一种基于忆阻器中电池效应的人工神经元制造技术

本发明专利技术属于半导体信息相关技术领域，其公开了基于忆阻器中电池效应的人工神经元，该人工神经元包括人工突触阵列、加法器、第二忆阻器、比较器及动作电位发生器，该人工突触阵列的输出端连接于该加法器的输入端，该加法器的输出端连接于该第二忆阻器的一端，该第二忆阻器的另一端分为两路，一路经第二电阻接地，另一路连接于该比较器的负向输入端，该比较器的正向输入端接阈值电压，其输出端连接于该动作电位发生器的输入端；该动作电位发生器基于电池效应输出一个类生物神经元动作电位的电信号；该第二忆阻器为具有电池效应的完全易失性忆阻器。本发明专利技术结构简单，易于实现，灵活性较好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于忆阻器中电池效应的人工神经元
本专利技术属于半导体信息相关
，更具体地，涉及一种基于忆阻器中电池效应的人工神经元。
技术介绍
基于软件的人工神经网络取得了巨大成功，目前各大公司已经开始研究用于人工神经网络的专用芯片。然而，用传统的CMOS电路在模拟作为基本元件的人工突触和人工神经元时，每一个基本元件都需要几十个晶体管，考虑到人脑中有1015个突触以及1011个神经元，用这种方法进行突触和神经元的模拟在未来会受到极大的限制。现阶段，本领域相关技术人员已经做了一些研究，如用一个具有简单三明治结构的忆阻器就可以模拟生物突触的大部分功能，在脉冲的作用下表现出忆阻器电导的连续增加或者降低，并实现了对一些神经系统重要学习规则的模拟。然而，模拟这些学习规则一般都要精确控制神经元的时序及发放特殊形状的脉冲，这个过程往往需要功能强大的任意波形发生器，实际应用面临着时序和设备复杂性、局部分级电位难以模拟、类生物神经元动作电位发放困难等技术问题。相应地，本领域存在着发展一种能够容易实现类生物神经元动作电位发放的人工神经元的技术需求。
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基于忆阻器中电池效应的人工神经元，其基于现有生物突触的模拟特点，研究及设计了一种较为容易实现类生物神经元动作电位发放的人工神经元。所述人工神经元用于解决局部分级电位难以模拟、类生物神经元动作电位发放困难等技术问题，其用于实现漏电流整合放电功能及调节突触可塑性。人工神经元在功能上应该具备整合前级输入信号，在短时间内恢复到初始状态以及发射特殊形状脉冲的特性，其中整合和恢复功能可以通过一个具有电池效应且电阻值在短时间内完全易失的忆阻器来模拟，电池效应的输出电位可以作为局部分级电位，并代表神经元此时的状态与阈值进行比较。特殊形状脉冲可以利用一个简单的定时器与一个具有电池效应的忆阻器组成动作电位发生器来完成发射。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于忆阻器中电池效应的人工神经元，所述人工神经元包括人工突触阵列、加法器、第二忆阻器、比较器及动作电位发生器，所述人工突触阵列的输出端连接于所述加法器的输入端，所述加法器的输出端连接于所述第二忆阻器的一端，所述第二忆阻器的另一端分为两路，一路通过第二电阻接地，另一路连接于所述比较器的负向输入端，所述比较器的正向输入端接阈值电压；所述比较器的输出端连接于所述动作电位发生器的输入端，所述动作电位发生器的输出端用于连接下一级人工神经元的人工突触；所述动作电位发生器基于电池效应输出一个类生物神经元动作电位的电信号；所述第二忆阻器为具有电池效应的完全易失性忆阻器。进一步地，所述人工突触阵列用于各个人工神经元之间的连接，其同时用于接收上一级人工神经元传来的电信号，并根据自身的电导按照比例向后传播；所述人工突触阵列为忆阻器阵列。进一步地，所述人工突触阵列包括多个并联的非易失性忆阻器，各个忆阻器的一端通过导线连接于上一级人工神经元，另一端汇接为一路而连接于所述加法器的输入端。进一步地，所述加法器用于对来自所述人工突触阵列的电信号进行加和，加和得到的信号用于调节所述第二电阻的电阻，从而实现对神经元膜电位的模拟；所述加法器为运算放大器与第一电阻构成的反相求和器。进一步地，所述运算放大器与所述第一电阻并联，所述人工突触阵列的输出端分别连接于所述运算放大器的负向输入端及所述第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接于所述运算放大器的输出端，所述运算放大器的正向输入端接地，其输出端连接于所述第二忆阻器。进一步地，所述比较器用于比较所述第二电阻对地电压与所述阈值电压的大小，当所述第二电阻对地的电压大于所述阈值电压时，所述比较器输出一个下降沿以用于激励所述动作电位发生器。进一步地，所述动作电位发生器包括定时器及第三忆阻器，所述定时器的输入端连接于所述比较器的输出端，其输出端连接于所述第三忆阻器的输入端，所述第三忆阻器的输出端分为两路，一路经第三电阻接地，另一路用于与下一级人工神经元的突触相连接。进一步地，所述定时器体现出单稳态的特性，其接收到一个下降沿信号时会输出一个高电平信号；所述定时器为555芯片。进一步地，所述第三忆阻器为具有电池效应的忆阻器。进一步地，所述动作电位发生器还用于对其连接的下一级人工神经元的人工突触阵列的权重进行调节，其是按照突触活动时序相关的可塑性原则对各个突触电阻分别进行调节的。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，本专利技术提供的基于忆阻器中电池效应的人工神经元主要具有以下有益效果：1.所述第二忆阻器的另一端分为两路，一路通过第二电阻接地，另一路连接于所述比较器的负向输入端，所述第二忆阻器用于表达局部分级电位，其电阻变化完全易失且具有电池效应，所述第二忆阻器在一个动作电位到达后的很短时间内，自发的衰减使其恢复到高阻态，实现初始局部分级电位的表达，易于实现，灵活性较好。2.所述动作电位发生器基于电池效应输出一个类生物神经元动作电位的电信号，所述动作电位发生器包括定时器及第三忆阻器，一个简单的定时器与一个具有电池效应的忆阻器即可来完成特殊形状脉冲的发射，结构简单，成本较低，适用性较强。3.所述人工突触阵列用于各个人工神经元之间的连接，其接收上一级人工神经元传来的电信号，并依据自身的电导按照比例向后传播，如此实现了前级输入信号的整合。4.所述动作电位发生器还用于对其连接的下一级人工神经元的人工突触阵列的权重进行调节，其是按照突触活动时序相关的可塑性原则对各个突触电阻分别进行调节的，实现了突触可塑性的调节。附图说明图1是本专利技术第一实施方式提供的基于忆阻器中电池效应的人工神经元的示意图。图2中的a图、b图、c图及d图分别是图1中的基于忆阻器中电池效应的人工神经元的第二忆阻器的性能图。图3是图1中的基于忆阻器中电池效应的人工神经元的第三忆阻器的性能示意图。图4中的a图及b图分别是采用图1中的基于忆阻器中电池效应的人工神经元得到的时间和空间整合以及类生物信号发射的示意图。图5是本专利技术第二实施方式提供的基于忆阻器中电池效应的人工神经元的示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：R1-第一电阻，OP1-运算放大器，M2-第二忆阻器，R2-第二电阻，OP2-比较器，M3-第三忆阻器，R3-第三电阻，Rth-第四电阻，Vth-阈值电压，R0-第五电阻，POT1-第一电位器，POT2-第二电位器，POT3-第三电位器，RV-第六电阻。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。请参阅图1、图2、图3及图4，本专利技术第一实施方式提供的基于忆阻器中电池效应的人工神经元，所述人工神经元能够实现生物神经元中的漏电整合和放电功能，通过局部分级电位的变化，对其他神经元传递来的电信号进行时间和空间的整合；基于具有电池效应的忆阻器产生的动作电位作用到突触上，可以通过活动时序相关的可塑性(Spike-timing-dependentplasticity，STDP)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于忆阻器中电池效应的人工神经元，其特征在于：所述人工神经元包括人工突触阵列、加法器、第二忆阻器、比较器及动作电位发生器，所述人工突触阵列的输出端连接于所述加法器的输入端，所述加法器的输出端连接于所述第二忆阻器的一端，所述第二忆阻器的另一端分为两路，一路通过第二电阻接地，另一路连接于所述比较器的负向输入端，所述比较器的正向输入端接阈值电压；所述比较器的输出端连接于所述动作电位发生器的输入端，所述动作电位发生器的输出端用于连接下一级人工神经元的人工突触；所述动作电位发生器基于电池效应输出一个类生物神经元动作电位的电信号；所述第二忆阻器为具有电池效应的完全易失性忆阻器。

【技术特征摘要】
1.一种基于忆阻器中电池效应的人工神经元，其特征在于：所述人工神经元包括人工突触阵列、加法器、第二忆阻器、比较器及动作电位发生器，所述人工突触阵列的输出端连接于所述加法器的输入端，所述加法器的输出端连接于所述第二忆阻器的一端，所述第二忆阻器的另一端分为两路，一路通过第二电阻接地，另一路连接于所述比较器的负向输入端，所述比较器的正向输入端接阈值电压；所述比较器的输出端连接于所述动作电位发生器的输入端，所述动作电位发生器的输出端用于连接下一级人工神经元的人工突触；所述动作电位发生器基于电池效应输出一个类生物神经元动作电位的电信号；所述第二忆阻器为具有电池效应的完全易失性忆阻器。2.如权利要求1所述的基于忆阻器中电池效应的人工神经元，其特征在于：所述人工突触阵列用于各个人工神经元之间的连接，其同时用于接收上一级人工神经元传来的电信号，并根据自身的电导按照比例向后传播；所述人工突触阵列为忆阻器阵列。3.如权利要求2所述的基于忆阻器中电池效应的人工神经元，其特征在于：所述人工突触阵列包括多个并联的非易失性忆阻器，各个忆阻器的一端通过导线连接于上一级人工神经元，另一端汇接为一路而连接于所述加法器的输入端。4.如权利要求1所述的基于忆阻器中电池效应的人工神经元，其特征在于：所述加法器用于对来自所述人工突触阵列的电信号进行加和，加和得到的信号用于调节所述第二电阻的电阻，从而实现对神经元膜电位的模拟；所述加法器为运算放大器与第一电阻构成的反相求和器。5.如权利要求4所述的基于忆...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨蕊，郭新，黄鹤鸣，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42