DE102016221516B4

DE102016221516B4 - Zeitverzögerungselement aus Phasenwechselmaterial für neuromorphe Netzwerke

Info

Publication number: DE102016221516B4
Application number: DE102016221516.7A
Authority: DE
Inventors: Bernd W. Gotsmann; Siegfried Friedrich Karg; Volker Schmidt
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2015-11-23
Filing date: 2016-11-03
Publication date: 2020-04-23
Anticipated expiration: 2036-11-04
Also published as: DE102016221516A1; US9547819B1

Abstract

Synapse für ein neuromorphes Netzwerk, wobei die Synapse aufweist:einen Zeitverzögerungsteil mit einem ersten und einem zweiten Ende;einen ersten Aktuator, der an dem ersten Ende angeordnet ist und funktionell in Kontakt mit dem Zeitverzögerungsteil steht; undeinen zweiten Aktuator, der an dem zweiten Ende angeordnet ist und funktionell mit dem Zeitverzögerungsteil steht;wobei der Zeitverzögerungsteil aus einem Phasenwechselmaterial gebildet ist, wobei durch eine Änderung des Materials des Zeitverzögerungsteils eine Laufzeit eines von dem ersten Aktuator zum zweiten Aktuator übertragenen Signals verändert wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Anmeldung betrifft neuromorphe Netzwerke und insbesondere Zeitverzögerungselemente aus Phasenwechselmaterial für neuromorphe Netzwerke.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Neuromorphe Netzwerke oder physikalische neuronale Netzwerke werden bei der Mustererkennung und -klassifizierung mit vielen möglichen Anwendungen eingesetzt, die von der Fingerabdruck-, Iris- und Gesichtserkennung bis hin zur Zielerfassung usw. reichen. Die Parameter (z.B. „synaptische Gewichte“) von neuromorphen Netzwerken werden während eines Lernprozesses anhand einer Reihe von Mustern adaptiv trainiert, wonach das neuromorphe Netzwerk in der Lage ist, Muster derselben Art zu erkennen oder zu klassifizieren.
Eine Hauptkomponente eines neuromorphen Netzwerks stellt die „Synapse“ dar, in der Gewichtsinformationen gespeichert sind, üblicherweise als Variable mit kontinuierlichen Werten. Bei Anwendungen, die von der Datenverarbeitung in kompakten, leistungsfähigen, stromsparenden und tragbaren neuromorphen Netzwerken profitieren, sollte es möglich sein, neuromorphe Netzwerke in Form dicht gepackter Hardware mit einer großen Anzahl von Synapsen (10⁹ bis 10¹⁰ oder mehr) aufzubauen. Gegenwärtig wird ein neuromorphes Netzwerk üblicherweise als Softwarealgorithmus realisiert, der auf einem Universalcomputer implementiert ist, obgleich es bereits Hardware für neuromorphe Netzwerke gibt.
Gegenwärtig können neuronale Netzwerke mit einem Material mit einstellbarem Widerstand umgesetzt werden, das zum Nachbilden der Funktion einer neuronalen Synapse verwendet wird. Die Kopplungsstärke zwischen einem Eingabe- und einem Ausgabe„neuron“ kann durch die Stärke des Widerstands der Synapse eingestellt werden. Von Vorteil kann eine zeitabhängige Kopplung zwischen Knoten innerhalb eines Netzwerks sein, wobei eine Synapse dazwischen angeordnet ist. Die Synapse kann einen ankommenden Impuls zeitlich verzögern, bevor dieser zum Ausgang übertragen wird. Zeitverzögerungselemente können durch Quecksilber-Verzögerungsleitungen dargestellt werden. Die durch eine solche Quecksilber-Verzögerungsleitung erreichte Zeitverzögerung ist durch die Länge des Rohrs, dividiert durch die Schallgeschwindigkeit in flüssigem Quecksilber, bestimmt. Wenn ein akustisches Signal durch die Quecksilber-Verzögerungsleitung übertragen wird, kann somit die Signalübertragung von einem zum anderen Ende beeinflusst werden. Zum Abstimmen einer solchen Konfiguration kann die Länge der Quecksilber-Verzögerungsleitung geändert werden.
Zu Anwendungen neuromorpher Netzwerke können gehören: Mustererkennung und -klassifizierung, Erkennung von Fingerabdrücken, Gesichtern, Stimmen, ähnlichen Textpassagen, ähnlichen genetischen Codesequenzen usw.; Datenkomprimierung; Vorhersage des Verhaltens von Systemen; Steuerungsaufgaben; Abschätzung fehlender Daten; „Reinigung“ verrauschter Daten; und Näherung von Funktionen oder „Kurvenanpassung“ in mehrdimensionalen Räumen. Außerdem können neuromorphe Netzwerke auf die Suche nach lokalen oder globalen Minimalwerten (Maximalwerten) komplexer Optimierungsprobleme angesetzt werden.
DE 11 2010 004 470 T5 betrifft eine neuromorphe Schaltung, aufweisend: einen ersten Feldeffekttransistor in einer ersten Diodenkonfiguration, durch welche eine elektrische Verbindung zwischen einer ersten Gate-Zone und einer ersten Drain-Zone des ersten Feldeffekttransistors aufgebaut wird; einen zweiten Feldeffekttransistor in einer zweiten Diodenkonfiguration, durch welche eine elektrische Verbindung zwischen einer zweiten Gate-Zone und einer zweiten Drain-Zone des zweiten Feldeffekttransistors aufgebaut wird; ein Material veränderbaren Widerstands, welches sowohl mit der ersten Drain-Zone als auch mit der zweiten Drain-Zone elektrisch verbunden ist, wobei das Material veränderbaren Widerstands als ein programmierbarer Widerstandswert dient; einen ersten Knotenpunkt, welcher mit dem Material veränderbaren Widerstands elektrisch verbunden ist und einen ersten Verbindungspunkt zu einem Ausgang einer Neuronenschaltung bereitstellt; und einen zweiten Knotenpunkt, welcher mit dem Material veränderbaren Widerstands elektrisch verbunden ist und einen zweiten Verbindungspunkt zu dem Ausgang der Neuronenschaltung bereitstellt.
Die US20120330873A1 betrifft einen Verzögerungsgenerator, der aufweist: mindestens einen programmierbaren Widerstand aus einem Phasenänderungsmaterial auf Chalkogenidbasis, wobei der Widerstand initialisiert wird, um eine Verzögerung so zu erzeugen, dass der Widerstandswert des Widerstands einem voreingestellten Anfangswert entspricht und sich das Chalkogenid in der amorphen Phase befindet, und einen Komparator, der eine zeitlich stabile elektrische Referenzgröße mit einer variablen elektrischen Größe vergleicht, die für den Widerstand des programmierbaren Widerstands repräsentativ ist, wobei der Komparator ein Singularitätssignal erzeugt, wobei die Singularität erzeugt wird, wenn die Differenz zwischen den beiden elektrischen Größen das Zeichen ändert.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Synapse für ein neuromorphes Netzwerk bereitgestellt. Die Synapse enthält einen Zeitverzögerungsteil mit einem ersten und einem zweiten Ende, wobei an dem ersten Ende ein erster Aktuator angeordnet ist und funktionell in Kontakt mit dem Zeitverzögerungsteil steht und an dem zweiten Ende ein zweiter Aktuator angeordnet ist und funktionell in Kontakt mit dem Zeitverzögerungsteil steht. Der Zeitverzögerungsteil ist aus einem Phasenwechselmaterial gebildet, wobei durch eine Änderung in dem Material des Zeitverzögerungsteils eine Ausbreitungszeit eines von dem ersten Aktuator zu dem zweiten Aktuator gesendeten Signals verändert wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein neuromorphes Netzwerk nach dem Anspruch 11 bereitgestellt.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines neuromorphen Netzwerks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine schematische Darstellung eines Zeitverzögerungselements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
3 ist eine schematische Darstellung eines Zeitverzögerungselements gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
4 ist eine schematische Darstellung eines Zeitverzögerungselements gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hierin werden detaillierte anschauliche Ausführungsformen offenbart. Einzelne hierin offenbarte Struktur- und Funktionsangaben dienen jedoch lediglich zum Beschreiben beispielhafter Ausführungsformen. Beispielhafte Ausführungsformen können jedoch in vielen alternativen Formen umgesetzt werden und sind nicht als Einschränkung ausschließlich auf die hierin dargelegten Ausführungsformen zu verstehen.
Demgemäß können beispielhafte Ausführungsformen zwar in verschiedenen Modifikationen und alternativen Formen auftreten, jedoch werden deren Ausführungsformen nur beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt und hierin ausführlich beschrieben. Es sollte jedoch klar sein, dass die beispielhaften Ausführungsformen nicht auf die einzelnen offenbarten Formen beschränkt sein, sondern beispielhafte Ausführungsformen vielmehr alle Modifikationen, gleichwertige Lösungen und Alternativen erfassen sollen, die innerhalb des Schutzumfangs beispielhafter Ausführungsformen liegen. Gleiche Bezugsnummern betreffen gleiche Elemente in der gesamten Beschreibung der Figuren.
Es ist klar, dass hierin zum Beschreiben verschiedener Elemente zwar die Begriffe erster, zweiter usw. verwendet werden können, diese Elemente jedoch nicht auf diese Begriffe beschränkt sein sollen. Diese Begriffe dienen nur zum Unterscheiden eines Elements von einem anderen. Zum Beispiel kann ein erstes Element als zweites Element und gleichermaßen ein zweites Element als erstes Element bezeichnet werden, ohne vom Schutzumfang beispielhafter Ausführungsformen abzuweichen. Der hierin verwendete Begriff „und/oder“ beinhaltet jedes einzelne und alle Kombinationen einer oder mehrerer der betreffenden aufgeführten Objekte.
Die hierin verwendeten Begriffe dienen nur zum Beschreiben einzelner Ausführungsformen und sollen beispielhafte Ausführungsformen nicht einschränken. Die hierin verwendeten Einzahlformen „ein“, „eine“ und „der, die, das“ sollen gleichermaßen auch die Mehrzahlformen beinhalten, sofern aus dem Zusammenhang nicht anderes hervorgeht. Ferner ist klar, dass die Begriffe „weist auf“, „aufweisend“, „enthält“ und/oder „enthaltend“ bei Verwendung hierin das Vorhandensein angegebener Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten bezeichnen, jedoch das Vorhandensein oder Hinzukommen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder deren Gruppen nicht ausschließen.
Zu beachten ist auch, dass bei bestimmten alternativen Implementierungen die angegebenen Funktionen/Aktionen in einer von den Figuren abweichenden Reihenfolge auftreten können. Zum Beispiel können zwei nacheinander gezeigte Figuren je nach vorgesehener Funktion/Aktion in Wirklichkeit im Wesentlichen gleichzeitig oder mitunter in der umgekehrten Reihenfolge ausgeführt werden.
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen besteht eine Grundstruktur von hardwaregestützten neuromorphen Netzwerken aus einer Anzahl regelmäßig voneinander beabstandeter Linien „x“ und „y“, die einander in synaptischen Knoten schneiden. Ein synaptischer Knoten kann aus einem programmierbaren analogen oder mehrstufigen Widerstand bestehen, der vorzugsweise nichtflüchtig sein kann. Gemäß mindestens einer beispielhaften Ausführungsform kann diese Funktionalität durch eine Einheit aus Phasenwechselmaterial (PWM) realisiert werden, die, falls erforderlich, mit Rückkopplung programmiert sein kann. Die Schreib/Lese-Funktionalität kann durch das Vorhandensein kompakter Steuerlogikeinheiten mit je 4 bis 5 oder mehr Bits erreicht werden, die jeweils an eine „x“- und „y“-Leitung angeschlossen sind, die entlang der Kanten der Anordnung von synaptischen Knoten verlaufen. Die Steuerlogikeinheiten weisen Funktionalitäten wie Analog-zu-Digital(A/D)-Eingänge, Digital-zu-Analog(D/A)-Ausgänge, Speicher für mehrere Zahlen zu je 4 bis 5 oder mehr Bits, digitale E/A-Leitungen und nichtlineare Ausgänge vom Sigmoid-Typ auf.
Für maschinelles Lernen (d.h. zum Trainieren des Netzwerks) beinhaltet ein Verfahren mehrstufiges Programmieren jeder synaptischen Widerstandseinheit innerhalb eines Netzwerks und ein Verwenden der funktionellen Fähigkeit der Steuereinheiten zum Programmieren der synaptischen Stufen, wobei gleichzeitig sehr kompakte Synapsenstrukturen beibehalten werden (z.B. je nach gewünschter Konfiguration ein Element zuzüglich ein bis drei Transistoren). Zum Beispiel kann bei Verwendung der 30-nm-CMOS(komplementärer Metalloxidhalbleiter)-Fertigungstechnologie eine Synapsendichte von 3,6×10⁹ cm^-2 erreicht werden, wobei an jede x-Leitung und jede y-Leitung 6×10⁴ Steuereinheiten angeschlossen sind. Die Steuereinheiten können aus 10⁴ oder mehr Transistoren bestehen. Die in jeder Synapse pro Schritt benötigte Energie (d.h. bei jeder Änderung eines synaptischen Gewichts) beträgt mehrere pJ (Pico-Joule). Bei jeder Darstellung einer Eingabe in das neuromorphe Netzwerk während der Lernphase können die gewünschten Gewichtsaktualisierungen in allen Synapsen in einem Zeitraum der Größenordnung von 0,02 Sekunden abgewickelt werden. Während der Erkennungsphase (d.h. nach dem Training der Synapsen) können der Energieverbrauch und die Erkennungszeit pro Bild geringer sein.
Demgemäß stellen die Synapsen ein entscheidendes Element in neuromorphen Netzwerken dar. Die Synapsen stellen Plastizität und/oder Speichervermögen bereit, die dem Netzwerk eine Anpassung während des Trainings ermöglichen, d.h., sie zeigen Lernverhalten und kognitives Verhalten. Aufgrund der in neuromorphen Netzwerken hohen erreichten Dichte besteht zwischen allen synaptischen Knoten eine starke Vernetzung. Gemäß der obigen Beschreibung unterliegen die neuromorphen Netzwerke jedoch aufgrund der programmierbaren Steuereinheiten und elektrischer Steuerung und Befehle auf der synaptischen Ebene Beschränkungen, darunter, ohne darauf beschränkt zu sein, die Steuerung des zeitlichen Verlaufs und/oder der Zeitverzögerung von Signalen in Synapsen eines neuromorphen Netzwerks.
1 zeigt einen beispielhaften Ausschnitt aus einem neuromorphen Netzwerk 100. In 1 sind ein erstes Neuron oder ein erster Knoten 102a und ein zweites Neuron oder ein zweiter Knoten 104 durch einen Teil einer Verbindungsleitung 106a miteinander verbunden, der vor dem zweiten Knoten 104 angeordnet ist. Der Teil der Verbindungsleitung 106a enthält eine erste Synapse, die gemäß der vorliegenden Beschreibung konfiguriert werden kann. Die erste Synapse 108a ist dadurch gekennzeichnet, dass sich ihre Übertragung (d.h. die Signalübertragung durch die Synapse) ständig ändern kann. Zum Beispiel kann der Zustand der Synapse in Abhängigkeit von einer Zeitabhängigkeit eines prä- und eines postsynaptischen Impulses zwischen dem ersten Knoten 102a und dem zweiten Knoten 104 verändert werden. Die erste Synapse 108a kann so konfiguriert werden, dass sie das Übertragen durch die erste Synapse 108a steuert, sodass die Impulse oder Signale vom ersten Knoten 102a derart beeinflusst, verändert, gedämpft, geschwächt und/oder vollständig unterdrückt werden, dass die Impulse oder Signale den zweiten Knoten 104 nicht erreichen können. Das Steuern der Eigenschaften der Synapse erfolgt durch Gewichten. Wenn das Gewicht erhöht oder verstärkt wird, kann die Übertragung vom ersten Knoten 102a zum zweiten Knoten 104 zugelassen oder sogar verstärkt werden, während durch Verringern oder Schwächen des Gewichts die Übertragung vom ersten Knoten 102a zum zweiten Knoten 104 abgeschwächt oder vollständig unterdrückt werden kann.
Es wird gezeigt, dass auch eine Vielzahl weiterer erster Knoten 102b, 102c usw. durch entsprechende Teile der Stecker 106b, 106c usw. mit dem zweiten Knoten 104 verbunden sein kann, die vor dem zweiten Knoten 104 angeordnet sind, und dass entsprechende Synapsen 108b, 108c zwischen den entsprechenden ersten Knoten 102b, 102c und dem zweiten Knoten 104 konfiguriert werden können.
In einer solchen Konfiguration und gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen können die Synapsen 108a, 108b, 108c bei laufendem Betrieb durch das neuromorphe Netzwerk trainiert werden. Das heißt, die Synapsen 108a, 108b, 108c können so trainiert werden, dass sie in Abhängigkeit von Spitzenereignissen an den entsprechenden Knoten (erste Knoten 102a, 102b, 102c und zweiter Knoten 104) Gewichtskorrekturen vornehmen können. Die hierin verwendeten Synapsen können mithilfe von Materialien konfiguriert werden, deren Signalübertragung sich durch Anregen mittels elektrischen Stroms, Wärme usw. ändert.
Gemäß der beispielhaften Ausführungsform von 1 sind der erste Knoten 102a und der zweite Knoten 104 somit durch den Abschnitt der Verbindungsleitung 106a, die vor dem zweiten Knoten 104 angeordnet ist, mit der Synapse 108a verbunden, die entlang des Abschnitts der Verbindungsleitung 106a, die vor dem zweiten Knoten 104 und zwischen dem ersten Knoten 102a und dem zweiten Knoten 104 angeordnet ist. Der erste Knoten 102a kann ein Signal entlang des Abschnitts der Verbindungsleitung 106a, die vor dem zweiten Knoten 104 angeordnet ist, zum zweiten Knoten 104 zu übertragen. Bei dem Signal von dem ersten Knoten 102a kann es sich um einen Vorimpuls oder eine präsynaptische Spitze handeln. Desgleichen kann ein Signal von dem zweiten Knoten 104 entlang einer Verbindungsleitung 106d übertragen werden, die dem zweiten Knoten 104 (in der Figur dem ersten Knoten 102a abgewandt) nachgeschaltet ist, wobei es sich bei dem Signal um einen Nachimpuls oder eine postsynaptische Spitze handeln kann. In manchen Fällen kann die postsynaptische Spitze auftreten, nachdem der zweite Knoten 104 das Signal von dem ersten Knoten 102a empfangen oder detektiert hat.
Physikalische neuronale Netzwerke oder neuromorphe Netzwerke können durch Materialien mit einstellbarem Widerstand realisiert werden, um die Funktion einer neuronalen Synapse zu nachzubilden, d.h., es wird ein Material mit einstellbarem Widerstand zum Bilden der Synapsen 108a, 108b, 108c verwendet, die somit die Übertragung von Signalen zwischen Knoten beeinflussen können. Die Kopplungsstärke zwischen einem Eingabe- und einem Ausgabe„neuron“ (Knoten 102a beziehungsweise 104) kann durch die Stärke des Widerstands der zwischen den Knoten 102a, 104 angeordneten Synapse eingestellt werden. Eine technische Umsetzung einer Synapse kann durch Verwenden eines Speicherelements mit phasenabhängigem Widerstand erfolgen. Eine solche Umsetzung kann zum Modulieren der Amplitude eines elektrischen Impulses verwendet werden, der entlang der Verbindungsleitung 106 übertragen wird. Im Betrieb kann der elektrische Impuls in ein akustisches Signal und dann wieder in einen elektrischen Impuls zurück verwandelt werden, während er die Synapse durchläuft.
Von Vorteil kann eine zeitabhängige (statt einer amplitudenabhängigen) Kopplung zwischen zwei Knoten sein, d.h. Synapsen, die diesen zeitlichen Verlauf durchgeleiteter Signale beeinflussen können. Solche zeitabhängigen Kopplungen können zum Beispiel beim Sortieren von Zahlen und bei der Optimierung reisender Vertriebsmitarbeiter verwendet werden. Eine solche Synapse kann so konfiguriert werden, dass eine einstellbare oder abstimmbare Zeitverzögerung für einen ankommenden Eingabeimpuls bereitgestellt wird, bevor dieser als Ausgangsimpuls übertragen wird, d.h., der zeitliche Ablauf eines Impulses von einem ersten Knoten (z.B. dem ersten Knoten 102a) zu einem zweiten Knoten (z.B. dem Knoten 104) kann zeitlich verändert werden. Eine mögliche Lösung besteht in der Verwendung von Quecksilber-Verzögerungsleitungen oder -röhren. Die durch eine solche Quecksilber-Verzögerungsleitung erreichte Zeitverzögerung kann bestimmt werden oder ist abhängig von der Länge der Röhre, geteilt durch die Schallgeschwindigkeit in flüssigem Quecksilber. Bei solchen Konfigurationen kann die durch das Quecksilberrohr erzeugte Zeitverzögerung nicht direkt abgestimmt oder verändert werden, sondern zum Bereitstellen einer anderen Zeitverzögerung muss die gesamte Einheit (d.h. die Quecksilberröhre) ausgetauscht werden.
Bei einer Quecksilber-Verzögerungsleitung wird ein elektrisches Signal in ein akustisches Signal und wieder zurück umgewandelt, während das Signal in die Quecksilberröhre eintritt und diese durchläuft. Die Zeitverzögerung des Signals ergibt sich aus der Länge der durchlaufenen Strecke und der Geschwindigkeit des Schalls in dem Übertragungsmaterial. Die Länge der Ausbreitungsstrecke kann in einer Halbleitereinheit leicht abgestimmt oder verändert werden.
Die Schallgeschwindigkeit kann jedoch abgestimmt werden, wenn ein Material einen Phasenwechsel erfährt. Normalerweise ist die Schallgeschwindigkeit in einem Material im amorphen Aggregatzustand niedriger als die Schallgeschwindigkeit in demselben Material im kristallinen Aggregatzustand. Ähnlich wie bei einem Phasenwechselspeicher, bei dem sich ein Widerstand eines Materials durch teilweises Kristallisieren eines amorphen Chalkogenids ändert, kann ein amorphes Phasenwechselmaterial als Ausbreitungsmedium verwendet werden, in dem eine Zeitverzögerung durch teilweises Kristallisieren eingestellt werden kann.
Hierin wird ein abstimmbares Zeitverzögerungselement bereitgestellt, das als Synapse in neuromorphen Netzwerken verwendet werden kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das abstimmbare Zeitverzögerungselement aus einem Phasenwechselmaterial oder Teilen desselben gebildet und mit Implementierungen zur Widerstandskopplung kompatibel sein.
2 zeigt ein abstimmbares Zeitverzögerungselement 210 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das abstimmbare Zeitverzögerungselement 210 kann innerhalb eines neuromorphen Netzwerks als Synapse konfiguriert sein, die zwischen zwei oder mehr Knoten oder Neuronen des Netzwerks angeordnet ist. Das abstimmbare Zeitverzögerungselement 210 kann mit einer Materialcharakteristik derart konfiguriert sein, dass ein das abstimmbare Zeitverzögerungselement 210 durchlaufendes Signal mit einer Zeitverzögerung beaufschlagt wird. Durch eine mittels des abstimmbaren Zeitverzögerungselements 210 beaufschlagte Zeitverzögerung wird ein neuromorphes Netzwerk in die Lage versetzt, durch verlängerte oder verkürzte Wegstrecken zwischen Knoten trainiert zu werden und zu lernen. Da das Zeitverzögerungselement 210 abstimmbar sein kann, kann die Wirkung der Zeitverzögerung auf ein Signal so eingestellt werden, dass eine gewünschte Verbindung zwischen zwei oder mehr Knoten oder Neuronen hergestellt wird.
Die Ausführungsform von 2 zeigt ein abstimmbares Zeitverzögerungselement 210. Das abstimmbare Zeitverzögerungselement 210 hat ein erstes Ende 212 und ein zweites Ende 214. Ein erster Aktuator 216 kann an dem ersten Ende 212 und ein zweiter Aktuator 218 an dem zweiten Ende 214 konfiguriert sind. Bei einigen nicht als Einschränkung zu verstehenden Ausführungsformen kann jeder erste und zweite Aktuator 216, 218 aus einem Material gebildet sein, bei dem sich eine physikalische Eigenschaft durch Anlegen eines elektrischen Stroms ändern kann. Zum Beispiel können der erste Aktuator 216 und der zweite Aktuator 218 aus einem piezoelektrischen Material (z.B. PZT, Quarz usw.) gebildet sein. Durch Aktivieren der Aktuatoren 216, 218 kann ein akustisches Signal erzeugt werden. Somit können die Aktuatoren 216, 218 so konfiguriert werden, dass sie ein elektrisches Signal in ein akustisches Signal umwandeln. Gemäß einigen Ausführungsformen kann an jedem Ende 212, 214 mehr als ein Aktuator angeordnet sein und/oder ein oder mehrere Aktuatoren können an Punkten zwischen dem ersten Ende 212 und dem zweiten Ende 214 angeordnet sein.
Jeder Aktuator 216, 218 kann mit elektrischen Kontakten ausgestattet sein, die zum Anlegen eines elektrischen Stroms an den entsprechenden Aktuator 216, 218 konfiguriert sind. Zum Beispiel kann der erste Aktuator 216 erste elektrische Kontakte 220a, 220b enthalten, wobei die ersten elektrischen Kontakte 220a, 220b an entgegengesetzten Seiten des ersten Aktuators 216 angeordnet sind. Desgleichen kann der zweite Aktuator 218 zweite elektrische Kontakte 222a, 222b enthalten, wobei die elektrischen Kontakte 222a, 222b an entgegengesetzten Seiten des zweiten Aktuators 218 angeordnet sind. Die ersten elektrischen Kontakte 220a, 220b und die zweiten elektrischen Kontakte 222a, 222b können mit einer elektrischen Schaltung 224 elektrisch verbunden sein. Die elektrische Schaltung 224 kann so konfiguriert sein, dass sie die ersten elektrischen Kontakte 220a, 220b und/oder die zweiten elektrischen Kontakte 222a, 222b mit Strom versorgt.
Zwischen dem ersten Aktuator 216 am ersten Ende 212 und dem zweiten Aktuator 218 am zweiten Ende 214 ist ein Zeitverzögerungsteil 226 angeordnet. Der Zeitverzögerungsteil 226 kann aus einem Phasenwechselmaterial (z.B. Ge₂Sb₂Te₅, InSb usw.) gebildet sein. Der erste Aktuator 216 und der zweite Aktuator 218 sind so konfiguriert, dass sie funktionell in Kontakt mit dem Zeitverzögerungsteil 226 stehen.
Im Betriebszustand kann ein Eingabesignal (z.B. eine Spannung oder ein Strom) von der elektrischen Schaltung 224 an den ersten elektrischen Kontakten 220a, 220b am ersten Ende 212 angelegt werden. Das Eingabesignal kann in den ersten Aktuator 216 am ersten Ende 212 übertragen werden. Das Eingabesignal kann den ersten Aktuator 216 veranlassen, seine physikalischen Eigenschaften beispielsweise durch Vibrieren oder Aktivieren zu ändern. Der erste Aktuator 216 kann durch Anlegen des Eingabesignals veranlasst werden, das elektrische Signal in ein akustisches Eingabesignal umzuwandeln. Das heißt, gemäß einigen Ausführungsformen kann der erste Aktuator 216 so konfiguriert werden, dass er elektrische Signale in akustische Signale umwandelt, und somit aus einem geeigneten Material gebildet sein, um einen solchen in der Technik bekannten Übergang zu erreichen.
Das akustische Signal kann sich durch den Zeitverzögerungsteil 226 des abstimmbaren Zeitverzögerungselements 210 vom ersten Ende 212 zum zweiten Ende 214 ausbreiten. Das heißt, das akustische Signal kann sich entlang des Zeitverzögerungsteils 226 oder durch dieses hindurch zum zweiten Ende 214 ausbreiten, wo das akustische Signal am zweiten Aktuator 218 in ein elektrisches Ausgabesignal zurück umgewandelt wird. Gemäß einigen Ausführungsformen kann es sich bei dem Aktuator auch um einen Detektor handeln, d.h., ein Detektor und ein Aktuator sind in einem einzigen Element konfiguriert, und gemäß anderen Ausführungsformen können der Aktuator und der Detektor als getrennte Elemente konfiguriert sein. Bei dem Eingabesignal kann es sich um ein elektrisches Signal handeln, das von einem Knoten eines neuromorphen Netzwerks (als elektrisches Ausgabesignal) zu einem anderen Knoten des neuromorphen Netzwerks übertragen wird. Während des Lernens und/oder beim Training des neuromorphen Netzwerks kann es von Vorteil sein, die Fähigkeit von Signalen, das abstimmbare Zeitverzögerungselement 210 zu durchlaufen, zu gewichten und/oder zu verändern. Das heißt, gemäß einigen Konfigurationen eines neuromorphen Netzwerks kann es von Vorteil sein, die Geschwindigkeit, mit der ein Signal das abstimmbare Zeitverzögerungselement 210 durchlaufen kann, zu erhöhen oder verringern.
Das derart konfigurierte abstimmbare Zeitverzögerungselement 210 kann somit abgestimmt oder verändert werden, um ein Signal zu beeinflussen, das die Strecke vom ersten Ende 212 zum zweiten Ende 214 des abstimmbaren Zeitverzögerungselements 210 zurücklegt. Zum Beispiel können durch einen Strom, der über die mit dem Zeitverzögerungsteil 226 verbundenen elektrischen Kontakte 220b, 222b durch den Zeitverzögerungsteil 226 fließt, der Zeitverzögerungsteil 226 oder Teile oder Abschnitte desselben zu einem Phasenwechsel veranlasst werden. Das heißt, dass nicht nur ein akustisches Signal, sondern auch ein elektrisches Signal durch den Zeitverzögerungsteil 226 als Teil des neuromorphen Netzwerks geschickt werden kann, das die Phase und die Eigenschaften des Zeitverzögerungsteils 226 ändert.
Durch einen Phasenwechsel des Zeitverzögerungsteils 226 oder eines Abschnitts desselben kann die Schallgeschwindigkeit durch den Zeitverzögerungsteil 226 vom ersten Ende 212 zum zweiten Ende 214 geändert werden. Dadurch wiederum kann die Laufzeit des akustischen Signals durch den Zeitverzögerungsteil 226 vom ersten Aktuator 216 zum zweiten Aktuator 218 geändert werden. Somit kann ein akustisches Signal, das das Zeitverzögerungsteil 210 durchläuft, mit einer Zeitverzögerung beaufschlagt werden, indem die akustischen Ausbreitungseigenschaften des Zeitverzögerungsteils 226 verändert werden.
3 zeigt eine alternative Konfiguration gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Zeitverzögerungselements 310 ähnlich dem Zeitverzögerungselement 210 von 2, wobei gleiche Merkmale mit gleichen Bezugsnummern bezeichnet sind. Deshalb wird die Beschreibung ähnlicher Merkmale und Strukturen nicht wiederholt. In 3 sind die mit dem Zeitverzögerungsteil 326 verbundenen elektrischen Kontakte 320b, 322b als Heizelemente konfiguriert. Demgemäß kann an den elektrischen Kontakten 320b, 322b Wärme erzeugt werden, um innerhalb des Zeitverzögerungsteils 226 einen Temperaturgradienten zu erzeugen. Entsprechend der Amplitude, der Dauer und des Anstiegs des Heizimpulses kann das Material des Zeitverzögerungsteils 326 auskristallisieren (oder wieder amorph werden). Parameter Amplitude, Dauer und/oder Anstieg des Heizimpulses können zum Erzeugen des kristallinen, amorphen und/oder teilkristallinen Zustands verwendet werden. Bei einer solchen Konfiguration kann die Wärmeenergie zum Wechsel der Phase und zum Ändern der akustischen Ausbreitungseigenschaften des Zeitverzögerungsteils 326 verwendet und somit ein akustisches Signal, das von einem ersten Aktuator 316 an einem ersten Ende 312 zu einem zweiten Aktuator 318 an einem zweiten Ende 314 übertragen wird, mit einer Zeitverzögerung beaufschlagt werden.
Ferner ist gezeigt, dass zusätzliche und/oder getrennte Heizelemente 328 entlang einer Seite oder Längsseite des Zeitverzögerungsteils 326 konfiguriert oder angeordnet sein können. Das heißt, die Heizelemente 328 können so konfiguriert sein, dass sie den Zeitverzögerungsteil 326 oder Abschnitte desselben mit einem Temperaturgradienten beaufschlagen, um in dem Material des Zeitverzögerungsteils 326 einen Phasenwechsel zu bewirken. Dem Fachmann ist einsichtig, dass die Konfiguration von 3 so verändert werden kann, dass die elektrischen Kontakte 320b, 322b, die mit dem Zeitverzögerungsteil 326 verbunden sind, oder die Heizelemente 328 weggelassen werden können. Zwar sind die Heizelemente 328 ferner in einem Stück über die Länge hinweg konfiguriert, jedoch ist dem Fachmann einsichtig, dass die Heizelemente 328 als Vielzahl einzelner Punkt- oder Flächenheizelemente angeordnet sein können, um in dem Material des Zeitverzögerungsteils 326 durch Anwenden von Wärmeenergie einen gewünschten Phasenwechsel zu bewirken.
4 zeigt eine alternative Konfiguration gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Zeitverzögerungselements 410 ähnlich dem Zeitverzögerungselement 210 von 2, wobei gleiche Merkmale durch gleiche Bezugnummern bezeichnet sind. Daher wird die Beschreibung ähnlicher Merkmale und Strukturen nicht wiederholt. In 4 kann das Zeitverzögerungselement 426 mit mehr als einem Abschnitt oder Bereich mit Materialeigenschaften gebildet sein, die stimuliert werden und sich dadurch ändern können. Somit enthält das in 4 gezeigte Zeitverzögerungselement 426 einen ersten Abschnitt 426a und einen zweiten Abschnitt 426b. Der erste Abschnitt 426a kann aus einem ersten Phasenwechselmaterial und der zweite Abschnitt 426b aus einem zweiten Phasenwechselmaterial gebildet sein, dessen Zusammensetzung sich von der des ersten Phasenwechselmaterials des ersten Abschnitts 426a unterscheidet. Dem Fachmann ist einsichtig, dass andere Konfigurationen verwendet werden können, die ein einziges Material verwenden, das jedoch unterschiedliche Eigenschaften hat, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Wenn zum Beispiel ein erster elektrischer Kontakt 420b an einem ersten Ende 412 als Heizelement konfiguriert ist, kann der erste elektrische Kontakt 420b Wärmeimpulse in den Zeitverzögerungsteil 426 übertragen. Der erste Abschnitt 426a des Zeitverzögerungsteils 426 kann aus einem Hochtemperaturmaterial gebildet sein, sodass das Material seine Materialeigenschaften nicht unmittelbar nach dem Empfangen der Impulse von dem ersten elektrischen Kontakt 420b ändert. Die Wärmeimpulse können sich durch den ersten Abschnitt 426a ausbreiten und in den zweiten Abschnitt 426b eintreten. Der zweite Abschnitt 426b kann aus einem Tieftemperaturmaterial gebildet sein. Somit kann der zweite Abschnitt 426b seine Materialeigenschaften bei einer niedrigeren Temperatur als der erste Abschnitt 426a ändern. Da sich die Wärme durch den ersten Abschnitt 426a ausbreiten muss, bevor sie in den zweiten Abschnitt 426b eintritt, kann die Wärmemenge längs des Weges abnehmen, sodass der erste und der zweite Abschnitt 426a, 426b gleichzeitig oder zu bestimmten Zeitpunkten (oder bei bestimmten Wärmemengen) zwischen ihren Phasen wechseln können. Somit kann das Zeitverzögerungselement 410 so aufgebaut sein, dass es auf eine beliebige gewünschte Konfiguration abgestimmt ist. Die Beschreibung nimmt zwar Bezug auf die Anwendung von Wärme, jedoch ist dem Fachmann einsichtig, dass die in 4 gezeigte Konfiguration auch unter Verwendung anderer Anregungsarten angewendet werden kann.
4 zeigt ferner, dass der zweite elektrische Kontakt 422b in Kontakt mit dem zweiten Abschnitt 426b am zweiten Ende 414 des Zeitverzögerungselements 410 angeordnet sein kann. Der zweite elektrische Kontakt 422b kann so konfiguriert sein, dass er einen Wärmeimpuls in den zweiten Abschnitt 426b einleitet, um einen Phasenwechsel des zweiten Abschnitts 426b zu bewirken. Somit kann das Zeitverzögerungselement 410 weiter bedarfsgerecht zugeschnitten oder abgestimmt werden.
Bei dem hierin verwendeten Phasenwechselmaterial des Zeitverzögerungselements kann es sich um amorphes Silicium, Germanium oder ein anderes Material handeln. Zum Beispiel beträgt die Schallgeschwindigkeit in amorphem Silicium ungefähr 77 % der Schallgeschwindigkeit in kristallinem Silicium. Die Schallgeschwindigkeit in amorphem Germanium beträgt ungefähr 82 % der Schallgeschwindigkeit in kristallinem Germanium. Die Schallgeschwindigkeit in amorphem Germanium-Antimon-Tellurid, Ge₂Sb₂Te₅, beträgt ungefähr 71 % der Schallgeschwindigkeit in (kubisch) kristallisiertem Ge₂Sb₂Te₅. Durch einen Phasenwechsel eines Abschnitts oder eines Teils des Materials des Zeitverzögerungsteils von der kristallinen zur amorphen Phase kann die Schallgeschwindigkeit üblicherweise um ungefähr 10 % bis 40 % verringert werden. Da die Laufzeit eines Schallsignals der Schallgeschwindigkeit umgekehrt proportional ist, entspricht dies einer Laufzeitänderung um ungefähr 11 % bis 66 %. Zwar werden hierin verschiedene Materialien beschrieben, jedoch ist dem Fachmann einsichtig, dass auch andere Materialien verwendet werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel kann jedes Material verwendet werden, insbesondere Phasenwechselmaterialien, die ihren (elektrischen, akustischen, optischen usw.) spezifischen Widerstand aufgrund einer Zustandsänderung oder der Änderung anderer Eigenschaften ändern können.
Einer der Vorteile der vorliegenden Offenbarung besteht in einer Synapse für ein neuromorphes Netzwerk, das durch Anwenden von Anregungsmitteln abstimmbar ist. Weitere Vorteile betreffen abstimmbare Synapsen, die aus Phasenwechselmaterialien gebildete Zeitverzögerungsteile enthalten, die durch verschiedene Anregungsarten beeinflusst werden können, um die Synapse des neuromorphen Netzwerks mit einer Zeitverzögerung zu beaufschlagen.
Zu beachten ist, dass Varianten der obigen beispielhaften Ausführungsformen möglich sind; die beispielhaften Ausführungsformen sollen alle Modifikationen, gleichartige Lösungen und Alternativen beinhalten, die in den Schutzumfang der beispielhaften Ausführungsformen fallen. Zum Beispiel können viele Knoten mit den hierin beschriebenen Synapsen konfiguriert werden, die auf Datenübertragungsleitungen zwischen jedem Paar oder jeden zwei Knoten in der Gruppe von Knoten angeordnet sind.
Zwar ist die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden, jedoch ist dem Fachmann klar, dass daran verschiedene Änderungen vorgenommen und gleichartige Elemente ausgetauscht werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Außerdem können an den vorliegenden Lehren zum Anpassen an eine bestimmte Situation viele Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Deshalb sollen die Beschreibung und die Ansprüche nicht auf die offenbarten Ausführungsformen zum Umsetzen der oben beschriebenen Merkmale beschränkt sein, sondern die Offenbarung und die Beschreibung sollen alle Ausführungsformen beinhalten, die in den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche fallen. Außerdem soll durch die Verwendung der Begriffe erster, zweiter usw. keine Reihenfolge der Wichtigkeit anzeigen, sondern die Begriffe erster, zweiter usw. werden zum Unterscheiden eines Elements von einem anderen Element verwendet.

Claims

Synapse für ein neuromorphes Netzwerk, wobei die Synapse aufweist: einen Zeitverzögerungsteil mit einem ersten und einem zweiten Ende; einen ersten Aktuator, der an dem ersten Ende angeordnet ist und funktionell in Kontakt mit dem Zeitverzögerungsteil steht; und einen zweiten Aktuator, der an dem zweiten Ende angeordnet ist und funktionell mit dem Zeitverzögerungsteil steht; wobei der Zeitverzögerungsteil aus einem Phasenwechselmaterial gebildet ist, wobei durch eine Änderung des Materials des Zeitverzögerungsteils eine Laufzeit eines von dem ersten Aktuator zum zweiten Aktuator übertragenen Signals verändert wird.
Synapse nach Anspruch 1, die ferner eine elektrische Schaltung aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie ein Eingabesignal an den ersten Aktuator anlegt und ein Ausgabesignal von dem zweiten Aktuator empfängt.
Synapse nach Anspruch 2, wobei das Eingabesignal von einem Knoten eines neuromorphen Netzwerks empfangen wird.
Synapse nach Anspruch 1, die ferner einen ersten elektrischen Kontakt aufweist, der zwischen dem ersten Aktuator und dem Zeitverzögerungsteil angeordnet ist, wobei der erste elektrische Kontakt zum Stimulieren des Zeitverzögerungsteils konfiguriert ist.
Synapse nach Anspruch 4, die ferner einen zweiten elektrischen Kontakt aufweist, der zwischen dem Zeitverzögerungsabschnitt und dem zweiten Aktuator angeordnet ist, wobei der zweite elektrische Kontakt zum Stimulieren des Zeitverzögerungsteils konfiguriert ist.
Synapse nach Anspruch 1, die ferner ein Heizelement aufweist, das so konfiguriert ist, dass es dem Zeitverzögerungsteil Wärmeenergie derart zuführt, dass sich eine Phase des Zeitverzögerungsteils durch Zuführen der Wärme ändert.
Synapse nach Anspruch 6, wobei das Heizelement zwischen dem ersten Aktuator und dem Zeitverzögerungsteil angeordnet ist.
Synapse nach Anspruch 6, wobei das Heizelement auf einer Seite des Zeitverzögerungsteils angeordnet ist, die nicht in Kontakt mit dem ersten Aktuator oder dem zweiten Aktuator steht.
Synapse nach Anspruch 1, wobei der Zeitverzögerungsteil einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt aus einem Material gebildet ist, das von dem des zweiten Abschnitts verschieden ist.
Synapse nach Anspruch 9, wobei der erste Abschnitt zum ersten Ende und der zweite Abschnitt zum zweiten Ende des Zeitverzögerungsteils hin angeordnet sind.
Neuromorphes Netzwerk, das aufweist: einen ersten Knoten, der zum Übertragen eines Signals konfiguriert ist, einen zweiten Knoten, der zum Empfangen des Signals konfiguriert ist; eine Verbindungsleitung, die den ersten Knoten funktionell mit dem zweiten Knoten verbindet; und eine Synapse, die in der Verbindungsleitung angeordnet und so konfiguriert ist, dass sie eine Laufzeit des Signals durch die Verbindungsleitung vom ersten Knoten zum zweiten Knoten beeinflusst, wobei die Synapse aufweist: einen Zeitverzögerungsteil mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende; einen ersten Aktuator, der an dem ersten Ende angeordnet ist und funktionell in Kontakt mit dem Zeitverzögerungsteil steht; und einen zweiten Aktuator, der an dem zweiten Ende angeordnet ist und funktionell in Kontakt mit dem Zeitverzögerungsteil steht; wobei der Zeitverzögerungsteil aus einem Phasenwechselmaterial gebildet ist, wobei durch eine Änderung in dem Material des Zeitverzögerungsteils die Laufzeit des Signals verändert wird, während es den Zeitverzögerungsteil durchläuft.
Neuromorphes Netzwerk nach Anspruch 11, das ferner eine elektrische Schaltung aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie ein Eingabesignal an den ersten Aktuator anlegt und ein Ausgabesignal von dem zweiten Aktuator empfängt.
Neuromorphes Netzwerk nach Anspruch 12, wobei das Eingabesignal von einem Knoten eines neuromorphen Netzwerks empfangen wird.
Neuromorphes Netzwerk nach Anspruch 11, das ferner einen ersten elektrischen Kontakt aufweist, der zwischen dem ersten Aktuator und dem Zeitverzögerungsteil angeordnet ist, wobei der erste elektrische Kontakt zum Stimulieren des Zeitverzögerungsteils konfiguriert ist.
Neuromorphes Netzwerk nach Anspruch 14, das ferner einen zweiten Kontakt aufweist, der zwischen dem Zeitverzögerungsteil und dem zweiten Aktuator angeordnet ist, wobei der zweite elektrische Kontakt zum Stimulieren des Zeitverzögerungsteils konfiguriert ist.
Neuromorphes Netzwerk nach Anspruch 11, das ferner ein Heizelement aufweist, das zum Zuführen von Wärmeenergie zum Zeitverzögerungsteil derart konfiguriert ist, dass sich eine Phase des Zeitverzögerungsteils durch Zuführen der Wärme ändert.
Neuromorphes Netzwerk nach Anspruch 16, wobei das Heizelement zwischen dem ersten Aktuator und dem Zeitverzögerungsteil angeordnet ist.
Neuromorphes Netzwerk nach Anspruch 16, wobei das Heizelement auf einer Seite des Zeitverzögerungsteils angeordnet ist, die nicht in Kontakt mit dem ersten Aktuator oder dem zweiten Aktuator steht.
Neuromorphes Netzwerk nach Anspruch 11, wobei der Zeitverzögerungsteil einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt aus einem Material gebildet ist, das von dem Material des zweiten Abschnitts verschieden ist.
Neuromorphes Netzwerk nach Anspruch 19, wobei der erste Abschnitt zum ersten Ende und der zweite Abschnitt zum zweiten Ende des Zeitverzögerungsteils hin angeordnet ist