專利名稱：一種自路由單元電路及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種路由単元電路，尤其涉及ー種適用于大規(guī)?；ヂ?lián)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的自路由單元電路。
背景技術(shù)：
數(shù)字計算機(jī)是二十世紀(jì)人類科技進(jìn)步的重要產(chǎn)物，其所產(chǎn)生的影響體現(xiàn)在人們生活的方方面面。相比于數(shù)字計算機(jī)，神經(jīng)計算機(jī)在智能化、大規(guī)模計算能力、存儲與計算ー體化等方面具有很大的潛力，很有可能成為數(shù)字計算機(jī)強(qiáng)有力的替代者。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，其基本単元式ー個個的神經(jīng)元，神經(jīng)元之間有著大規(guī)模的互聯(lián)，這種互聯(lián)叫做突觸，信號從前神經(jīng)元通過突觸連接傳遞到后神經(jīng)元。正是由于這些大規(guī)模的突觸連接才使得神經(jīng)、計算機(jī)具有很強(qiáng)的計算、識別、存儲能力。ー個前神經(jīng)元需要與多個后神經(jīng)元相連，并且有選擇地向后神經(jīng)元傳遞信號，這些突觸連接可以看成是路由単元電路，如圖I所示，NO代表前神經(jīng)元，NI至Nn為后神經(jīng)元,Wl至Wn為路由單元電路。但是，現(xiàn)有技術(shù)中的前神經(jīng)元與多個后神經(jīng)元的突觸連接技術(shù)不成熟且電路復(fù)雜，而且前神經(jīng)元不能自動地選擇向那些需要傳遞信號的后神經(jīng)元傳遞信號，因此嚴(yán)重地制約了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對以上現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種自路由単元電路，從而解決神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中大規(guī)模的連接并且自主選擇傳輸路徑的問題。本發(fā)明的ー個目的在于提供一種自路由單元電路。本發(fā)明的自路由單元電路，在大規(guī)模互聯(lián)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，用于前神經(jīng)元與兩個以上后神經(jīng)元的突觸連接，包括正輸入端和負(fù)輸入端，正輸入端與前神經(jīng)元相連，負(fù)輸入端與后神經(jīng)元相連；在兩個端ロ之間具有與后神經(jīng)元的數(shù)目相同的兩條以上并聯(lián)的支路，每條并聯(lián)支路由ー個或者多個雙極阻變憶阻器構(gòu)成，每條支路具有不同的結(jié)構(gòu)，隨著阻變憶阻器的數(shù)目、極性的連接方向以及串并聯(lián)方式的不同而形成具有與特定電壓信號相應(yīng)的一種自路由單元電路。本發(fā)明的雙極憶阻器可以是氧化鉭阻變存儲器、氧化鉿阻變存儲器、ニ氧化鈦阻變存儲器等具有雙極操作的多值阻變的各種阻變存儲器中的ー種，也可以是其他具有類似上述器件雙極操作且具有非揮發(fā)多值存儲特性的存儲器。本發(fā)明的另ー目的在于提供一種自路由單元電路的控制方法。本發(fā)明的上述自路由單元電路的控制方法包括電路工作分為設(shè)定各支路的電阻的設(shè)置態(tài)和觸發(fā)后神經(jīng)元進(jìn)行計算的計算態(tài)。開始時電路先進(jìn)入設(shè)置態(tài)，電路控制全部后神經(jīng)元將自路由電路的負(fù)輸入端分別接地，根據(jù)選擇需要傳輸信號的后神經(jīng)元，設(shè)定脈沖作為設(shè)置信號，那么當(dāng)前神經(jīng)元發(fā)射設(shè)置信號時通過各個正輸入端同時加到連接各個后神經(jīng)元的不同的支路時，各個支路由于結(jié)構(gòu)不同電阻會有不同的響應(yīng)，即設(shè)定后各支路的電阻大小不同。然后電路進(jìn)入計算態(tài)，前神經(jīng)元發(fā)射設(shè)定的電壓作為計算信號經(jīng)自路由単元電路到后神經(jīng)元，后神經(jīng)元將自路由電路的負(fù)輸入端接到后神經(jīng)元的計算電路的輸入端，由于各個支路的電阻不同，那么傳遞到后神經(jīng)元的信號會有所不同，當(dāng)信號高于后神經(jīng)元的觸發(fā)電壓時，后神經(jīng)元進(jìn)行計算，此支路為通路，而低于觸發(fā)電壓的信號所在的支路為開路。從而起到了自路由的作用。本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明的電路適用于大規(guī)模互聯(lián)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，前神經(jīng)元與兩個以上后神經(jīng)元的突觸連接采用自路由単元電路，具有兩條以上并聯(lián)的支路，每條并聯(lián)支路由ー個或者多個雙極阻變憶阻器構(gòu)成，每條支路具有不同的結(jié)構(gòu)，隨著阻變憶阻器的數(shù)目、極性的連接方向以及串并聯(lián)方式的不同而形成具有與特定電壓相應(yīng)的ー種自路由単元電路。本發(fā)明的 電路能夠自動地選擇向后神經(jīng)元傳遞信號，并且電路簡單、結(jié)構(gòu)小以及便于大規(guī)模集成；而且為非揮發(fā)電路，一旦設(shè)定，在條件不變的情況下，不需重新設(shè)定。


圖I為現(xiàn)有技術(shù)中ー個前神經(jīng)元與多個后神經(jīng)元相連的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2(a)為單個雙極阻變憶阻器的正極與正輸入端相連，負(fù)極與負(fù)輸入端相連的電路圖，圖2(b)為如圖2(a)所示的雙極阻變憶阻器的阻值與輸入脈沖的高度和寬度的關(guān)系的曲線圖；圖3(a)、(b)和(C)分別為雙極阻變憶阻器的數(shù)目、極性的連接方向以及串并聯(lián)方式的不同組合的電路圖，圖3(d)為如圖3(a)、(b)和(C)所示的雙極阻變憶阻器的連接電路的阻值隨著輸入脈沖的高度和寬度的變化的響應(yīng)曲線；圖4為本發(fā)明的自路由單元電路ー個支路的示意圖；圖5為ー個前神經(jīng)元與兩個后神經(jīng)元相連接的示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，通過實例對本發(fā)明做進(jìn)ー步說明。雙極阻變憶阻器具有兩個極性，如果所加電壓的絕對值足夠大，當(dāng)正極接正電壓，負(fù)極接地時，雙極阻變憶阻器的阻值會減小，反之，當(dāng)負(fù)極接正電壓，正極接地時，雙極阻變憶阻器的阻值會増大。圖2(a)為單個雙極阻變憶阻器的正極與正輸入端相連，負(fù)極與負(fù)輸入端相連的電路圖，圖2(b)為如圖2(a)所示的雙極阻變憶阻器的阻值與輸入脈沖的高度和寬度的關(guān)系的曲線圖。如圖2(b)所示，當(dāng)信號由正輸入端輸入，且雙極阻變憶阻器的兩端接有正電壓時，雙極阻變憶阻器的阻值隨輸入脈沖的高度和寬度的變化而具有一條響應(yīng)曲線。本發(fā)明的自路由単元電路中的每個支路由于雙極阻變憶阻器的數(shù)目、極性的連接方向以及串并聯(lián)方式的不同組合而具有不同的結(jié)構(gòu)。圖3(a)、(b)和(C)分別為雙極阻變憶阻器的數(shù)目、極性的連接方向以及串并聯(lián)方式的不同組合的電路圖，圖3(d)為如圖3(a)、(b)和(C)所示的雙極阻變憶阻器的連接電路的阻值隨著輸入脈沖的高度和寬度的變化的響應(yīng)曲線。如圖3(d)所示，隨著憶阻器的數(shù)目、極性的連接方向以及串并聯(lián)方式的不同，其阻值隨著輸入脈沖的高度和寬度的變化的響應(yīng)曲線也隨之改變。也就是說，雙極阻變憶阻器的不同結(jié)構(gòu)對輸入脈沖具有不同的阻值曲線。對于特定的輸入脈沖，不同結(jié)構(gòu)的雙極阻變憶阻器的連接電路具有不同的電阻。
圖4為本發(fā)明的自路由單元電路ー個支路的示意圖。下面具體給出ー種ー個前神經(jīng)元和兩個后神經(jīng)元的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中自路由単元電路的控制方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接如圖5所示，前神經(jīng)元NO通過自路由單元的兩條支路Wl和W2分別與后神經(jīng)元NI和N2相連。Wl和W2的電路結(jié)構(gòu)分別如圖3(b)和圖3(c)所示。在每個支路上分別串聯(lián)上分壓電阻，各分壓電阻與各支路上阻變憶阻器的電阻分壓，從而分壓電阻上所得到的電壓加在后神經(jīng)元上，作為觸發(fā)后神經(jīng)元的電壓。開始時電路進(jìn)入計算態(tài)，后神經(jīng)元NI和N2將自路由単元Wl和W2的負(fù)輸入端分別接地，前神經(jīng)元NO分別向Wl和W2輸入高度為3. 3V，脈寬為I μ s的脈沖作為設(shè)置信號，由于Wl和W2的自身結(jié)構(gòu)的不同，設(shè)置信號結(jié)束后，Wl被設(shè)置到1ΚΩ，W2被設(shè)置到9ΚΩ。 然后電路進(jìn)入到計算態(tài)，后神經(jīng)元NI和N2將Wl和W2分別接到計算電路的輸入端，前神經(jīng)元發(fā)射計算信號為O. 6V的直流電壓，將Wl和W2分別于ー個IK Ω的分壓電阻串聯(lián)，將計算信號通過Wl和W2與1ΚΩ的串聯(lián)結(jié)構(gòu)在1ΚΩ電阻上的分壓分別輸入給后神經(jīng)元NI和N2，這時NI計算電路輸入端獲得的輸入電壓為O. 3V，而N2計算電路輸入端獲得的輸入電壓為
O.06V，后神經(jīng)元NI和N2計算電路的觸發(fā)電壓均為O. 2V，那么NI的計算電路被觸發(fā)，形成通路，而N2的計算電路不能被觸發(fā)，形成開路。由此可以看出電路實現(xiàn)了自路由的功能。最后需要注意的是，公布實施方式的目的在于幫助進(jìn)ー步理解本發(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
1.一種自路由單元電路，在大規(guī)?；ヂ?lián)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，用于前神經(jīng)元與兩個以上后神經(jīng)元的突觸連接，其特征在于，所述電路包括正輸入端和負(fù)輸入端，正輸入端與前神經(jīng)元相連，負(fù)輸入端與后神經(jīng)元相連；在兩個端口之間具有與后神經(jīng)元的數(shù)目相同的兩條以上并聯(lián)的支路，每條并聯(lián)支路由一個或者多個雙極阻變憶阻器構(gòu)成，每條支路具有不同的結(jié)構(gòu)，隨著阻變憶阻器的數(shù)目、極性的連接方向以及串并聯(lián)方式的不同而形成具有與特定電壓信號相應(yīng)的一種自路由單元 電路。
2.如權(quán)利要求I所述的電路，其特征在于，所述雙極憶阻器是氧化鉭阻變存儲器、氧化鉿阻變存儲器、二氧化鈦阻變存儲器等具有雙極操作的多值阻變的各種阻變存儲器中的一種，或者是其他具有類似上述器件雙極操作且具有非揮發(fā)多值存儲特性的存儲器。
3.—種權(quán)利要求I所述的自路由單元電路的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括電路工作分為設(shè)定各支路的電阻的設(shè)置態(tài)和觸發(fā)后神經(jīng)元進(jìn)行進(jìn)算的計算態(tài)。
4.如權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征在于，在所述設(shè)置態(tài)，電路控制全部后神經(jīng)元將自路由電路的負(fù)輸入端分別接地，根據(jù)選擇需要傳輸信號的后神經(jīng)元，設(shè)定脈沖作為設(shè)置信號，那么當(dāng)前神經(jīng)元發(fā)射設(shè)置信號時通過各個正輸入端同時加到連接各個后神經(jīng)元的不同的支路時，各個支路由于結(jié)構(gòu)不同電阻會有不同的響應(yīng)，即設(shè)定后各支路的電阻大小不同。
5.如權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征在于，在所述計算態(tài)，前神經(jīng)元發(fā)射設(shè)定的電壓作為計算信號經(jīng)自路由單元電路到后神經(jīng)元，后神經(jīng)元將自路由電路的負(fù)輸入端接到后神經(jīng)元的計算電路的輸入端，由于各個支路的電阻不同，那么傳遞到后神經(jīng)元的信號會有所不同，當(dāng)信號高于后神經(jīng)元的觸發(fā)電壓時，后神經(jīng)元進(jìn)行計算，此支路為通路，而低于觸發(fā)電壓的信號所在的支路為開路。
6.如權(quán)利要求5所述的控制方法，其特征在于，在每個支路上分別串聯(lián)上分壓電阻，各分壓電阻與各支路上阻變憶阻器的電阻分壓，從而分壓電阻上所得到的電壓加在后神經(jīng)元上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自路由單元電路及其控制方法。本發(fā)明的電路適用于大規(guī)?；ヂ?lián)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，前神經(jīng)元與兩個以上后神經(jīng)元的突觸連接采用自路由單元電路，具有兩條以上并聯(lián)的支路，每條并聯(lián)支路由一個或者多個雙極阻變憶阻器構(gòu)成，每條支路具有不同的結(jié)構(gòu)，隨著阻變憶阻器的數(shù)目、極性的連接方向以及串并聯(lián)方式的不同而形成具有與特定電壓相應(yīng)的一種自路由單元電路。本發(fā)明的電路能夠自動地選擇向后神經(jīng)元傳遞信號，并且電路簡單、結(jié)構(gòu)小以及便于大規(guī)模集成；而且為非揮發(fā)電路，一旦設(shè)定，在條件不變的情況下，不需重新設(shè)定。
文檔編號G06N3/06GK102663497SQ20121009767
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月5日
發(fā)明者唐昱, 張耀凱, 楊庚雨, 潘越, 蔡一茂, 譚勝虎, 陳誠, 黃如, 黃英龍 申請人:北京大學(xué)