基于斯格明子的模拟神经元装置和模拟神经网络制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于斯格明子的模拟神经元装置和模拟神经网络。基于斯格明子的模拟神经元装置包括：磁斯格明子赛道，磁斯格明子赛道上靠近第一电流注入端口的一端设置有电压控制区域，电压控制区域通过电压控制所在区域的磁各向异性常数，第一电流注入端口产生的斯格明子移动至电压控制区域后停止移动，直至电压控制区域累积的斯格明子超过预设阈值后再向第二电流注入端口移动；铁磁层上靠近第二电流注入端口的一端设置有斯格明子检测装置，斯格明子检测装置用于检测斯格明子的状态，当将检测到斯格明子状态变化时输出触发信号。本发明专利技术实施例的技术方案，为大型深度神经网络提供硬件以及物理原理的支持。供硬件以及物理原理的支持。供硬件以及物理原理的支持。

【技术实现步骤摘要】
基于斯格明子的模拟神经元装置和模拟神经网络


[0001]本专利技术实施例涉及电磁技术，尤其涉及一种基于斯格明子的模拟神经元装置和模拟神经网络。

技术介绍

[0002]神经元计算是指模仿人类大脑的计算方式，在人工智能(Artificial Intelligence，AI)等领域，神经元计算具有广阔的应用场景。蔚蓝组神经元的高度计算需求，深度神经网络不能仅仅局限在高校加深网络的深度，在神经元之间寻找更有效的传播介质以及传到机制称为神经元计算领域新的探索方向。
[0003]目前基于互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)的神经元模拟计算装置占据神经元计算的主流。但在面对时间复杂度非常高的神经计算时，基于CMOS的神经元模拟计算装置不仅器件尺寸不够小，耗能高，运算速率也较为低下，从而难以很好完成复杂的神经元计算。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种基于斯格明子的模拟神经元装置和模拟神经网络，为大型深度神经网络提供硬件以及物理原理的支持。
[0005]第一方面，本专利技术实施例提供了一种基于斯格明子斯格明子的模拟神经元装置，包括：
[0006]磁斯格明子赛道，所述斯格明子赛道包括自下而上依次设置的衬底层、重金属层、铁磁层；
[0007]所述斯格明子赛道的两端分别设置有第一电流注入端口和第二电流注入端口，所述第一电流注入端口和所述第二电流注入端口以垂直于所述斯格明子赛道的方向注入电流以产生斯格明子，所述斯格明子从所述第一电流注入端口流向所述第二电流注入端口；
[0008]所述铁磁层上靠近所述第一电流注入端口的一端设置有电压控制区域，所述电压控制区域通过电压控制所在区域的磁各向异性常数，所述第一电流注入端口产生的斯格明子移动至所述电压控制区域后停止移动，直至所述电压控制区域累积的斯格明子超过预设阈值后再向所述第二电流注入端口移动；
[0009]所述铁磁层上靠近所述第二电流注入端口的一端设置有斯格明子检测装置，所述斯格明子检测装置用于检测斯格明子的状态，当将检测到斯格明子状态变化时输出触发信号。
[0010]在第一方面一种可能的实现方式中，所述电压控制区域的电压可调，通过调节所述电压控制区域的电压对所述预设阈值进行调整。
[0011]在第一方面一种可能的实现方式中，所述斯格明子检测装置包括自下而上设置的检测MTJ结构和参考MTJ结构，所述检测MTJ结构用于检测所述斯格明子赛道中斯格明子的状态，当所述检测MTJ结构检测到所述述斯格明子赛道中斯格明子的数量增加时电阻率发
生变化，当所述检测MTJ结构的电阻率发生变化时，在所述参考MTJ结构和所述检测MTJ结构之间生成所述触发电流信号。
[0012]在第一方面一种可能的实现方式中，所述检测MTJ结构和所述参考MTJ结构为三明治结构。
[0013]在第一方面一种可能的实现方式中，所述第二电流注入端口注入的电流用于驱动到达所述第二电流注入端口的斯格明子回归初始状态。
[0014]在第一方面一种可能的实现方式中，所述第一电流注入端口用于模拟神经元的前突触，所述第二电流注入端口用于模拟神经元的后突触，所述电压控制区域的预设阈值用于模拟神经元的突触权值。
[0015]在第一方面一种可能的实现方式中，所述铁磁层为铁、钴、镍或其他具有磁性的金属或合金材质，所述重金属层为铂材质，所述衬底层为硅材质。
[0016]在第一方面一种可能的实现方式中，所述斯格明子赛道的长度为600纳米，宽度为100纳米，所述铁磁层的厚度为1纳米。
[0017]在第一方面一种可能的实现方式中，所述电压控制区域的控制电压大小位于
‑
2伏特至2伏特之间。
[0018]第二方面，本专利技术实施例提供一种基于斯格明子的模拟神经网络，其特征在于，包括：多个基于斯格明子的模拟神经元装置；
[0019]每个基于斯格明子的模拟神经元装置，包括：
[0020]斯格明子赛道，所述斯格明子赛道包括自下而上依次设置的衬底层、重金属层、铁磁层；
[0021]所述斯格明子赛道的两端分别设置有第一电流注入端口和第二电流注入端口，所述第一电流注入端口和所述第二电流注入端口以垂直于所述斯格明子赛道的方向注入电流以产生斯格明子，所述斯格明子从所述第一电流注入端口流向所述第二电流注入端口；
[0022]所述铁磁层上靠近所述第一电流注入端口的一端设置有电压控制区域，所述电压控制区域通过电压控制所在区域的磁各向异性常数，所述第一电流注入端口产生的斯格明子移动至所述电压控制区域后停止移动，直至所述电压控制区域累积的斯格明子超过预设阈值后再向所述第二电流注入端口移动；
[0023]所述铁磁层上靠近所述第二电流注入端口的一端设置有斯格明子检测装置，所述斯格明子检测装置用于检测斯格明子的状态，当将检测到斯格明子状态变化时输出触发信号；
[0024]所述多个基于斯格明子的模拟神经元装置根据预设网络结构连接，其中，前一基于斯格明子的模拟神经元装置输出的触发信号用于控制下一基于斯格明子的模拟神经元装置的电压控制区域的电压值。
[0025]本专利技术实施例提供的基于斯格明子的模拟神经元装置和模拟神经网络，用斯格明子的性质，体现了神经元的可塑性，包括了神经元的增强与抑制行为，它展现了未来用于复杂联通的密集神经网络当中的极大潜力，极大降低元器件之间的传输能耗，为大型深度神经网络提供硬件以及物理原理的支持。
附图说明
[0026]图1为本专利技术实施例提供的一种基于斯格明子的模拟神经元装置的结构示意图。
具体实施方式
[0027]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，而非对本专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本专利技术相关的部分而非全部结构。
[0028]为了更好地模拟人脑的神经元机制，作为小颗粒的斯格明子因其特性成为了神经元计算中传播介质的首选。斯格明子具有极高的稳定性，并且在传输过程中的能耗极低，将其作为神经元之间的传递介质来体现神经传导的优点非常合适。斯格明子能够在降低时间复杂度方面发挥高效作用，其次，在内存使用量以及器件体积方面都展现出优于传统元器件的性能。
[0029]但是在目前已有的斯格明子元器件中，阈值设备一直不能非常精确有效的控制斯格明子的聚集和传送。为此，本专利技术实施例采用压控磁各向异性，利用外加电场来精准有效的控制斯格明子的数量，从而实现有效脉冲，大大增加了斯格明子传导的准确性，同时降低器件的功率以及时间复杂度。
[0030]图1为本专利技术实施例提供的一种基于斯格明子的模拟神经元装置的结构示意图，如图1所示，本实施例提供的基于斯格明子的模拟神经元装置包括：
[0031]斯格明子赛道11、第一电流注入端12、第二电流注入端13、电压控制区域14和斯格明子检测装置15。
[0032]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于斯格明子斯格明子的模拟神经元装置，其特征在于，包括：磁斯格明子赛道，所述斯格明子赛道包括自下而上依次设置的衬底层、重金属层、铁磁层；所述斯格明子赛道的两端分别设置有第一电流注入端口和第二电流注入端口，所述第一电流注入端口和所述第二电流注入端口以垂直于所述斯格明子赛道的方向注入电流以产生斯格明子，所述斯格明子从所述第一电流注入端口流向所述第二电流注入端口；所述铁磁层上靠近所述第一电流注入端口的一端设置有电压控制区域，所述电压控制区域通过电压控制所在区域的磁各向异性常数，所述第一电流注入端口产生的斯格明子移动至所述电压控制区域后停止移动，直至所述电压控制区域累积的斯格明子超过预设阈值后再向所述第二电流注入端口移动；所述铁磁层上靠近所述第二电流注入端口的一端设置有斯格明子检测装置，所述斯格明子检测装置用于检测斯格明子的状态，当将检测到斯格明子状态变化时输出触发信号。2.根据权利要求1所述的基于斯格明子的模拟神经元装置，其特征在于，所述电压控制区域的电压可调，通过调节所述电压控制区域的电压对所述预设阈值进行调整。3.根据权利要求1所述的基于斯格明子的模拟神经元装置，其特征在于，所述斯格明子检测装置包括自下而上设置的检测磁隧道结MTJ结构和参考MTJ结构，所述检测MTJ结构用于检测所述斯格明子赛道中斯格明子的状态，当所述检测MTJ结构检测到所述述斯格明子赛道中斯格明子的数量增加时电阻率发生变化，当所述检测MTJ结构的电阻率发生变化时，在所述参考MTJ结构和所述检测MTJ结构之间生成所述触发电流信号。4.根据权利要求3所述的基于斯格明子的模拟神经元装置，其特征在于，所述检测MTJ结构和所述参考MTJ结构为三明治结构。5.根据权利要求1所述的基于斯格明子的模拟神经元装置，其特征在于，所述第二电流注入端口注入的电流用于驱动到达所述第二电流注入端口的斯格明子回归初始状态。6.根据权利要求1～5任一项所述的基于斯格明子的模拟神经元装置，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：许洪基，刘博，于昊，王禹禾，王翔，蒋韫希，
申请(专利权)人：西交利物浦大学，
类型：发明
国别省市：