包括连接在具有神经元输入的输入电路中的电阻式存储器单元,用于接收神经元输入信号,以及用于将读取电流提供给单元的电流源。响应于一组控制信号,输入电路可选择性地配置,定义交替的读取和写入操作阶段,在读取阶段期间将读取电流施加到单元并将编程电流施加到单元,以在写入阶段期间编程单元电阻收到神经元输入信号。响应于连续的神经元输入信号,单元电阻从第一状态逐渐变为第二状态。该设备还包括神经元输出的输出电路,该输出电路和连接到输入电路的数字锁存器,用于接收取决于单元电阻的测量信号。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】人工神经元装置
技术介绍
本专利技术总体上涉及人工神经元装置,并且更具体地涉及基于电阻式存储器单元的人工神经元。神经形态学技术涉及受神经系统生物学结构启发的计算系统。常规计算系统基于二进制逻辑和连续冯诺依曼体系结构。虽然执行诸如数值计算等任务的效率很高,但这些系统中外部存储器与处理器之间的分隔会导致耗能的数据移动。与人脑相比,传统的计算模式在功耗和空间需求方面效率非常低。这些问题促使人们开展了大量的研究工作,以了解人类大脑的高效计算范例,并创造了具有前所未有的计算能力的人工认知系统。例如,战略意图是开发能够在诸如“大数据”分析和真实感官应用等计算密集型任务中执行基于事件的计算的“神经形态协处理器”。神经元与突触一起是大脑中的基本计算单位。神经元可以整合它接收到的输入信号。在生物神经元中,使用薄的脂质双层膜来分离单元内部和外部的电荷。表示存储的神经元状态的膜电位通过神经元输入信号的到达而逐渐改变。当膜电位超过特定的电压阈值时,神经元将“发射”,产生称为“动作电位”或“尖峰”的输出信号,然后恢复到其初始状态。这些尖峰通过突触传递给其他神经元,由于神经元活动而改变它们的连接强度(“可塑性”或“突触权重”)。有效的人工神经元的实现对神经形态技术具有根本重要性。大多数人工神经元的先前提议是基于混合模拟/数字VLSI电路,需要复杂的具有大量晶体管的CMOS电路来模拟神经元功能。诸如相变存储器(PCM)单元之类的电阻式存储器单元也被认为是实现神经硬件的合适候选者(参见例如“TheOvonicCognitiveComputer-ANewParadigm(Ovonic认知计算机-一种新的范式)”,Ovshinsky,Proc.E/PCOS,2004,和“NovelApplicationsPossibilitiesforPhase-ChangeMaterialsandDevices(相变材料和器件的新颖应用可能性)”,Wright等,Proc.E/PCOS,2013)。电阻式存储器单元是可编程电阻器件,其依赖于布置在一对电极之间的一定体积电阻材料的可变电阻特性。这些单元是忆阻器,即记忆流过它们的电流历史的器件。基于Mott忆阻器的神经元电路也已在Pickett等人在NatureMaterials(自然材料),2013发表的“AScalableNeuristorbuiltwithMottMemristors(用Mott忆阻器构建的可扩展神经元电阻器)”中提出。现有的基于忆阻装置的人工神经元只涉及模拟整合-射击功能或模拟生物动作电位的形状。有效的人工神经元在神经网络配置中运行的具体实现仍然是一个挑战。
技术实现思路
根据本专利技术的至少一个实施例,提供了一种人工神经元装置。该装置包括连接在输入电路中的电阻式存储单元,该电路具有用于接收神经元输入信号的神经元输入,以及用于向该单元提供读取电流的电流源。响应于一组控制信号,输入电路可选择性地配置,定义交替的读取和写入操作阶段,以在读取阶段期间将读取电流施加到单元并在写入阶段期间,收到神经元输入信号,将编程电流施加到单元,以编程单元电阻。响应于连续的神经元输入信号,单元电阻从第一状态逐渐变为第二状态。该设备还包括输出电路,该输出电路包括神经元输出和连接到输入电路的数字锁存器,用于接收取决于单元电阻的测量信号。锁存器可响应于读取阶段而操作,以锁存取决于测量信号的数字值。如果单元电阻未达到第二状态,则锁存第一值,如果单元电阻已达到第二状态,则锁存第二值。如果第二值被锁存,则输出电路适于在写入阶段期间在神经元输出处提供神经元输出信号。体现本专利技术的装置提供了适用于神经网络配置中的连接和操作的高效神经元实现。神经元电路允许紧凑的实现,允许神经形态网络的高密度集成。用于读取和写入操作阶段的神经元电路的配置由一个或多个控制信号控制。这样的控制信号可以是简单的周期性信号,例如可以从系统时钟容易地产生,并且可以容易地应用于多个神经元电路,以便对多神经元网络进行有效的全局控制。在神经元装置的优选实施例中,响应于神经元输出信号,输入电路还是可配置的,响应于神经元输出信号将复位电流施加到所述单元以将单元电阻重置为第一状态。在这些实施例中,神经元输出信号或“尖峰”被方便地用于在写入阶段期间实现单元的重置,使得神经元恢复到其初始状态以准备进行新的操作循环。输出电路最好包括一个连接在锁存器和神经元输出之间的逻辑门,响应于写入阶段,逻辑门可操作,以当第二个值被锁存时,提供神经元输出信号。利用这种安排,神经元尖峰便于同步到写入阶段,促进神经元的互连与来自提供神经元输入信号的一个神经元的尖峰以同步排列,该神经元输入信号同步到下一个神经元的写入阶段。输入电路可以包括连接在单元的第一端子和电路的参考端子之间的至少一个接入设备,用于响应于所述读取阶段和所述神经元输入信号而使电流流过该单元。在优选实施例中,输入电路包括连接在单元的第一端子和参考端子之间的相应接入装置,用于响应于所述读取阶段、所述神经元输入信号和所述神经元输出信号,使电流流过单元。在神经元输入电路中使用这些接入设备可以在读取和写入阶段简单控制单元操作。在这里的优选实现中,电流源连接到单元的第二端子,并且输入电路包括连接到第二端子的开关,开关可操作以在写入阶段期间将编程电流施加到单元。这提供了简单的输入电路配置,并且将在下面进一步描述使用这种配置的简单输出电路。本专利技术的至少一个进一步的实施例提供了一种神经形态系统,其包括多个互连的神经元,每个神经元包括根据上述实施例的神经元装置和用于生成被提供给系统中的至少多个神经元的该组控制信号的控制信号生成器。下面将参照附图,通过说明性和非限制性示例,更详细地描述本专利技术的实施例。附图说明图1是相变存储单元中渐进结晶的示意图;图2示出了根据本专利技术的一个或多个实施例的人工神经元装置;图3是指示图2装置的操作的示意性时序图;图4示出了根据本专利技术的一个或多个实施例的人工神经元装置;图5是表示图4装置的操作的示意时序图;图6示出了根据本专利技术的一个或多个实施例的用于神经元装置中的数字锁存器的一个实现;图7示出了用于图4的神经元装置中的或非(NOR)门的一个实现;以及图8是根据本专利技术的一个或多个实施例配置的基于神经元的神经形态系统的示意图。具体实施方式待描述的实施例提供了基于电阻式存储单元的人工神经元装置。在下面的例子中,电阻式存储单元是PCM单元。PCM单元的可变电阻特性通过在单元电极之间加热一定体积的硫属化物材料而产生,以便改变硫属化物体积中(高电阻)非晶相和(低电阻)晶相的相对比例。如果低于某个阈值开关电压的电压通过电极施加到单元上,则电流将会很小,以至于只有很少的焦耳热量被施加,并且在单元体积中基本上没有导致的相变。但是,如果施加高于阈值电压的编程(或“写入”)信号,则在通过电子阈值切换现象施加脉冲期间,单元电阻降至非常低的值。这使得大的电流的流动,会导致显著的焦耳热应用和随后的相变。对于最初处于高电阻状态的单元,基于单元特性和电路设计的具有一定输入功率和持续时间的编程脉冲的施加引起非晶区的部分结晶,随之在编程之后降低单元电阻。这些单元显示出累积特性,由此通过施加许多这样的编程脉冲,与初始高电阻状态相比,存储器单元的电阻可以逐渐减小到本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.人工神经元装置,包含:连接在输入电路中的电阻式存储单元;其中所述输入电路包括,被配置为接收神经元输入信号的神经元输入以及用于向所述单元提供读取电流的电流源;其中所述输入电路还被配置以响应于定义操作中交替的读取和写入操作阶段的一组控制信号而选择性地可配置,且还被配置以在所述读取阶段期间将所述读取电流施加到所述单元,并且在所述写入阶段期间在接收到所述神经元输入信号时,将用于编程单元电阻的电流提供给所述单元,其中响应于连续的神经元输入信号,单元电阻从第一状态逐渐改变到第二状态;以及输出电路,其包括神经元输出和数字锁存器,所述数字锁存器连接到所述输入电路并且被配置为接收取决于单元电阻的测量信号,所述锁存器被配置为响应于所述读取阶段而操作以锁存取决于所述测量信号的数值,使得如果单元电阻尚未达到所述第二状态则锁存第一值,并且如果单元电阻已经达到所述第二状态则锁存第二值,其中在所述写入阶段期间,如果所述第二值被锁存,所述输出电路被配置为在所述神经元输出处提供神经元输出信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.21 US 15/075,3141.人工神经元装置,包含:连接在输入电路中的电阻式存储单元;其中所述输入电路包括,被配置为接收神经元输入信号的神经元输入以及用于向所述单元提供读取电流的电流源;其中所述输入电路还被配置以响应于定义操作中交替的读取和写入操作阶段的一组控制信号而选择性地可配置,且还被配置以在所述读取阶段期间将所述读取电流施加到所述单元,并且在所述写入阶段期间在接收到所述神经元输入信号时,将用于编程单元电阻的电流提供给所述单元,其中响应于连续的神经元输入信号,单元电阻从第一状态逐渐改变到第二状态;以及输出电路,其包括神经元输出和数字锁存器,所述数字锁存器连接到所述输入电路并且被配置为接收取决于单元电阻的测量信号,所述锁存器被配置为响应于所述读取阶段而操作以锁存取决于所述测量信号的数值,使得如果单元电阻尚未达到所述第二状态则锁存第一值,并且如果单元电阻已经达到所述第二状态则锁存第二值,其中在所述写入阶段期间,如果所述第二值被锁存,所述输出电路被配置为在所述神经元输出处提供神经元输出信号。2.如权利要求1所述的设备,其中,所述输入电路还被配置为响应于所述神经元输出信号,向所述单元施加重置电流,以将所述单元电阻重置为所述第一状态。3.如权利要求1或2所述的设备,其中所述输出电路包括连接在所述锁存器和所述神经元输出端之间的逻辑门,该逻辑门被配置为响应于所述写入阶段而可操作,以在所述第二值被锁存时提供所述神经元输出信号。4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备,其中所述输入电路包括连接在所述单元单元的第一端子和所述电路的参考端子之间的至少一个接入装置,其中所述至少一个访问设备被配置为响应于所述读取阶段和所述神经元输入信号而使电流流过所述单元。5.如权利要求2所述的设备,其中所述输入电路包括连接在所述单元的第一端子和参考端子之间的相应接入装置,其中所述相应接入装置被配置为响应于所述读取阶段、所述神经元输入信号和所述神经元输出信号,使电流流过所述单元。6.如权利要求4所述的设备,其中所述电流源连接到所述单元的第二端子,并且所述输入电路包括连接到...

【专利技术属性】
技术研发人员:E·艾勒夫瑟里奥L·库尔A·潘塔兹A·塞巴斯蒂安T·图玛M·斯塔尼萨威尔杰维克
申请(专利权)人:国际商业机器公司
类型:发明
国别省市:美国,US

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