[發(fā)明專利]一種基于霍爾條的無監(jiān)督學習突觸單元電路

在審

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• 申請日: 2020-10-19
• 公開（公告）號: CN112270409A
• 公開（公告）日: 2021-01-26
• 發(fā)明（設計）人: 支濤云;李海;周鐵軍
• 申請（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G06N3/063
• 分類號: G06N3/063;G06N3/08
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 楊舟濤

本發(fā)明公開了一種基于霍爾條的無監(jiān)督學習突觸單元電路，包括輸入電路、權(quán)重調(diào)整電路、霍爾元件、學習算法模塊、差分放大電路組成。其中霍爾元件用于霍爾電阻值的非易失存儲，學習算法模塊用于接收整個突觸單元的輸入和輸出信號來控制權(quán)重調(diào)整電路，權(quán)重調(diào)整電路用于對霍爾元件的電阻值的調(diào)節(jié)，差分放大電路用于對霍爾元件兩端霍爾電壓的差分放大輸出；輸入電路與霍爾器件的兩端相連構(gòu)成一個激勵信號的輸入回路，同時與權(quán)重調(diào)整電路相連，形成一個權(quán)值與輸入信號相互反饋調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)；本發(fā)明可用于構(gòu)造處理速度更快、低延遲的神經(jīng)網(wǎng)絡硬件電路，本發(fā)明采用霍爾元件的突觸單元具有非易失、權(quán)值狀態(tài)多、易集成、重復性好、高可靠、低功耗等優(yōu)點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及類腦神經(jīng)計算和神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于霍爾條的無監(jiān)督學習突觸單元電路。

背景技術(shù)

目前馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的數(shù)字和模擬集成電路在當今時代發(fā)展迅速,成為推動當今互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重大助力，是當今社會信息處理不可或缺的基石。但是隨著技術(shù)的深入發(fā)展，數(shù)據(jù)并發(fā)處理的深度和廣度的提高，對復雜任務的信息處理和存儲的需求不斷上升，傳統(tǒng)的馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)慢慢達到極限，使得人們不得不尋求一種全新的體系架構(gòu)。使用受大腦神經(jīng)網(wǎng)絡啟發(fā)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡硬件來處理復雜的問題作為一種相輔相成的方法。如果硬件本身具有存儲和計算的能力則可以減少對控制器管腳和內(nèi)存等資源的占用，同時由于硬件的計算和存儲不受控制器的影響，所以自選電子器件的神經(jīng)形態(tài)器件的研究顯得尤為重要。基于自旋電子器件的神經(jīng)形態(tài)器件研究在國際上剛剛起步，如何利用自旋電子器件模擬神經(jīng)元和突觸特性，以及如何構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡進而實現(xiàn)高性能、低功耗的神經(jīng)形態(tài)計算是該領(lǐng)域的核心研究內(nèi)容。

人腦神經(jīng)網(wǎng)絡中的基本信息處理單元是神經(jīng)元，神經(jīng)元與神經(jīng)元之間通過突觸連接，實現(xiàn)信息的傳播。因此突觸是調(diào)節(jié)神經(jīng)元之間相互作用的基本結(jié)構(gòu)和功能單元，突觸連接的強弱決定了信息傳播的效率。其中，突觸最重要的特性是可塑性，突觸連接強度可以被調(diào)節(jié)，從而優(yōu)化神經(jīng)系統(tǒng)以適應周邊環(huán)境。突觸的可塑性，即連接強度的變化，則抽象為權(quán)重大小的變化。輸入信號經(jīng)過突觸加權(quán)后，進行求和，最后通過激活函數(shù)決定輸出結(jié)果。引申至神經(jīng)網(wǎng)絡硬件系統(tǒng)中，則突觸的作用將用電阻或電導表示，通過調(diào)節(jié)電阻或電導的變化來模擬突觸的可塑性從而優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)。自旋突觸器件的目標是替代人工神經(jīng)網(wǎng)絡中的突觸。因此，自旋突觸器件所要具備的特性是其電阻狀態(tài)可被調(diào)控，并且具有非易失性，在斷電后能夠保持。

2009年，美國希捷公司的Wang等提出基于磁疇壁運動的磁性憶阻器模型拉開了碁于磁疇壁運動的自旋突觸器件的研究序幕。2011年，法國科學院Crollier的等報道了具有三個電阻狀態(tài)的可電流驅(qū)動的半圓環(huán)形磁性隧道結(jié)器件，實驗證明了基于磁疇壁運動的自旋突觸器件的可行性。2012年，德國比勒費爾德大學的研究人員利用自旋閥制備了基于疇壁運動的具有兩電阻態(tài)的自旋憶阻器件。2016年，法國科學院的研究人員報道了基于自由層、釘扎層磁化取向均為垂直磁化的雙垂直磁性隧道結(jié)的自旋突觸器件，在其中觀察到了隨機出現(xiàn)的多電阻狀態(tài)。由于這種多電阻狀態(tài)的產(chǎn)生是完全隨機的，無法人為控制和預測。因此，如何實現(xiàn)可電流調(diào)控的具有多電阻狀態(tài)變化的自旋突觸器件仍然有待研究。

中國專利CN110222836A，公開日2019年9月10日，此發(fā)明公開了一種數(shù)模混合神經(jīng)突觸電路，包括微處理器裝置、模擬電路模塊以及可重構(gòu)電阻陣列，所述模擬電路模塊的輸入端為所述突觸電路的信號輸入端，所述模擬電路模塊的輸出端與所述可重構(gòu)電阻陣列的R+端連接，所述模擬電路模塊用于向可重構(gòu)電阻陣列輸出正向電流或向可重構(gòu)電阻陣列輸出負向電流；所述可重構(gòu)電阻陣列的R-端與所述突觸電路的輸出端連接，所述可重構(gòu)電阻陣列的控制端與所述微控制器裝置的控制輸出端連接，所述可重構(gòu)電阻陣列用于起到限流的作用，表征了生物神經(jīng)元之間的連接強度。由于突觸權(quán)值的調(diào)整主要依靠微控制器，本身權(quán)值的存儲和調(diào)用不具有非易失性，不利于集成一體化和大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡的構(gòu)建。

因此有必要設計一種權(quán)值能夠自動調(diào)節(jié)，非易失的人工神經(jīng)突觸，達到存儲數(shù)據(jù)確定，讀寫速度快，響應延遲低的多權(quán)值狀態(tài)的突觸單元。

發(fā)明內(nèi)容