一种实现忆阻突触器件多样化STDP的方法及系统技术方案

本发明专利技术实施例提供一种实现忆阻突触器件多样化STDP的方法及系统，该包括：对忆阻突触器件进行权重调制，获取忆阻突触器件在稳定组态下的稳态阻值范围和脉冲激励阈值范围；基于稳态阻值范围和脉冲激励阈值范围，设计忆阻突触器件的脉冲对波形；根据脉冲对波形获取相应的脉冲对；利用所述脉冲对作用于忆阻突触器件，以实现忆阻突触器件的多样化STDP。本实施例提供的实现忆阻突触器件多样化STDP的方法及系统，通过确定忆阻突触器件的稳态阻值范围和脉冲激励阈值范围，设计出多样化的脉冲波形，能够获取到300％以上的最大突触权重改变量，以及纳秒级的超快时间窗口，实现对于忆阻突触器件的连续、多样化STDP调制。

A method and system to realize the diversity of STDP in memristor synaptic devices

【技术实现步骤摘要】
一种实现忆阻突触器件多样化STDP的方法及系统
本专利技术涉及半导体集成电路领域，尤其涉及一种实现忆阻突触器件多样化STDP的方法及系统。
技术介绍
随着大数据时代的到来，亟需构建类脑神经网络以增强信息处理能力。人脑突触的巨大数量，使基于传统CMOS器件的神经网络极为复杂。忆阻器因具有可微缩、低功耗、多阻态等优势，能有效的减小芯片尺寸及能耗，具有作为突触器件的潜能。脉冲时序依赖可塑性(Spiking-timing-dependentPlasticity，STDP)是大脑学习与记忆的基础，模拟STDP功能被认为是实现人工神经网络的关键。目前，多种基于脉冲幅值或脉宽的调制方法已经被提出，但尚未给出实现多样化STDP调制的统一原理，更未能给出具体设计方案。所提供的STDP法则权重改变量较小，未达到生物现象要求。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术实施例提供一种实现忆阻突触器件多样化STDP的方法及系统。第一方面，本专利技术实施例提供了一种实现忆阻突触器件多样化STDP的方法，包括：对忆阻突触器件进行权重调制，获取忆阻突触器件在稳定组态下的稳态阻值范围和脉冲激励阈值范围；基于稳态阻值范围和脉冲激励阈值范围，设计忆阻突触器件的脉冲对波形；根据脉冲对波形获取相应的脉冲对；利用脉冲对作用于忆阻突触器件，以实现忆阻突触器件的多样化STDP。进一步地，上述对忆阻突触器件进行权重调制，获取忆阻突触器件在稳定组态下的稳态阻值范围和脉冲激励阈值范围，包括：对忆阻突触器件的前后突触分别施加不同的调制脉冲，并根据调制脉冲对前后突触权重的增强及抑制效果，确定忆阻突触器件在稳定组态时的稳态阻值范围和脉冲激励阈值范围。进一步地，上述不同的调制脉冲为脉冲幅值不同的调制脉冲。进一步地，上述基于稳态阻值范围和所述脉冲激励阈值范围，设计忆阻突触器件的脉冲对波形，包括：基于所述稳态阻值范围和所述脉冲激励阈值范围，获取忆阻突触器件处于稳定组态时，电阻与脉冲幅值的关系；根据电阻与脉冲幅值的关系，确定忆阻突触器件处于稳定组态时，电导改变量与脉冲幅值的关系；结合多样化STDP标准曲线，拟合获取前后突触权重的改变量与前后神经元激励时序的关系；根据电导改变量与脉冲幅值的关系和前后突触权重的改变量与前后神经元激励时序的关系，确定脉冲幅值与时间间隔的关系；根据脉冲幅值与时间间隔的关系，获取忆阻突触器件的脉冲对波形；脉冲对波形中任一单独脉冲的幅值位于激励阈值范围内，且任一脉冲对的叠加脉宽位于激励阈值范围外。进一步地，上述忆阻突触器件的脉冲对波形，包括非对称型Hebbian波形、非对称型反Hebbian波形、对称型Hebbian波形以及对称型反Hebbian波形。进一步地，上述非对称型Hebbian波形、非对称型反Hebbian波形为三角波与方波的组合波形；所述对称型Hebbian波形以及对称型反Hebbian波形为突触前端方波与突触后端三角波的组合波形。进一步地，上述根据脉冲对波形获取相应的脉冲对，包括：根据脉冲对波形获取施加于忆阻突触器件的前后脉冲的叠加幅值与时间间隔的关系；根据叠加幅值与时间间隔的关系，确定每个脉冲对。进一步地，在对忆阻突触器件进行权重调制之前，还包括选择合适的忆阻突触器件；忆阻突触器件为TiN/HfO2/Al2O3/Pt氧化物忆阻突触器件。进一步地，上述忆阻突触器件包括采用ALD工艺制备的Al2O3/HfO2阻变层。第二方面，本专利技术实施例提供一种实现忆阻突触器件多样化STDP的系统，包括：权重调制单元、脉冲对波形设计单元、脉冲对生成单元以及STDP调制单元；权重调制单元用于对忆阻突触器件进行权重调制，获取忆阻突触器件在稳定组态下的稳态阻值范围和脉冲激励阈值范围；脉冲对波形设计单元用于基于稳态阻值范围和所述脉冲激励阈值范围，设计忆阻突触器件的脉冲对波形；脉冲对读取单元用于根据脉冲对波形获取相应的脉冲对；STDP调制单元用于利用脉冲对作用于所述忆阻突触器件，以实现忆阻突触器件的多样化STDP。第三方面，本专利技术实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所提供的方法的步骤。第四方面，本专利技术实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所提供的方法的步骤。本专利技术实施例提供的一种实现忆阻突触器件多样化STDP的方法及系统，通过确定忆阻突触器件的稳态阻值范围和脉冲激励阈值范围，设计出多样化的脉冲波形，能够获取到300％以上的最大突触权重改变量，以及纳秒级的超快时间窗口，实现对于忆阻突触器件的连续、多样化STDP调制。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的实现忆阻突触器件多样化STDP的方法的流程示意图；图2为对处于稳定组态下的忆阻突触器件施加不同幅值RESET、SET脉冲实现电阻调制示意图；图3为非对称型Hebbian脉冲对波形示意图；图4为非对称型反Hebbian脉冲对波形示意图；图5为对称型Hebbian脉冲对波形示意图；图6为对称型反Hebbian脉冲对波形示意图；图7为忆阻突触器件实现非对称型HebbianSTDP的拟合示意图；图8为忆阻突触器件实现非对称型反HebbianSTDP的拟合示意图；图9为忆阻突触器件实现对称型HebbianSTDP的拟合示意图；图10为忆阻突触器件实现对称型反HebbianSTDP的拟合示意图；图11为本专利技术实施例提供的实现忆阻突触器件多样化STDP的系统的流程示意图；图12为本专利技术实施例提供的电子设备结构示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。忆阻器，全称记忆电阻器，是一种基于“记忆”外加电压或电流历史而动态改变其内部电阻状态的电阻开关。它的电阻会随着通过的电流量而改变，并在电流(SET电流)停止后，其电阻仍然会保留在电流停止之前的值，直到接受到反向的电流(RESET电流)它才会被推回去。由于拥有超小的尺寸，极快的擦写速度，超高的擦写寿命，多阻态开关特性和良好的CMOS兼容性，使得氧化物忆阻器具有多值特性、可靠性等优势，具备作为突触器件的应用潜能，可用于构建大规模神经网络。脉冲时序依赖可塑性(STDP)是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实现忆阻突触器件多样化STDP的方法，其特征在于，包括：/n对忆阻突触器件进行权重调制，获取所述忆阻突触器件在稳定组态下的稳态阻值范围和脉冲激励阈值范围；/n基于所述稳态阻值范围和所述脉冲激励阈值范围，设计所述忆阻突触器件的脉冲对波形；/n根据所述脉冲对波形获取相应的脉冲对；/n利用所述脉冲对作用于所述忆阻突触器件，以实现所述忆阻突触器件的多样化STDP。/n

【技术特征摘要】
1.一种实现忆阻突触器件多样化STDP的方法，其特征在于，包括：
对忆阻突触器件进行权重调制，获取所述忆阻突触器件在稳定组态下的稳态阻值范围和脉冲激励阈值范围；
基于所述稳态阻值范围和所述脉冲激励阈值范围，设计所述忆阻突触器件的脉冲对波形；
根据所述脉冲对波形获取相应的脉冲对；
利用所述脉冲对作用于所述忆阻突触器件，以实现所述忆阻突触器件的多样化STDP。


2.根据权利要求1所述的实现忆阻突触器件多样化STDP的方法，其特征在于，所述对忆阻突触器件进行权重调制，获取所述忆阻突触器件在稳定组态下的稳态阻值范围和脉冲激励阈值范围，包括：
对所述忆阻突触器件的前后突触分别施加不同的调制脉冲，并根据所述调制脉冲对前后突触权重的增强及抑制效果，确定所述忆阻突触器件在稳定组态时的稳态阻值范围和脉冲激励阈值范围。


3.根据权利要求2所述的实现忆阻突触器件多样化STDP的方法，其特征在于，所述不同的调制脉冲为脉冲幅值不同的调制脉冲。


4.根据权利要求1所述的实现忆阻突触器件多样化STDP的方法，其特征在于，所述基于所述稳态阻值范围和所述脉冲激励阈值范围，设计所述忆阻突触器件的脉冲对波形，包括：
基于所述稳态阻值范围和所述脉冲激励阈值范围，获取所述忆阻突触器件处于稳定组态时，电阻与脉冲幅值的关系；
根据所述电阻与脉冲幅值的关系，确定所述忆阻突触器件处于稳定组态时，电导改变量与脉冲幅值的关系；
结合多样化STDP标准曲线，拟合获取前后突触权重的改变量与前后神经元激励时序的关系；
根据所述电导改变量与脉冲幅值的关系和所述前后突触权重的改变量与前后神经元激励时序的关系，确定脉冲幅值与时间间隔的关系；
根据所述脉冲幅值与时间间隔的关系，获取所述忆阻突触器件的脉冲对波形；
所述脉冲对波形中任一单独脉冲的幅值位于所述激励阈值范围内，且任一脉冲对的叠加脉宽位于所述激励阈值范围外。


5.根据权利要求4所述的实现忆阻突触器件多样化STDP的方法，其特征在于，所述忆阻突触器件的脉冲对波形，包括非对称型Hebbian波形、非对称型反Hebbian波形、对称型Hebbian波形以及对称型反Hebbian波形。
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘力锋，李睿意，丁向向，冯玉林，黄鹏，康晋锋，张兴，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11