[發(fā)明專利]一種基于RRAM的新型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410021568.1
• 申請日: 2014-01-16
• 公開（公告）號: CN103778468A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 康晉鋒;龍?jiān)?/a>;畢穎杰;高濱;陳冰;劉曉彥;劉力鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號: G06N3/063
• 分類號: G06N3/063
• 代理公司: 北京路浩知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11002
• 代理人: 李迪

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于RRAM的新型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路。

背景技術(shù)

阻變式存儲器RRAM在近些年吸引了廣泛的關(guān)注。高速度（<5ns）、低操作電壓（<1V），高存儲密度、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，使得RRAM成為了下一代半導(dǎo)體存儲器的強(qiáng)有力競爭者。RRAM器件一般具有金屬－絕緣體－金屬的結(jié)構(gòu)，即在兩層金屬電極之間加入一層具有阻變特性的介質(zhì)薄膜材料，這些阻變材料一般是金屬氧化物，常見的有TiO₂，HfO₂，ZrO₂，WO₃，Ta₂O₅等等。通過外加電壓，可以對器件的阻值在低阻和高阻之間轉(zhuǎn)換。利用基于阻變存儲器（RRAM）陣列構(gòu)成的類似于大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電路，可以做到極低的功耗和較好的模糊識別功能。是未來圖像識別、聲音識別等領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。

現(xiàn)有的基于RRAM的圖像識別電路的工作原理大致如下所述：電路結(jié)構(gòu)大致分為三部分，第一部分為傳感器結(jié)構(gòu)。將圖片的顏色信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺妷捍笮〔煌?，或者脈沖長短不同），該電壓用來對后級的RRAM陣列進(jìn)行操作。第二部分為多個(gè)RRAM陣列。這些陣列中的RRAM器件接收前級的電壓信號，并且產(chǎn)生電流信號，傳遞到后一級。利用多個(gè)RRAM陣列的原因是在使用中，每個(gè)陣列中的RRAM器件都會(huì)有不同的阻值分布，不同的陣列的阻值分布使得其對某種圖片的反應(yīng)強(qiáng)度最高。這些陣列中的器件對應(yīng)到神經(jīng)系統(tǒng)即為數(shù)量龐大的突觸。第三部分為末級的神經(jīng)元模塊，每個(gè)神經(jīng)元與一個(gè)陣列中所有的RRAM器件相連接，對每個(gè)器件上面的電流求和。當(dāng)電流和超過某個(gè)閾值，或者是多個(gè)神經(jīng)元中的最大值時(shí)，該神經(jīng)元被激活，也即對一個(gè)圖片做出了對應(yīng)的反應(yīng)。

目前相關(guān)的工作中提到的基于RRAM的神經(jīng)元電路雖然都是由多個(gè)RRAM陣列構(gòu)成的，但是每個(gè)陣列都要接受來自整個(gè)圖片所有像素點(diǎn)產(chǎn)生的電壓。這種電路不夠靈活，無法應(yīng)對輸入圖像的形狀變化。由于利用一個(gè)RRAM陣列來接收整個(gè)圖片的信號，然后經(jīng)過后級電路求和這一過程將圖片的細(xì)節(jié)省略了，則使得現(xiàn)有電路無法處理“包含邏輯”、識別圖像時(shí)無法區(qū)分主次。同時(shí)，相對于生物上的神經(jīng)系統(tǒng)，目前的結(jié)構(gòu)太過于簡單，只有一級神經(jīng)元，只能處理最簡單的情況。

發(fā)明內(nèi)容

（一）解決的技術(shù)問題

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路，能夠在保證識別能力的基礎(chǔ)上，盡可能保留圖片的細(xì)節(jié)信息。

（二）技術(shù)方案

為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路，包括：若干個(gè)傳感器、若干個(gè)第一層神經(jīng)元支路和若干個(gè)第二層神經(jīng)元支路；

每個(gè)第一層神經(jīng)元支路包括：若干個(gè)第一阻變式存儲器RRAM以及第一層神經(jīng)元；

所述傳感器用于將像素點(diǎn)的顏色轉(zhuǎn)換為電壓信號，并將此電壓信號傳輸給所述第一RRAM；所述第一RRAM根據(jù)接收到的電壓信號產(chǎn)生電流信號，并傳輸至所述第一層神經(jīng)元；所述第一層神經(jīng)元用于對接收到的電流信號進(jìn)行求和，若第一神經(jīng)元被激活，則發(fā)射電壓脈沖至所述第二RRAM；

每個(gè)第二層神經(jīng)元支路包括：若干個(gè)第二RRAM以及第二層神經(jīng)元；

所述第二RRAM器件將所述第一層神經(jīng)元與所述第二層神經(jīng)元連接起來；所述第二層神經(jīng)元用于匯總?cè)舾蓚€(gè)所述第一層神經(jīng)元激活后產(chǎn)生的電流信號。

其中，一個(gè)傳感器對應(yīng)于一個(gè)像素點(diǎn)，同時(shí)一個(gè)傳感器對應(yīng)于一個(gè)RRAM器件。

其中，所述第一RRAM的阻值與接收到傳感器的電壓信號的大小呈反比。

其中，所述第一層神經(jīng)元，包括：CMOS神經(jīng)元、反饋電路。

其中，所述反饋電路用于改變所述第一層神經(jīng)元對應(yīng)的第一RRAM的阻值。

其中，所述第二層神經(jīng)元為CMOS神經(jīng)元。

（三）有益效果

本發(fā)明至少具有如下的有益效果：

1、由于采用了分塊的結(jié)構(gòu)，即將圖片分成幾個(gè)部分分別進(jìn)行識別，則單個(gè)的小的RRAM陣列負(fù)責(zé)圖片的一部分，如電路結(jié)構(gòu)中的每一條第一層神經(jīng)元支路負(fù)責(zé)圖片的一部分，這樣通過多個(gè)小單元或多條支路的并行工作，就可以在一個(gè)較短的工作周期內(nèi)對一幅大的圖片進(jìn)行處理。這種并行工作的方式提高了工作效率。

2、采用分層的結(jié)構(gòu)，和現(xiàn)有的技術(shù)不同，本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)中有兩層神經(jīng)元電路，可以將每個(gè)小塊的信息再次進(jìn)行處理，這樣電路就能處理更為復(fù)雜的邏輯關(guān)系。