專利名稱：集成電路裝置及神經(jīng)元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模擬人類神經(jīng)的神經(jīng)元，該神經(jīng)元向從多個輸入端輸入的輸入信號逐一地分配權(quán)重，將相應(yīng)的經(jīng)加權(quán)的輸入信號輸入到運(yùn)算單元并進(jìn)行運(yùn)算，當(dāng)運(yùn)算結(jié)果超過預(yù)定值時，激發(fā)并輸出預(yù)定的輸出信號。本發(fā)明還涉及實(shí)現(xiàn)該神經(jīng)元的集成電路裝置。


圖1是解釋神經(jīng)元概念的示意圖。通過用加權(quán)系數(shù)W1至Wn分別對具有從多個輸入端I1至In輸入的電壓V1至Vn的多個信號加權(quán)，該神經(jīng)元對這些加權(quán)的輸入信號進(jìn)行運(yùn)算，例如，如下的加法運(yùn)算。
θ＝∑ViWi＝V1W1+V2W2+V3W3+...VnWn然后，當(dāng)θ的值超過預(yù)定閾值TH時，輸出具有預(yù)定電壓Vout的輸出信號，該信號在下一階段變成到神經(jīng)元的輸入信號。
圖2是常規(guī)的普通神經(jīng)元的電路圖。在該實(shí)例中，通過用多個固定電阻13-1到13-n替換神經(jīng)鍵，用算術(shù)電路12替換細(xì)胞體，以及用導(dǎo)線或者類似的連接替換樹突與軸突，一個人類的神經(jīng)就被模擬了出來。來自多個輸入端I1至In的輸入信號(電壓值為V1至Vn)由相應(yīng)的固定電阻13-1至13-n的阻值R1至Rn進(jìn)行加權(quán)。相應(yīng)的，多個輸入電壓V1至Vn被轉(zhuǎn)換成幅值為V1/R，V2/R，V3/R，......Vn/R的電流，并且進(jìn)行算術(shù)求和，而后再輸入到例如由比較器等構(gòu)成的算術(shù)電路12。然后，當(dāng)輸入到算術(shù)電路12中的輸入電流之和超過預(yù)定閾值時，從算術(shù)電路12輸出具有預(yù)定電壓Vout的輸出信號，并將該信號提供給下一級的神經(jīng)元作為輸入信號。請注意，有關(guān)算術(shù)電路12的具體結(jié)構(gòu)可以使用除圖2所示的電路配制之外的多種電路。
順便指出，上述的多個神經(jīng)元可以組合在一起，應(yīng)用到例如字符識別和語音識別等一般數(shù)字計(jì)算機(jī)能力較弱的領(lǐng)域。然而，在實(shí)現(xiàn)模擬人類神經(jīng)特征的神經(jīng)元，就是說，逐步加快反應(yīng)的功能，即，例如通過接收重復(fù)多次的相同刺激，使反應(yīng)更加敏銳的情況下，需要根據(jù)輸入(施加)與人體所接收的刺激相對應(yīng)的輸入信號的累加次數(shù)，逐步的修改加權(quán)系數(shù)，并且非易失的方式保持逐步修改的加權(quán)系數(shù)。
作為能夠逐步改變加權(quán)系數(shù)并以非易失方式保持該加權(quán)系數(shù)的神經(jīng)元，日本專利申請公開No.6-21531(1994)中公開了一種已知的發(fā)明，非易失性，并利用采用硫族化合物的可變電阻構(gòu)成起到如圖2所示加權(quán)裝置的功能的電阻硫?qū)倩衔铩?br> 然而，在上述日本專利申請公開No.6-21531(1994)公開的發(fā)明的神經(jīng)元中，盡管可以根據(jù)施加到用作加權(quán)裝置(可變電阻)的硫?qū)倩衔锏拿}沖電壓的幅值來修改加權(quán)系數(shù)，但是其并不能夠根據(jù)脈沖電壓的施加次數(shù)來修改加權(quán)系數(shù)。
其原因在于，硫?qū)倩衔锏淖柚档母淖兪褂靡螂娏鳟a(chǎn)生的焦耳熱所導(dǎo)致的晶態(tài)與非晶態(tài)之間的相位轉(zhuǎn)移，因而施加的脈沖電壓的幅值反映在晶態(tài)區(qū)域與將要形成的非晶態(tài)區(qū)域之間所占的比率上，并將其存貨。然而，在此之前存儲在硫?qū)倩衔镏瞥傻募訖?quán)裝置中的有關(guān)前一輸入脈沖電壓的信息(前一脈沖電壓所形成的晶態(tài)區(qū)域與非晶態(tài)區(qū)域之間所占比率)硫?qū)倩衔锉恍率┘拥拿}沖電壓的信息所覆蓋。換言之，存儲在由硫?qū)倩衔锼瞥傻募訖?quán)裝置中的信息僅與最后一次施加的脈沖電壓相對應(yīng)。
因而，在上述由日本專利申請公開No.6-21531(1994)所公開的發(fā)明的神經(jīng)元中，施加某一輸入信號后的硫?qū)倩衔锏淖柚蹬c再次施加相同輸入電壓后的阻值之間沒有變化。為了簡化該說明，現(xiàn)假定神經(jīng)元有一個輸入。例如，假定施加幅值為3V的脈沖電壓，硫?qū)倩衔锏木B(tài)區(qū)與非晶態(tài)區(qū)之間的占用比率進(jìn)入由施加的幅值為3V的脈沖電壓所產(chǎn)生的狀態(tài)，其阻值由100千歐變?yōu)?0千歐。此后，當(dāng)再次施加幅值為3V的相同脈沖電壓時，硫?qū)倩衔锏木B(tài)區(qū)與非晶態(tài)區(qū)之間占用的比率可進(jìn)入由施加的施加幅值為3V的脈沖電壓所形成的狀態(tài)。因而，即使反復(fù)多次施加幅值為3V的脈沖電壓，硫?qū)倩衔锏淖柚挡粫淖儾⒈３衷?0千歐。
因而，在上述的由日本專利申請公開No.6-21531(1994)所公開的發(fā)明的神經(jīng)元中，當(dāng)反復(fù)輸入相同的輸入信號時，用作加權(quán)裝置的硫?qū)倩衔锏淖柚挡粫淖儭Ｒ蚨?，為了激發(fā)神經(jīng)元，就必須施加一個足以激發(fā)神經(jīng)元的更大幅值的脈沖電壓。因此，這種常規(guī)神經(jīng)元不能夠被連續(xù)施加相同的輸入信號所激發(fā)。因?yàn)樯鲜鲈?，日本專利申請公開No.6-21531(1994)所公開的發(fā)明的神經(jīng)元不能夠通過多次重復(fù)接收相同刺激而模擬反應(yīng)更加敏銳的人類神經(jīng)的功能。
此外，上述日本專利申請公開No.6-21531(1994)的圖22描述了由多個晶體管和使用例如與晶體管的柵極相連的SRAM單元，電容器和浮動?xùn)艠O的加權(quán)裝置構(gòu)成的神經(jīng)元。然而，這樣一個神經(jīng)元存在著加權(quán)裝置在電路上所占面積增加的問題。
此外，為了實(shí)現(xiàn)這樣的神經(jīng)元，本發(fā)明的一個目的是提供包括可變電阻的集成電路裝置，該可變電阻根據(jù)施加的輸入信號的累加次數(shù)改變其阻值，并且能夠以非易失的方式保持其阻值。
本發(fā)明的另一目的是提供包括加權(quán)裝置的神經(jīng)元，使加權(quán)裝置在電路上的面積盡可能小。
此外，為了實(shí)現(xiàn)這樣的神經(jīng)元，本發(fā)明的一個目的是提供包括可變電阻的集成電路裝置，該可變電阻根據(jù)施加的輸入信號的累加次數(shù)改變其阻值，并且以非易失的方式保持其阻值。
本發(fā)明的集成電路裝置的特征在于包括由根據(jù)施加的脈沖電壓的累加次數(shù)改變其阻值，并以非易失的方式保持其阻值的材料制成的可變電阻；運(yùn)算裝置，用于根據(jù)可變電阻轉(zhuǎn)換的輸入信號進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，并且當(dāng)運(yùn)算結(jié)果超過預(yù)定值時輸出預(yù)定輸出信號。
此外，本發(fā)明的神經(jīng)元的特征在于包括由根據(jù)施加的脈沖電壓的累加次數(shù)改變加權(quán)系數(shù)，并以非易失的方式保持該加權(quán)系數(shù)的材料制成的可變電阻構(gòu)成的加權(quán)；運(yùn)算裝置，用于根據(jù)由加權(quán)裝置加權(quán)的輸入信號進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，并且當(dāng)運(yùn)算結(jié)果超過預(yù)定值時通過激發(fā)來輸出預(yù)定輸出信號。
在本發(fā)明的集成電路裝置和神經(jīng)元中，可變電阻(加權(quán)裝置)根據(jù)施加的脈沖電壓的累加次數(shù)改變其阻值(加權(quán)系數(shù))，并且以非易失的方式保持其阻值(加權(quán)系數(shù))。因而，運(yùn)算裝置根據(jù)每個可變電阻(加權(quán)裝置)轉(zhuǎn)換的輸入信號進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，并且當(dāng)運(yùn)算結(jié)果超過預(yù)定值時輸出預(yù)定的輸出信號，而每個可變電阻(加權(quán)裝置)即使在電源被切斷后依然保持其阻值。
此外，本發(fā)明中的集成電路裝置和神經(jīng)元的特征在于該材料是具有至少包含錳的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物。
在本發(fā)明中的集成電路裝置和神經(jīng)元中，由具有至少包含錳的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物制成的可變電阻(加權(quán)裝置)根據(jù)施加脈沖電壓的累加次數(shù)改變其阻值(加權(quán)系數(shù))，并且以非易失的方式保持其阻值。
此外，本發(fā)明的集成電路裝置和神經(jīng)元的特征在于具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物的表示為Pr(1-x)CaxMnO3，La(1-x)CaxMnO3，或者La(1-x-y)CaxPbyMnO3(其中x＜1，y＜1，x+y＜1)中的任何一種材料。
在本發(fā)明的集成電路裝置和神經(jīng)元中，可變電阻(加權(quán)裝置)由分析值為Pr(1-x)CaxMnO3，La(1-x)CaxMnO3，或者La(1-x-y)CaxPbyMnO3(其中x＜1，y＜1，x+y＜1)的氧化物制成，該可變電阻(加權(quán)裝置)根據(jù)施加的脈沖電壓的累加次數(shù)改變其阻值(加權(quán)系數(shù))，并且以非易失的方式保持其阻值。
此外，本發(fā)明的集成電路裝置和神經(jīng)元的特征在于具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物是表示為Pr0.7Ca0.3MnO3，La0.65Ca0.35MnO3，或者La0.65Ca0.175Pb0.175MnO3的任何一種材料。
在本發(fā)明的集成電路裝置和神經(jīng)元中，由表示為Pr0.7Ca0.3MnO3，La0.65Ca0.35MnO3，或者La0.65Ca0.175Pb0.175MnO3的任何一種材料制成可變電阻(加權(quán)裝置)根據(jù)施加的脈沖電壓的累加次數(shù)改變其阻值(加權(quán)系數(shù))，并且以非易失的方式保持其阻值。
此外，本發(fā)明的集成電路裝置的特征在于可變電阻串聯(lián)在多個輸入端中的一個或每一個與運(yùn)算裝置之間。
此外，本發(fā)明的神經(jīng)元的特征在于加權(quán)裝置串聯(lián)在多個輸入端中的一個或每一個與運(yùn)算裝置之間。
在本發(fā)明的集成電路裝置和神經(jīng)元中，可變電阻串聯(lián)在多個輸入端中的一個或每一個與運(yùn)算裝置之間。因而，當(dāng)負(fù)脈沖電壓首先施加到每個可變電阻(加權(quán)裝置)，并且此后進(jìn)一步施加具有與第一輸入脈沖相同極性的脈沖電壓以便預(yù)先增大阻值(加權(quán)系數(shù))時，然后，當(dāng)重復(fù)施加正輸入脈沖電壓時，可變電阻(加權(quán)裝置)的阻值根據(jù)施加的正輸入脈沖電壓的累加次數(shù)而逐漸減小，因此作為每個可變電阻阻值倒數(shù)的加權(quán)系數(shù)的數(shù)值增大。
此外，本發(fā)明的集成電路裝置的特征在于可變電阻串聯(lián)在多個輸入端中的一個或每一個與地電位之間，并且其特征還在于包括一個串聯(lián)在多個輸入端中的一個或者每一個與運(yùn)算裝置之間的固定電阻。
此外，本發(fā)明的神經(jīng)元的特征在于加權(quán)裝置串聯(lián)在多個輸入端中一個或者每一個與地電位之間，并且其特征還在于包括一個串聯(lián)在多個輸入端中的一個或者每一個與運(yùn)算裝置之間的固定電阻。
在本發(fā)明的集成電路裝置和神經(jīng)元中，可變電阻串聯(lián)在多個輸入端中的一個或每一個與地電位之間，此外還提供一個串聯(lián)在多個輸入端中的一個或每一個與運(yùn)算裝置之間的固定電阻。因而，隨著每個可變電阻的阻值增大，從每個輸入端到每個固定電阻的輸入電流增大，因此流入到神經(jīng)元的運(yùn)算裝置中的電流也增大。
此外，本發(fā)明的集成電路裝置的特征在于當(dāng)施加與在初始狀態(tài)輸入的脈沖電壓極性相同的脈沖電壓時，可變電阻的阻值增加；而當(dāng)施加與在初始狀態(tài)時輸入的脈沖電壓極性相反的脈沖電壓時，可變電阻的阻值減小。
此外，本發(fā)明的神經(jīng)元的特征在于當(dāng)施加與在初始狀態(tài)輸入的脈沖電壓極性相同的脈沖電壓時，加權(quán)裝置向一個方向改變其加權(quán)系數(shù)；而當(dāng)施加與在初始狀態(tài)時輸入的脈沖電壓極性相反的脈沖電壓時，加權(quán)裝置向相反方向改變其加權(quán)系數(shù)。
在該集成電路裝置和神經(jīng)元中，當(dāng)施加與在初始狀態(tài)輸入的脈沖電壓極性相同的脈沖電壓時，可變電阻的阻值增加；而當(dāng)施加與在初始狀態(tài)輸入的脈沖電壓極性相反的脈沖電壓時，可變電阻的阻值減小。
通過以下的詳細(xì)說明和圖表，可使本發(fā)明上述和進(jìn)一步的目標(biāo)和特征更加明顯。
圖11是表示本發(fā)明實(shí)施例的一個實(shí)例的神經(jīng)元的運(yùn)算單元的電路圖；和圖12是表示本發(fā)明實(shí)施例的一個實(shí)例的神經(jīng)元的運(yùn)算單元的電路圖。
應(yīng)指出，作為神經(jīng)元的加權(quán)裝置，也就是本發(fā)明的集成電路裝置的可變電阻，本發(fā)明使用由具有錳的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物，例如Pr0.7Ca0.3MnO3薄膜(以下簡稱為PCMO薄膜)構(gòu)成的可變電阻，例如其具有阻值在室溫條件下隨施加的脈沖電壓而變化和非易失性特征，即，即使在切斷電源時保持切斷電源時的電阻的特征，如美國專利No.6,204,139B1中所公開的。
鈣鈦礦結(jié)構(gòu)是最早由Perovskite(CaTiO3)分析的一種晶體結(jié)構(gòu)，并意味著一種作為理想晶格的簡單立方體結(jié)構(gòu)。
圖3是表示施加脈沖電壓引起的本發(fā)明中使用的氧化物薄膜(PCMO薄膜)的電阻變化的曲線。此曲線表明當(dāng)脈沖電壓施加到如前所述的PCMO薄膜時，首先，電阻只根據(jù)脈沖電壓的幅值而成指數(shù)地增加，而與脈沖電壓的極性無關(guān)。在這種情況下，由于阻值的變化是平滑的，因而可以實(shí)現(xiàn)加權(quán)的微小變化。反之，盡管圖3中并沒有示除，但當(dāng)施加與最初施加的脈沖電壓極性相反的脈沖電壓時，PCMO薄膜的阻值會減小。
圖4A和圖4B是表示施加短時間脈沖電壓引起的本發(fā)明中使用的氧化物薄膜(PCMO膜)的阻值變化的曲線，圖4A表示施加正脈沖時的阻值變化，圖4B表示施加負(fù)脈沖時的阻值變化。
更具體地說，如上所述的PCMO薄膜的電阻相對于具有短脈沖寬度(10-9秒量級)的脈沖電壓的變化如圖4A和圖4B的曲線所示。根據(jù)圖3的曲線所示的特性可以理解，阻值根據(jù)脈沖電壓的幅值而增大，相反，在圖4A的曲線中，阻值根據(jù)施加與最初施加的脈沖相同極性(正極性)的脈沖電壓(+3V到+5V)的累加次數(shù)而增大。
此外，如圖4B的曲線所示，當(dāng)加載與最初施加的脈沖電壓具有相反極性(負(fù)極性)的脈沖電壓(-3V到-5V)時，PCMO薄膜的阻值將根據(jù)加載脈沖電壓的累加次數(shù)而減小。通過使用可變電阻作為加權(quán)裝置，利用其根據(jù)施加的脈沖電壓的累加次數(shù)改變其阻值的特性，則能夠通過反復(fù)接收相同刺激實(shí)現(xiàn)更迅速地響應(yīng)，換句話說，通過學(xué)習(xí)更敏感地響應(yīng)的人類神經(jīng)的功能。
除了上述特點(diǎn)外，對于具有包含錳的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物薄膜，例如上面提到的PCMO的固有的非易失特性，即使在電源被切斷后其阻值保持不變，也就是說，即使在電源被切斷后加權(quán)裝置的加權(quán)系數(shù)被存儲。此外，如后面描述的，因?yàn)橐粋€單獨(dú)的加權(quán)裝置可以由一個如上所述的氧化物薄膜制成的可變電阻，或者由一個可變電阻和一個固定電阻所實(shí)現(xiàn)，功能實(shí)現(xiàn)減小單獨(dú)的加權(quán)裝置所占的面積，因而能夠明顯減小神經(jīng)元的整個面積。
圖5是表示由如前所述的氧化物薄膜制成的非易失性可變電阻結(jié)構(gòu)的一個實(shí)例的示意圖。制造圖5所示的非易失性可變電阻的方法如下首先，把作為單晶絕緣體的SiO2薄膜或者LaAlO3薄膜制成的絕緣薄膜2沉積在硅晶片1之上。由材料是鉑，銥，鈦或者導(dǎo)電氧化物YbaCu3O7的底電極3沉積在該絕緣薄膜2之上。此外，在底電極3上，通過MOCVD法，旋轉(zhuǎn)涂布法，激光燒蝕方式，濺射法沉積錳氧化物薄膜4，該薄膜是由其分析值表示為Pr(1-x)CaxMnO3，La(1-x)CaxMnO3，或者La(1-x-y)CaxPbyMnO3(其中x＜1，y＜1，x+y＜1)，例如Pr0.7Ca0.3MnO3，La0.65Ca0.35MnO3，和La0.65Ca0.175Pb0.175MnO3的任何一種材料制成的。此外，氣相沉積鉑Pt作為該錳氧化物薄膜4上的上電極5。為了與導(dǎo)線相接觸，需要Au，Ag，Pt或者例如IrO2之類的導(dǎo)電氧化物。
應(yīng)指出，在圖5所示的實(shí)例中，用SiO2薄膜作為絕緣薄膜2，用具有Ti作為基片的Pt作為下電極3，用PCMO(Pr0.7Ca0.3MnO3)作為錳氧化物薄膜4，用Pt作為上電極5。此外，圖5中所示的非易失性可變電阻的尺寸為直徑200微米的圓，其厚度大約為3000埃，因而，此電阻在電路中所占的面積非常之小。
隨后，下面的描述參照圖6所示的電路圖說明本發(fā)明的集成電路裝置，即神經(jīng)元的電路配置，圖6示出了該電路配置的基本結(jié)構(gòu)的實(shí)例。
形成非易失性可變電阻11-1到11-n(其阻值分別為R1到Rn)具有使用隨著在室溫施加脈沖電壓而表現(xiàn)出電阻變化的薄膜材料，即包含錳的鈣鈦礦氧化物，例如美國專利No.6,204,139B1中所公開的Pr0.7Ca0.3MnO3(PCMO)作為圖5所示的錳氧化物薄膜4的結(jié)構(gòu)。通過使用非易失性可變電阻11-1到11-n，能夠根據(jù)加載脈沖電壓的累加次數(shù)改變阻值R1到Rn。
在圖6中，由虛線所包圍的用參考標(biāo)號12表示的部分是與神經(jīng)元的細(xì)胞體相對應(yīng)的運(yùn)算單元。對于該運(yùn)算單元的電路，例如，采用文獻(xiàn)《模擬VLSL與神經(jīng)系統(tǒng)》(Carver Mead著)中所描述的電路。更具體地說，運(yùn)算單元12的電路包括包含兩個電容14-1和14-2的電容分壓電路；放大器121；包含兩個晶體管Ma和Mb的復(fù)位電路，并實(shí)現(xiàn)由神經(jīng)元中的軸突丘產(chǎn)生神經(jīng)脈沖以及通過電子電路返回原始狀態(tài)的功能。其它神經(jīng)元(前一級中)的輸出作為輸入信號經(jīng)過非易失性可變電阻11-1到11-n從輸入端I1至In(輸入信號的電壓值分別為V1至Vn)輸入到運(yùn)算單元12。這些輸入信號與其它神經(jīng)元的神經(jīng)鍵以及軸突相對應(yīng)。
在圖6所示的本發(fā)明的神經(jīng)元中，首先，預(yù)先把負(fù)脈沖電壓施加到作為加權(quán)裝置的每個非易失性可變電阻11-1至11-n，然后進(jìn)一步施加與第一次的輸入脈沖具有相同極性的脈沖電壓，以便預(yù)先增大阻值。在隨后的輸入過程中，從輸入端I1至In分別向非易失性可變電阻11-1至11-n施加正輸入電壓V1至Vn，而后通過非易失性可變電阻11-1至11-n對電流進(jìn)行算術(shù)相加，并流入運(yùn)算單元12。此時的電流之和I可以表達(dá)為下列的方程式I＝∑Vi/Ri＝V1/R1+V2/R2+V3/R3+...Vn/Rn然而，在此實(shí)例中，通過反復(fù)加載正輸入脈沖電壓，非易失性可變電阻11-1至11-n的阻值R1至Rn根據(jù)施加的累加次數(shù)逐步減小，因而加權(quán)系數(shù)W1至Wn的數(shù)值同時增大，加權(quán)系數(shù)W1至Wn的數(shù)值是非易失性可變電阻11-1至11-n的阻值R1至Rn的倒數(shù)。應(yīng)指出，圖1中所示的物理量θ與電流值I相關(guān)，加權(quán)系數(shù)W1至Wn與1/R1到1/Rn相關(guān)，因而圖6中所示的電路與作為現(xiàn)有技術(shù)實(shí)例的圖1中所示的電路實(shí)質(zhì)上是等價的。
順便指出，構(gòu)成每個非易失性可變電阻11-1至11-n的PCMO具有以下的特性當(dāng)?shù)谝淮问┘右粋€脈沖電壓時，其電阻的增大與脈沖電壓的極性無關(guān)，其后，當(dāng)再次施加一個與初始輸入脈沖具有相同極性的脈沖電壓時，其阻值增大；但是當(dāng)再施加與初始輸入脈沖具有相反極性的脈沖電壓時，其阻值減小。此外，非易失性可變電阻11-1至11-n還具有在增大其阻值時比減小其阻值時更容易控制的特性。因此，隨著非易失性可變電阻11-1到11-n的數(shù)目增多，從簡化控制的角度來看，采用通過增大加權(quán)裝置的加權(quán)系數(shù)而增大輸入電流的電路設(shè)計(jì)，就能夠?qū)崿F(xiàn)非常容易使用的神經(jīng)元。
為此，如圖7中的電路圖所示，將非易失性可變電阻11-1至11-n串聯(lián)在相應(yīng)的輸入端I1至In與地電位之間，同時將固定電阻13-1至13-n串聯(lián)在相應(yīng)的輸入端I1至In與運(yùn)算單元12之間是有效的，從而通過固定電阻13-1至13-n將輸入脈沖電壓輸入到運(yùn)算單元12中。隨著非易失性可變電阻11-1至11-n的阻值R1至Rn的增大，從輸入端I1至In流入固定電阻13-1至13-n的輸入電流將增大，因而流入到神經(jīng)元的運(yùn)算單元12中的電流也將增大。
由于上述原因，在圖7中所示的神經(jīng)元中，不需要象圖6所示的神經(jīng)元那樣預(yù)先增大每個非易失性可變電阻11-1至11-n的阻值，此外，一個優(yōu)點(diǎn)是可根據(jù)使用神經(jīng)元的目的預(yù)先設(shè)定每個固定電阻13-1至13-n的阻值。
圖6與圖7中所示的每個神經(jīng)元中的運(yùn)算單元12的工作原理如下。應(yīng)指出，運(yùn)算單元12包括電容器14-1(電容C1)，其一端共同連接到每個非易失性可變電阻11-1至11-n的輸出端，或者每個固定電阻13-1至13-n的輸出端，另一端與地電位相連；輸入端與電容器14-1的一端相連的放大器121；電容器14-2(電容C2)，其一端與放大器121的輸出端相連，另一端與放大器121的輸入端相連以形成反饋回路；串聯(lián)在放大器121輸入端與地電位地之間的晶體管Ma與Mb。此外，放大器121的輸出端與晶體管Ma的柵極相連，與下一級相連的神經(jīng)元的輸出Vback與晶體管Mb的柵極相連。
當(dāng)?shù)竭\(yùn)算單元12的輸入電流流入電容器14-1并進(jìn)行電量累積時，電容器14-1的一端(放大器121的輸入端)的電位Vin增高。在電位Vin相對較低的周期中，放大器121的增益不超過1，因而通過電容器14-2的正反饋基本上不起作用，電位Vin的增高相對較為緩慢。然而，當(dāng)Vin增高到一定值時，放大器121的增益將顯著增大，因而，作為放大器121的輸出端電位Vout的增長量C2/(C1+C2)的量值將經(jīng)電容器14-2通過正反饋來反饋到放大器121的輸入端。相應(yīng)地，放大器121的輸出信號，也就是運(yùn)算單元12的輸出信號的電壓Vout，突然增大到電源電壓VDD。這一過程對應(yīng)于激發(fā)神經(jīng)元。
在一個實(shí)際的神經(jīng)元中，軸突丘的正反饋由取決于電壓的鈉通道(sodium channel)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)細(xì)胞體內(nèi)的電位增高時，鈉通道開啟，鈉電流增大，從而使細(xì)胞質(zhì)具有相對鈉的反轉(zhuǎn)電位(55mV)更高的正電位。換言之，通過電容器14-2的正反饋通過神經(jīng)元中的鈉通道執(zhí)行正反饋的功能。另一方面，電容器14-1實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞膜的功能。
在復(fù)位電路中，當(dāng)放大器121的輸出端電位Vout和與連接到下一級的神經(jīng)元的輸出電位Vback都變得足夠高時，把此兩者作為其柵極輸入的晶體管Ma和Mb同時導(dǎo)通，然后，電容器14-1中所存儲的電荷流入到電位地，從而復(fù)位運(yùn)算單元12。因此，穩(wěn)定了每個神經(jīng)元的輸出，而且當(dāng)此輸出激發(fā)了下一級的神經(jīng)元后每個神經(jīng)元都將被復(fù)位。
上述神經(jīng)元的復(fù)位操作與人類神經(jīng)元鉀通道的功能類似。盡管鉀通道的數(shù)量大于鈉通道，但鉀通道使改變細(xì)胞質(zhì)電位的反應(yīng)能力較弱，而且當(dāng)開啟的鈉通道因通道本身固有的不活潑性而減少時，在鈉通道的功能對神經(jīng)元完全去極化后逐漸增加開啟通道的數(shù)量。當(dāng)開啟的鉀通道的數(shù)量多于開啟的鈉通道時，細(xì)胞質(zhì)將具有相對鉀的反轉(zhuǎn)電位(-92mV)更低的負(fù)電位。當(dāng)細(xì)胞體再次被極化時，開啟的鈉通道數(shù)量迅速減少，鈉電流也隨之減小，細(xì)胞質(zhì)電位進(jìn)一步減少。最終，鉀通道完全關(guān)閉，細(xì)胞體恢復(fù)到能夠被再次激發(fā)的狀態(tài)。
在實(shí)際電路中，由于電容器14-1中存在泄露，當(dāng)來自其它神經(jīng)元的輸入信號，也就是輸入相應(yīng)的輸入端I1至In的輸入信號被切斷時，電容器14-1中的電荷最終將會全部泄露出去。因此，盡管上述的復(fù)位電路不是必要的，但是，如果需要在電容器14-1中的電量全部泄出之前連續(xù)激發(fā)神經(jīng)元，需要準(zhǔn)備電容器14-1中電量的大量泄露。
圖8是表示激發(fā)本發(fā)明的集成電路裝置和神經(jīng)元所需時間的示意曲線。更具體地說，圖8是表示激發(fā)使用具有如上所述的包含錳的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物作為加權(quán)裝置，即可變電阻，的本發(fā)明的神經(jīng)元所需的時間的取消，并且示出了每當(dāng)向本發(fā)明的集成電路裝置和神經(jīng)元的可變電阻(加權(quán)裝置)重復(fù)施加一系列脈沖電壓時，電阻如何變化，換言之，就是流入運(yùn)算單元12的放大器121的電流電位Vin如何變化。
首先，當(dāng)?shù)谝淮沃貜?fù)加載一系列脈沖電壓時，電壓Vin增高得速度相對較為緩慢，當(dāng)電位Vin達(dá)到放大器121的閥值TH時，在定時t1發(fā)生激發(fā)。其后，當(dāng)運(yùn)算單元12復(fù)位一次，并第二次重復(fù)施加一系列脈沖電壓時，電位Vin增高的速度相對第一次略微加快。其原因是每個非易失性可變電阻11-1至11-n的阻值在一系列脈沖電壓第一次重復(fù)加載時就已經(jīng)改變，而且其阻值以非易失的方式被保持，因而電容器14-1的電荷積累比第一次加載時更為迅速。因此，當(dāng)一系列脈沖電壓第二次重復(fù)加載時，激發(fā)時間t2比第一次施加的時間t1短。另外，當(dāng)與上面相同的方式第三次重復(fù)施加一系列脈沖電壓時，其激發(fā)時間比t2短的t3。
因此，激發(fā)定時變得逐漸加快的事實(shí)意味著本發(fā)明的神經(jīng)元能夠隨著相同信號的施加次數(shù)的增加而反應(yīng)更加敏銳，也就意味著所實(shí)現(xiàn)的神經(jīng)元更加類似于人類的神經(jīng)。
應(yīng)指出，在使用由硫?qū)倩衔锼瞥傻某Ｒ?guī)可變電阻作為加權(quán)裝置的情況下，即使相同的輸入信號被重復(fù)加載，可變電阻的阻值也不會改變，因而激發(fā)時間也不改變。而且，對于使用由硫?qū)倩衔镏瞥傻某Ｒ?guī)可變電阻的加權(quán)裝置，除非施加具有至少t3周期的脈沖寬度的輸入脈沖電壓，否則不發(fā)生激發(fā)。與此相反，在本發(fā)明中，即使輸入脈沖電壓的脈沖寬度小于t3，在重復(fù)加載此脈沖電壓時，也能夠最終形成激發(fā)。其原因在于可變電阻的阻值會因脈沖電壓的重復(fù)加載而逐漸減小，因而輸入脈沖將肯定會具有激發(fā)所需要的脈沖寬度。
順便指出，關(guān)于運(yùn)算單元12，特別是放大器121，可以有許多種可能的實(shí)施例，其中最簡單的結(jié)構(gòu)就是如圖9中所示的串聯(lián)的兩個倒相器22和23。然而，當(dāng)輸入信號依然存在，而通過激發(fā)由晶體管Ma和Mb構(gòu)成的復(fù)位電路進(jìn)行復(fù)位操作時，輸出信號有可能存在振蕩。在實(shí)際的神經(jīng)元中，這一問題并不十分嚴(yán)重，因?yàn)閷?shí)際的神經(jīng)元不可能以電子電路那么快的時鐘工作，因此通常有足夠的時間衰減到神經(jīng)鍵的輸入。然而，在由半導(dǎo)體材料所實(shí)現(xiàn)并高速工作的神經(jīng)元中，就需要充分考慮輸出信號的振蕩問題。
為了防止神經(jīng)元中輸出信號的這種振蕩，可以采取以下一些措施，例如把神經(jīng)元的輸出連接到足夠靠后的級，代替下一級的神經(jīng)元，作為到復(fù)位電路的晶體管Mb的柵極的輸入Vback；充分改善復(fù)位電路晶體管的驅(qū)動性能；在把導(dǎo)通晶體管(pass transistor)連接到每個神經(jīng)元的輸出端，以便對到下一級的輸入進(jìn)行時鐘控制。
在放大器121的另一個實(shí)施例中，可以使用如圖10的電路圖所示的電平移位器24。在使用如圖10的電路圖所示的電平移位器24的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)振蕩產(chǎn)生時，振蕩頻率比包括如圖9的電路圖所示的兩個串聯(lián)倒相器的結(jié)構(gòu)的長。因而，即使在振蕩產(chǎn)生時，如果振蕩產(chǎn)生于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，通常情況是在到達(dá)振蕩的峰值前來自前一級的輸入信號已經(jīng)衰減，或者復(fù)位操作已經(jīng)完成，因此就有很大把握防止電路的失控。然而，如圖10所示，由于作為放大器121的電平移位器24的晶體管數(shù)目增加到6個，就有可能消除加權(quán)裝置所占面積小的優(yōu)點(diǎn)。
另一方面，如圖11的電路圖所示，當(dāng)使用微分放大器25作為放大器121時，能夠通過改變參考電位VREF而改變神經(jīng)元的輸出的閥值能夠。在這種情況下，當(dāng)VREF增大時，神經(jīng)元輸出信號的閥值也隨之增大，提供輸出信號前所小需的電流值也增大，因而該神經(jīng)元本身的將向不活躍方向轉(zhuǎn)變。
上述神經(jīng)元的功能，如果從外部來看，盡管并不完全等同于神經(jīng)元氯通道的功能，但是兩者非常相似。因?yàn)槁韧ǖ谰哂性诓桓淖兗?xì)胞質(zhì)電位的情況下，增大細(xì)胞膜電導(dǎo)率的功能，所以鈉和鉀對細(xì)胞膜的影響減小。因此，神經(jīng)元對來自神經(jīng)鍵的輸入的反應(yīng)變?nèi)酢?br> 因?yàn)閳D11的電路圖中所示的微分放大器通常不具備足夠的放大能力，往往通過安裝如圖12的電路圖所示的倒相器26來改善輸入/輸出特性。
如前面所詳述的，根據(jù)本發(fā)明的集成電路裝置和神經(jīng)元，通過形成使用氧化物薄膜的可變電阻，該氧化物薄膜具有根據(jù)在室溫施加脈沖電壓的累加次數(shù)而改變其阻值，并能夠以非易失的方式保持其阻值，具體地說，是具有包含錳的的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物，能夠象常規(guī)神經(jīng)元那樣根據(jù)脈沖電壓的幅值改變加權(quán)，也能夠根據(jù)以往輸入的脈沖電壓的累加次數(shù)改變加權(quán)，從而實(shí)現(xiàn)更類似于人類神經(jīng)元的神經(jīng)元。
此外，如圖8所示，在本發(fā)明的神經(jīng)元中，每當(dāng)重復(fù)施加一系列脈沖電壓時，流入運(yùn)算單元的電流的電壓Vin更迅速地變高，因此激發(fā)時間也逐漸加快。更快的激發(fā)時間意味著當(dāng)相同信號重復(fù)施加的次數(shù)增大時，神經(jīng)元反應(yīng)更加敏銳，因而實(shí)現(xiàn)更類似于人類神經(jīng)元的神經(jīng)元。
此外，根據(jù)本發(fā)明中的集成電路裝置和神經(jīng)元，通過為加權(quán)裝置使用固定電阻和非易失性可變電阻的組合，能夠利用非易失性可變電阻的特性，就是說，在增大阻值時更容易控制，并消除了事先增大非易失性可變電阻的阻值的需要。因此能夠根據(jù)使用神經(jīng)元電路的目的事先設(shè)置固定電阻的阻值。
此外，根據(jù)本發(fā)明的集成電路裝置和神經(jīng)元，加權(quán)裝置在電路所占的面積可以相當(dāng)小。
在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)特性的精神下以幾種形成體現(xiàn)了本發(fā)明，由于本發(fā)明的范圍將由所附的權(quán)利要求書而非此前的描述所界定，所以本實(shí)施例是說明性和非限制性的。所有在權(quán)利要求邊界和范圍內(nèi)，或者等同的邊界和范圍內(nèi)的改動，都將被視為包含在權(quán)利要求之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種集成電路裝置，其特征在于包括由根據(jù)施加的脈沖電壓的累加次數(shù)改變其電阻，并以非易失的方式保持該電阻的材料制成的可變電阻(11-1；11-2；11-3；...)；運(yùn)算裝置，用于根據(jù)由所述可變電阻(11-1 ； 11-2；11-3；...)轉(zhuǎn)換的輸入信號進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，并且當(dāng)運(yùn)算結(jié)果超過預(yù)定值時輸出預(yù)定輸出信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成電路裝置，其特征在于所述材料是具有至少包含錳的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成電路裝置，其特征在于具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的所述氧化物是表示為Pr(1-x)CaxMnO3，La(1-x)CaxMnO3，或者La(1-x-y)CaxPbyMnO3(其中x＜1，y＜1，x+y＜1)中的任何一種材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的集成電路裝置，其特征在于所述可變電阻(11-1；11-2；11-3；...)串聯(lián)在多個輸入端(I1；I2；I3；...)中的一個或每一個與所述運(yùn)算裝置(12)之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的集成電路裝置，其特征在于所述可變電阻(11-1；11-2；11-3；...)串聯(lián)在多個輸入端(I1；I2；I3；...)中的一個或每一個與地電位之間，和進(jìn)一步包括串聯(lián)在多個輸入端(I1；I2；I3；...)中的一個或每一個與所述運(yùn)算裝置(12)之間的固定電阻(13-1；13-2；13-3；...)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成電路裝置，其特征在于具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的所述氧化物是表示為Pr0.7Ca0.3MnO3，La0.65Ca0.35MnO3，或者La0.65Ca0.175Pb0.175MnO3中的任何一種材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的集成電路裝置，其特征在于所述可變電阻(11-1；11-2；11-3；...)串聯(lián)在多個輸入端(I1；I2；I3；...)中的一個或每一個與所述運(yùn)算裝置(12)之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的集成電路裝置，其特征在于所述可變電阻(11-1；11-2；11-3；...)串聯(lián)在多個輸入端(I1；I2；I3；...)中的一個或每一個與地電位之間，和進(jìn)一步包括串聯(lián)在多個輸入端(I1；I2；I3；...)中的一個或每一個與所述運(yùn)算裝置(12)之間的固定電阻(13-1；13-2；13-3；...)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任何一項(xiàng)所述的集成電路裝置，其特征在于當(dāng)施加與最初狀態(tài)中輸入的脈沖電壓具有相同極性的脈沖電壓時，所述可變電阻增加其電阻，而當(dāng)施加與最初狀態(tài)中輸入的脈沖電壓具有相反極性的脈沖電壓時，所述可變電阻(11-1；11-2；11-3；...)降低其電阻。
10.一種神經(jīng)元，其特征在于包括由根據(jù)施加的脈沖電壓的累加次數(shù)改變加權(quán)系數(shù)，并以非易失的方式保持該加權(quán)系數(shù)的材料制成的可變電阻(11-1；11-2；11-3；...)構(gòu)成的加權(quán)裝置；運(yùn)算裝置(12)，用于根據(jù)由所述加權(quán)裝置加權(quán)的輸入信號進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，并且當(dāng)運(yùn)算結(jié)果超過預(yù)定值時通過激發(fā)來輸出預(yù)定輸出信號。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的神經(jīng)元，其特征在于所述材料是具有至少包含錳的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的神經(jīng)元，其特征在于具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的所述氧化物是表示為Pr(1-x)CaxMnO3，La(1-x)CaxMnO3，或者La(1-x-y)CaxPbyMnO3(其中x＜1，y＜1，x+y＜1)中的任何一種材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的神經(jīng)元，其特征在于所述加權(quán)裝置串聯(lián)在多個輸入端(I1；I2；I3；...)中的一個或每一個與所述運(yùn)算裝置(12)之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的神經(jīng)元，其特征在于所述加權(quán)裝置串聯(lián)在多個輸入端(I1；I2；I3；...)中的一個或每一個與地電位之間，和進(jìn)一步包括串聯(lián)在多個輸入端(I1；I2；I3；...)中的一個或每一個與所述運(yùn)算裝置(12)之間的固定電阻(13-1；13-2；1 3-3；...)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的神經(jīng)元，其特征在于具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的所述氧化物是表示為Pr07Ca0.3MnO3，La0.65Ca0.35MnO3，或者La0.65Ca0.175Pb0.175MnO3中的任何一種材料。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的神經(jīng)元，其特征在于所述加權(quán)裝置串聯(lián)在多個輸入端(I1；I2；I3；...)中的一個或每一個與所述運(yùn)算裝置(12)之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的神經(jīng)元，其特征在于所述加權(quán)裝置串聯(lián)在多個輸入端(I1；I2；I3；...)中的一個或每一個與地電位之間，和進(jìn)一步包括串聯(lián)在多個輸入端(I1；I2；I3；...)中的一個或每一個與所述運(yùn)算裝置(12)之間的固定電阻(13-1；13-2；13-3；...)。
18.根據(jù)權(quán)利要求10至17中的任何一項(xiàng)所述的神經(jīng)元，其特征在于當(dāng)施加與最初狀態(tài)中輸入的脈沖電壓具有相同極性的脈沖電壓時，所述加權(quán)裝置在一個方向改變加權(quán)系數(shù)，而當(dāng)施加與最初狀態(tài)中輸入的脈沖電壓具有相反極性的脈沖電壓時，所述加權(quán)裝置在相反方向改變加權(quán)系數(shù)。
全文摘要
由可變電阻11－1至11－n構(gòu)成的加權(quán)裝置對輸入信號進(jìn)行加權(quán)，每個可變電阻由具有包含錳的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物制成，該材料在室溫下根據(jù)施加的脈沖電壓的累加次數(shù)改變其阻值，并且能夠以非易失性方式保持其阻值。然后，加權(quán)后的信號輸入到運(yùn)算單元12。作為每個可變電阻11－1至11－n的氧化物薄膜根據(jù)施加的脈沖電壓的累加次數(shù)改變其阻值，并且在電源被切斷后也能夠以非易失性方式保持其阻值。因而，通過根據(jù)施加的脈沖電壓的累加次數(shù)改變加權(quán)系數(shù)，就能夠?qū)崿F(xiàn)更加類似于人類神經(jīng)的神經(jīng)元。
文檔編號G11C13/00GK1447457SQ0310829
公開日2003年10月8日 申請日期2003年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月27日
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