一种基于自旋纳米振荡器的感算一体化硬件神经元制造技术

本发明专利技术公开了一种基于自旋纳米振荡器的感算一体化硬件神经元，包括直流电流源，用于产生直流偏置电流；自旋纳米振荡器，用于在作为神经元输入的外磁场以及作为神经元权重的直流偏置电流的控制下产生不同频率及峰值的微波振荡电压以实现神经元权重与神经元输入的整合以及非线性激活功能；交直流信号分隔单元，用于将直流偏置电流注入自旋纳米振荡器，并将产生的交流信号导出。本发明专利技术利用自旋纳米振荡器在作为神经元输入的外磁场及作为神经元权重的直流偏置电流控制下产生不同频率及峰值的微波振荡电压以实现神经元权重与神经元输入的整合以及非线性激活功能，充分利用了自旋纳米振荡器的非线性特性，实现了感算一体的非线性神经元功能。的非线性神经元功能。的非线性神经元功能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于自旋纳米振荡器的感算一体化硬件神经元


[0001]本专利技术涉及类脑计算
，具体涉及一种基于自旋纳米振荡器的感算一体化硬件神经元。

技术介绍

[0002]随着大数据时代的到来，传感器结点的数量也急剧增加，传感器终端采集的原始数据量越来越大，造成的能量消耗和时延也越来越大。受生物启发的神经形态感知计算一体化架构是解决大规模传感数据感知及处理的一种极具潜力的研究思路。神经形态感知计算一体化架构突破了传统传感器信息处理过程中数据传感、数据处理物理隔离的问题，不仅可以提高传感信息处理效率，降低系统整体能耗，还可以显著增强传感边缘端智能化水平。
[0003]实现神经形态感知计算一体化的基础是发展感算一体化的神经形态器件，主要包括感算一体的神经突触器件和神经元器件，其中突触的主要用于存储权重，神经元的核心功能是利用权重实现对输入的调控，并将该结果经过激活函数进行非线性处理。近年来，研究人员已经利用忆阻器、自旋电子器件、铁电器件、离子晶体管及新型二维材料等进行了大量的探索，并且提出了多种多样的感算一体化架构，设计了不同的感算一体化神经形态器件。其中，自旋电子器件具有多场调控的能力，并且具有体积小、能耗低、非易失性及便于与CMOS电路结合的特点，被视为实现神经形态感算一体最关键的核心器件之一。
[0004]在对神经元功能的模拟方面，目前已有研究人员利用自旋存储器构建交叉开关矩阵，并利用基尔霍夫定律实现输入与权重的乘积累加，然后再通过周边电路设计或利用新型器件的特性实现非线性激活函数。该方案具有结构简单、运算高效的优点，但无法实现对外界环境进行直接感知，往往需要增设传感单元，而且激活单元往往需要额外的电路来模拟，没有充分利用自旋电子器件的非线性特性。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于自旋纳米振荡器的感算一体化硬件神经元，本专利技术可利用自旋纳米振荡器在作为神经元输入的外磁场以及作为神经元权重的直流偏置电流的控制下产生不同频率及峰值的微波振荡电压以实现神经元权重与神经元输入的整合以及非线性激活功能，充分利用了自旋纳米振荡器的非线性特性，实现了感算一体的非线性神经元功能。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种基于自旋纳米振荡器的感算一体化硬件神经元，包括：
[0008]直流电流源，用于产生直流偏置电流；
[0009]自旋纳米振荡器，用于在作为神经元输入的外磁场以及作为神经元权重的直流偏置电流的控制下产生不同频率及峰值的微波振荡电压以实现神经元权重与神经元输入的整合以及非线性激活功能；
[0010]交直流信号分隔单元，用于将直流偏置电流注入自旋纳米振荡器，并将自旋纳米振荡器产生的交流信号导出。
[0011]可选地，所述交直流信号分隔单元包括电感L和电容C1，所述电感L与直流电流源串联连接后一方面与自旋纳米振荡器并联以将直流偏置电流注入自旋纳米振荡器、另一方面还通过电容C1以将自旋纳米振荡器产生的交流信号导出。
[0012]可选地，所述自旋纳米振荡器由顶电极、自由层、势垒层、参考层、间隔层、钉扎层、反铁磁层以及底电极依次层叠构成，参考层具有面内各向异性，自由层具有垂直各向异性。
[0013]可选地，所述自由层为由Co
20
Fe
60
B
20
制成，势垒层为由MgO制成，参考层为由Co
40
Fe
40
B
20
制成，间隔层为由Ru制成，钉扎层为由Co
70
Fe
30
制成，反铁磁层为由PtMn制成。
[0014]可选地，所述交直流信号分隔单元的输出端还包括：
[0015]交流信号整流单元，用于将交直流信号分隔单元导出的交流信号整流形成转换为正向交流电压；
[0016]交流信号积分单元，用于将交流信号整流单元输出的正向交流电压进行积分后得到的积分电压值输出；
[0017]所述交直流信号分隔单元的输出端通过交流信号整流单元与交流信号积分单元相连，并由交流信号积分单元输出最终的积分电压值。
[0018]可选地，所述交流信号整流单元包括二极管D1和二极管D2，所述交直流信号分隔单元的输出端通过二极管D1与交流信号积分单元相连，所述二极管D2一端与直流电流源的负极相连、另一端与二极管D1的输入端相连。
[0019]可选地，所述交流信号积分单元由并联连接的电阻R1与电容C2组成，所述电阻R1与电容C2一端与交流信号整流单元的输出端相连、另一端与直流电流源的负极相连。
[0020]可选地，所述交流信号积分单元的输出端还连接有电压信号求和单元，所述电压信号求和单元包括运算放大器U1以及电阻R2～R4，所述运算放大器U1的正极输入端通过电阻R2与一个基于自旋纳米振荡器的感算一体化硬件神经元的输出端相连、负极输入端通过电阻R3与一个基于自旋纳米振荡器的感算一体化硬件神经元的输出端相连，电阻R4则连接在运算放大器U1的正极输入端和输出端之间。
[0021]可选地，所述交直流信号分隔单元的输出端还包括：
[0022]交流信号幅值比较单元，用于将自旋纳米振荡器产生的交流信号与参考电压的大小进行比较，若自旋纳米振荡器产生的交流信号大于参考电压则输出为正，否则输出零电压；
[0023]信号积分单元，用于根据交流信号幅值比较单元输出电压输出积分信号；
[0024]所述交直流信号分隔单元的输出端通过交流信号幅值比较单元与信号积分单元相连，并由信号积分单元输出最终的积分信号。
[0025]可选地，所述信号积分单元由电容C3和三极管Q1构成，所述三极管Q1的栅极与交流信号幅值比较单元的输出端相连，所述三极管Q1的源漏极和电容C3串联在电源Vss和地GND之间，当交流信号幅值比较单元输出正时三极管Q1导通开始向电容C3两端充电；当交流信号幅值比较单元输出零电压时三极管Q1截止，电容C3两端电压保持不变。
[0026]和现有技术相比，本专利技术主要具有下述优点：本专利技术可利用自旋纳米振荡器在作为神经元输入的外磁场以及作为神经元权重的直流偏置电流的控制下产生不同频率及峰
值的微波振荡电压以实现神经元权重与神经元输入的整合以及非线性激活功能，自旋纳米振荡器的振荡特性同时受到外磁场和直流电流的影响，充分利用了自旋纳米振荡器的非线性特性，实现了感算一体的非线性神经元功能，不仅可以模拟神经元输入与权重的整合，还可以结合后端电路模拟神经元非线性激活特性。
附图说明
[0027]图1为本专利技术实施例一中感算一体化硬件神经元的结构示意图。
[0028]图2为本专利技术实施例一中自旋纳米振荡器的结构示意图。
[0029]图3为本专利技术实施例一输出信号端、经过整流单元后及最后输出电压端口的电压随时间的变化的结果。
[0030]图4为本专利技术实施例一在不同磁场及电流下最后输出电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自旋纳米振荡器的感算一体化硬件神经元，其特征在于，包括：直流电流源(1)，用于产生直流偏置电流；自旋纳米振荡器(2)，用于在作为神经元输入的外磁场以及作为神经元权重的直流偏置电流的控制下产生不同频率及峰值的微波振荡电压以实现神经元权重与神经元输入的整合以及非线性激活功能；交直流信号分隔单元(3)，用于将直流偏置电流注入自旋纳米振荡器(2)，并将自旋纳米振荡器(2)产生的交流信号导出。2.根据权利要求1所述的基于自旋纳米振荡器的感算一体化硬件神经元，其特征在于，所述交直流信号分隔单元(3)包括电感L和电容C1，所述电感L与直流电流源(1)串联连接后一方面与自旋纳米振荡器(2)并联以将直流偏置电流注入自旋纳米振荡器(2)、另一方面还通过电容C1以将自旋纳米振荡器(2)产生的交流信号导出。3.根据权利要求2所述的基于自旋纳米振荡器的感算一体化硬件神经元，其特征在于，所述自旋纳米振荡器(2)由顶电极、自由层、势垒层、参考层、间隔层、钉扎层、反铁磁层以及底电极依次层叠构成，参考层具有面内各向异性，自由层具有垂直各向异性。4.根据权利要求3所述的基于自旋纳米振荡器的感算一体化硬件神经元，其特征在于，所述自由层为由Co
20
Fe
60
B
20
制成，势垒层为由MgO制成，参考层为由Co
40
Fe
40
B
20
制成，间隔层为由Ru制成，钉扎层为由Co
70
Fe
30
制成，反铁磁层为由PtMn制成。5.根据权利要求1～4中任意一项所述的基于自旋纳米振荡器的感算一体化硬件神经元，其特征在于，所述交直流信号分隔单元(3)的输出端还包括：交流信号整流单元(4)，用于将交直流信号分隔单元(3)导出的交流信号整流形成转换为正向交流电压；交流信号积分单元(5)，用于将交流信号整流单元(4)输出的正向交流电压进行积分后得到的积分电压值输出；所述交直流信号分隔单元(3)的输出端通过交流信号整流单元(4)与交流信号积分单元(5)相连，并由交流信号积分单元(5)输出最终的积分电压值。6.根据权利要求5所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李裴森，冀敏慧，潘孟春，胡悦国，彭俊平，邱伟成，杨丽媛，胡佳飞，张琦，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：