本實(shí)用新型涉及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及神經(jīng)元突觸電路及神經(jīng)元電路。

背景技術(shù)：

人體大腦有數(shù)億神經(jīng)元，而突觸數(shù)目更加龐大。因此功耗和集成度是類腦神經(jīng)芯片最為關(guān)注的兩個(gè)因素。類腦神經(jīng)芯片無(wú)論是從計(jì)算速度，學(xué)習(xí)機(jī)制還是功耗，被科學(xué)家認(rèn)為是下一代最有前景技術(shù)。由于數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，其存儲(chǔ)的權(quán)值精度高，數(shù)據(jù)可靠，技術(shù)成熟，設(shè)計(jì)規(guī)范，因此在很多方案中突觸及神經(jīng)元電路都是用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)的。然而，隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究深入，傳統(tǒng)的采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的缺點(diǎn)越來(lái)越明顯?，F(xiàn)階段，用以實(shí)現(xiàn)所需的乘法和加法運(yùn)算和非線性變換所需的神經(jīng)元突觸電路規(guī)模龐大，功耗和體積巨大，而且在模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中需要將突觸權(quán)值在數(shù)字和模擬之間不斷地轉(zhuǎn)換，需要大量的D/A和A/D轉(zhuǎn)換器，更是極大地增加了電路的功耗，難以適應(yīng)發(fā)展的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型實(shí)施例提供一種神經(jīng)元突觸電路，用以減少神經(jīng)元突觸電路的功耗，并提高集成度，該神經(jīng)元突觸電路包括：

充電電路，放電電路，以及分別與所述充電電路和所述放電電路連接的MOS電容；

所述充電電路和所述放電電路均由多個(gè)MOS器件構(gòu)成，且接入突觸前神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖序列和突觸后神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖序列；

所述充電電路被構(gòu)造為在突觸前神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖序列比突觸后神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖序列先到達(dá)時(shí)，通過(guò)對(duì)所述MOS電容進(jìn)行充電輸出使突觸權(quán)值增加的模擬電壓；

所述放電電路被構(gòu)造為在突觸前神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖序列比突觸后神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖序列后到達(dá)時(shí)，通過(guò)對(duì)所述MOS電容進(jìn)行放電輸出使突觸權(quán)值減小的模擬電壓。

本實(shí)用新型實(shí)施例還提供一種神經(jīng)元電路，用以減少神經(jīng)元電路的功耗，并提高集成度，該神經(jīng)元電路包括：

突觸前神經(jīng)元，突觸后神經(jīng)元，上述的神經(jīng)元突觸電路，電壓電流轉(zhuǎn)換電路；

所述突觸前神經(jīng)元輸出端與所述神經(jīng)元突觸電路第一輸入端和所述電壓電流轉(zhuǎn)換電路第一輸入端連接；所述突觸后神經(jīng)元輸出端與所述神經(jīng)元突觸電路第二輸入端連接；所述神經(jīng)元突觸電路輸出端與所述電壓電流轉(zhuǎn)換電路第二輸入端連接；所述電壓電流轉(zhuǎn)換電路輸出端與所述突觸后神經(jīng)元輸入端連接；

所述電壓電流轉(zhuǎn)換電路用于將所述神經(jīng)元突觸電路輸出的模擬電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流刺激注入到所述突觸后神經(jīng)元。

本實(shí)用新型實(shí)施例采用模擬電路實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元突觸電路，相對(duì)于現(xiàn)有數(shù)字電路方式而言，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、運(yùn)算速度快，能顯著提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算效率；本實(shí)用新型實(shí)施例的神經(jīng)元突觸電路可以將突觸前神經(jīng)元的脈沖與突觸后神經(jīng)元的脈沖進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)基于脈沖時(shí)間依賴可塑性(Spike-Timing-Dependent Plasticity，STDP)的神經(jīng)傳導(dǎo)學(xué)習(xí)機(jī)制。本實(shí)用新型實(shí)施例的神經(jīng)元電路，也因采用上述神經(jīng)元突觸電路，減少了電路功耗，提高了集成度。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。在附圖中：

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例中神經(jīng)元突觸電路的具體實(shí)例圖；

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例中神經(jīng)元電路的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。在此，本實(shí)用新型的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本實(shí)用新型，但并不作為對(duì)本實(shí)用新型的限定。

發(fā)明人考慮到，如果采用模擬電路實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元突觸電路，則相對(duì)于現(xiàn)有數(shù)字電路方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、運(yùn)算速度快，能顯著提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算效率。因此，在本實(shí)用新型實(shí)施例中將模擬突觸電路作為模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單元之一。在本實(shí)用新型實(shí)施例中，同一個(gè)突觸連接的兩個(gè)神經(jīng)元分別稱為突觸前神經(jīng)元(Presynaptic Neuron)和突觸后神經(jīng)元(Postsynaptic Neuron)。神經(jīng)元突觸電路決定著突觸前神經(jīng)元和突觸后神經(jīng)元之間的信號(hào)傳遞機(jī)制，本實(shí)用新型實(shí)施例的神經(jīng)元突觸電路利用模擬電路實(shí)現(xiàn)突觸前神經(jīng)元和突觸后神經(jīng)元之間的STDP傳導(dǎo)機(jī)制。STDP傳導(dǎo)機(jī)制是指：如果神經(jīng)元在接收到其它神經(jīng)元傳遞的信息之后自身產(chǎn)生活動(dòng)，則兩神經(jīng)元之間的聯(lián)系會(huì)加強(qiáng)，即突觸權(quán)值會(huì)增加；如果神經(jīng)元在接收到其它神經(jīng)元傳遞信息之前自身已經(jīng)產(chǎn)生活動(dòng)，則兩神經(jīng)元的連接會(huì)減弱，即突觸權(quán)值會(huì)減小。

本實(shí)用新型實(shí)施例中的神經(jīng)元突觸電路可以包括：充電電路，放電電路，以及分別與充電電路和放電電路連接的MOS電容；充電電路和放電電路均由多個(gè)MOS器件構(gòu)成，且接入突觸前神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖序列和突觸后神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖序列；充電電路被構(gòu)造為在突觸前神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖序列比突觸后神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖序列先到達(dá)時(shí)，通過(guò)對(duì)MOS電容進(jìn)行充電輸出使突觸權(quán)值增加的模擬電壓；放電電路被構(gòu)造為在突觸前神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖序列比突觸后神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖序列后到達(dá)時(shí)，通過(guò)對(duì)MOS電容進(jìn)行放電輸出使突觸權(quán)值減小的模擬電壓。

由上述實(shí)施例可知，本實(shí)用新型實(shí)施例的神經(jīng)元突觸電路可以在神經(jīng)元類腦芯片中用于實(shí)現(xiàn)權(quán)值存儲(chǔ)。該神經(jīng)元突觸電路可以將突觸前神經(jīng)元的脈沖序列與突觸后神經(jīng)元的脈沖序列進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)基于STDP的神經(jīng)傳導(dǎo)學(xué)習(xí)機(jī)制。該神經(jīng)元突觸電路采用模擬MOS(Metal Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導(dǎo)體)器件實(shí)現(xiàn)。

在具體的實(shí)例中，上述多個(gè)MOS器件均工作在亞閾值區(qū)域，這樣可以降低導(dǎo)通電流和工作電壓，進(jìn)一步減小功耗。在功耗方面，當(dāng)晶體管工作在亞閾值區(qū)域，工作在該區(qū)域的晶體管工作電流小，工作電壓也小，例如可以使神經(jīng)元突觸電路的工作電壓低到0.6V，極大地減小功耗。

在具體的實(shí)例中，上述MOS電容可以是由NMOS器件漏極與源極短接而形成。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解，也可以根據(jù)實(shí)際需求采用其它方式形成上述MOS電容。

在具體的實(shí)例中，充電電路可以包括至少一對(duì)由兩個(gè)MOS器件構(gòu)成的電流鏡，用于控制為MOS電容充電的電流大?。缓?或，放電電路可以包括至少一對(duì)由兩個(gè)MOS器件構(gòu)成的電流鏡，用于控制為MOS電容放電的電流大小。

下面結(jié)合圖1的示例說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例的神經(jīng)元突觸電路的具體實(shí)施。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解，圖1所示的具體電路結(jié)構(gòu)僅為實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型實(shí)施例神經(jīng)元突觸電路的一個(gè)具體實(shí)例，在具體實(shí)施時(shí)完全可以將電路中的部分或全部結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行變形，例如可以通過(guò)增加或增少晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)相同的功能，進(jìn)一步的，比如對(duì)于充電電路或放電電路中的電流鏡、或MOS電容進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的重新設(shè)計(jì)，而保持電路的實(shí)現(xiàn)原理相同。

如圖1所示，本例的神經(jīng)元突觸電路由MOS器件組成，其中的充電電路包括：第一MOS器件M1、第二MOS器件M2、第三MOS器件M3、第四MOS器件M4和第五MOS器件M5；放電電路包括：第六MOS器件M6、第七M(jìn)OS器件M7、第八MOS器件M8、第九MOS器件M9和第十MOS器件M10；這些MOS器件均工作在亞閾值區(qū)域，以降低導(dǎo)通電流和工作電壓。

其中第一MOS器件M1、第四MOS器件M4、第五MOS器件M5、第八MOS器件M8和第九MOS器件M9為PMOS器件，在低電平時(shí)導(dǎo)通；第二MOS器件M2、第三MOS器件M3、第六MOS器件M6、第七M(jìn)OS器件M7和第十MOS器件M10為NMOS器件，在高電平時(shí)導(dǎo)通；

第一MOS器件M1源極接入輸入電壓VDD，并分別連接第四MOS器件M4源極和第八MOS器件M8源極；第一MOS器件M1漏極連接第二MOS器件M2漏極，并與第一MOS器件M1柵極短接；第一MOS器件M1柵極還連接第四MOS器件M4柵極；在具體的實(shí)例中輸入電壓VDD可以采用超低壓直流供電，進(jìn)一步使神經(jīng)元突觸電路實(shí)現(xiàn)低功耗，高集成度等優(yōu)點(diǎn)。例如該神經(jīng)元突觸電路可以在超低壓(0.6V)供電的情況下，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元之間的STDP傳導(dǎo)機(jī)制。

第二MOS器件M2源極連接第三MOS器件M3漏極；第二MOS器件M2柵極接入突觸前神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖序列Vpre，并連接第六MOS器件M6柵極；

第三MOS器件M3柵極接入用于確定充電電路靜態(tài)工作電流的第一電壓Vd；第三MOS器件M3源極接地，并分別連接第七M(jìn)OS器件M7源極和第十MOS器件M10源極；

第四MOS器件M4源極還連接第八MOS器件M8源極；第四MOS器件M4漏極連接第五MOS器件M5源極；

第五MOS器件M5柵極接入突觸后神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖序列Vpost，并連接第九MOS器件M9柵極；第五MOS器件M5漏極輸出模擬電壓Vw，并分別連接第六MOS器件M6漏極和形成MOS電容的NMOS器件柵極；

第六MOS器件M6源極連接第七M(jìn)OS器件M7漏極；

第七M(jìn)OS器件M7漏極與第七M(jìn)OS器件M7柵極短接；第七M(jìn)OS器件M7柵極還連接第十MOS器件M10柵極；第七M(jìn)OS器件M7源極接地，并連接第十MOS器件M10源極；

第八MOS器件M8源極接入輸入電壓VDD；第八MOS器件M8柵極接入用于確定放電電路靜態(tài)工作電流的第二電壓Vp；第八MOS器件M8漏極連接第九MOS器件M9源極；

第九MOS器件M9漏極連接第十MOS器件M10漏極；

形成MOS電容的NMOS器件源極與漏極短接，并接地。該MOS電容在圖1中被標(biāo)記為Mcw。

進(jìn)一步的，在本例中，第五MOS器件M5柵極和第九MOS器件M9柵極還可以經(jīng)一反相器IN1接入突觸后神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖序列。該反相器IN1將脈沖序列的低電平變成高電平，高電平變?yōu)榈碗娖健?/p>

模擬電壓Vw決定了突觸權(quán)值的強(qiáng)弱，Vw的大小由突觸前神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖序列和突觸后神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖序列的相對(duì)時(shí)間決定：當(dāng)突觸前神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖序列比突觸后神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖序列先到達(dá)時(shí)(說(shuō)明突觸后神經(jīng)元是在突觸前神經(jīng)元的刺激后產(chǎn)生的活動(dòng)，二者的聯(lián)系應(yīng)加強(qiáng))，神經(jīng)元突觸電路中第一MOS器件M1、第二MOS器件M2、第三MOS器件M3、第四MOS器件M4和第五MOS器件M5工作，突觸前神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖序列經(jīng)第二MOS器件M2產(chǎn)生電流I₁經(jīng)過(guò)第一MOS器件M1、第四MOS器件M4和第五MOS器件M5作用后，轉(zhuǎn)換為電流I_A對(duì)MOS電容Mcw進(jìn)行充電，使Vw升高，即突觸權(quán)值增加；當(dāng)突觸后神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖序列比突觸前神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖序列先到達(dá)(說(shuō)明突觸后神經(jīng)元是在突觸前神經(jīng)元所傳遞的信息到達(dá)之前自身已經(jīng)產(chǎn)生活動(dòng)，二者的聯(lián)系應(yīng)減弱)，此時(shí)神經(jīng)元突觸電路中的第六MOS器件M6、第七M(jìn)OS器件M7、第八MOS器件M8、第九MOS器件M9和第十MOS器件M10工作，突觸后神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖序列經(jīng)過(guò)反相器IN1后經(jīng)第九MOS器件M9產(chǎn)生電流I₂，經(jīng)過(guò)第六MOS器件M6、第七M(jìn)OS器件M7和第十MOS器件M10作用后，轉(zhuǎn)換為I_B對(duì)MOS電容Mcw進(jìn)行放電，使Vw降低，即突觸權(quán)值減小。

第一MOS器件M1和第四MOS器件M4是一對(duì)電流鏡，控制為Mcw充電的電流I_A大小(與I₁呈一定比例)；同理，第七M(jìn)OS器件M7和第十MOS器件M10也是一對(duì)電流鏡，控制為Mcw放電的電流I_B大小(與I₂呈一定比例)。第一電壓Vd和第二電壓Vp分別通過(guò)第三MOS器件M3和第八MOS器件M8確定所在電路靜態(tài)工作電流；突觸前神經(jīng)元和突觸后神經(jīng)元產(chǎn)生的脈沖序列打開(kāi)或關(guān)斷第五MOS器件M5和第六MOS器件M6，使得電流I_A和I_B可以流過(guò)MOS電容Mcw，增加或減小模擬電壓Vw的值。

本實(shí)用新型實(shí)施例還提供一種神經(jīng)元電路，圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例中神經(jīng)元電路的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，該神經(jīng)元電路可以包括：

突觸前神經(jīng)元201，突觸后神經(jīng)元202，上述的神經(jīng)元突觸電路203，電壓電流轉(zhuǎn)換電路204；

突觸前神經(jīng)元201輸出端與神經(jīng)元突觸電路203第一輸入端和電壓電流轉(zhuǎn)換電路204第一輸入端連接；突觸后神經(jīng)元202輸出端與神經(jīng)元突觸電路203第二輸入端連接；神經(jīng)元突觸電路203輸出端與電壓電流轉(zhuǎn)換電路204第二輸入端連接；電壓電流轉(zhuǎn)換電路204輸出端與突觸后神經(jīng)元203輸入端連接；

電壓電流轉(zhuǎn)換電路204用于將神經(jīng)元突觸電路203輸出的模擬電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流刺激注入到突觸后神經(jīng)元202。

如圖2所示，突觸前神經(jīng)元201和突觸后神經(jīng)元202產(chǎn)生的脈沖序列Vpre和Vpost進(jìn)入本實(shí)用新型實(shí)施例的神經(jīng)元突觸電路203。神經(jīng)元突觸電路203將兩個(gè)脈沖序列進(jìn)行比較，將比較后得到的突觸權(quán)值輸出。輸出的突觸權(quán)值經(jīng)過(guò)電壓電流轉(zhuǎn)換電路204后，轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電流刺激注入到突觸后神經(jīng)元202，突觸權(quán)值越大，電流刺激越大，對(duì)突觸后神經(jīng)元203的影響越大，說(shuō)明兩神經(jīng)元的聯(lián)系越緊密；反之則越不緊密。

綜上所述，本實(shí)用新型實(shí)施例采用模擬電路實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元突觸電路，相對(duì)于現(xiàn)有數(shù)字電路方式而言，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用的晶體管數(shù)量少，同時(shí)用晶體管電容來(lái)存儲(chǔ)突觸權(quán)值，可以極大地減小電路所占用的芯片面積，提高集成度；且本實(shí)用新型實(shí)施例的神經(jīng)元突觸電路功耗低，運(yùn)算速度快，能顯著提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算效率；本實(shí)用新型實(shí)施例的神經(jīng)元突觸電路可以將突觸前神經(jīng)元的脈沖與突觸后神經(jīng)元的脈沖進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)基于STDP的神經(jīng)傳導(dǎo)學(xué)習(xí)機(jī)制。本實(shí)用新型實(shí)施例的神經(jīng)元電路，也因采用上述神經(jīng)元突觸電路，減少了電路功耗，提高了集成度。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施例而已，并不用于限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。