专利名称：一种自路由单元电路及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种路由単元电路，尤其涉及ー种适用于大規模互联的神经网络系统中的自路由单元电路。
背景技术：
数字计算机是二十世纪人类科技进步的重要产物，其所产生的影响体现在人们生活的方方面面。相比于数字计算机，神经计算机在智能化、大規模计算能力、存储与计算ー体化等方面具有很大的潜力，很有可能成为数字计算机强有力的替代者。在神经网络系统中，其基本単元式ー个个的神经元，神经元之间有着大規模的互联，这种互联叫做突触，信号从前神经元通过突触连接传递到后神经元。正是由于这些大規模的突触连接才使得神经、计算机具有很强的计算、识别、存储能力。ー个前神经元需要与多个后神经元相连，并且有选择地向后神经元传递信号，这些突触连接可以看成是路由単元电路，如图I所示，NO代表前神经元，NI至Nn为后神经元,Wl至Wn为路由单元电路。但是，现有技术中的前神经元与多个后神经元的突触连接技术不成熟且电路复杂，而且前神经元不能自动地选择向那些需要传递信号的后神经元传递信号，因此严重地制约了神经网络系统的发展与应用。
发明内容
针对以上现有技术存在的问题，本发明提供一种自路由単元电路，从而解决神经网络系统中大規模的连接并且自主选择传输路径的问题。本发明的ー个目的在于提供一种自路由单元电路。本发明的自路由单元电路，在大規模互联的神经网络系统中，用于前神经元与两个以上后神经元的突触连接，包括正输入端和负输入端，正输入端与前神经元相连，负输入端与后神经元相连；在两个端ロ之间具有与后神经元的数目相同的两条以上并联的支路，每条并联支路由ー个或者多个双极阻变忆阻器构成，每条支路具有不同的结构，随着阻变忆阻器的数目、极性的连接方向以及串并联方式的不同而形成具有与特定电压信号相应的一种自路由单元电路。本发明的双极忆阻器可以是氧化钽阻变存储器、氧化铪阻变存储器、ニ氧化钛阻变存储器等具有双极操作的多值阻变的各种阻变存储器中的ー种，也可以是其他具有类似上述器件双极操作且具有非挥发多值存储特性的存储器。本发明的另ー目的在于提供一种自路由单元电路的控制方法。本发明的上述自路由单元电路的控制方法包括电路工作分为设定各支路的电阻的设置态和触发后神经元进行计算的计算态。开始时电路先进入设置态，电路控制全部后神经元将自路由电路的负输入端分别接地，根据选择需要传输信号的后神经元，设定脉冲作为设置信号，那么当前神经元发射设置信号时通过各个正输入端同时加到连接各个后神经元的不同的支路时，各个支路由于结构不同电阻会有不同的响应，即设定后各支路的电阻大小不同。然后电路进入计算态，前神经元发射设定的电压作为计算信号经自路由単元电路到后神经元，后神经元将自路由电路的负输入端接到后神经元的计算电路的输入端，由于各个支路的电阻不同，那么传递到后神经元的信号会有所不同，当信号高于后神经元的触发电压时，后神经元进行计算，此支路为通路，而低于触发电压的信号所在的支路为开路。从而起到了自路由的作用。本发明的优点本发明的电路适用于大规模互联的神经网络系统中，前神经元与两个以上后神经元的突触连接采用自路由単元电路，具有两条以上并联的支路，每条并联支路由ー个或者多个双极阻变忆阻器构成，每条支路具有不同的结构，随着阻变忆阻器的数目、极性的连接方向以及串并联方式的不同而形成具有与特定电压相应的ー种自路由単元电路。本发明的 电路能够自动地选择向后神经元传递信号，并且电路简单、结构小以及便于大規模集成；而且为非挥发电路，一旦设定，在条件不变的情况下，不需重新设定。
图I为现有技术中ー个前神经元与多个后神经元相连的结构示意图；图2(a)为单个双极阻变忆阻器的正极与正输入端相连，负极与负输入端相连的电路图，图2(b)为如图2(a)所示的双极阻变忆阻器的阻值与输入脉冲的高度和宽度的关系的曲线图；图3(a)、(b)和(C)分别为双极阻变忆阻器的数目、极性的连接方向以及串并联方式的不同组合的电路图，图3(d)为如图3(a)、(b)和(C)所示的双极阻变忆阻器的连接电路的阻值随着输入脉冲的高度和宽度的变化的响应曲线；图4为本发明的自路由单元电路ー个支路的示意图；图5为ー个前神经元与两个后神经元相连接的示意图。
具体实施例方式下面结合附图，通过实例对本发明做进ー步说明。双极阻变忆阻器具有两个极性，如果所加电压的绝对值足够大，当正极接正电压，负极接地时，双极阻变忆阻器的阻值会减小，反之，当负极接正电压，正极接地时，双极阻变忆阻器的阻值会増大。图2(a)为单个双极阻变忆阻器的正极与正输入端相连，负极与负输入端相连的电路图，图2(b)为如图2(a)所示的双极阻变忆阻器的阻值与输入脉冲的高度和宽度的关系的曲线图。如图2(b)所示，当信号由正输入端输入，且双极阻变忆阻器的两端接有正电压时，双极阻变忆阻器的阻值随输入脉冲的高度和宽度的变化而具有一条响应曲线。本发明的自路由単元电路中的每个支路由于双极阻变忆阻器的数目、极性的连接方向以及串并联方式的不同组合而具有不同的结构。图3(a)、(b)和(C)分别为双极阻变忆阻器的数目、极性的连接方向以及串并联方式的不同组合的电路图，图3(d)为如图3(a)、(b)和(C)所示的双极阻变忆阻器的连接电路的阻值随着输入脉冲的高度和宽度的变化的响应曲线。如图3(d)所示，随着忆阻器的数目、极性的连接方向以及串并联方式的不同，其阻值随着输入脉冲的高度和宽度的变化的响应曲线也随之改变。也就是说，双极阻变忆阻器的不同结构对输入脉冲具有不同的阻值曲线。对于特定的输入脉冲，不同结构的双极阻变忆阻器的连接电路具有不同的电阻。
图4为本发明的自路由单元电路ー个支路的示意图。下面具体给出ー种ー个前神经元和两个后神经元的神经网络中自路由単元电路的控制方法。神经网络的连接如图5所示，前神经元NO通过自路由单元的两条支路Wl和W2分别与后神经元NI和N2相连。Wl和W2的电路结构分别如图3(b)和图3(c)所示。在每个支路上分别串联上分压电阻，各分压电阻与各支路上阻变忆阻器的电阻分压，从而分压电阻上所得到的电压加在后神经元上，作为触发后神经元的电压。开始时电路进入计算态，后神经元NI和N2将自路由単元Wl和W2的负输入端分别接地，前神经元NO分别向Wl和W2输入高度为3. 3V，脉宽为I μ s的脉冲作为设置信号，由于Wl和W2的自身结构的不同，设置信号结束后，Wl被设置到1ΚΩ，W2被设置到9ΚΩ。 然后电路进入到计算态，后神经元NI和N2将Wl和W2分别接到计算电路的输入端，前神经元发射计算信号为O. 6V的直流电压，将Wl和W2分别于ー个IK Ω的分压电阻串联，将计算信号通过Wl和W2与1ΚΩ的串联结构在1ΚΩ电阻上的分压分别输入给后神经元NI和N2，这时NI计算电路输入端获得的输入电压为O. 3V，而N2计算电路输入端获得的输入电压为
O.06V，后神经元NI和N2计算电路的触发电压均为O. 2V，那么NI的计算电路被触发，形成通路，而N2的计算电路不能被触发，形成开路。由此可以看出电路实现了自路由的功能。最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进ー步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
权利要求
1.一种自路由单元电路，在大规模互联的神经网络系统中，用于前神经元与两个以上后神经元的突触连接，其特征在于，所述电路包括正输入端和负输入端，正输入端与前神经元相连，负输入端与后神经元相连；在两个端口之间具有与后神经元的数目相同的两条以上并联的支路，每条并联支路由一个或者多个双极阻变忆阻器构成，每条支路具有不同的结构，随着阻变忆阻器的数目、极性的连接方向以及串并联方式的不同而形成具有与特定电压信号相应的一种自路由单元 电路。
2.如权利要求I所述的电路，其特征在于，所述双极忆阻器是氧化钽阻变存储器、氧化铪阻变存储器、二氧化钛阻变存储器等具有双极操作的多值阻变的各种阻变存储器中的一种，或者是其他具有类似上述器件双极操作且具有非挥发多值存储特性的存储器。
3.—种权利要求I所述的自路由单元电路的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括电路工作分为设定各支路的电阻的设置态和触发后神经元进行进算的计算态。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，在所述设置态，电路控制全部后神经元将自路由电路的负输入端分别接地，根据选择需要传输信号的后神经元，设定脉冲作为设置信号，那么当前神经元发射设置信号时通过各个正输入端同时加到连接各个后神经元的不同的支路时，各个支路由于结构不同电阻会有不同的响应，即设定后各支路的电阻大小不同。
5.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，在所述计算态，前神经元发射设定的电压作为计算信号经自路由单元电路到后神经元，后神经元将自路由电路的负输入端接到后神经元的计算电路的输入端，由于各个支路的电阻不同，那么传递到后神经元的信号会有所不同，当信号高于后神经元的触发电压时，后神经元进行计算，此支路为通路，而低于触发电压的信号所在的支路为开路。
6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，在每个支路上分别串联上分压电阻，各分压电阻与各支路上阻变忆阻器的电阻分压，从而分压电阻上所得到的电压加在后神经元上。
全文摘要
本发明公开了一种自路由单元电路及其控制方法。本发明的电路适用于大规模互联的神经网络系统中，前神经元与两个以上后神经元的突触连接采用自路由单元电路，具有两条以上并联的支路，每条并联支路由一个或者多个双极阻变忆阻器构成，每条支路具有不同的结构，随着阻变忆阻器的数目、极性的连接方向以及串并联方式的不同而形成具有与特定电压相应的一种自路由单元电路。本发明的电路能够自动地选择向后神经元传递信号，并且电路简单、结构小以及便于大规模集成；而且为非挥发电路，一旦设定，在条件不变的情况下，不需重新设定。
文档编号G06N3/06GK102663497SQ20121009767
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月5日 优先权日2012年4月5日
发明者唐昱, 张耀凯, 杨庚雨, 潘越, 蔡一茂, 谭胜虎, 陈诚, 黄如, 黄英龙 申请人:北京大学