專利名稱：一種適用于神經(jīng)元電路的阻變憶阻器的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及神經(jīng)元電路，具體涉及一種適用于神經(jīng)元電路中用作突觸連接的阻變憶阻器的控制方法。
背景技術(shù)：
在信息社會(huì)的不斷發(fā)展過(guò)程中，人們對(duì)于大規(guī)模以及智能化計(jì)算的要求也越來(lái)越多。神經(jīng)計(jì)算是一種大規(guī)模、并行、可實(shí)現(xiàn)智能化的計(jì)算模式，以其為基礎(chǔ)的智能機(jī)器人在未來(lái)有著巨大的應(yīng)用前景。用來(lái)進(jìn)行神經(jīng)計(jì)算的神經(jīng)元電路分為兩個(gè)工作狀態(tài)一個(gè)是學(xué)習(xí)態(tài)，用于設(shè)置突觸連接的權(quán)重；另一個(gè)是計(jì)算態(tài)，用于進(jìn)行電路計(jì)算。在神經(jīng)元電路中需要用到大量的突觸連接，而且這些突觸連接必須具有可變的權(quán)重，以及較小的面積以便于大規(guī)模集成。對(duì)于在神經(jīng)元電路中用作突觸連接的阻變憶阻器件而言，其阻值即為突觸的權(quán)重值。通過(guò)調(diào)節(jié)重置終點(diǎn)電壓，可實(shí)現(xiàn)阻變憶阻器的阻值可變，但是這種方法外圍電路很復(fù)雜。通過(guò)調(diào)節(jié)阻變憶阻器的電流，可以控制阻變憶阻器的阻值的變化，現(xiàn)有的方法主要有控制設(shè)置電流和串聯(lián)金屬氧化物半導(dǎo)體MOS晶體管，前者的外圍電路復(fù)雜度較高，而串聯(lián)MOS晶體管的方法中由于通過(guò)MOS晶體管的反向電流大使其面積不能太小，限制了其大規(guī)模集成的能力。此外上述三種方法都不能精確地調(diào)節(jié)因?yàn)樽枳儜涀杵髯陨聿环€(wěn)定因素所造成的阻值浮動(dòng)。因此提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)小面積、阻值可變并且可以精確控制阻值浮動(dòng)的控制方法是非常重要的。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提出本發(fā)明。本發(fā)明的目的在于提供一種適用于神經(jīng)元電路的阻變憶阻器的控制方法。本發(fā)明的適用于神經(jīng)元電路的阻變憶阻器的控制方法包括在神經(jīng)元電路里，阻變憶阻器的兩個(gè)端口分別和MOS晶體管的漏端和源端相連，組成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，并分別連接于前神經(jīng)元和后神經(jīng)元，MOS晶體管的柵端加上柵電壓作為控制端。阻變憶阻器與MOS晶體管并聯(lián)，阻變憶阻器會(huì)隨著MOS晶體管的溝道電阻的阻值具有相應(yīng)的阻值，在MOS晶體管的柵端加上一定的柵電壓，使MOS晶體管的溝道電阻具有一定的阻值，從而通過(guò)調(diào)節(jié)MOS晶體管的柵電壓將阻變憶阻器設(shè)置到預(yù)定阻值。通過(guò)控制MOS 晶體管的柵電壓實(shí)現(xiàn)阻變憶阻器的阻值可變。阻變憶阻器可以是面積小且具有多值特性的各種新型存儲(chǔ)器件，如阻變存儲(chǔ)器或相變存儲(chǔ)器等。MOS晶體管可以是NM0SFET，也可以是 PMOSFETo阻變存儲(chǔ)器的阻值范圍為10 IO9歐姆。阻變憶阻器可以是單極阻變憶阻器，也可以是雙極阻變憶阻器。單極阻變憶阻器的兩個(gè)端口沒(méi)有區(qū)別，分別連接于MOS晶體管的漏端和源端相連。雙極阻變憶阻器的兩個(gè)端口分別為正端和負(fù)端，當(dāng)正端加上正電壓，負(fù)端接地時(shí)，阻變憶阻器的阻值隨著電壓的增加而增大；當(dāng)負(fù)端加上正電壓，正端接地時(shí)，阻變憶阻器的阻值隨著電壓的增加而減小。如果阻變憶阻器采用雙極阻變憶阻器，當(dāng)阻變憶阻器與NMOS晶體管并聯(lián)時(shí)，阻變憶阻器的正端與NMOS晶體管的漏端相連，負(fù)端與NMOS晶體管的源端相連；當(dāng)阻變憶阻器與PMOS晶體管并聯(lián)時(shí)，阻變憶阻器的正端與PMOS晶體管的源端相連，負(fù)端與PMOS晶體管的漏端相連。MOS晶體管的柵端接?xùn)烹妷鹤鳛榭刂贫?，用于在學(xué)習(xí)態(tài)通過(guò)柵電壓改變MOS晶體管的溝道電阻來(lái)使得阻變憶阻器得到相應(yīng)的阻值，也用于在計(jì)算態(tài)通過(guò)柵電壓控制MOS晶體管的溝道電阻從而精確控制阻變憶阻器和MOS晶體管的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的阻值。神經(jīng)元電路包括兩個(gè)工作狀態(tài)一個(gè)是學(xué)習(xí)態(tài)，用于設(shè)置突觸連接的權(quán)重(在這里是阻變憶阻器的阻值)；另一個(gè)是計(jì)算態(tài)，用于進(jìn)行電路計(jì)算，在此工作狀態(tài)下阻變憶阻器的阻值不變。MOS晶體管的襯底與源端相連，然后接地。在學(xué)習(xí)態(tài)，在MOS晶體管的柵端加上需要的柵電壓，漏端接來(lái)自前神經(jīng)元的學(xué)習(xí)輸入信號(hào)(可以是直流信號(hào)，也可以是交流信號(hào))，用于設(shè)定阻變憶阻器的阻值，源端通過(guò)后神經(jīng)元接地。當(dāng)漏端接入的學(xué)習(xí)輸入信號(hào)一定時(shí)，MOS晶體管加上柵電壓，將阻變憶阻器設(shè)置到預(yù)定阻值。在計(jì)算態(tài)，如果阻變憶阻器為預(yù)定阻值，控制MOS晶體管的柵電壓使得MOS晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)，前神經(jīng)元、后神經(jīng)元和阻變憶阻器構(gòu)成計(jì)算電路，計(jì)算信號(hào)由前神經(jīng)元經(jīng)阻變憶阻器輸入給后神經(jīng)元，由后神經(jīng)元得到輸出；如果阻變憶阻器的阻值過(guò)大，可以通過(guò)在MOS晶體管的柵端加上適當(dāng)?shù)臇烹妷?，這樣并聯(lián)結(jié)構(gòu)的電阻會(huì)隨著所加?xùn)烹妷旱拇笮《档偷竭m度的值，將并聯(lián)結(jié)構(gòu)的阻值設(shè)置為預(yù)定阻值。由此便于快速精確地對(duì)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的阻值進(jìn)行調(diào)節(jié)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明通過(guò)阻變憶阻器與MOS晶體管并聯(lián)，在學(xué)習(xí)態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)MOS晶體管的柵電壓將阻變憶阻器設(shè)置到預(yù)定阻值；在計(jì)算態(tài)，通過(guò)柵電壓控制MOS晶體管的溝道電阻從而精確控制阻變憶阻器和MOS晶體管的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的阻值，從而快速精確地對(duì)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的阻值進(jìn)行調(diào)節(jié)。MOS晶體管的面積可以很小，有利于大規(guī)模集成，同時(shí)，控制MOS晶體管的柵電壓能夠?qū)崿F(xiàn)阻變憶阻器的阻值可變并且可以精確控制阻值浮動(dòng)。


圖1是本發(fā)明的阻變憶阻器和NMOS晶體管的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是本發(fā)明的阻變憶阻器和PMOS晶體管的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3是本發(fā)明的阻變憶阻器和NMOS晶體管的并聯(lián)結(jié)構(gòu)連接在電路中的示意圖；圖4是本發(fā)明的適用于神經(jīng)元電路的阻變憶阻器的控制方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。圖1是雙極阻變憶阻器和NMOS晶體管的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的示意圖，圖2是雙極阻變憶阻器和PMOS晶體管的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的示意圖，圖中，1為MOS晶體管的漏端；2為MOS晶體管的源端。以NMOS晶體管為例，雙極阻變憶阻器和NMOS晶體管的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的連接在神經(jīng)元電路中，阻變憶阻器的正端與NMOS晶體管的漏端相連，負(fù)端與NMOS晶體管的源端相連， NMOS晶體管的漏端接前神經(jīng)元，源端接后神經(jīng)元，以及柵端接?xùn)烹妷鹤鳛榭刂贫?，如圖3所示。
電路處于學(xué)習(xí)態(tài)時(shí)，學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)根據(jù)需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容給NMOS晶體管的柵端加上相應(yīng)2V的柵電壓以控制NMOS晶體管的溝道電阻值，使其達(dá)到5千歐，然后控制后神經(jīng)元使得NMOS晶體管的源端接地。接著前神經(jīng)元給并聯(lián)結(jié)構(gòu)輸入2V直流信號(hào)的學(xué)習(xí)輸入信號(hào)，阻變憶阻器在學(xué)習(xí)輸入信號(hào)和并聯(lián)的MOS晶體管的溝道電阻共同作用下設(shè)定到相應(yīng)的阻值10千歐，至此整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程結(jié)束。電路處于計(jì)算態(tài)時(shí)，如果在學(xué)習(xí)態(tài)時(shí)阻變憶阻器設(shè)置到預(yù)定阻值10千歐，則控制 NMOS晶體管的柵電壓使得NMOS晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)，前神經(jīng)元、后神經(jīng)元和阻變憶阻器構(gòu)成計(jì)算電路，計(jì)算信號(hào)由前神經(jīng)元經(jīng)阻變憶阻器輸入給后神經(jīng)元，由后神經(jīng)元得到輸出；如果在學(xué)習(xí)態(tài)中由于某種原因，如器件特性不穩(wěn)定，使得阻變憶阻器沒(méi)有被設(shè)置到預(yù)定阻值 10千歐，而是實(shí)際設(shè)置到20千歐，則在NMOS晶體管的柵端加入IV的柵電壓，控制NMOS晶體管的溝道電阻值為20千歐，那么整個(gè)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的阻值為預(yù)定阻值的10千歐。圖4是本發(fā)明的適用于神經(jīng)元電路的阻變憶阻器的控制方法的流程圖。最后需要注意的是，公布實(shí)施方式的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種適用于神經(jīng)元電路的阻變憶阻器的控制方法，所述神經(jīng)元電路包括設(shè)置突觸連接的權(quán)重的學(xué)習(xí)態(tài)和進(jìn)行電路計(jì)算的計(jì)算態(tài)，其特征在于，在神經(jīng)元電路里，阻變憶阻器的兩個(gè)端口分別和MOS晶體管的漏端和源端相連，組成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，并分別連接于前神經(jīng)元和后神經(jīng)元，在MOS晶體管的柵端加上柵電壓作為控制端。
2.如權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，在學(xué)習(xí)態(tài)，在MOS晶體管的柵端加上需要的柵電壓，漏端接來(lái)自前神經(jīng)元的學(xué)習(xí)輸入信號(hào)，源端通過(guò)后神經(jīng)元接地，當(dāng)漏端接入的學(xué)習(xí)輸入信號(hào)一定時(shí)，MOS晶體管加上柵電壓將阻變憶阻器設(shè)置到預(yù)定阻值。
3.如權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，在計(jì)算態(tài)，如果阻變憶阻器為預(yù)定阻值，控制MOS晶體管的柵電壓使得MOS晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)；如果阻變憶阻器的阻值過(guò)大， 通過(guò)在MOS晶體管的柵端加上適當(dāng)?shù)臇烹妷?，將并?lián)結(jié)構(gòu)的阻值設(shè)置為預(yù)定阻值。
4.如權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述阻變憶阻器為阻變存儲(chǔ)器或相變存儲(chǔ)器等具有多值特性的各種新型存儲(chǔ)器件。
5.如權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述MOS晶體管是NM0SFET或PM0SFET。
6.如權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述學(xué)習(xí)輸入信號(hào)為直流信號(hào)或交流信號(hào)。
7.如權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述阻變存儲(chǔ)器的阻值范圍為10 IO9 歐姆。
8.如權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述阻變憶阻器是單極阻變憶阻器，或者是雙極阻變憶阻器。
9.如權(quán)利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述阻變憶阻器采用雙極阻變憶阻器， 當(dāng)阻變憶阻器與NMOS晶體管并聯(lián)時(shí)，阻變憶阻器的正端與NMOS晶體管的漏端相連，負(fù)端與 NMOS晶體管的源端相連；當(dāng)阻變憶阻器與PMOS晶體管并聯(lián)時(shí)，阻變憶阻器的正端與PMOS 晶體管的源端相連，負(fù)端與PMOS晶體管的漏端相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于神經(jīng)元電路的阻變憶阻器的控制方法。本發(fā)明的控制方法在神經(jīng)元電路里，阻變憶阻器的兩個(gè)端口分別和MOS晶體管的漏端和源端相連，組成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，并分別連接于前神經(jīng)元和后神經(jīng)元，在MOS晶體管的柵端加上柵電壓。本發(fā)明通過(guò)阻變憶阻器與MOS晶體管并聯(lián)，在學(xué)習(xí)態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)MOS晶體管的柵電壓將阻變憶阻器設(shè)置到預(yù)定阻值；在計(jì)算態(tài)，通過(guò)柵電壓控制MOS晶體管的溝道電阻從而精確控制阻變憶阻器和MOS晶體管的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的阻值，從而快速精確地對(duì)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的阻值進(jìn)行調(diào)節(jié)。MOS晶體管的面積可以很小，有利于大規(guī)模集成，同時(shí)，控制MOS晶體管的柵電壓能夠?qū)崿F(xiàn)阻變憶阻器的阻值可變并且可以精確控制阻值浮動(dòng)。
文檔編號(hào)G11C11/56GK102543172SQ201210046710
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月27日
發(fā)明者張麗杰, 張耀凱, 楊庚雨, 潘越, 蔡一茂, 譚勝虎, 陳誠(chéng), 黃如, 黃英龍 申請(qǐng)人:北京大學(xué)