DE19639910A1 - Read-only analogue memory for miniaturised neural network - Google Patents

Read-only analogue memory for miniaturised neural network

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Abstract

The analogue memory has an array (1) with a matrix of memory cells (11), each having a giant magneto-resistive layer structure with soft and hard magnetic layers. The individual memory cells are controlled via intersecting matrix conductor lines (12,13,14), with a second set of matrix conductor lines associated with pairs of electrodes for each layer structure, for controlling the actual electrical resistance of each individual cell.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen statischen Analogwertspeicher auf der Basis von GMR-(Giant- Magnetoresistive-)Schichtsystemen, insbesondere als Speicher für neuronale Netze.The present invention relates to a static Analog value memory based on GMR (giant Magnetoresistive) layer systems, especially as storage for neural networks.

Für eine optimale Hardware-Realisierung neuronaler Netze sind nichtflüchtige Analogspeicherelemente erforderlich, für die die heute übliche digitale Schaltungstechnik zu berücksichtigen ist. Ein neuronales Netz ist bekanntermaßen matrixförmig aufgebaut und besitzt an seinen Kreuzungsstellen Neuronen, die der Matrix entsprechend alle miteinander verbunden sind. Jedes einzelne Neuron dieses Netzes weist eine Vielzahl von Synapsen auf, die mit einem bestimmten/eingebbaren Gewicht Wÿk auf eine eingehende Erregung Sk reagieren. Hierbei bezeichnen i und j die Zeilen und Spalten der Matrix und k kennzeichnet die jeweilige Komponente Sk des berücksichtigten Erregungsvektors S an. Dieser Vektor S beinhaltet mit seinen Komponenten sowohl solche externer Art als auch solche rückgekoppelter Art. Die Grundfunktion der k-ten Synapse läßt sich z. B. durch die Gleichung
Wÿk(t + δt) = 1 - eÿ(t) Wÿk(t) + eÿ(t) Sk(t)
beschreiben. Die Erregungen eÿ(t) sind ein Maß für die Bereitschaft des Netzes, sich zum Zeitpunkt t an den anliegenden Vektor S anzupassen. Der Wert e = 0 bedeutet, daß das Neuron des Netzes wegen fehlender eingehender Erregung S nichts lernt. Der Wert e = 1 bedeutet, daß das Neuron den zurückliegenden Zustand vergießt. Für das Funktionieren eines neuronalen Netzes ist es vorteilhaft, wenn die Gewicht Wÿk analog gespeichert werden können. For optimal hardware implementation of neural networks, non-volatile analog memory elements are required, for which the digital circuit technology common today must be taken into account. As is known, a neural network is constructed in a matrix and has neurons at its crossing points, all of which are connected to one another in accordance with the matrix. Each individual neuron of this network has a large number of synapses, which react to an incoming excitation S k with a certain / inputable weight W ÿ k . Here, i and j denote the rows and columns of the matrix and k denotes the respective component S k of the excitation vector S taken into account. With its components, this vector S contains both such an external type and a feedback type. The basic function of the kth synapse can be z. B. by the equation
W ÿk (t + δt) = 1 - e ÿ (t) W ÿk (t) + e ÿ (t) S k (t)
describe. The excitations e ÿ (t) are a measure of the readiness of the network to adapt to the adjacent vector S at time t. The value e = 0 means that the neuron of the network is not learning anything due to the lack of incoming excitation S. The value e = 1 means that the neuron sheds the previous state. For the functioning of a neural network, it is advantageous if the weights W ÿk can be stored analogously.

Analog speichernde Magnetschicht-Systeme sind in den Druckschriften DE-A-42 30 981 und DE-A-42 30 983 beschrieben. Dort sind optisch beeinflußte Magnetschichten angegeben, in die durch Einwirkung gesteuerter Laserstrahlung wählbar eingeschrieben werden kann. Nachteilig ist bei diesen bekannten Speicherschichten, daß das vorgesehene Laser-Scan-Verfahren wegen der erforderlichen Strahlablenkung zumindest nicht in günstiger Weise miniaturisiert werden kann.Analog storage magnetic layer systems are in the Publications DE-A-42 30 981 and DE-A-42 30 983 are described. There are optically influenced magnetic layers specified, in selectable by the action of controlled laser radiation can be registered. The disadvantage of these is known storage layers that the intended laser scanning process at least because of the required beam deflection cannot be miniaturized in a favorable manner.

Die beiden genannten Druckschriften zeigen mit ihren Ausführungsbeispielen, wie innerhalb einer solchen Speicheranordnung der Ansteuerung dienende elektrische Leiterbahnen ausgeführt sein können. Weiter ist aus diesem Stand der Technik bekannt, wie und mit welcher Ansteuerung die verschiedenen analogen Pegelstufen in der Information­ speichernden Magnetschicht eingestellt werden können.The two publications mentioned show with their Embodiments as within such Storage arrangement of the control serving electrical Conductors can be executed. Next is from this State of the art how and with which control the different analog level levels in the information storing magnetic layer can be adjusted.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Prinzip für den Aufbau eines nicht flüchtigen Analogspeichers mit magnetischem Speichereffekt anzugeben, wobei dieser Speicher und sein zugehöriges Ansteuersystem mit sinnvollem technischem Aufwand miniaturisierbar ist. Insbesondere soll eine jede Zelle des Speichers fähig sein, analoge Information direkt (als solche) speichern zu können und wieder auslesbar sein.The object of the present invention is to provide a principle for the construction of a non-volatile analog memory specify magnetic memory effect, this memory and its associated control system with sensible technical expenditure can be miniaturized. In particular, should each cell of memory will be capable of analog information can be saved directly (as such) and read out again be.

Gemäß Patentanspruch ist eine jede Zelle des erfindungsgemäßen Analogspeichers aus einem GMR-(Giant- Magnetoresistive)-Schichtsystem aufgebaut, wie es im einzelnen nachfolgend noch näher erläutert ist.According to claim, each cell of the Analog memory according to the invention from a GMR (giant Magnetoresistive) layer system, as it is built in each is explained in more detail below.

Zum Prinzip einer GMR-Vorrichtung sei auch auf die Druckschrift DE-A-43 01 704 hingewiesen, die eine Vorrichtung zum Erfassen einer Winkelposition eines Objekts betrifft. Es ist dort ein MR-Sensor beschrieben, der dem Zweck dient, einen Drehwinkel eines Objekts, wie z. B. eines Magneten, zu detektieren bzw. quantitativ zu überwachen. Diese bekannte Vorrichtung umfaßt einen über einem GMR-Magnetschicht-Aufbau drehbar angeordneten Magneten. Das Magnetfeld dieses Magneten wirkt in dem GMR-Schichtsystem. Dieses besteht aus wie dort in den Fig. 3 und 4 dargestellt mehreren dicht aufeinanderliegenden Schichten aus magnetisch unterschiedlich empfindlichen Materialien. Es ist dort wenigstens eine Schicht aus magnetischem Material mit relativ hoher Koerzitivkraft vorgesehen, die als Bias-Schicht dient und wirksam ist. Die Magnetisierung MB ist für diesen Schichtaufbau als konstant ausgerichtet vorgegeben wirksam. Diese Magnetisierung MB ist die Bezugsrichtung für die sonstigen magnetischen Ausrichtungen. Eine weitere Schicht aus weit geringer koerzitivem Magnetmaterial liegt gegebenenfalls durch eine Zwischenschicht getrennt auf der schon erwähnten Bias-Schicht auf. In sogenannter Null-Position ist die Magnetisierung in dieser zweiten Schicht bezogen auf die Magnetisierungsrichtung der Bias-Schicht parallel oder antiparallel zu dieser ausgerichtet. Durch ein Magnetfeld des schon erwähnten drehbar angeordneten Magneten kann in diesem MR-Schichtsystem die Magnetisierung MM entsprechend der augenblicklichen Ausrichtung des Magnetfeldes dieses Magneten aus der parallelen bzw. antiparallelen Ausrichtung zur Magnetisierung MB herausgedreht werden. Damit tritt ein Winkel zwischen den Richtungen der Magnetisierungen MB und MM auf.Regarding the principle of a GMR device, reference is also made to the document DE-A-43 01 704, which relates to a device for detecting an angular position of an object. An MR sensor is described there, which serves the purpose of determining an angle of rotation of an object, such as, for. B. a magnet to detect or monitor quantitatively. This known device comprises a magnet rotatably arranged over a GMR magnetic layer structure. The magnetic field of this magnet acts in the GMR layer system. This consists of, as shown there in FIGS. 3 and 4, a plurality of layers lying one on top of the other made of magnetically differently sensitive materials. At least one layer of magnetic material with a relatively high coercive force is provided there, which serves as a bias layer and is effective. The magnetization M B is effective for this layer structure as a constant orientation. This magnetization M B is the reference direction for the other magnetic alignments. Another layer of far less coercive magnetic material is optionally separated by an intermediate layer on the already mentioned bias layer. In the so-called zero position, the magnetization in this second layer is oriented parallel or anti-parallel to the magnetization direction of the bias layer. By means of a magnetic field of the already mentioned rotatably arranged magnet, the magnetization M M can be rotated out of the parallel or antiparallel orientation to the magnetization M B in this MR layer system in accordance with the current orientation of the magnetic field of this magnet. An angle thus occurs between the directions of the magnetizations M B and M M.

Ein solches Schichtsystem besteht im Regelfall aus einer Vielzahl miteinander abwechselnd angeordneten Bias-Schichten und Magnetfeld-Schichten der Magnetisierung MM.Such a layer system generally consists of a large number of alternating bias layers and magnetic field layers of magnetization M M.

Eine solche MR-Vorrichtung hat die physikalische Eigenschaft, daß der elektrische Widerstand eindeutig von dem erwähnten Winkel zwischen den Ausrichtungen der Bias-Schicht und der beeinflußbaren Magnetisierungs-Schicht abhängig ist. Dabei kann der Meßstrom, mit dem der jeweilige elektrische Widerstand des Schichtensystems für einen betrachteten Ort festgestellt wird, nach Wahl senkrecht zu den Ebenen der Schichten des Systems oder auch in diesen Ebenen gerichtet durch das System hindurchgeschickt werden. Es sind dementsprechend örtlich positionierte Elektrodenpaare für den Strom-Eingang und -Ausgang vorzusehen.Such an MR device has the physical property that the electrical resistance is clearly different from that mentioned Angle between the orientations of the bias layer and the Influenced magnetization layer is dependent. Here can the measuring current with which the respective electrical Resistance of the layer system for a given location is determined, perpendicular to the planes of the choice  Layers of the system or even directed at these levels be sent through the system. There are accordingly locally positioned electrode pairs for the Electricity input and output must be provided.

Für den Aufbau eines solchen bekannten Schichtensystems sei noch darauf hingewiesen, daß sowohl ferromagnetische als auch antiferromagnetische Kopplung benachbarter Schichten wirksam sein kann.For the construction of such a known layer system still pointed out that both ferromagnetic as well antiferromagnetic coupling of adjacent layers is effective can be.

Weitere Erläuterungen zur Erfindung gehen aus der Beschreibung zu beigefügten Figuren hervor.Further explanations of the invention are given in the Description to attached figures.

Fig. 1 zeigt das Prinzipbild eines erfindungsgemäßen Aufbaues eines Arrays eines Analogwertspeichers, geeignet für Neuronen mit seinen einzelnen Speicherzellen in Matrixanordnung. Fig. 1 shows the principle image shows a structure of an array according to the invention an analog-only memory, suitable for neurons with its individual memory cells in a matrix arrangement.

Fig. 2 zeigt das in Fig. 1 weggelassene, dem Speicher jedoch zugehörige System der Leiterbahnen zum Erfassen der jeweiligen Widerstandswerte der einzelnen Speicherzellen. FIG. 2 shows the system of conductor tracks omitted in FIG. 1 but associated with the memory for detecting the respective resistance values of the individual memory cells.

Fig. 3 zeigt eine Schaltung zum Einschreiben der Analoginformation. Fig. 3 shows a circuit for writing the analog information.

In Fig. 1 sind mit 11 die jeweiligen Speicherzellen bezeichnet, die als an sich bekannte Schichtsysteme, bestehend aus magnetisch weichen Schichten (von außen in ihrer magnetischen Ausrichtung MM beeinflußbar) und aus magnetisch harten Bias-Schichten (die die Bezugs-Ausrichtung MB mit hoher Koerzitivkraft bestimmen. Bezüglich der Fig. 1 liegen diese Schichten abwechselnd miteinander in Richtung senkrecht zur Darstellung der Fig. 1 aufeinander. Die in der Figur dargestellten und aus Fig. 1 hinsichtlich ihres Anordnungsprinzips erkennbaren Leitungen 12 und die entsprechenden Leitungen 13 dienen erfindungsgemäß zur selektiven Ansteuerung einer ausgewählten Zelle 11 in dem Matrix-Array 1 der Fig. 1. Mit 14 sind sowohl den Ansteuerleitungen als auch den Ansteuerleitungen 13 zugehörige Rückleitungen bezeichnet. Ein jeweiliges, einer jeweiligen Zelle zugeordnetes Paar Abzweigeleitungen 12a und 13a der Leitungen 12 und 13 verläuft derart in, über oder unter dem Schichtsystem der einzelnen anzusteuernden Zelle, daß infolge der zueinander kreuzweisen Ausrichtung der Abzweigeleitungen 12a und 13a zueinander eine 360° Winkelbeeinflussung der Magnetisierungsausrichtung MM in der koerzitiv schwach magnetisch weichen Schicht selektiv ausgeführt werden kann. Diese magnetisch weiche Schicht ist somit an das Ansteuersystem 12, 13, 12a, 13a für Magnetisierungsausrichtung in einer ausgewählten Zelle angekoppelt. Da die Koerzitivkraft/Magnetisierung MB der magnetisch harten Schichten hoch bemessen ist, bleibt deren Magnetisierung MB als Bezugsrichtung unverändert. Der durch ausgewählte Drehung der Magnetisierung MM der magnetisch weichen Schichten des Schichtsystems erreichte, von der unverändert bleibenden Ausrichtung MB abweichende Winkel τ ist der in der Zelle gespeicherte Analogwert des eingeschriebenen Signals. Durch Bemessung und Wahl der Stromrichtung der Ströme in den Leitungen 12 und 13 können entsprechend abgestufte Winkeleinstellung τ erreicht werden. Diese bleiben auch nach Abschalten der Ströme in den Leitungen 12 und 13 nicht flüchtig in der angesteuerten Zelle bestehen.In FIG. 1, 11 denotes the respective memory cells, which are known as layer systems known per se, consisting of magnetically soft layers (their magnetic orientation M M can be influenced from the outside) and magnetically hard bias layers (which refer to the reference orientation M B With reference to Fig. 1, these layers lie alternately with one another in the direction perpendicular to the representation of Fig. 1. The lines 12 shown in the figure and recognizable in Fig. 1 with regard to their arrangement principle and the corresponding lines 13 are used according to the invention for 1. Selective actuation of a selected cell 11 in the matrix array 1 of FIG. 1. With 14 , both the actuation lines and the actuation lines 13 are assigned associated return lines, a respective pair of branch lines 12 a and 13 a of the lines 12 and 13 assigned to a respective cell 13 runs in, above or below the layer system of FIG individual cell to be controlled, that due to the crosswise alignment of the branch lines 12 a and 13 a to each other, a 360 ° angle influence of the magnetization alignment M M in the coercively weakly magnetically soft layer can be carried out selectively. This magnetically soft layer is thus coupled to the control system 12 , 13 , 12 a, 13 a for magnetization alignment in a selected cell. Since the coercive force / magnetization M B of the magnetically hard layers is large, their magnetization M B remains unchanged as a reference direction. The angle τ achieved by selected rotation of the magnetization M M of the magnetically soft layers of the layer system and deviating from the unchanged orientation M B is the analog value of the written signal stored in the cell. By dimensioning and selecting the current direction of the currents in lines 12 and 13 , correspondingly graduated angle settings τ can be achieved. Even after the currents in lines 12 and 13 have been switched off, they do not remain volatile in the activated cell.

Die Fig. 2 zeigt ein Array der Anschlußzuleitungen 21 und 22 für den schon oben erwähnten Meßstrom, der durch den Schichtaufbau der Zelle 11 hindurchgeschickt wird, um den jeweils vom gespeicherten Winkel τ abhängigen elektrischen Widerstandswert der Zelle 11 festzustellen. Der elektrische Widerstand des Schichtenpakets der Zelle hängt vom Cosinus des Winkels zwischen der Ausrichtung MM und der Bezugsausrichtung MB ab. Maximal ist der Widerstand, wenn die Magnetisierungen MM und MM einander entgegengesetzt, d. h. antiparallel ausgerichtet sind. Entsprechend minimaler Widerstand ist festzustellen bei paralleler Ausrichtung dieser Magnetisierungen. Der verfügbare Bereich der relativen Widerstandsänderung von Zellen eines solchen GMR-Systems liegt typischerweise zwischen 5 und 70% des Maximalwiderstandes. FIG. 2 shows an array of connection leads 21 and 22 for the measuring current already mentioned, which is sent through the layer structure of cell 11 in order to determine the electrical resistance value of cell 11, which is dependent on the stored angle τ. The electrical resistance of the layer stack of the cell depends on the cosine of the angle between the orientation M M and the reference orientation M B. The resistance is at a maximum if the magnetizations M M and M M are opposed to one another, ie are oriented antiparallel. Correspondingly minimal resistance can be determined when these magnetizations are aligned in parallel. The available range of the relative resistance change of cells of such a GMR system is typically between 5 and 70% of the maximum resistance.

Die Fig. 3 zeigt ein Schaltbild für ein bevorzugtes Einschreiben mit Strömen in den Leitungen 12 und 13. Dieses vorteilhafte Einschreiben erfolgt in der Form einer Rückkopplung. Der Betrag und das Verhältnis zwischen den beiden Strömen der jeweils ausgewählten Leitungen 12 und 13 wird erfindungsgemäß so lange variiert, bis der elektrische Widerstand der GMR-Zelle einen dem zu speichernden Wert entsprechenden Widerstandswert in der gewählten analogen Abstufung des verfügbaren Widerstandswertebereiches aufweist. An sich ist die Schaltung der Fig. 3 mit den darin enthaltenen Angaben selbsterklärend. Die Schaltung enthält den Operationsverstärker 31, zwei weitere Verstärker 32 und 33, letztere mit den Ausgangsanschlüssen für die Ansteuerung der Leitungen 12 und 13. Der Verstärker 32 arbeitet als Subtrahierer und der Verstärker 33 als Regler. Ein Festwiderstand ist mit 34 bezeichnet und mit 35 ist die ausgewählte anzusteuernde GMR-Zelle angegeben. Entsprechend der ausgewählten Ansteuerung sind die Anschlüsse 112, 212 einerseits und die Anschlüsse 113, 213 andererseits miteinander verbunden. Der durch den elektrischen Widerstand der Zelle 11 hindurchfließende elektrische Strom I, der auch durch den Festwiderstand 34 fließt und dort einen Spannungsabfall erzeugt, ist ein jeweiliges Maß für den in der Zelle gespeicherten Analogwert. FIG. 3 shows a circuit diagram for a preferred registration with currents in lines 12 and 13 . This advantageous registration takes the form of a feedback. The amount and the ratio between the two currents of the respectively selected lines 12 and 13 is varied according to the invention until the electrical resistance of the GMR cell has a resistance value corresponding to the value to be stored in the selected analog gradation of the available resistance value range. In itself, the circuit of FIG. 3 with the information contained therein is self-explanatory. The circuit contains the operational amplifier 31 , two further amplifiers 32 and 33 , the latter with the output connections for driving the lines 12 and 13 . The amplifier 32 works as a subtractor and the amplifier 33 as a controller. A fixed resistor is denoted by 34 and by 35 the selected GMR cell to be driven is indicated. According to the selected control, the connections 112 , 212 on the one hand and the connections 113 , 213 on the other hand are connected to one another. The electrical current I flowing through the electrical resistance of the cell 11 , which also flows through the fixed resistor 34 and generates a voltage drop there, is a respective measure of the analog value stored in the cell.

Claims (3)

1. Nichtflüchtiger Analogwertspeicher, insbesondere für neuronale Netze,
mit einem Array (1) mit matrixartig angeordneten Speicherzellen, wobei diese Zellen ein Schichtsystem mit magnetisch weichen (MM) (geringe Koerzitivkraft) und magnetisch harten (MM) (hohe Koerzitivkraft) Schichten aufweisen und
wobei das Array (1) ein erstes matrixförmiges Leiterbahnsystem (12, 13, 14) umfaßt, das zur wahlweisen Ansteuerung der einzelnen Zellen (11) dieses Arrays für eine jede Zelle (11) ein Paar Abzweigeleitungen (12a, 13a) besitzt und bei einem solchen jeweiligen Paar sich im Bereich der jeweiligen einzelnen Zelle (11) diese Abzweigeleitungen (12a, 13a) kreuzen und
wobei ein zweites matrixförmiges Leiterbahnsystem (21, 22) vorgesehen ist, das am Schichtsystem der jeweiligen einzelnen Zellen (11) anliegende Elektrodenpaare umfaßt und wahlweise ansteuerbar über dieses Leiterbahnsystem (21, 22) und die Elektrodenpaare der aktuelle elektrische Widerstandswert der einzelnen Zelle (11) festzustellen ist.1. Non-volatile analog value memory, in particular for neural networks,
with an array ( 1 ) with memory cells arranged in a matrix, these cells having a layer system with magnetically soft (M M ) (low coercive force) and magnetically hard (M M ) (high coercive force) layers and
wherein the array ( 1 ) comprises a first matrix-shaped interconnect system ( 12 , 13 , 14 ), which has a pair of branch lines ( 12 a, 13 a) for selectively controlling the individual cells ( 11 ) of this array for each cell ( 11 ) and in the case of such a respective pair, these branch lines ( 12 a, 13 a) intersect in the region of the respective individual cell ( 11 ) and
A second matrix-shaped conductor track system ( 21 , 22 ) is provided, which comprises pairs of electrodes lying on the layer system of the respective individual cells ( 11 ) and can optionally be controlled via this conductor track system ( 21 , 22 ) and the electrode pairs, the current electrical resistance value of the individual cell ( 11 ) can be determined. 2. Analogwertspeicher nach Anspruch 1, wobei das Schichtsystem der einzelnen Zellen (11) ein GMR-(Giant-Magnetoresistive)-Schichtsystem ist.2. Analog value memory according to claim 1, wherein the layer system of the individual cells ( 11 ) is a GMR (giant magnetoresistive) layer system. 3. Analogwertspeicher nach Anspruch 1 oder 2, mit einer dem ersten Leiterbahnsystem (12, 13, 14) zugeordneten elektronischen Schaltung (Fig. 3), mit der mit Rückkopplung der Betrag der einzelnen Ansteuerströme und deren Verhältnis zueinander durch Stromwertevariationen zu ermitteln ist.3. Analog value memory according to Claim 1 or 2, with an electronic circuit ( FIG. 3) assigned to the first conductor track system ( 12 , 13 , 14 ), with which the amount of the individual drive currents and their relationship to one another can be determined by means of current value variations with feedback.
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