Синаптический резистор

Изобретение относится к электрическому трёхполюсному устройству. Технический результат заключается в обеспечении управляемой синаптической связи между узлами сети. Устройство используется в аппаратных искусственных нейронных сетях в качестве управляемой синаптической связи между узлами сети и состоит из трёх компонентов, соединенных по схеме «звезда» и находящихся в непосредственной близости друг от друга для обеспечения теплообмена между ними: двух электрически нагреваемых элементов и плёночного резистора на основе поликристаллической плёнки диоксида ванадия, обладающей фазовым переходом изолятор-металл, при этом управление величиной силы синаптической связи осуществляется импульсами напряжения разной полярности, подаваемыми на электрически нагреваемые элементы. 6 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к широкому кругу электронных устройств памяти для искусственных нейронных сетей (ИНС), особенно таких, которые способны к программируемому изменению величины силы (весового коэффициента) синаптической связи в процессе своей работы.

Уровень техники

ИНС нашли широкое применение в устройствах адаптивного управления и распознавания образов. Возможности ИНС во многом определяются количеством содержащихся в ней узлов, и наблюдается тенденция к их увеличению для решения всё более сложных задач. Применение ИНС в конкретных устройствах предполагает их предварительное обучение. Организация обучения при всё возрастающем количестве узлов в сети является ключевой проблемой всей парадигмы использования ИНС. Обучение заключается в решении задачи оптимизации величин сил синаптических связей между узлами при воздействии на ИНС входного паттерна для получения известного выходного паттерна. Эта задача может быть решена в рамках цифровых компьютерных технологий, однако скорость обучения в таких системах катастрофически падает с ростом количества узлов. Другой подход заключается в эмулировании работы нейрона с использованием аналоговых транзисторных схем. В этих схемах синаптическая связь между узлами строится на основе КМОП транзисторов и электрических (сегнетоэлектрических) конденсаторов, выполняющих роль кратковременных запоминающих ячеек аналоговой памяти при обучении ИНС. Однако и этот подход в силу недостаточной точности и большой сложности электрических схем не даёт существенного преимущества перед цифровыми компьютерными технологиями. Третий подход заключается в использовании вместо КМОП транзисторов и конденсаторов плёнок редокс-активных материалов, электрическая проводимость которых может изменяться на несколько порядков при насыщении их ионами определённого типа. Основной недостаток синаптических резисторов из таких материалов заключается в их низком быстродействии из-за низкой подвижности ионов в твёрдых телах при комнатных температурах. Подход, предлагаемый в заявляемом изобретении, заключается в использовании явления фазового перехода изолятор-металл в поликристаллических плёнках диоксида ванадия (VO2).

В VO2 температура фазового перехода составляет около 341 К. При одной и той же температуре, близкой к температуре фазового перехода, удельное сопротивление VO2 может быть различным в широком диапазоне (около 40 дБ). Предлагаемое устройство основано на поликристаллических плёнках VO2, сопротивление которых при температуре вблизи температуры фазового перехода изолятор-металл можно контролируемо изменять путём теплового воздействия электрическим током.

Аппаратная реализация ИНС сталкивается с проблемой создания простого и быстродействующего устройства, выполняющего функцию синапса в биологических нейронах. Синаптические устройства (устройства, имитирующие синапс) были реализованы на основе КМОП технологии (например, патент US6023422A) и с использованием редокс-активных материалов (например, патенты US4839700A, US4945257A, US2011182108A1 и WO2015154695A1). В настоящее время ведутся попытки создать устройства синаптической связи на основе многоуровневых ReRAM ячеек (например, патент WO2010085241A1). Однако пока такие устройства обладают малым количеством состояний (~10-12 состояний), что недостаточно для эффективной работы ИНС.

Наиболее подходящим прототипом заявляемого изобретения является твердотельное электрически программируемое резистивное устройство на основе редокс-активного материала, описанное в патенте US4839700A. Устройство состоит из входного, выходного и управляющего металлических электродов, расположенных на диэлектрической подложке. Входной и выходной электроды электрически соединены между собой слоем диэлектрического редокс-активного материала. Проводимость этого материала изменяется при изменении концентрации в нём заряженной примеси. Концентрацию заряженной примеси в слое диэлектрического материала можно изменять путём подачи положительного или отрицательного напряжения на управляющий электрод относительно входного или выходного электрода. Быстродействие устройства ограничено дрейфовой скоростью ионов в редокс-активном материале и составляет порядка 1 минуты для изменения сопротивления устройства в 10 раз. Такие скорости мало приемлемы для существующих в настоящее время электронных устройств. Кроме этого, наличие в данном устройстве управляющего электрода требует формирования в матрице ИНС дополнительных электрических шин, что усложняет изготовление сети. В отличие от прототипа, предлагаемое синаптическое устройство обладает в ~105 раз более высоким быстродействием, и, хотя формально является трёхполюсником, фактически соединяет вход и выход как двухполюсник, поскольку общий электрод, относительно которого подаются все электрические потенциалы, является общим для всех синаптических устройств в ИНС. Поэтому нет необходимости изготовления дополнительных управляющих шин, как в прототипе. Эти преимущества, заявляемого синаптического устройства, обусловлены использованием в устройстве функционального материала, изменяющего своё сопротивление под действием внешних электрических импульсов – поликристаллической пленки VO2, которая обладает фазовым переходом изолятор-металл при температуре чуть выше комнатной (341 К). Более того, наличие главной и малых петель гистерезиса на зависимости сопротивления от температуры позволяет управлять сопротивлением плёнки VO2 посредством входного или выходного электрода устройства.

Раскрытие сущности изобретения

Устройство представляет собой электрический трёхполюсник, состоящий из трёх компонентов (Фиг. 1): двух нагревательных элементов H1 и H2 (компоненты H1 и H2) и плёночного резистора V (компонент V) на основе поликристаллической плёнки VO2. Все три компонента находятся в непосредственной близости друг от друга, допускающей теплообмен между ними. Схема электрического соединения компонентов в устройстве показана на Фиг. 2. B1 и B2 – входной (выходной) и выходной (входной) электроды, на которые подаются (принимаются) электрические сигналы. Волнистыми стрелками показаны направления теплопередачи между компонентами устройства. Все три компонента имеют общую точку соединения X (соединение компонентов по типу «звезда»). Компонент V соединён с общим электродом G, относительно которого подаются (принимаются) электрические сигналы с электродов B1 и B2. Устройство помещено в термостат с температурой T0, которая ниже температуры TC – температуры середины гистерезиса сопротивления при переходе изолятор-металл в плёнке VO2 (компонент V) (Фиг. 3). Сопротивления RH1 и RH2 нагревателей H1 и H2 выбираются намного больше сопротивления RV компонента V, то есть RH1,H2>>RV. Сопротивление плёнки VO2 (компонент V) при фиксированной температуре в области фазового перехода может принимать непрерывный спектр значений, ограниченный размерами главной петли гистерезиса. Сущность технического решения заключается в близком расположении компонента V и нагревательных элементов H1 и H2, допускающем взаимный эффективный теплообмен, и в способе управления этим теплообменом. Способ управления теплообменом электрическими импульсами показан на Фиг. 4. Термостат разогревает устройство внешним тепловым источником до температуры T0, которая, в качестве примера, выбрана вблизи начала гистерезиса сопротивления плёнки VO2 (около 320 К). На входной электрод устройства относительно общего электрода подаётся постоянное напряжение U0. В цепи появляется ток через нагреватель H1 и компонент V. Поскольку сопротивление нагревателя H1 значительно больше сопротивления плёнки VO2 (компонент V), то ток разогревает нагреватель H1 значительно сильнее, чем компонент V. Напряжение U0 подбирается таким, чтобы из-за пространственной близости компонента V и нагревателя H1 и эффективного теплообмена компонент V разогревался до температуры вблизи температуры середины гистерезиса сопротивления TC (около 335 К), при которой сопротивление компонента V соответствует точке 0 на Фиг. 4. При температуре TC компонент V может иметь любое значение сопротивления внутри главной петли гистерезиса и находиться в этом состоянии сколь угодно долго. При дополнительной подаче на вход B1 импульсов напряжения разной полярности и амплитуды UP можно двигаться вдоль вертикальной прямой T=TC как вверх, так и вниз. Например, при подаче импульса UP1 той же полярности, что и U0 (то есть, положительного импульса), происходит переход из точки 0 в точку 1 по малой петле гистерезиса. Последовательно увеличивая амплитуду импульса, можно перейти в точку 2, а затем – в точку 3. Для того чтобы сместиться по сопротивлению в обратную сторону, например, в точку 4, необходимо подать импульс обратной полярности (отрицательный импульс). Увеличив амплитуду отрицательного импульса, можно перейти в точку выше по сопротивлению – точку 5. Однако амплитуда отрицательного импульса UP должна удовлетворять условию |UP|≤|U0|. При подаче отрицательного импульса амплитуды UP такой, что выполняется равенство |UP|=|U0|, сопротивление компонента V вернётся в точку 0. Чем выше амплитуда импульса напряжения, тем больше разность между текущим сопротивлением и последующим сопротивлением компонента V. Второй нагревательный элемент H2 используется аналогично первому H1 при подстройке сопротивления компонента V со стороны выхода B2 устройства. Эта возможность важна для реализации алгоритма обучения ИНС методом обратного распространения ошибки.

Устройство способно выполнять функцию синаптической связи, которая заключается в том, что, если на входной электрод подать электрический сигнал, то на выходном электроде появится электрический сигнал, пропорциональный сопротивлению компонента V. При использовании устройства в качестве синаптической связи в ИНС вход B1 и выход B2 соединяют два узла сети. В ИНС возможны два режима функционирования устройства: режим обучения сети и режим обработки информации. В режиме обучения сети амплитуда входного сигнала должна быть достаточной для заметного разогрева нагревательных элементов (H1, H2) и изменения величины сопротивления компонента V. В режиме обработки информации амплитуда входного сигнала должна быть значительно ниже обучающих импульсов, чтобы быть недостаточной для заметного разогрева нагревательных элементов (H1, H2) и изменения величины сопротивления компонента V. В процессе работы ИНС при подаче входного информационного сигнала в виде импульса напряжения на входной электрод B1 выходным сигналом будет импульс напряжения на выходном электроде B2 относительно общего электрода G. Амплитуда выходного импульса напряжения будет пропорциональна текущему сопротивлению плёнки VO2 (компонента V). Таким образом, величина силы синаптической связи между узлами ИНС определяется величиной сопротивления компонента V.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1. Основные компоненты устройства. H1 – нагревательный элемент 1, H2 – нагревательный элемент 2, V – поликристаллическая плёнка VO2.

Фиг. 2. Электрическая схема включения компонентов устройства. B1 – входной (выходной) электрод, B2 – выходной (входной) электрод, X – средний электрод, G – общий электрод. Волнистыми стрелками показаны направления теплопередачи. T0 – температура термостата.

Фиг. 3. Зависимость сопротивления RV плёнки VO2 (компонент V) от температуры. Сопротивление плёнки при температуре 296 К принято за 100%.

Фиг. 4. Последовательное изменение сопротивления RV плёнки VO2 (компонент V) управляющими импульсами напряжения UP. Точка 0 – исходное сопротивление плёнки на главной петле гистерезиса после подачи на вход устройства постоянного напряжения смещения U0. Точки 1, 2, 3, 4 и 5 – промежуточные значения сопротивления плёнки внутри главной петли гистерезиса при подаче положительного импульса UP1, затем положительного импульса UP2, затем положительного импульса UP3, затем отрицательного импульса UP4, и, наконец, отрицательного импульса UP5. T0 – температура термостата.

Фиг. 5. Пример осуществления изобретения. 1 – поликристаллическая плёнка VO2 (компонент V), 2 – сапфировая подложка, 3 – металлический электрод Ni/Au к плёнке VO2 (контакт G), 4 – металлический электрод Ni/Au к плёнке VO2 (контакт X), 5 – слой оксинитрида тантала TaN1-yOy (нагреватель H1), где величиной y задаётся электрическое сопротивление слоя оксинитрида тантала, 6 – слой оксинитрида тантала TaN1-yOy (нагреватель H2), 7 – слой диэлектрика SiO2 между 1 и 5, 8 – слой диэлектрика SiO2 между 5 и 6, 9 – слой диэлектрика SiO2 между 6 и внешней средой, 10 – металлический электрод Ni/Au к слою TaN1-yOy (контакт X), 11 – металлический электрод Ni/Au к слою TaN1-yOy (контакт B1), 12 – металлический электрод Ni/Au к слою TaN1-yOy (контакт X), 13 – металлический электрод Ni/Au к слою TaN1-yOy (контакт B2).

Фиг. 6. Схема передачи аналогового сигнала в ИНС. Импульс напряжения Us передается c входа B1 (i-ый узел сети) на выход B2 (j-ый узел сети) устройства в виде импульса тока Is=ωi,j×Us с весовым коэффициентом синаптической связи ωi,j, который прямо пропорционален сопротивлению RVi,j~RV) поликристаллической плёнки VO2 – компонента V устройства.

Осуществление изобретения

Пример осуществления изобретения показан на Фиг. 5. На подложке Al2O3 (0001) была выращена поликристаллическая плёнка VO2 методом ионно-лучевого распыления-осаждения (IBSD – Ion Beam Sputtering Deposition). Толщина плёнки составляла 80 нм. Методом фотолитографии была сформирована микроструктура (Фиг. 5). Электроды B1, B2, G и X были нанесены методом термического распыления металлов Ni(10 нм)/Au(50 нм). Нагревательные элементы H1 и H2 были изготовлены в виде полосок из оксинитрида тантала (TaN1-yOy, где y – варьируемый параметр ростового процесса, от которого зависит слоевое сопротивление выращенных пленок), причем полоски нагревателей перекрывали область плёнки VO2 между металлическими электродами G и X. Нагреватели H1, H2 и плёнка VO2 были разделены слоем диэлектрика SiO2 толщиной около 50 нм. Сопротивление нагревательных элементов H1 и H2 составляло RH1=92 кОм и RH2=114 кОм, а сопротивление плёнки VO2 (компонент V) при комнатной температуре составляло RV(296 К)=18.7 кОм. Термостат устройства разогревался до T0=324 К внешней электрической печью. Сопротивление компонента V уменьшалось до RV(324 К)=8.42 кОм, а сопротивление нагревателей H1 и H2 практически не изменилось. Затем постоянное напряжение смещения U0=17.7 В было подано на вход B1 устройства. Сопротивление RV уменьшилось до 3.47 кОм, что соответствовало температуре плёнки VO2 равной 335 К. Эта температура попадает в область гистерезиса для выращенной плёнки VO2. В качестве примера, была поставлена задача: путём подачи импульсов напряжения установить сопротивление компонента V равным 1.50 кОм. Для достижения целевого значения сопротивления сначала был подан положительный импульс амплитудой +8.9 В и длительностью 100 мкс. В результате сопротивление RV уменьшилось до 0.81 кОм. Учитывая, что полученное сопротивление меньше целевого, был подан отрицательной импульс амплитудой -10.6 В. В результате сопротивление RV стало равным 3.12 кОм. Затем снова был подан положительный импульс +3.5 В, и сопротивление RV уменьшилось до 1.94 кОм. Затем импульс +4.6 В: сопротивление RV стало 1.55 кОм. Затем импульс +4.78 В: RV=1.52 кОм. Наконец, подав импульс +4.96 В, сопротивление RV достигло 1.508 кОм. Отсюда видно, что путём последовательного приближения удалось установить сопротивление RV(335 К)=1.508 кОм, то есть достигнуть целевого значения сопротивления с точностью выше 1%. Полученное значение сопротивления сохранялось неизменным с точностью около 1% в течение 1 часа. Для моделирования работы устройства в составе ИНС в режиме обработки информации выход B2 был соединён с нагрузочным сопротивлением RL=100 Ом (Фиг. 6). Путём подачи импульсов различной амплитуды и полярности сопротивление RV было перестроено так, чтобы принять значения близкие к целевым значениям: 150 Ом, 750 Ом и 3000 Ом. После каждой подстройки RV под целевое сопротивление, информационный импульс амплитудой +0.500 В подавался на вход B1 и измерялась амплитуда импульса тока через нагрузочное сопротивление RL. Полученные значения амплитуды тока следующие: 7.22 нА, 35.4 нА и 138 нА, соответственно. Видно, что выходной ток на нагрузочном сопротивлении RL с точностью лучше 2% пропорционален сопротивлению RV плёнки VO2.

Электрическое трёхполюсное устройство, которое может быть использовано в аппаратных искусственных нейронных сетях в качестве управляемой синаптической связи между узлами сети, состоящее из трёх компонентов, соединенных по схеме «звезда» и находящихся в непосредственной близости друг от друга для обеспечения теплообмена между ними: двух электрически нагреваемых элементов и плёночного резистора на основе поликристаллической плёнки диоксида ванадия, обладающей фазовым переходом изолятор-металл, и управление величиной силы синаптической связи осуществляется импульсами напряжения разной полярности, подаваемыми на электрически нагреваемые элементы.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к компьютерным системам, основанным на биологических моделях, и может быть использовано при разработке аппаратной реализации нейронной сети.

Изобретение относится к компьютерным системам, основанным на биологических моделях, и может быть использовано при разработке аппаратной реализации нейронной сети.

Изобретение относится к области обработки цифровых данных. Технический результат заключается в повышение скорости поиска схожих объектов по облакам точек.

Изобретение относится к области вычислительной техники. Технический результат заключается в обеспечении оперативного контроля работоспособности вычислительных систем.
Изобретение относится к компьютерным системам, основанным на специфических вычислительных моделях. Техническим результатом изобретения является увеличение вероятности обнаружения неисправностей электронной аппаратуры.

Группа изобретений относится к искусственным нейронным сетям и может быть использована для обработки и распознавания сигналов, таких как изображения, видео или звук.

Использование: для создания интегрального элемента логики на основе многослойных структур из наноразмерных слоев металлов и изоляторов. Сущность изобретения заключается в том, что наноразмерный искусственный нейрон на основе многослойной структуры содержит первый слой металла M1, первый слой изолятора И1, слой хранения заряда СХЗ, второй слой изолятора И2 и второй слой метала М2, при этом первый слой изолятора И1 выполнен из материала с высокой степенью нелинейности вольт-амперной характеристики, причем такой, что сопротивление изолятора И1 резко падает при превышении заданной напряженности электрического поля, а второй слой изолятора И2 представляет собой тонкопленочный материал, характеризующийся возможностью обеспечения соответствующего заданного уровня тока через него для различных направлений протекания тока: из второго слоя металла М2 в слой хранения заряда СХЗ и в противоположном направлении.

Изобретение относится к бионике и вычислительной технике и может быть использовано в качестве структурно-функционального элемента искусственных нейронных сетей для моделирования биологических нейронных сетей, а также для построения параллельных нейрокомпьютеров и других вычислительных систем, предназначенных для решения различных прикладных задач, в том числе задач распознавания образов, классификации данных, обработки изображений, математических операций и создания искусственного интеллекта.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении систем обработки информации в нейросетевом базисе, в том числе для распознавания образов (классификации).

Изобретение относится к области медицины: в хирургии, онкологии, в частности к способу прогнозирования течения раннего послеоперационного периода у больных с осложнениями рака прямой кишки и средству для его осуществления.
Наверх