基于忆阻器件的神经网络突触结构及突触权重构建方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种神经网络突触结构，尤其涉及一种基于忆阻器件的神经网络突触 结构。
【背景技术】
[0002] 突触是神经网络中的关键基元，根据一定的算法修改突触权重是神经网络信息 处理的基础。神经网络的突触权重通常具有兴奋性和抑制性两种，即正向权重和负向权 重。忆阻器件是一种电导值可以受施加电信号调节的可塑电子器件，其良好的可塑性加之 小尺寸、低能耗、高读写速度的优点，使其成为了未来神经形态工程中类突触器件的最佳选 择。然而，现有技术中基于忆阻器件的突触结构并不能完全实现神经网络的双向权重。例 如，图1给出了一种现有技术中基于单个忆阻器件的突触结构，其输入输出电压关系为：
。由于忆阻器件采用电导作为自变量，而电导不能为 负值，因此该类突触结构只能实现单向权重。本发明称此类突触为单向权重突触结构。
【发明内容】
[0003] 有鉴于此，确有必要提供一种神经网络突触正负权重的构建方法以及一种同时支 持正向权重和负向权重的神经网络突触结构。
[0004] 一种基于忆阻器件的神经网络突触结构，包括：第一忆阻器件、第二忆阻器件、电 压反相器、运算放大器以及反馈电阻；所述第一忆阻器件的输入端与输入电压^直接相 连，所述第二忆阻器件的输入端通过所述电压反相器与所述输入电压^相连，所述第一忆 阻器件的输出端、第二忆阻器件的输出端分别与所述运算放大器的反向输入端相联，所述 运算放大器的同向输入端接地，所述反馈电阻跨接在所述运算放大器的输出端与反向输入 端之间。
[0005] -种神经网络突触正负权重构建方法，提供一个正向作用忆阻器件与一个负向作 用忆阻器件，将所述正向作用忆阻器件与所述负向作用忆阻器件并联；所述正向作用忆阻 器件对突触权重起正向作用，增大该正向作用忆阻器件的电导，突触权重增加，减小该正向 作用忆阻器件的电导，突触权重降低；所述负向作用忆阻器件对突触权重起负向作用，增大 该负向作用忆阻器件的电导，突触权重降低，减小该负向作用忆阻器件的电导，突触权重增 加。
[0006] 与现有技术相比，本发明提供的神经网络突触正负权重的构建方法同时支持正向 权重和负向权重，并且可以添加调制约束，在神经网络学习的过程中，实现突触权重在当前 状态和目标状态之间的唯一性路径调制。本发明将为未来基于忆阻器件构建大规模神经形 态网络并发展更为复杂的信息处理功能提供一种有效的方法。
【附图说明】
[0007] 图1为现有技术中基于忆阻器件的神经网络突触结构图 图2为本发明提供的基于忆阻器件的神经网络突触结构图 图3为本发明提供的突触结构双向突触权重调制原理图 图4为本发明提供的突触结构双向突触权重调制中的4种调制情况 图5为基于本发明的神经网络学习的突触权重调制过程示例图 主要元件符号说明
如下【具体实施方式】将结合上述附图进一步说明本发明。
【具体实施方式】
[0008] 下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的基于忆阻器件的神经网络突触结 构作进一步的详细说明。
[0009] 请参见图2,该图为本发明提供的基于忆阻器件的神经网络突触结构10,包括：第 一忆阻器件G1、第二忆阻器件G2、电压反相器T、运算放大器A以及反馈电阻Rf。所述第一 忆阻器件Gl的输入端与输入电压^直接相连，所述第二忆阻器件G2的输入端通过电压反 相器T与输入电压^相连，所述第一忆阻器件Gl的输出端、第二忆阻器件G2的输出端分 别与所述运算放大器A的反向输入端相联，所述运算放大器A的同向输入端接地，所述反馈 电阻Rf跨接在所述运算放大器A的输出端与反向输入端之间。
[0010] 所述电压反相器T的作用是使得所述第二忆阻器件G2对权重起负向作用，使得等 效合成电导为两个忆阻器件电导的差值〇?-σ 2。所述神经网络突触结构10的输入输出电 压关系为
等效权重为：& (G1 - G2)，其中为输出电压，也 即所述运算放大器A输出端的电压，4为输入电压，G1为第一忆阻器件Gl的电导，G2为第 二忆阻器件G2的电导，为反馈电阻Rf的电阻值。所述第一忆阻器件Gl对突触权重起 正向作用，增大该第一忆阻器件Gl的电导，突触权重增加，减小该第一忆阻器件Gl的电导， 突触权重降低；所述第二忆阻器件G2对突触权重起负向作用，增大该第二忆阻器件G2的电 导，突触权重降低，减小该第二忆阻器件G2的电导，突触权重增加。通过调整上述两个忆阻 器件的电导，可以实现正向权重和负向权重。
[0011] 所述第一忆阻器件Gl与第一忆阻器件G2并联合成的等效电导G1-G2为上述两 个忆阻器件各自电导的差值，该差值会受到其中任意一个忆阻器件电导状态的影响。例如， 增加突触权重，可以采用增大所述第一忆阻器件Gl的电导G 1，也可以减小所述第二忆阻器 件G2的电导G2，调制途径并不唯一，严重影响整个神经网络的学习过程。为此，本发明进 一步提供一种针对两个忆阻器件实现双向突触权重的调制方法，可以根据突触权重的当前 状态G和目标状态G'规划两个忆阻器件的唯一调制路径。
[0012] 请一并参阅图3与图4,图3为图2中神经网络突触结构10的双向突触权重调制 方法原理图。本实施例中以一种忆阻器件作为示例，但本发明适用于各种忆阻器件。本实 施例中所述第一忆阻器件Gl与第二忆阻器件G2的电导范围均为[I. 5 mS，4. 5 mS]，该两 个起相反作用的并联忆阻器件等效合成电导范围为[-3 mS，+3 mS]。图3中将突触等效 合成电导在整个区间内划分为4个变换阶段，即：正电导递增阶段a、正电导递减阶段b、负 电导递减阶段c、负电导递增阶段d，分别对应等效合成电导从0 mS到3 mS、3 mS到0 mS、 0 mS到-3 mS、-3 mS到0 mS。图4展示了与图3中4个变换阶段对应的4种硬件调制方 式，分别为：调制情况a-增大第一忆阻器件Gl电导，调制情况b-减小第一忆阻器件G2电 导，调制情况c一增大第二忆阻器件G2电导，调制情况d-减小第二忆阻器件G2电导。上 述4种硬件调制方式也可表示为：，当G' >G多0时，增大所述第一忆阻器件Gl的电导，保 持所述第二忆阻器件G2的电导不变；当G >G'多0时，减小所述第一忆阻器件Gl的电导， 保持所述第二忆阻器件G2的电导不变；当G'<G < 0时，增大所述第二忆阻器件G2的电导， 保持所述第一忆阻器件Gl的电导不变；当G〈G'< 0时，减小所述第二忆阻器件G2的电导， 保持所述第一忆阻器件Gl的电导不变，其中G为突触权重的当前状态等效合