基于易失性阈值阻变忆阻器的自适应人工脉冲神经元电路制造技术

本发明专利技术公开了一种基于易失性阈值阻变忆阻器的自适应人工脉冲神经元电路，包括基于易失性阈值阻变忆阻器的LIF电路和自适应控制电路，所述LIF电路由一个易失性阈值阻变忆阻器串联一个读出电阻R1，再并联一个模拟膜电容的电容C1组成；利用易失性阈值阻变忆阻器的动力学行为模拟LIF神经元的泄漏、积累和发放功能，并将所发放脉冲反馈到自适应控制电路，通过提高自适应控制信号来提高膜电容的泄漏电流，对神经元的兴奋性起到抑制作用，形成自适应。与传统CMOS方案的自适应脉冲神经元电路相比，本发明专利技术大幅度降低了硬件开销，对于大规模集成要求具有强时域信息处理能力的脉冲神经网络具有颇大的发展前景。有颇大的发展前景。有颇大的发展前景。

【技术实现步骤摘要】
基于易失性阈值阻变忆阻器的自适应人工脉冲神经元电路


[0001]本专利技术属于新型计算
，涉及自适应人工脉冲神经元电路，具体涉及一种基于易失性阈值阻变忆阻器的可用于神经形态生理信号处理系统的自适应人工脉冲神经元电路。

技术介绍

[0002]生理信号能反映一个人的情绪、心智和身体状态，而利用生理信号检测系统去识别生理信号中的不寻常特征非常有利于协助判断被检测者的健康状态和疾病发作状态。生理信号检测系统主要利用机器学习的方式进行检测。基于传统冯
·
诺依曼计算架构的生理信号检测系统需要在处理器与存储器之间频繁搬运大量的数据，计算速度低且能耗开销大，而借鉴人脑的神经形态计算架构具有高并行度以及事件驱动的计算模式，因此对于实现生理信号检测系统具有速度和能效优势。
[0003]神经元为神经形态计算系统中主要的处理单元。为了让系统能更有效地处理生理信号中大量的时域信息，该系统中的神经网络除了采用一般的泄漏积累发放（LIF）脉冲神经元，还需要引入具有自适应特性的脉冲神经元。传统的自适应脉冲神经元采用CMOS技术，需要大量的晶体管来模拟该神经元的动力学行为。此外，已被报道的自适应脉冲神经元还需要庞大的运放和比较器以及复杂的反馈系统。它们的功耗和面积开销大，不利于集成到便携式医疗设备或高密度大规模的人机界面，因此需要开发低成本的自适应脉冲神经元电路。目前，利用具有神经元动力学行为的单个器件配合低面积开销的反馈控制电路所构建的自适应脉冲神经元还未被报道并且是急切需要的。

技术实现思路

[0004]为了克服上述自适应脉冲神经元成本过高的问题，本专利技术提供了一种基于易失性阈值阻变忆阻器的用于神经形态生理信号检测系统的自适应人工脉冲神经元电路，能透过神经元的脉冲发放对其自身的兴奋性起到抑制作用，进而产生自适应行为，并基于此提高自身的时域信息处理能力。
[0005]本专利技术的基于易失性阈值阻变忆阻器的自适应人工脉冲神经元电路由两个部分构成，第一个部分是基于易失性阈值阻变忆阻器的LIF电路，第二个部分是自适应控制电路。该自适应人工脉冲神经元电路的工作原理是LIF电路接受输入刺激时进行电荷积累，并在达到发放阈值时发放一个电压脉冲，将这个电压脉冲反馈输入自适应控制电路以提高控制电压，被提高的控制电压使得LIF电路中的泄漏电流增加，这样使得LIF电路的电荷积累变得困难，即LIF电路的兴奋性得到抑制，产生自适应行为。
[0006]参见图1，本专利技术的基于易失性阈值阻变忆阻器的自适应人工脉冲神经元电路中，所述LIF电路采用一个易失性阈值阻变忆阻器串联一个读出电阻R1，再并联一个模拟膜电容的电容C1，该忆阻器一端与C1连接的节点为膜电位V
m
节点，另一端与R1连接的节点为输出脉冲V
spike
节点，R1和C1的另一端均接地；所述自适应控制电路由两个NMOS晶体管M1、M3，一个
PMOS晶体管M2，两个电阻R2、R3和一个电容C2组成，其中：电阻R2和NMOS晶体管M1构成一个共源极放大器，即M1的源电极连接地，栅电极为放大器输入，漏电极连接R2并且为放大器输出，R2的另一端连接工作电压V
dd
，放大器的输入连接LIF电路的V
spike
节点，输出连接PMOS晶体管M2的栅电极；M2为电流源，其源电极连接工作电压V
dd
，漏电极连接电阻R3和自适应电容C2，R3和C2为并联关系，一端连接M2的漏电极，另一端连接地；同时，R3、C2和M2漏电极共同连接的节点为自适应控制信号V
g
节点，连接到NMOS晶体管M3的栅电极，用以控制M3的开启状态；M3为LIF电路提供多一条膜电容泄漏路径，其漏电极和源电极分别连接V
m
节点和地。为实现自适应行为，该自适应人工脉冲神经元电路需要满足条件：R3×
C2大于(R1+R)
×
C1，其中R为易失性阈值阻变忆阻器的高阻态电阻值。
[0007]将输入电流I
in
施加在V
m
节点上，电荷在C1上积累，V
m
升高。同时，V
m
节点上的电荷逐渐泄漏至地，一个泄漏路径是由忆阻器和R1串联形成的路径，另一个是当NMOS晶体管M3处于开启状态时其沟道形成的路径。若V
m
达到忆阻器的阈值电压V
th
，忆阻器转变为低阻，C1快速放电，同时V
spike
输出一个电压脉冲。当V
m
降低到忆阻器的保持电压V
hold
，忆阻器回到高阻，脉冲结束。这个脉冲透过反馈连接输入到自适应控制电路里。具体的，该电压脉冲输入到自适应控制电路里由NMOS晶体管M1和电阻R2所组成的共源极放大器，经放大驱动PMOS晶体管M2对自适应电容C2充电，使得自适应控制信号V
g
升高。M3的栅电极由V
g
控制，因此当V
g
升高，M3的源漏泄漏电流增加，基于基尔霍夫电流定律，C1的充电电流减小，使得C1的充电过程变得更难，进而抑制神经元的兴奋性，实现自适应行为。若撤去I
in
，LIF电路停止发放脉冲，回到静息状态，则在自适应控制电路中C2透过电阻R3逐渐放电，V
g
逐渐降低，M3逐渐关断，LIF电路的泄漏通路逐渐回到初始状态，那么神经元的兴奋性也逐渐回到初始状态。
[0008]本专利技术所述易失性阈值阻变忆阻器可以为基于莫特相变的莫特忆阻器、基于金属导电细丝的扩散性忆阻器和基于硫族化物的OTS忆阻器（Ovonic Threshold Switch，双向阈值开关器件）。进一步地，所述莫特忆阻器可以为基于VO2、NbO2等莫特绝缘体材料的器件，所述扩散性忆阻器可以为基于Ag、Cu等活性金属导电细丝的器件，OTS忆阻器可以为基于Se、Te等硫族元素的硫族化物器件。
[0009]本专利技术提供了一种基于易失性阈值阻变忆阻器的自适应人工脉冲神经元电路，利用易失性阈值阻变忆阻器的动力学行为模拟LIF神经元的泄漏、积累和发放功能，并将所发放脉冲反馈到自适应控制电路，通过提高自适应控制信号来提高膜电容的泄漏电流，对神经元的兴奋性起到抑制作用，形成自适应。与传统CMOS方案的自适应脉冲神经元电路相比，本专利技术的基于易失性阈值阻变忆阻器的自适应人工脉冲神经元电路大幅度降低了硬件开销，对于大规模集成要求具有强时域信息处理能力的脉冲神经网络，例如神经形态生理信号检测系统，具有颇大的发展前景。
附图说明
[0010]图1为本专利技术基于易失性阈值阻变忆阻器的用于神经形态生理信号检测系统的自适应脉冲神经元电路图，其中，R、C和M分别表示电阻、电容和晶体管，I
in
为输入电流，V
dd
为供电电压，V
m
为膜电位，V
spike
为输出脉冲电压，V
g
为自适应控制信号。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自适应人工脉冲神经元电路，其特征在于，包括两个部分：第一个部分是基于易失性阈值阻变忆阻器的LIF电路，第二个部分是自适应控制电路；所述LIF电路由一个易失性阈值阻变忆阻器串联一个读出电阻R1，再并联一个模拟膜电容的电容C1组成；LIF电路接受输入刺激时进行电荷积累，并在达到发放阈值时发放一个电压脉冲，将这个电压脉冲反馈输入自适应控制电路以提高控制电压，被提高的控制电压使得LIF电路中的泄漏电流增加，从而使得LIF电路的电荷积累变得困难，即LIF电路的兴奋性得到抑制，产生自适应行为。2.如权利要求1所述的自适应人工脉冲神经元电路，其特征在于，所述易失性阈值阻变忆阻器一端与电容C1连接的节点为膜电位V
m
节点，另一端与电阻R1连接的节点为输出脉冲V
spike
节点，电阻R1和电容C1的另一端均接地；所述自适应控制电路由两个NMOS晶体管M1、M3，一个PMOS晶体管M2，两个电阻R2、R3和一个电容C2组成，其中：电阻R2和NMOS晶体管M1构成一个共源极放大器，即M1的源电极连接地，栅电极为放大器输入，漏电极连接R2并且为放大器输出，R2的另一端连接工作电压V
dd
，放大器的输入连接LIF电路的V
spike
节点，输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨玉超，张柏骏，袁锐，黄如，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：