合成和激发电子神经元制造技术

公开了一种合成和激发电子神经元。响应于接收外部尖峰信号，基于外部尖峰信号来更新电子神经元的数字膜电势。基于泄漏速率来衰减膜的电势。响应于膜的电势超过阈值而生成尖峰信号。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及神经运动和突触(synaptronic)系统，并且更具体地，涉及以依赖于尖峰定时的塑性为基础的神经运动和突触系统。
技术介绍
生物系统对通过它们的感测输入所提供的信息施加命令。这一信息通常来自以如下时空图案的形式，这些时空图案包括具有相异空间和时间结构的局部化事件。这些事件出现于广泛的多种空间和时间标度，而诸如脑部这样的生物系统仍然能够合成它们并且提取相关的多条信息。这样的生物系统可以从有噪声的时空输入中迅速提取信号。在生物系统中，在神经元的轴突与另一神经元上的树突之间的接触点称为突触，并且就突触而言，两个神经元分别称为突触前和突触后。神经元在被经由突触接收的充分输入所激活时发射向以神经元为突触前的那些突触递送的“尖峰”。神经元可以是“兴奋的”或者“抑制的”。突触电导是对突触在突触被突触前尖峰激活时将对它的突触后目标具有的影响数量的度量。突触电导可以按照依赖于尖峰定时的塑性(STDP)根据突触前和突出后神经元的相对尖峰时间随时间改变。如果突触的突触后神经元在它的突触前神经元激发之后激发，则STDP规则增加它的电导，而如果两次激发的顺序颠倒，则STDP规则减少突触的电导。个人体验的本质存储于遍及脑部的数以万亿计的突触的电导中。神经运动和突触系统也称为人工神经网络，它是一种这样的计算系统，其允许电子系统实质上以与生物脑部的方式类似的方式工作。神经运动和突触系统创建在与生物脑部的神经元大致上功能等效的处理元件之间的连接。神经运动和突触系统可以包括关于生物神经元建模的各种电子电路。
技术实现思路
本专利技术的实施方式提供合成和激发电子神经元。在一个实施方式中，响应于接收外部尖峰信号而基于外部尖峰信号来更新代表神经元膜电势的数字计数器。基于泄漏速率来衰减膜电势。响应于膜电势超过阈值而生成尖峰信号。膜电势对应于生物神经元中的膜电势(电压)。在另一实施方式中，提供一种混合模式数模电子神经元，其中响应于接收外部兴奋尖峰信号而使用按位运算将数字膜电势递增一个增量，使得计数器中只有需要改变的位被修改。另外，响应于接收外部抑制尖峰信号而使用按位运算将膜电势递减一个减量，使得计数器中只有需要改变的位被修改。另外，使用模拟电阻器-电容器模型基于时间常数来衰减膜电势。在一个实施方式中，增加膜电势是按照与乘以缩放参数的在时间步进中接收的兴奋尖峰信号的数目相等的增量。在一个示例中，缩放参数被限制为2的倍数，用缩放因子缩放所接收的兴奋尖峰的数目(即，相乘)通过移位运算来执行。在一个实施方式中，减少膜电势的减量等于在时间步进中接收的抑制尖峰的数目与一个缩放因子相乘。缩放参数被限制为2的倍数，使得所接收的抑制尖峰的数目与缩放因子的相乘通过移位运算来执行。在另一实施方式中，提供一种事件驱动的电子神经元，其中在兴奋事件类型出现时，将数字膜电势递增一个兴奋突触强度增量。在抑制事件类型时，将数字膜电势递减一个抑制突触强度减量。在衰减事件类型出现时，按照泄漏强度减量来递减数字膜电势。参照以下描述、所附权利要求和附图将理解本专利技术的这些和其它特征、方面及优点。附图说明图1示出了根据本专利技术一个实施方式的神经运动和突触系统的示图，该系统具有将合成和激发电子神经元互连的纵横阵列；图2A示出了根据本专利技术一个实施方式的线性泄漏合成和激发电子神经元的示例响应图形；图2B示出了根据本专利技术一个实施方式的具有不应期(Refractory Period)的凸衰减合成和激发电子神经元的示例响应图形；图2C示出了根据本专利技术一个实施方式的具有不应期的凸衰减合成和激发以及基于电导的抑制电子神经元的示例响应图形；图3A示出了根据本专利技术一个实施方式的线性泄漏合成和激发(LL-IF)电子神经元的框图；图3B示出了根据本专利技术一个实施方式的具有不应期的凸衰减近似合成和激发(CD-ID w/RP)电子神经元的框图；图3C示出了根据本专利技术一个实施方式的不应期和基于电导的抑制(CD-IF w/RP和CB-I)电子神经元的框图；图3D示出了根据本专利技术一个实施方式的不应期和基于电导的突触(CD-IF w/RP和CB-S)电子神经元的框图；图4示出了根据本专利技术一个实施方式的响应于与图2C中相同的刺激串列的抑制电导值的示例图形；图5示出了根据本专利技术一个实施方式的具有不应期的凸衰减合成和激发以及基于电导的突触电子神经元的示例响应图形；图6A示出了根据本专利技术一个实施方式的响应于与图5中相同的刺激串列的抑制电导值的示例图形；图6B示出了根据本专利技术一个实施方式的响应于与图5中相同的刺激串列的兴奋电导值的示例图形；图7A示出了根据本专利技术一个实施方式的混合模式数模合成和激发电子神经元的示图；图7B示出了根据本专利技术一个实施方式的用于图7A的电子神经元的数字计数器的示图；图8示出了根据本专利技术一个实施方式的用于生成图7A的电子神经元中的衰减事件的机构；图9示出了根据本专利技术一个实施方式的用于图8中的机构的充电速率图形；图10示出了根据本专利技术一个实施方式的用于图8中的机构的放电速率图形；图11示出了根据本专利技术一个实施方式的合成和激发低功率事件驱动的电子神经元和纵横阵列的示图；图12示出了根据本专利技术一个实施方式的图11的合成和激发低功率事件驱动的电子神经元的示图；以及图13示出了用于实现本专利技术一个实施方式的信息处理系统的高级框图。具体实施方式本专利技术的实施方式提供包括合成和激发神经元的神经运动和突触系统。合成和激发电子神经元是一种模拟在生物神经元中发现的合成和尖峰化性质的计算高效机制。这样的电子神经元通过将突触输入合成为膜电势电压变量并且如果膜电势电压超过阈值则产生尖峰和电压复位来操作。本专利技术的实施方式还提供在定制数字电路中的软件仿真中和硬件仿真中可实现的泄漏合成和激发神经元模型，从而支持准确的一对一的软件-硬件对应。现在参照图1，其示出了根据本专利技术一个实施方式的神经运动和突触系统10的示图，该系统具有将合成和激发电子神经元互连的纵横阵列。在一个示例中，纵横阵列可以包括节距范围约为0.1nm至10μm的超密集纵横阵列。根据本专利技术的一个实施方式，神经运动和突触系统10包括纵横阵列12，其具有多个合成和激发神经元14、16、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
2010.12.08 US 12/963,5581.一种方法，包括：
响应于合成和激发电子神经元中的外部尖峰信号，基于所述外
部尖峰信号来更新数字膜电势，其中所述数字膜电势代表神经元膜
电势；
基于泄漏速率来衰减所述数字膜电势；以及
响应于所述数字膜电势超过阈值而生成尖峰信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中更新所述膜电势包括：
响应于接收外部兴奋尖峰信号而将所述膜电势增加一个增量，
所述增量等于在时间步进中接收的兴奋尖峰信号的数目与第一缩放
参数相乘；以及
响应于接收外部抑制尖峰信号而将所述膜电势减少一个减量，
所述减量等于在时间步进中接收的抑制尖峰信号的数目与第二缩放
参数相乘。
3.根据权利要求2所述的方法，其中：
所述第一缩放参数为2的倍数，使得接收的所述兴奋尖峰的数
目与缩放因子的相乘通过数字移位运算来执行。
4.根据权利要求2所述的方法，其中：
所述第二缩放参数为2的倍数，使得接收的所述兴奋尖峰的数
目与缩放因子的相乘通过数字移位运算来执行。
5.根据权利要求4所述的方法，其中：
衰减所述膜电势包括基于泄漏速率来衰减所述膜电势，所述泄
漏速率等于所述膜电势的当前值除以时间常数。
6.根据权利要求5所述的方法，其中：
所述时间常数为2的倍数，使得所述膜电势除以所述时间常数
值通过数字移位运算来执行。
7.根据权利要求4所述的方法，其中：
更新所述膜电势包括：响应于接收抑制尖峰信号而增加抑制通

\t道电导值。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：
基于泄漏速率来衰减所述抑制通道电导值，所述泄漏速率等于
所述抑制通道电导值的当前值除以时间常数，，其中所述时间常数
为2的倍数，使得所述抑制通道电导值除以所述时间常数通过移位
运算来执行；以及
通过基于所述抑制通道电导值减少所述膜电势，来向所述膜电
势中施加抑制。
9.根据权利要求8所述的方法，其中：
向所述膜电势中施加抑制包括从所述膜电势减去所述膜电势值
的当前值与一个除数值的商，其中所述除数值包括2的幂，所述幂
等于缩放因子减去所述抑制通道电导值中的最高非零有效位。
10.根据权利要求4所述的方法，还包括：
将所述电神经元中的突触通道电导建模为两个抑制通道电导变
量的差，所述电导变量随每个外部尖峰信号而增加一个强度因子；
以及
基于由时间常数支配的衰减速率来衰减所述电导变量，其中所
述时间常数为2的倍数，使得所述衰减通过数字移位运算来执行。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
通过从所述膜电势减去所述膜电势的当前值与一个除数值的商
来向所述膜电势中施加抑制，其中所述除数值为2的幂，所述幂等
于缩放因子减去所述抑制通道电导变量的所述差的值中的最高非零
有效位；以及
通过如下方式向所述电势膜中施加兴奋：使用移位运算将膜电
势补值与兴奋强度移位因子相加以生成和，以及将所述和除以一个
除数，所述除数是2的幂，所述幂等于缩放因子减去所述兴奋通道
电导变量的所述差的值中的最高非零有效位。
12.一种合成和激发电子神经元，包括：
数字计数器，代表所述神经元的膜电势；
控制器，配置用于如下基于外部尖峰信号而更新所述膜电势：
响应于接收外部兴奋尖峰信号，使用按位运算将所述膜电
势递增一个增量，使得所述计数器中只有需要改变的位被修改；以
及
响应于接收外部抑制尖峰信号，使用按位运算将所述膜电
势递减一个减量，使得所述计数器中只有需要改变的位被修改；
衰减模块，配置用于使用模拟电阻器-电容器模型基于时间常数

【专利技术属性】
技术研发人员：J·V·亚瑟，G·S·科拉多，S·K·埃瑟，P·A·梅罗拉，D·S·莫德哈，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：