基于忆阻交叉架构的图片均值学习电路制造技术

本发明专利技术公开了一种基于忆阻交叉架构的图片均值学习电路，其特征在于：包括由忆阻器交叉架构构成的MMCA层和由忆阻器交叉架构构成的IMCA层，所述MMCA层与IMCA层之间通过CMOS单元连接；所述CMOS单元根据输入像素对应的阻值的均值和MMCA层里存储阻值的均值之间的差值，调整MMCA层里的忆阻器阻值，使MMCA层里存储的阻值趋近于输入像素平均值对应的阻值；所述CMOS单元根据输入像素对应的阻值和MMCA层里存储的阻值之间的误差，调整IMCA层里的忆阻器阻值，当误差值小于一定阈值时，IMCA层里忆阻器的阻值增大，反之忆阻器的阻值减小。本发明专利技术提出了采用均值方法对忆阻交叉架构进行图片学习和写入，具有高容错和并行处理的特点。

【技术实现步骤摘要】
基于忆阻交叉架构的图片均值学习电路
本专利技术涉及神经电路，具体涉及一种基于忆阻交叉架构的图片均值学习电路。
技术介绍
忆阻器是一种有记忆功能的两端元件，其阻值受控于供给电源的强度、极性以及供电时间。断电后，它能够保持断电时的电阻值。忆阻器作为一个纳米级的设备，一个重要的应用便是用于以忆阻交叉架构(MCA)为基础的存储器。在忆阻器出现之前，交叉架构通常是在交叉点处以开关实现数据0和1的存储，而忆阻器出现后，不仅可以以高阻和低阻存放数据0和1，实现开关功能，还能实现多级存储。采用忆阻器作为存储单元的存储设备称为非易失性阻性随机访问存储器(RRAM)，该存储器有别于传统的动态随机访问存储器(DRAM)。RRAM可使手机使用数周或更久而不需充电；使个人电脑开机后立即启动；笔记本电脑在电池耗尽之后很久仍记忆上次使用的信息。因为忆阻器具有关闭电源后仍记忆数据的能力，忆阻器将比当今的闪存速度更快，耗电更少，体积更小。忆阻器的另一个特点是非易失性。非易失性是指存储介质所存储的数据能够保持较长的一段时间而无需重复的刷新操作，是未来节能型存储设备的发展趋势。忆阻器存储的信息保持时间远长于DRAM。DRAM存储单元的数据会随时间而消失，因此必须每隔至多16毫秒刷新一次，以保证DRAM正常工作。相比而言，忆阻器更加稳定，相关实验数据证实其几天至几周内不需要刷新，忆阻器在集成电路上集成的密度非常高，因此研制出更坚固耐用的仿生逻辑电路成为可能。美国密歇根大学开发出一种由忆阻器构成的芯片，该芯片能存储103比特信息。此项研究成果将有可能改变半导体产业，使成功研制出体积更小、速度更快、价格更低廉的芯片或电脑成为可能。但是由于忆阻器是一个纳米级元件，基于忆阻交叉架构的电路很容易受到电压影响，而且当电压幅值高到一定程度的时候，还会导致毁灭性的破坏，传统的直接施加脉冲读写忆阻器的方法，在实际中很难达到理想的效果。基于忆阻交叉架构的电路不仅需要保护，还需要很强的容噪能力。相对于二级存储，忆阻器的多级存储更为困难，因为对阻值的控制要求更高，而且对噪声更为敏感。密歇根大学采用忆阻交叉架构和CMOS相结合的系统成功实现了二值图像存储，并通过串联不同的电阻实现了十个灰度级的彩色图像存储。这种多级存储的实现原理是串联电阻的分压性质，随着忆阻器阻值rm接近串联的电阻阻值，作用在忆阻器上的电压vm也会随之降低，也即是，如果串联电阻的阻值为r，那么施加的电压源v最后作用在忆阻器上的电压为vm＝rmv(rm+r)。这种情况下忆阻器的最终写入阻值由串联电阻控制，但实际电路里交叉架构上的半选忆阻器(与目标忆阻器在同一行或者同一列的忆阻器)会变相的加大串联电阻的阻值，从而导致写入噪声。而且由于变换串联电阻的操作不便，使得忆阻交叉架构的大规模读写难以实现。因此采用串联电阻实现多级存储依旧存在很大的局限性。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于忆阻交叉架构的图片均值学习电路，本专利技术将非线性忆阻器模型线性化处理，通过均值方法进行图片写入和识别，获得比传统均值学习更好的抗噪能力和学习效果。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的，基于忆阻交叉架构的图片均值学习电路，包括由忆阻器交叉架构构成的MMCA层和由忆阻器交叉架构构成的IMCA层，所述MMCA层与IMCA层之间通过CMOS单元连接；所述CMOS单元根据输入像素对应的阻值的均值和MMCA层里存储阻值的均值之间的差值，调整MMCA层里的忆阻器阻值，使MMCA层里存储的阻值趋近于输入像素平均值对应的阻值；所述CMOS单元根据输入像素对应的阻值和MMCA层里存储的阻值之间的误差，调整IMCA层里的忆阻器阻值，当误差值小于一定阈值时，IMCA层里忆阻器的阻值增大，反之忆阻器的阻值减小。优选的，所述MMCA层中的忆阻交叉架构的行线和列线的端口处各设置有一个双晶体管结构，与列线连接的双晶体管结构与CMOS单元连接。优选的，所述IMCA层中的忆阻交叉架构的行线和列线的端口处各设置有一个双晶体管结构，与列线连接的双晶体管结构与CMOS单元连接；所述行线的端口处还设置有一个求和电路；当学习电路处于图片学习阶段，行线连接双晶体管结构，当学习电路处于图片识别阶段，行线连接求和电路。优选的，所述求和电路的输出端连接一个双晶体管结构，所述双晶体管结构的输出端连接一个忆阻器。优选的，所述CMOS单元包括第一数模转换器、第二数模转换器、脉冲生成器和微控制器；输入信号经第一数模转换器转换后输入到微控制器中，MMCA层里存储的信息经第二数转换器变换后输入到微控制器中；所述CMOS单元根据输入像素对应的阻值的均值和MMCA层里存储的阻值之间的差异，生成相应的反馈脉冲信号，调整MMCA层里的忆阻器阻值，使MMCA层里存储的阻值趋近于输入像素平均值对应的阻值；所述CMOS单元根据输入像素对应的阻值和MMCA层里存储的阻值之间误差生成前馈脉冲信号，调整IMCA层里的忆阻器阻值，当误差小于一定阈值时，IMCA层里的对应的阻值增大，反之忆阻器的阻值减小。由于采用了上述技术方案，本专利技术具有如下的优点：本专利技术所述方法基于多层忆阻交叉架构，层与层之间立体叠加，不仅可以直接对二值图、灰度图进行处理，还可以直接对彩色图片进行处理，高效利用空间。忆阻交叉架构的读写电路中，采用时间片技术和均值学习算法，其中，利用忆阻器的阈值特性，进行时间片的划分，能够使电路得到很好的保护，双晶体管结构有效抑制潜电路的产生，而均值学习算法使电路对忆阻器的数学模型和计算的准确度的要求大大降低，同时也对电路误差的容忍程度更高，CMOS单元的并行处理可以有效缩减系统所需时间。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步的详细描述，其中：图1为多层忆阻交叉架构的电路结构图；图2为CMOS单元结构图；图3为双晶体管结构图；图4为图片处理过程，学习过程由(1)(2)(3)(4)标记，识别过程由(1)(2)(5)标记；图5为为忆阻器的读电流对应的像素和阻值(a)对于二值图，忆阻值被分为高阻和低阻，分别表示1和0；(b)对16位的灰度图，忆阻值被分为256个区间对应256个灰度值；图6为本文忆阻交叉架构均值图片学习与传统均值学习的对比，(a)为原图，(b)为初始图片，(c)为MCA中存储的图片，(d)为传统均值方法存储的图片，(e)为MCA中图片和原图的误差，(f)为传统方法中图片和原图的误差；图7为未分割的具有不同背景的彩色人脸和树叶的样本图片，前四幅作为训练样本，后两幅作为测试样本。具体实施方法以下将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本专利技术，而不是为了限制本专利技术的保护范围。如图1所示的多层MCA结构中，第一层MCA称为存储忆阻交叉架构(MMCA)，第二层称为影响因子忆阻交叉架构(IMCA)。两层之间通过CMOS单元1连接。MMCA用于存储图片，忆阻器称为存储因子(对于彩色图片，构建三个MMCA，对应RGB三个通道)，初始值随机生成，IMCA用于标记像素，忆阻器3称为影响因子，初始值全部设为中间值。在图片学习的时候，CMOS单元会同时对两层MCA进行读写操作，但在识别阶段，只会进行读操作，具体流程如图4所示。学本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于忆阻交叉架构的图片均值学习电路，其特征在于：包括由忆阻器交叉架构构成的MMCA层和由忆阻器交叉架构构成的IMCA层，所述MMCA层与IMCA层之间通过CMOS单元连接；所述CMOS单元根据输入像素对应的阻值的均值和MMCA层里存储阻值的均值之间的差值，调整MMCA层里的忆阻器阻值，使MMCA层里存储的阻值趋近于输入像素平均值对应的阻值；所述CMOS单元根据输入像素对应的阻值和MMCA层里存储的阻值之间的误差，调整IMCA层里的忆阻器阻值，当误差值小于一定阈值时，IMCA层里忆阻器的阻值增大，反之忆阻器的阻值减小。

【技术特征摘要】
1.基于忆阻交叉架构的图片均值学习电路，其特征在于：包括由忆阻器交叉架构构成的储存层MMCA(MemoryMemristorCrossbarArray)层和由忆阻器交叉架构构成的影响层IMCA(ImpactMemristorCrossbarArray)层，所述MMCA层与IMCA层之间通过CMOS单元连接；所述CMOS单元根据输入像素对应的阻值的均值和MMCA层里存储阻值的均值之间的差值，调整MMCA层里的忆阻器阻值，使MMCA层里存储的阻值趋近于输入像素平均值对应的阻值；所述CMOS单元根据输入像素对应的阻值和MMCA层里存储的阻值之间的误差，调整IMCA层里的忆阻器阻值，当误差值小于一定阈值时，IMCA层里忆阻器的阻值增大，反之忆阻器的阻值减小；在图片学习阶段，行导线连接双晶体管结构的学习电路，进行图片学习；在图片识别阶段，行导线连接求和电路，根据电路里识别因子的阻值进行图片识别；所述求和电路的输出端连接一个双晶体管结构，所述双晶体管结构的输出端连接一个忆阻器。2.根据权利要求1所述的基于忆阻交叉架构的图片均值学习电路，其特征在于：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李传东，何兴，陈玲，黄廷文，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85