[發明專利]神經形態突觸電路和神經形態系統

有效

• 申請號: 201580053374.2
• 申請日: 2015-10-13
• 公開（公告）號: CN106796669B
• 公開（公告）日: 2019-06-14
• 發明（設計）人: E·S·伊萊夫舍利歐;A·潘塔茲;A·塞巴斯蒂安;T·圖馬
• 申請（專利權）人: 國際商業機器公司
• 主分類號: G06N3/10
• 分類號: G06N3/10
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 李玲

神經形態突觸(11)包括在具有第一和第二輸入端(21、22)的電路系統中連接的電阻性記憶單元(15)。這些輸入端(21、22)在使用中分別接收前神經元和后神經元動作信號，每個動作信號具有讀部分和寫部分。該電路系統還具有用于提供依賴于記憶單元(15)的電阻的突觸輸出信號的輸出端(23)。該電路系統可操作，使得響應于在第一輸入端(21)處施加前神經元動作信號的讀部分而在輸出端(23)處提供突觸輸出信號，并且使得響應于分別在第一和第二輸入端(21、22)處同時施加前神經元和后神經元動作信號的寫部分而將用于編程記憶單元(15)的電阻的編程信號施加到單元(15)。突觸(11)能夠適于與完全相同的前神經元和后神經元動作信號一起操作。

技術領域

本發明一般而言涉及神經形態突觸(neuromorphic synapse)。 提供了基于電阻性記憶單元的神經形態突觸，連同結合這種突觸的突 觸陣列和系統。

背景技術

神經形態(neuromorphic)技術涉及受神經系統的生物體系架 構啟發的計算系統。傳統的計算體系架構正變得越來越不能滿足對現 代計算機系統的不斷擴大的處理需求。與人腦相比，經典的馮諾依曼 (von Neumann)計算機體系架構在功耗和空間要求方面效率非常低 下。人腦占用不到2升并且消耗大約20W的功率。利用最先進的超 級計算機模擬5秒的大腦活動需要大約500秒并且需要1.4MW的功 率。這些問題已推動重要的研究努力，以了解人腦的高效計算范例并 創造具有前所未有的計算能力的人工認知系統。

神經元和突觸是大腦中的兩個基本計算單位。神經元可以集成來 自其它神經元的輸入，在一些情況下與進一步的輸入(例如來自感覺 受體的輸入)集成，并且生成被稱為“動作電位”或“尖峰”的輸出 信號。作為神經元活動的結果，突觸改變它們的連接強度。附圖中的 圖1示出了位于兩個神經元2之間的突觸1的示意性表示。突觸1接 收由前突觸神經元(“前神經元”)N1生成的動作電位并且向后突 觸神經元(“后神經元”)N2提供輸出信號。前神經元動作電位經 由神經元N1的軸突3傳送到突觸1。結果所得的突觸輸出信號是依 賴于突觸的電導的分級突觸電位(也稱為“突觸權重”或“強度”)。 突觸權重可以通過神經元活性增強或減少，并且突觸的這種“可塑性” 對記憶和其它大腦功能是至關重要的。這種效應在圖1中通過后神經 元動作電位(即，由神經元N2生成的尖峰)經由神經元N2的樹突 4向后傳播到突觸1來指示。

生物系統中的動作電位在神經元激發(尖峰生成)的所有情況下 都具有相同的形狀。在尖峰形狀中沒有信息，而是僅在激發時間中有 信息。特別地，可以依賴前神經元和后神經元動作電位的相對定時來 修改突觸權重。在這里的簡單模型中，如果前和后神經元一起激發， 則突觸變得越來越強(更具導電性)。突觸權重的變化還可以依賴于 前和后神經元尖峰的定時的輕微差異。例如，如果后神經元在前神經 元之后緊接著激發，則突觸權重可以增加，并且如果后神經元趨向于 在前神經元之前激發，則突觸權重可以減小。這些相對定時效應一般 被稱為依賴尖峰定時的可塑性(STDP)。

突觸通常數目超過神經元顯著的因子(在人腦的情況下大約 10000)。神經形態計算技術中的一個關鍵挑戰是開發模仿生物突觸 的可塑性的緊湊的納米電子設備。

電阻性記憶單元已被認為是用于實現神經形態突觸的候選。諸如 相變記憶(PCM)單元的電阻性記憶單元是可編程電阻設備，其依 賴部署在一對電極之間的一定體積的電阻性材料的可變電阻特性。單 元電阻可以通過向電極施加控制信號來控制。這些單元表現出閾值開 關效應，借此可以通過施加高于閾值電平的控制信號而在高和低電阻 狀態之間切換單元。通過適當地調整控制信號，可以將單元編程到一 定范圍的中間電阻值。在PCM單元中，例如，通過加熱一定體積的 硫族化物(chalcogenide)材料以便改變硫族化物體積中的(高電阻) 非晶相與(低電阻)結晶相的相對比例來實現可編程電阻。為了改變 單元電阻，將高于相變所需的閾值電壓的編程(或“寫”)信號經由 電極施加到單元。可以通過向電極施加低電壓讀信號并測量流經單元 的結果所得的電流來測量(或“讀”)單元電阻。讀電壓電平足夠低， 以確保讀電壓不干擾經編程的單元狀態。