[發(fā)明專利]基于自旋振蕩器的神經(jīng)脈沖發(fā)生電路

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910059925.6
• 申請(qǐng)日: 2019-01-22
• 公開（公告）號(hào): CN109858619A
• 公開（公告）日: 2019-06-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李海;周鐵軍;于長(zhǎng)秋;駱泳銘;溫嘉紅;朱禮堯;王喆;郜壯壯;趙若菲
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06N3/06
• 分類號(hào): G06N3/06;G06N3/063
• 代理公司: 杭州杭誠(chéng)專利事務(wù)所有限公司 33109
• 代理人: 尉偉敏

本發(fā)明涉及人工神經(jīng)元技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于自旋振蕩器的神經(jīng)脈沖發(fā)生電路，包括電流輸入網(wǎng)絡(luò)、自旋振蕩器和整形電路，電流輸入網(wǎng)絡(luò)將多個(gè)輸入電流信號(hào)進(jìn)行疊加并作用于自旋振蕩器，在輸入電流作用下自旋振蕩器產(chǎn)生頻率與輸入電流大小相關(guān)的交變電壓信號(hào)，整形電路將自旋振蕩器輸出的波形處理為目標(biāo)電壓波形。自旋振蕩器包括自旋注入層、隔離層和磁進(jìn)動(dòng)層，隔離層位于自旋注入層和磁進(jìn)動(dòng)層之間，自旋注入層和磁進(jìn)動(dòng)層由磁性材料構(gòu)成，隔離層由非磁性材料構(gòu)成。本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性效果是：本發(fā)明神經(jīng)脈沖發(fā)生電路體積小、能耗低，更易集成，頻率調(diào)節(jié)范圍寬、速度快，能夠提高人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及人工神經(jīng)元技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于自旋振蕩器的神經(jīng)脈沖發(fā)生電路。

背景技術(shù)

在圖像識(shí)別等領(lǐng)域，生物神經(jīng)系統(tǒng)的計(jì)算速度和識(shí)別正確率要顯著優(yōu)于目前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，特別是前者的功耗遠(yuǎn)低于后者。為了獲得類似生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特性，研究人員提出了多種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型，并在軟件、硬件兩個(gè)方面模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的行為。其中脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Spiking Neural Network，SNN）被稱為第三代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，有別于之前的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，SNN從工作機(jī)理上模擬了生物神經(jīng)元達(dá)到閾值電壓后的脈沖發(fā)生行為，脈沖發(fā)生的頻率與輸入信號(hào)的強(qiáng)弱有關(guān)。硬件實(shí)現(xiàn)SNN的關(guān)鍵問題之一便是如何產(chǎn)生頻率與輸入信號(hào)幅度相關(guān)的神經(jīng)脈沖，目前已有的神經(jīng)脈沖發(fā)生電路已經(jīng)由分立器件電路改進(jìn)為基于晶體管的集成電路，利用晶體管控制電容充放電等方法實(shí)現(xiàn)頻率與輸入幅度相關(guān)的脈沖電信號(hào)輸出，然而該方法仍然存在電路尺寸大、功耗高、響應(yīng)速度慢、頻率調(diào)節(jié)范圍窄等問題，不利于大規(guī)模的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成和較高速度的信號(hào)處理。為此有必要發(fā)明一種更低功耗、更小體積和更適合高速信號(hào)處理的神經(jīng)脈沖發(fā)生電路。

中國(guó)專利CN108629407A，公開日2018年10月9日，一種集成式人工神經(jīng)元裝置，包括輸入信號(hào)節(jié)點(diǎn)、輸出信號(hào)節(jié)點(diǎn)和參考電源節(jié)點(diǎn)。積分器電路接收輸入信號(hào)并且對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行積分從而產(chǎn)生積分信號(hào)。發(fā)生器電路接收積分信號(hào)，并且當(dāng)積分信號(hào)超過閾值時(shí)，傳送輸出信號(hào)。積分器電路包括耦合在輸入信號(hào)節(jié)點(diǎn)與參考電源節(jié)點(diǎn)之間的主電容器。積分器電路包括耦合在輸入信號(hào)節(jié)點(diǎn)與輸出信號(hào)節(jié)點(diǎn)之間的主MOS晶體管。主MOS晶體管具有耦合到輸出信號(hào)節(jié)點(diǎn)的柵極和與柵極相互耦合的襯底。但其不能解決目前人工神經(jīng)元尺寸大、功耗高的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：目前人工神經(jīng)元不適合大規(guī)模集成的技術(shù)問題。提出了一種采用自旋振蕩器的體積小能耗低的神經(jīng)脈沖發(fā)生電路。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：基于自旋振蕩器的神經(jīng)脈沖發(fā)生電路，在輸入電流的作用下輸出頻率變化的脈沖電壓波形，包括電流輸入網(wǎng)絡(luò)、自旋振蕩器和整形電路，所述電流輸入網(wǎng)絡(luò)將多個(gè)輸入電流信號(hào)進(jìn)行疊加并作用于所述自旋振蕩器，在輸入電流作用下所述自旋振蕩器產(chǎn)生頻率與輸入電流大小相關(guān)的交變電壓信號(hào)，所述整形電路將所述自旋振蕩器輸出的波形處理為目標(biāo)電壓波形。所述自旋振蕩器的輸出電壓波形頻率與輸入電流正相關(guān)，能夠很好的完成模擬生物神經(jīng)元的功能，且所述自旋振蕩器的尺寸在幾十納米量級(jí)，尺寸適合大規(guī)模集成。

作為優(yōu)選，所述自旋振蕩器包括自旋注入層、隔離層和磁進(jìn)動(dòng)層，所述隔離層位于自選注入層和磁進(jìn)動(dòng)層之間，所述隔離層由非磁性材料構(gòu)成，所述自旋振蕩器的一端與所述電流輸入網(wǎng)絡(luò)的輸出端以及整形電路的輸入端連接，所述自旋振蕩器的另一端接地。當(dāng)輸入電流通過所述自旋注入層時(shí)，所述自旋注入層會(huì)將流經(jīng)該層的載流子的自旋極化，產(chǎn)生自旋極化電流，上述自旋極化電流作用于所述磁進(jìn)動(dòng)層時(shí)會(huì)使所述磁進(jìn)動(dòng)層磁矩發(fā)生進(jìn)動(dòng)，從而產(chǎn)生所述自旋振蕩器電阻值的周期性變化，進(jìn)而產(chǎn)生周期振蕩的電信號(hào)，并且該振蕩信號(hào)的頻率與輸入電流的幅度正相關(guān)。所述自旋振蕩器只有當(dāng)輸入電流超過某個(gè)閾值后才會(huì)產(chǎn)生振蕩輸出，這一特性用來模擬生物體的神經(jīng)元只有在輸入電壓超過閾值后才產(chǎn)生神經(jīng)脈沖的行為。