自适应仿生神经元电路及仿生神经元自适应模拟方法与流程

1.本发明属于类脑仿生技术领域，更具体地，涉及一种基于忆阻器的自适应仿生神经元电路及仿生神经元自适应模拟方法。


背景技术：

2.基于冯
·
诺依曼架构的计算系统由于存储墙的限制，在面对大规模数据处理的场景下易出现性能瓶颈。与之不同，人脑具备快速并行处理大量信息的能力，能够实现信息处理与存储的融合。人脑中分布有上百亿不同类型的神经元，神经元通过它们之间数百万亿的突触相互连接，从而支撑大脑处理和存储信息。因此，使用硬件构建成类脑芯片的基础，是设计出人工神经元和人工突触两种基本单元。
3.忆阻器的提出和实现成为了类脑计算相关研究的里程碑。目前，已有研究人员利用简单的电路结合忆阻器搭建出人工leaky-integrate-and-fire(lif)神经元。然而，值得注意的是，由于lif神经元模型只考虑了神经元的阈值发放特性，其只能通过改变input端耦合的电阻大小来模拟神经元放电频率的变化。如要实现更仿生的生物神经元功能，则需要使用hodgkin-huxley(hh)神经元模型，以实现在恒定激励下模拟与生物神经元相似的多模式动作电位发放以及放电频率的变化，即实现神经元自适应能力，这是目前需要努力的方向。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于忆阻器的自适应仿生神经元电路及仿生神经元自适应模拟方法，其目的在于实现在恒定激励下模拟与生物神经元相似的多模式动作电位发放以及放电频率的变化，即实现神经元自适应能力。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于忆阻器的自适应仿生神经元电路，包括易失性忆阻器m1、易失性忆阻器m2、恒定电压源v1、恒定电压源v2、电容c1、电容c2和电阻r1，其中，易失性忆阻器m1和易失性忆阻器m2的阈值电压可调，且，
6.电容c1的两端用于接收激励脉冲；
7.易失性忆阻器m1的负端与恒定电压源v1的负极相连，易失性忆阻器m1的正端连接至电容c1的第一端，恒定电压源v1的正极连接至电容c1的第二端；
8.易失性忆阻器m2的正端与恒定电压源v2的正极相连，易失性忆阻器m2的负端连接至电容c2的第一端，恒定电压源v2的负极连接至电容c2的第二端；
9.电容c2的第一端通过电阻r1与电容c1的第一端相连，电容c2的第二端与电容c1的第二端相连，以电容c2的两端作为电路输出端产生动作电位。
10.在其中一个实施例中，易失性忆阻器m1和易失性忆阻器m2的阈值电压随所述环境或自身材料结构的变化而变化。
11.在其中一个实施例中，易失性忆阻器m1和易失性忆阻器m2的材料包括vo2。
12.在其中一个实施例中，还包括电阻r2、电阻r3和电阻r4，其中，
13.易失性忆阻器m1的正端通过电阻r2与电容c1的第一端连接；
14.易失性忆阻器m2的负端通过电阻r3与电容c2的第一端连接；
15.电容c1通过电阻r4接入脉冲激励。
16.在其中一个实施例中，恒定电压源v1提供的恒定电压小于易失性忆阻器m1的阈值电压，恒定电压源v2提供的恒定电压小于易失性忆阻器m2的阈值电压。
17.在其中一个实施例中，易失性忆阻器m1和易失性忆阻器m2为双极性忆阻器或单极性忆阻器。
18.在其中一个实施例中，还包括，
19.阈值电压调控装置，用于在接收激励脉冲期间调控易失性忆阻器m1和易失性忆阻器m2的阈值电压。
20.按照本发明的另一方面，提供了一种仿生神经元自适应模拟方法，包括：
21.搭建上述任一项所述的基于忆阻器的自适应仿生神经元电路；
22.向电容c1的两端施加激励脉冲，逐渐调节易失性忆阻器m1和易失性忆阻器m2的阈值电压，使电路输出端输出的脉冲频率随阈值的变化而变化。
23.在其中一个实施例中，电路输出端输出的脉冲在单峰振荡脉冲和多峰簇脉冲两种模式之间切换。
24.在其中一个实施例中，易失性忆阻器m1和易失性忆阻器m2的阈值电压随所处环境或自身材料结构的变化而变化，在向电容c1的两端施加激励脉冲期间，使易失性忆阻器m1和易失性忆阻器m2所处环境或自身材料结构逐渐变化。
25.在本技术中，基于忆阻器搭建特定的自适应仿生神经元电路，其中，激励脉冲和电容c1形成第一充电回路；易失性忆阻器m1、恒定电压源v1以及电容c1构成第一反向充电回路；易失性忆阻器m1、恒定电压源v1以及电容c2构成第二反向充电回路；易失性忆阻器m2、恒定电压源v2以及电容c2构成第二充电回路；电容c2两端的电压作为输出脉冲产生动作电位。基于所搭建的自适应仿生神经元电路，当施加激励脉冲后，电容c1通过第一充电回路充电，电容c1电压逐渐增大，当易失性忆阻器m1两端电压大于或等于阈值电压时，易失性忆阻器m1变为低阻态，恒定电压源v1通过第一反向充电回路给电容c1反向充电以及通过第二反向充电回路给c2充电，电容c1和电容c2电压较快减小，使得易失性忆阻器m2两端电压增大至大于或等于其阈值电压时，易失性忆阻器m2变为低阻态，恒定电压源v2通过第二充电回路给电容c2充电，电容c2两端电压作为输出端便能产生动作电位。同时，由于易失性忆阻器m1和易失性忆阻器m2的阈值电压可调，在激励脉冲的工作过程中，使易失性忆阻器m1和m2的阈值不断有规律地变化，或不断增大，或不断减小，电容的充放电时间不断变化，导致产生的动作电位频率和发放模式变化，以实现模拟神经元的自适应功能。
附图说明
26.图1为一实施例的基于忆阻器的自适应仿生神经元电路示意图；
27.图2为一实施例的易失性忆阻器在常温t0到预设高温t
high
下的i-v特性示意图；
28.图3为一实施例的恒定电压脉冲激励示意图；
29.图4为一实施例的在预设高温t
high
下的神经元电路产生动作电位的输出示意图；
30.图5为一实施例的在常温下的神经元电路产生动作电位的输出示意图；
31.图6为一实施例的神经元电路在恒定电脉冲激励下，v
th
不断减小情况下的自适应功能示意图；
32.图7为一实施例的神经元电路在恒定电脉冲激励下，v
th
不断增大情况下的自适应功能示意图。
具体实施方式
33.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
34.如图1所示为一实施例中的基于忆阻器的自适应仿生神经元电路的示意图。电路具体包括易失性忆阻器m1、易失性忆阻器m2、恒定电压源v1、恒定电压源v2、电容c1、电容c2和电阻r1。
35.其中，电容c1的两端用于接收激励脉冲。具体的，产生激励脉冲的脉冲发生器可以作为电路的一部分，也可以与电路分离，从电路外部向电容c1输入激励脉冲。激励脉冲可以是电压脉冲，也可以是电流脉冲。电容c1和激励脉冲形成第一充电回路，该第一充电回路用于向电容c1充电。具体的，该第一充电回路内可设置电阻r4，电容c1可通过电阻r4接入激励脉冲。
36.其中，易失性忆阻器m1的负端与恒定电压源v1的负极相连，易失性忆阻器m1的正端连接至电容c1的第一端，恒定电压源v1的正极连接至电容c1的第二端。易失性忆阻器m1、恒定电压源v1和电容c1构成第一反向充电回路。具体的，第一反向充电回路内可设置电阻r2，电阻r2位于电容c1的第一端与易失性忆阻器m1的正端之间。
37.其中，易失性忆阻器m2的正端与恒定电压源v2的正极相连，易失性忆阻器m2的负端连接至电容c2的第一端，恒定电压源v2的负极连接至电容c2的第二端。易失性忆阻器m2、恒定电压源v2和电容c2构成第二充电回路。具体的，第二反向充电回路内可设置电阻r3，电阻r3位于易失性忆阻器m2的负端与电容c2的第一端之间。需要说明的是，忆阻器的正端接收到正向激励时忆阻器的阻态会发生变化。具体的，易失性忆阻器m1和易失性忆阻器m2可以为单极性忆阻器，也可以为双极性忆阻器。当易失性忆阻器为单极性忆阻器时，其正端和负端是固定不可逆的；当易失性忆阻器为双极性忆阻器时，可选择两端中的任意一端作为正端，另一端作为负端。
38.其中，电容c2的第一端通过电阻r1与电容c1的第一端相连，电容c2的第二端与电容c1的第二端相连。易失性忆阻器m1、恒定电压源v1、以及电容c2构成第二反向充电回路。以电容c2的两端作为电路输出端产生动作电位。具体的，电容c1的第二端、恒定电压源v1的正极、恒定电压源v2的负极以及电容c2的第二段均接地。
39.以上易失性忆阻器m1和易失性忆阻器m2的阻态随电压变化。易失性忆阻器m1、m2初始状态为高阻态，其两端电压从0往上增加的过程中，易失性忆阻器m1、m2两端的电压小于其阈值电压时，易失性忆阻器保持高阻态，易失性忆阻器m1、m2两端的电压大于或等于其阈值电压时，易失性忆阻器m1、m2转变为低阻态；当易失性忆阻器m1、m2转变为低阻态后，低阻态在其两端电压大于或等于保持电压的条件下可以一直保持，易失性忆阻器m1、m2两端
的电压降低到小于其保持电压，易失性忆阻器m1、m2恢复到初始高阻态。易失性忆阻器m1、m2的保持电压小于其阈值电压。
40.基于以上自适应仿生神经元电路，便能实现神经元的积分和发放过程，具体过程如下：
41.易失性忆阻器m1、m2初始阻态为高阻态，电阻r4的第一端接收到激励脉冲后，电容c1通过第一充电回路充电，电容c1两端电压逐渐增大，易失性忆阻器m1的正端电压也随之增大，但易失性忆阻器m1保持高阻态不变，此过程为神经元积分过程。
42.当易失性忆阻器m1两端电压大于或等于阈值电压时，易失性忆阻器m1从高阻态快速地转变为低阻态，恒定电压源v1通过第一反向充电回路给电容c1充电以及通过第二反向充电回路给c2充电，电容c1和电容c2电压较快减小，易失性忆阻器m2的负端电压也随之减小，易失性忆阻器m2两端电压差随之增大；当易失性忆阻器m2两端电压大于或等于阈值电压，易失性忆阻器m2变为低阻态，恒定电压源v2通过第二充电回路给电容c2充电，电容c2两端电压快速增加，电容c2两端电压作为输出脉冲产生动作电位，此过程为神经元的发放过程。总体实现神经元基本积分-发放功能。
43.在本技术中，易失性忆阻器m1、m2初始阻态为高阻态。在其两端电压从0增加到阈值电压v
th
的过程中，该器件保持高阻态不变。在其两端电压大于阈值电压v
th
后，该器件从高阻态快速地转变为低阻态。在其两端电压逐渐减小至保持电压v
hold
之前，该器件保持低阻态不变，当其两端电压减小到低于保持电压v
hold
之后，该器件便会从低阻态恢复到高阻态。其中阈值电压v
th
大于保持电压v
hold
。
44.在本技术中，易失性忆阻器m1和易失性忆阻器m2的阈值电压可调。在激励脉冲的工作过程中，使易失性忆阻器m1和m2的阈值不断有规律地变化，或不断增大，或不断减小，导致神经元电路中，在恒定的激励脉冲下，为使易失性忆阻器m1、m2发生阻态转变所需要的充电时间发生变化，最终使得电路产生的动作电位频率和发放模式变化，以模拟神经元的自适应功能。
45.为使电路稳定工作，在一实施例中，要求恒定电压源v1提供的恒定电压小于易失性忆阻器m1的阈值电压，恒定电压源v2提供的恒定电压小于易失性忆阻器m2的阈值电压。
46.在一实施例中，易失性忆阻器m1和易失性忆阻器m2的阈值电压随所处环境或自身材料结构的变化而变化，因此，在电路工作期间，电路的输出会随之变化，模拟神经元的自适应功能。其中，环境变化可以是温度、电压等变化，即易失性忆阻器的阈值电压可以跟随环境温度变化，也可以受电场调控。例如，将易失性忆阻器设计为类似于晶体管的三端结构，我们把源漏两端电极连接到电路中工作，当栅极电压设置为不同的数值时，即对忆阻材料产生电场作用，这会影响到该忆阻器的阈值电压，栅极电压越大，忆阻器的阈值电压越小。在一些实施例中，也可以通过调节易失性忆阻器内部材料结构，使其阈值电压发生变化。例如，利用易失性忆阻器的金属导电桥机制，通过在器件两端施加电压，在活性金属电极处产生氧化还原反应和活性金属离子的迁移以形成导电丝，这样忆阻器件便完成了从高阻态到低阻态的转变，导电丝需要器件两端施加电压保持且是可逆的产生和断裂，每一次导电丝的产生和断裂都会加强形成通道，这会使得下一次的产生更容易，即表现为忆阻器的阈值电压逐渐降低。
47.具体的，忆阻器可以选择nbo2、硫系相变材料如gete等，在本实施例中，选择vo2。
48.以vo2为例说明。根据能带理论分析，金红石结构的vo2(r)对外表现为金属态，而单斜晶格的vo2(m)对外表现为半导体态。通过实验研究分析，我们可以通过热、电、光等刺激激发vo2发生相转变。常温条件下，vo2为半导体态，对应着易失性忆阻器m1、m2的高阻态，当我们使用热作为刺激时，vo2由室温升温到68℃附近时，会从单斜晶系向四方晶系转变，即发生相变变成金属态，这对应着易失性忆阻器m1、m2的低阻态。而当vo2由发生相变时高温状态降温至室温的过程中，会发生金属-半导体转换过程，重新回到半导体态。同样，我们可以使用电刺激代替热，使得vo2用于易失性忆阻器领域，在其两端电压从0增加到阈值电压v
th
的过程中，该器件保持半导体态不变，故呈现高阻态。在其两端电压大于阈值电压v
th
后，该器件发生了相转变，从半导体态转变为金属态。在其两端电压逐渐减小至保持电压v
hold
后，该器件自发恢复到半导体态，该器件从低阻态恢复到高阻态。其中阈值电压v
th
大于保持电压v
hold
。而且，环境温度越高，阈值电压也会随之降低，图2所示为易失性忆阻器m1、m2在常温t0到预设高温t
high
(～45℃)下的i-v特性示意图，图中表明，易失性忆阻器的阈值电压随温度的升高而降低。
49.其中，电容c1、c2为固定电容或可变电容，电容值范围为10ff至10μf，在本实施例中电容c1值为16nf，电容c2值为4nf。电阻为定值电阻或可变电阻，电阻值小于易失性忆阻器关态电阻，在本实施例中电阻r2值为120ω，电阻r3值为0，电阻r4值为1kω，电阻r1值为1kω。恒定电压源v1、v2的电压大小小于易失性忆阻器的阈值电压，在本实施例中，恒定电压源v1、v2的电压大小为1.95v。激励脉冲为电流脉冲或电压脉冲，在本实施例中激励脉冲采用的是电压脉冲。图3为本发明实施例提供的恒定电压脉冲激励示意图。图4为本发明实施例提供的神经元电路产生动作电位的输入输出示意图(预设高温t
high
)，该动作电位为振荡发射模式，动作电位频率约为1.5*105hz；图5为本发明实施例提供的神经元电路产生动作电位的输入输出示意图(常温t0)，该动作电位为簇发射模式，单个簇含有两个峰值动作电位，其动作电位频率为6.7*104hz。
50.在一实施例中，上述自适应仿生神经元电路还可以配置有阈值电压调控装置，用于在接收激励脉冲期间调控易失性忆阻器m1和易失性忆阻器m2的阈值电压。例如，可以设置温控装置，调节易失性忆阻器m1和易失性忆阻器m2所处环境的温度，使易失性忆阻器m1和易失性忆阻器m2的阈值电压随环境温度的变化而变化。
51.相应的，本技术还涉及一种仿生神经元自适应模拟方法，利用上文介绍的基于忆阻器的自适应仿生神经元电路，向电容c1的两端施加激励脉冲，逐渐调节易失性忆阻器m1和易失性忆阻器m2的阈值电压，使电路输出端输出的脉冲频率随阈值的变化而变化。
52.更具体地，电路输出端输出的脉冲在单峰振荡脉冲和多峰簇脉冲两种模式之间切换，这些都和真实生物神经元模型相契合，由此能更好地模拟模拟神经元的自适应功能。
53.更具体地，易失性忆阻器m1和易失性忆阻器m2的阈值电压随所处环境或自身材料结构的变化而变化，在向电容c1的两端施加激励脉冲期间，使易失性忆阻器m1和易失性忆阻器m2所处环境或自身材料结构逐渐变化。
54.神经元电路能够模拟神经元自适应的功能。以施加的激励脉冲为电压脉冲且阈值电压跟随温度变化为例进行说明，具有两种工作模式：
55.1)把神经元电路的初始工作环境温度设置到常温，随着神经元电路的工作进行，电路各元件因为工作有功耗而产热，其工作温度会不断增加，易失性忆阻器m1、m2的阈值电
压也会因此逐渐减小，导致神经元电路中，在恒定的激励脉冲下，易失性忆阻器m1、m2发生阻态转变所需要的充电时间逐渐减小，最终使得电路产生的动作电位频率快速增大，发放模式从簇发射到振荡的转变，如图6，由此模拟神经元的自适应功能。
56.2)把神经元电路的初始工作环境温度设置到预设高温，开始工作后关闭温控装置，随着神经元电路的工作进行，电路各元件因为散热量大于功耗产热量，其工作温度会向室温靠近，易失性忆阻器m1、m2的阈值电压也会因此逐渐增大，导致神经元电路中，在恒定的激励脉冲下，易失性忆阻器m1、m2发生阻态转变所需要的充电时间逐渐增大，最终使得电路产生的动作电位频率快速减小，发放模式从振荡到簇发射的转变，如图7，由此模拟神经元的自适应功能。
57.本技术提供的神经元电路利用电容c1、c2充电行为使得易失性忆阻器m1、m2发生阈值转变行为，加以恒定电压源v1、v2的持续输出，实现神经元产生动作电位的基本功能，在激励脉冲的工作过程中，易失性忆阻器m1、m2的阈值电压逐渐发生有规律地变化，或不断增大，或不断减小，实现了在恒定激励下与生物神经元相似的多模式动作电位发放以及放电频率的变化，即实现神经元自适应能力。
58.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。