JP2010146514A - Information processor and neural network circuit using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気的ストレス印加による電気抵抗の変化により情報を記憶可能な抵抗変化型メモリ素子を用いた情報処理装置に関し、特に、ニューラルネットワーク回路に好適な情報処理技術に関する。 The present invention relates to an information processing apparatus using a resistance change type memory element capable of storing information by a change in electrical resistance caused by electrical stress application, and more particularly to an information processing technique suitable for a neural network circuit.
現在、コンピュータは大きな進展を見せ、世の中の様々な場面で使用されている。しかしながら、これらノイマン型と呼ばれるコンピュータは、その処理方法自体の特性により、人が容易に行なうことができる処理(リアルタイムでの場面の認識、理解等)を非常に不得意としている。 Currently, computers are making great progress and are being used in various situations around the world. However, these Neumann computers are very poor at processing (recognition and understanding of scenes in real time) that can be easily performed by humans due to the characteristics of the processing method itself.
これに対し、脳の情報処理様式を真似た演算処理モデルである、ニューラルネットワークの研究が行われている。ニューラルネットワークを構成するニューロンのモデルとしては、ニューロンに相当するユニットに対して、他の複数のユニット(ニューロン)の出力値をシナプス結合強度で重み付けした乗算値が入力され、その入力値をさらに非線形変形した値を出力値とするものが一般的である。 In contrast, a neural network, which is an arithmetic processing model that imitates the information processing mode of the brain, has been studied. As a model of the neurons that make up the neural network, the multiplication value obtained by weighting the output values of other units (neurons) with the synapse connection strength is input to the unit corresponding to the neuron, and the input value is further nonlinear. In general, an output value is a deformed value.
2000年頃から、生体の神経回路をより忠実に真似て、スパイクパルスを直接扱うモデルが盛んに研究されてきている。スパイクパルスとは、パルス幅が極めて短く、その時間タイミングだけで情報を表現するパルスのことである。例えば非特許文献1には、従来のニューラルネットワークモデルでは、スパイクパルスの時間平均または集団平均としてのアナログ値を扱っているが、それよりも高い性能を、スパイクパルスを直接扱うモデルの利用により得られることが示唆されている。
Since about 2000, a model that directly mimics a neural circuit of a living body and directly handles spike pulses has been actively studied. The spike pulse is a pulse having a very short pulse width and expressing information only by its time timing. For example, in Non-Patent
ところで、ニューラルネットワークは、超並列・分散型の情報処理モデルであるため、逐次処理方式であるノイマン型コンピュータでの実行による場合、極めて効率が悪くなる。したがって、ニューラルネットワークの実用化に際しては、専用のハードウェアとしての集積回路化が必須である。 By the way, since the neural network is a massively parallel / distributed information processing model, it is very inefficient when executed on a Neumann computer that is a sequential processing method. Therefore, when a neural network is put into practical use, it is essential to make an integrated circuit as dedicated hardware.
この集積回路化に際しては、アナログ値を直接扱うよりも、2値のパルスを扱う方が設計・システム化が容易であるという利点がある。すなわち、ノイズ等に強く、デジタルシステムとの整合性がよい。これは、パルス自体がアナログとデジタルの中間的情報表現であるために、本格的なAD変換が不要となるからである。 In the case of this integrated circuit, there is an advantage that it is easier to design and systematically handle binary pulses than directly handle analog values. That is, it is resistant to noise and the like and has good consistency with the digital system. This is because full-scale AD conversion is not necessary because the pulse itself is an intermediate information representation between analog and digital.
ここで、図10に、積分発火型と呼ばれる最も単純なスパイク型ニューロンモデル(スパイキングニューロンモデル)を示す。図10を用いて、この積分発火型モデルの動作について簡単に説明する。 Here, FIG. 10 shows the simplest spike type neuron model (spiking neuron model) called an integral firing type. The operation of this integral ignition model will be briefly described with reference to FIG.
外部もしくは他のニューロンからスパイクパルスが入力されると、ニューロン間の結合部(シナプス)で単峰性の電圧変化が現れる。これをシナプス後電位(Post-synaptic potential、以下、「PSP」と略記する)と呼ぶ。このPSPの電圧変化の向きは、シナプス結合の符号(正または負)に合わせて、正側もしくは負側になる。正の結合は興奮性シナプス、負の結合は抑制性シナプスと呼ばれる。PSP(EPSP、IPSP)の形は同じで、山の高さがシナプス結合強度に比例する。 When a spike pulse is input from an external or other neuron, a unimodal voltage change appears at the junction (synapse) between neurons. This is called a post-synaptic potential (hereinafter abbreviated as “PSP”). The direction of the voltage change of the PSP is positive or negative according to the sign (positive or negative) of the synaptic connection. Positive binding is called excitatory synapse and negative binding is called inhibitory synapse. The shape of PSP (EPSP, IPSP) is the same, and the height of the mountain is proportional to the synaptic connection strength.
1つのニューロンには多くのシナプス結合があり、それら多くのシナプス結合からの各PSPの総和がニューロンの内部電位Vnとなる。その内部電位Vnが予め定められた閾値Vthを越えると、そのニューロンはスパイクパルスである出力inを出力し、その内部電位Vnをリセットする。これをニューロンの「発火」と呼ぶ。ニューロン発火の後は、一定の期間、そのニューロンが発火できない不応期と呼ばれる期間が発生する。この不応期は、発火のための閾値Vthを一時的に高くすることによって実現される。スパイクパルスである出力inはニューロンから出力され、一定の遅延時間の後に、他のニューロンに入力される。 One neuron has many synapse connections, and the sum of each PSP from these many synapse connections becomes the internal potential Vn of the neuron. When the internal potential Vn exceeds a predetermined threshold value Vth, the neuron outputs an output in which is a spike pulse, and resets the internal potential Vn. This is called “firing” of neurons. After the firing of a neuron, a period called a refractory period occurs during which the neuron cannot fire for a certain period. This refractory period is realized by temporarily increasing the threshold value Vth for firing. The output in, which is a spike pulse, is output from a neuron, and is input to another neuron after a certain delay time.
このようなスパイクタイミングを用いた学習法としてスパイクタイミング依存型シナプス可塑性(Spike-Timing Dependent synaptic Plasticity、以下、「STDP」と略記する)が注目され、盛んに研究されている。図11に、このSTDPを説明するための説明図を示す。 Spike-Timing Dependent Synaptic Plasticity (hereinafter abbreviated as “STDP”) has attracted attention and is actively studied as a learning method using such spike timing. FIG. 11 shows an explanatory diagram for explaining this STDP.
図11(a)に示すように、このSTDPは、ニューロンに入力されたスパイクのタイミングtiと、そのニューロンの発火スパイクのタイミングtjとの時間差の関数として、シナプス結合強度ΔWijが変化するものである。このSTDPには、大きく分けて2種類のものが知られており、図11(b)に示す対称時間窓(対称型)と、図11(c)に示す非対称時間窓(非対称型)と、がある。 As shown in FIG. 11A, in this STDP, the synapse connection strength ΔW ij changes as a function of the time difference between the timing t i of the spike input to the neuron and the timing t j of the firing spike of the neuron. Is. This STDP is roughly divided into two types, and a symmetric time window (symmetric type) shown in FIG. 11 (b), an asymmetric time window (asymmetric type) shown in FIG. 11 (c), and There is.
図11(b)の対称型STDPは、シナプス結合強度ΔWijの変化が2つのスパイクの時間差tj−tiだけの関数で決まり、同図に示すような関数形状を持つ。 In the symmetric STDP of FIG. 11B, the change in the synapse coupling strength ΔW ij is determined by a function of only the time difference t j −t i between the two spikes, and has a function shape as shown in FIG.
一方、図11(c)の非対称型STDPは、シナプス結合強度ΔWijの変化が2つのスパイクの時間差tj−tiに加えて、両スパイクの時間順序にも依存する。 On the other hand, in the asymmetric STDP of FIG. 11C, the change in the synapse coupling strength ΔW ij depends on the time order of both spikes in addition to the time difference t j -t i between the two spikes.
このようなSTDPを実現する手法として、例えば特許文献1には、非線形電圧波形をサンプリングする方法が開示されている。これは、第1のスパイクパルスで非線形電圧波形を発生させ、第2のスパイクパルスでそれをサンプリングすることにより、非線形変換関数を実現するものである。
As a technique for realizing such STDP, for example,
また、このようなSTDP回路の具体的な実現法としては、例えば非特許文献2に開示されている。
A specific method for realizing such an STDP circuit is disclosed in
しかしながら、STDP機能を含む従来のニューラルネットワーク回路においては、これまで、シナプス結合におけるシナプス結合強度をアナログ量として記憶するのに適切した素子が見出されていない。 However, in the conventional neural network circuit including the STDP function, an element suitable for storing the synaptic coupling strength in the synaptic coupling as an analog quantity has not been found so far.
例えば、非特許文献2に開示されたキャパシタに蓄える方法では、せいぜい秒オーダの短時間しか、記憶保持できないうえに、LSIチップ上の専有面積が極めて大きくなり、高集積化が困難であるという問題があった。
For example, in the method of storing in the capacitor disclosed in Non-Patent
また、フラッシュメモリ等の不揮発性半導体メモリを利用する方法も挙げられるが、この場合、フラッシュメモリ等に使われる浮遊ゲート素子は、書き込み特性が指数関数的に非線形であり、ヒステリシスも存在するため、追加書き込み等が難しい。 In addition, there is a method using a non-volatile semiconductor memory such as a flash memory. In this case, the floating gate element used for the flash memory or the like has a non-linear write characteristic and has hysteresis. Additional writing is difficult.
このため、例えば特許文献2に開示された特殊な構造や、例えば非特許文献3に開示された複雑な回路が必要となり、その結果、回路の専有面積が大きくなるという問題点が依然としてあった。
上記問題点に鑑み、本発明の目的は、シナプス回路のシナプス結合強度を抵抗変化型メモリ素子の抵抗値を用いて表わすことにより、LSIチップ上の専有面積を増大させることなく、シナプス結合強度をアナログ量として記憶することができる情報処理装置及び、これを用いたニューラルネットワーク回路を提供することである。 In view of the above problems, the object of the present invention is to express the synapse coupling strength of the synapse circuit using the resistance value of the resistance change type memory element, thereby increasing the synaptic coupling strength without increasing the exclusive area on the LSI chip. An information processing apparatus capable of storing an analog quantity and a neural network circuit using the information processing apparatus are provided.
上記目的を達成するために、本発明における情報処理装置は、スパイクパルスが入力され、当該スパイクパルスに重み値を与えて重み付け信号を生成する少なくとも1つのシナプス部を備える情報処理装置であって、前記シナプス部は、電圧パルスの印加により可逆的に変化する抵抗値を持つ記憶素子と、異なるタイミングで入力される2つのスパイクパルス間における入力タイミングのずれに応じて予め設定された非線形電圧波形を表わす関数を用いた演算を実行する演算部とを有し、前記記憶素子は、前記スパイクパルスに与えられる重み値を表わすアナログ量として設定される前記抵抗値を持ち、前記演算部は、2つのスパイクパルスが入力された場合に、前記関数を用いて当該2つのスパイクパルス間における入力タイミングのずれに対する演算を実行し、当該演算の結果に基づいて前記記憶素子に印加されるべき電圧パルスを設定することを特徴とする。 To achieve the above object, an information processing apparatus according to the present invention is an information processing apparatus including at least one synapse unit that receives a spike pulse and gives a weight value to the spike pulse to generate a weight signal. The synapse unit has a memory element having a resistance value that reversibly changes when a voltage pulse is applied, and a non-linear voltage waveform set in advance according to a shift in input timing between two spike pulses input at different timings. An arithmetic unit that executes an arithmetic operation using a function that represents the memory element, the storage element having the resistance value set as an analog amount representing a weight value given to the spike pulse, When a spike pulse is input, the input timing shift between the two spike pulses using the function Against performs operations, and sets the voltage pulse to be applied to the storage element based on the result of the calculation.
上記の情報処理装置では、スパイクパルスに与えられる重み値を電圧パルスの印加により可逆的に変化する抵抗値を持つ記憶素子を用いて表わしている。2つのスパイクパルス間における入力タイミングのずれに応じて予め設定された非線形電圧波形を表わす関数を用いた演算結果に基づいて記憶素子に印加すべき電圧パルスを設定することにより、2つのスパイクパルス間における入力タイミングのずれに応じてシナプス部がスパイクパルスに与える重み値を変化させることができる。 In the information processing apparatus described above, the weight value given to the spike pulse is expressed using a memory element having a resistance value that reversibly changes by application of the voltage pulse. By setting a voltage pulse to be applied to the storage element based on a calculation result using a function representing a preset non-linear voltage waveform in accordance with a shift in input timing between the two spike pulses, the two spike pulses are set. The weight value given to the spike pulse by the synapse can be changed in accordance with the shift in input timing.
ここで、上記の情報処理装置では、記憶素子が持つ、電圧パルスを印加することによって可逆的に抵抗値が変化するという物理的特性を利用する点が重要である。 Here, in the information processing apparatus described above, it is important to use a physical characteristic of the storage element that reversibly changes its resistance value by applying a voltage pulse.
すなわち、記憶素子が持つ、電圧パルスの印加により可逆的に変化する抵抗値をスパイクパルスに与えられる重み値を表わすアナログ量として設定することにより、複雑な回路構成を必要とすることなく、スパイクパルスに与えられる重み値を長期的に安定して保持することができる。また、従来のようにキャパシタを利用する場合と比較して、素子面積を低減することができるので、情報処理装置の高集積化を図ることができる。 That is, by setting the resistance value of the memory element that reversibly changes with the application of a voltage pulse as an analog quantity representing a weight value given to the spike pulse, the spike pulse can be obtained without requiring a complicated circuit configuration. Can be stably maintained over a long period of time. In addition, since the element area can be reduced as compared with the case where a capacitor is used as in the conventional case, the information processing apparatus can be highly integrated.
記憶素子としては、例えば、非特許文献4に記載されているRRAM(Resistance RAM)やPCRAM(Phase Change RAM)が挙げられる。なお、このような記憶素子は、フラッシュメモリに代わる高速動作可能な次世代不揮発性ランダムアクセスメモリ(NVRAM:Nonvolatile Random Access Memory)として応用が期待されている。
Examples of the storage element include RRAM (Resistance RAM) and PCRAM (Phase Change RAM) described in
前記演算部は、第1のスパイクパルスと、第2のスパイクパルスとが、この順に入力された場合に、前記第1のスパイクパルスの入力タイミングに基づいて前記関数が表わす非線形電圧波形の生成を開始すると共に、前記第2のスパイクパルスをサンプリングパルスとして前記非線形電圧波形をサンプリングし、そのサンプリングされた波形における電圧値を持つ電圧パルスを前記記憶素子に印加することが好ましい。 When the first spike pulse and the second spike pulse are input in this order, the arithmetic unit generates a non-linear voltage waveform represented by the function based on the input timing of the first spike pulse. Preferably, the non-linear voltage waveform is sampled using the second spike pulse as a sampling pulse, and a voltage pulse having a voltage value in the sampled waveform is applied to the storage element.
この場合、入力されたサンプリングパルスをそのまま利用して記憶素子に印加する電圧パルスを設定することができるので、パルス発生回路等新たな回路を追加する必要がなく、情報処理装置をより安価に実現することができる。 In this case, it is possible to set the voltage pulse to be applied to the memory element using the input sampling pulse as it is, so there is no need to add a new circuit such as a pulse generation circuit, and the information processing apparatus can be realized at a lower cost. can do.
前記複数のシナプス部の各々により生成される複数の重み付け信号を加算し、重み付け加算信号を生成する複数のニューロン部をさらに備え、前記複数のニューロン部の各々は、自身が生成する重み付け加算信号のレベルがスパイクパルスを生成すべきとして予め定められた閾値以上となった場合に、新たなスパイクパルスを生成しており、前記複数のシナプス部の各々は、前記ニューロン部による新たなスパイクパルスの生成の後に到来する、前記シナプス部へのスパイクパルスの入力の有無にかかわらず前記ニューロン部が新たなスパイクパルスの生成を停止するパルス発生停止期間において、前記演算部による前記記憶素子への電圧パルス印加を実行することが好ましい。 Adding a plurality of weighting signals generated by each of the plurality of synapse units to generate a weighted addition signal; and each of the plurality of neuron units includes a weighted addition signal generated by itself. A new spike pulse is generated when the level exceeds a predetermined threshold value to generate a spike pulse, and each of the plurality of synapse units generates a new spike pulse by the neuron unit. In the pulse generation stop period in which the neuron unit stops generating a new spike pulse regardless of whether or not a spike pulse is input to the synapse unit, which comes after the voltage pulse application to the storage element by the arithmetic unit Is preferably performed.
この場合、ニューロン部がスパイクパルスの生成を停止するパルス停止期間においてのみ、記憶素子の抵抗値変化を起こすことができるので、ニューロン部による新たなスパイクパルスの生成を阻害することなく、記憶素子の抵抗値変化による重み値の更新を確実に行なうことができる。 In this case, since the resistance value of the memory element can change only in the pulse stop period in which the neuron unit stops generating the spike pulse, the neuron unit does not inhibit the generation of a new spike pulse without disturbing the generation of the memory element. The weight value can be reliably updated by changing the resistance value.
前記記憶素子は、自身の抵抗値を変化させるために要する電圧パルスの電圧値の閾値を持っており、前記記憶素子は、前記シナプス部による重み付け信号の生成が行なわれる場合には、前記閾値未満の電圧値を持つ電圧パルスが印加される一方、自身の抵抗値の変化による前記重み値の更新が行われる場合には、前記閾値以上の電圧値を持つ電圧パルスが印加されることが好ましい。 The storage element has a threshold value of a voltage value of a voltage pulse required to change its resistance value, and the storage element is less than the threshold value when a weighting signal is generated by the synapse unit. On the other hand, when the weight value is updated by changing its own resistance value, a voltage pulse having a voltage value equal to or higher than the threshold value is preferably applied.
この場合、シナプス部による重み付け信号の生成と記憶素子の抵抗値変化による重み値の更新とを確実に切り分けて行なうことができるので、記憶素子の抵抗値変化による重み値の更新を確実に行なうことができる。 In this case, since the generation of the weighting signal by the synapse unit and the update of the weight value due to the change in the resistance value of the storage element can be performed in a reliable manner, the update of the weight value due to the change in the resistance value of the storage element can be reliably performed. Can do.
前記複数のシナプス部の各々は、前記演算部と前記記憶素子との間に配置されたスイッチング素子をさらに有し、前記スイッチング素子は、前記パルス発生停止期間においてのみ閉状態となることが好ましい。 Preferably, each of the plurality of synapse units further includes a switching element disposed between the arithmetic unit and the storage element, and the switching element is closed only during the pulse generation stop period.
この場合、スイッチング素子によりパルス発生停止期間においてのみ演算部と記憶素子とが接続されるので、記憶素子の抵抗値変化による重み値の更新をより確実に行なうことができる。 In this case, since the calculation unit and the storage element are connected only by the switching element during the pulse generation stop period, the weight value can be updated more reliably due to the change in the resistance value of the storage element.
本発明におけるニューラルネットワーク回路は、上記の情報処理装置をニューロン素子として用いることを特徴とする。 A neural network circuit according to the present invention uses the information processing apparatus as a neuron element.
上記のニューラルネットワーク回路では、上記の情報処理装置を備えているニューラルネットワーク回路が実現される。 In the above neural network circuit, a neural network circuit including the above information processing apparatus is realized.
本発明の情報処理装置は、以上のように、前記シナプス部は、電圧パルスの印加により可逆的に変化する抵抗値を持つ記憶素子と、異なるタイミングで入力される2つのスパイクパルス間における入力タイミングのずれに応じて予め設定された非線形電圧波形を表わす関数を用いた演算を実行する演算部とを有し、前記記憶素子は、前記スパイクパルスに与えられる重み値を表わすアナログ量として設定される前記抵抗値を持ち、前記演算部は、2つのスパイクパルスが入力された場合に、前記関数を用いて当該2つのスパイクパルス間における入力タイミングのずれに対する演算を実行し、当該演算の結果に基づいて前記記憶素子に印加されるべき電圧パルスを設定する。 As described above, in the information processing apparatus of the present invention, the synapse unit includes a storage element having a resistance value that reversibly changes by application of a voltage pulse, and an input timing between two spike pulses input at different timings. And a calculation unit that executes a calculation using a function that represents a nonlinear voltage waveform that is set in advance according to the deviation of the shift, and the storage element is set as an analog quantity that represents a weight value given to the spike pulse When the two spike pulses are input, the calculation unit has the resistance value and executes a calculation for a shift in input timing between the two spike pulses using the function, and based on the result of the calculation The voltage pulse to be applied to the storage element is set.
それゆえ、シナプス回路のシナプス結合強度を抵抗変化型メモリ素子の抵抗値を用いて表わすことにより、LSIチップ上の専有面積を増大させることなく、シナプス結合強度をアナログ量として記憶することができるという効果を奏する。 Therefore, by expressing the synapse coupling strength of the synapse circuit using the resistance value of the resistance change type memory element, the synaptic coupling strength can be stored as an analog amount without increasing the exclusive area on the LSI chip. There is an effect.
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、同一の部分には同一の符号を付してある。それらの名称及び機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings used for the following description, the same portions are denoted by the same reference numerals. Their names and functions are also the same. Therefore, detailed description thereof will not be repeated.
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1における情報処理装置は、スパインキングニューロンモデルのうち、最も基本的なモデルである、積分発火型のニューロンモデルを利用した形態である。図1は、本発明の実施の形態1における情報処理装置の構成を示すブロック図である。
(Embodiment 1)
The information processing apparatus according to the first embodiment of the present invention uses an integral firing type neuron model, which is the most basic model among the spinking neuron models. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the information processing apparatus according to
本実施の形態における情報処理装置100は、図1に示すように、複数のニューロン回路(ニューロン部)101と、複数のシナプス回路(シナプス部)102と、を備えている。なお、図1では、図面の見易さのため、1つのニューロン回路101及び1つのシナプス回路102のみが記載されているが、実際には、複数のニューロン回路101が複数のシナプス回路102を介して相互に接続されている。
As shown in FIG. 1, the
ニューロン回路101は、シナプス回路102を介して、他のニューロン回路(図示省略)からスパイクを受け取ると、自身の内部電位UiにPSP(後シナプス電位)を生成する。このスパイクは、複数の他のニューロン回路から非同期的に与えられており、ニューロン回路101の内部電位Uiは複数のスパイクによるPSPの時空間加算によって決定される。
When the
また、ニューロン101とシナプス回路102との間におけるシナプス結合には、興奮性と抑制性が存在し、シナプス結合強度の符号で表現される。ニューロン回路101の内部電位Uiが所定の閾値を超えると、ニューロン回路101は発火し、スパイクを生成する。同時に、ニューロン回路101は、そのスパイク生成と同時に、一定期間の不応期に入り、生成されたスパイクは所定の伝播遅延時間を経て、他のニューロン回路へ与えられる。
In addition, the synaptic connection between the
具体的には、図1に示すように、他のニューロン回路からシナプス回路102にスパイクOjが入力されると、そのスパイクOjの入力タイミングに基づいて、パルス生成部21は制御信号Qjを生成し、スイッチ22に出力する。スイッチ22は、制御信号QjがHレベルの期間に閉状態となり、それ以外の期間に開状態となる。
Specifically, as shown in FIG. 1, the spike O j is input to the
スイッチ22が閉状態になると、所定の電源電圧と抵抗変化型メモリ素子(記憶素子)24の一方の端部とが接続される。なお、このとき、後述するスイッチ23も閉状態である。
When the
抵抗変化型メモリ素子24は、後述する可変抵抗値を持っている。スイッチ22の閉状態により、所定の電源電圧と抵抗変化型メモリ素子24の他方の端部との間に、抵抗変化型メモリ素子24の現時点の抵抗値σjiに応じた電流が流れ、ニューロン回路101に出力される。
The resistance change
ニューロン回路101は、シナプス回路102から出力される電流を用いてキャパシタ11を充電する。キャパシタ11は、オペアンプ12の負極性入力端子(−)及び出力端子間に配置されており、これらキャパシタ11及びオペアンプ12は積分回路を構成する。そして、フィードバック抵抗13を介して出力信号を負極性入力端子(−)に戻す、オペアンプ12のフィードバック機能により、負極性入力端子(−)への入力が仮想接地となり、キャパシタ11に電荷が溜まることによる電位変動が抑制されている。
The
すなわち、ニューロン回路101のキャパシタ11の電位をオペアンプ12により一定に保持することができるので、キャパシタ11の電位の如何にかかわらず、抵抗変化型メモリ素子24に一定電流を流すことができる。このため、後述する抵抗変化型メモリ素子24の抵抗値σjiを正確に変化させることができる。
That is, since the
ニューロン回路101は、このキャパシタ11を充電することにより、上述したPSPを生成する、すなわち、上述したPSPの時空間加算は、このキャパシタ11上で行なわれている。シナプス回路102から出力される電流は、抵抗変化型メモリ素子24の抵抗値σjiに比例し、その値に応じてPSPは興奮性または抑制性となる。
The
具体的には、図1においてPSPを興奮性にするには、抵抗変化型メモリ素子24の他端子をオペアンプの反転入力端子電圧より高い電位(例えば、電源電圧)に接続し、キャパシタ11を充電すればよい。
Specifically, in order to make the PSP excitable in FIG. 1, the other terminal of the resistance change
一方、PSPを抑制性にするには、抵抗変化型メモリ素子24の他端子をオペアンプの反転入力端子電圧より低い電位(例えば、接地電位)に接続し、キャパシタ11を放電すればよい。
On the other hand, in order to make PSP suppressive, the other terminal of the resistance change
なお、このようにしてPSPを興奮性または抑制性とするためには、図1において、抵抗変化型メモリ素子24の他端子の接続先を電源電圧または接地電位に切り替えるスイッチが必要である。
In order to make the PSP excitable or suppressive in this way, a switch for switching the connection destination of the other terminal of the resistance change
そして、キャパシタ11の充電により生成される内部電位Uiは、コンパレータ14により閾値THと比較され、内部電位Uiが閾値THを超えると、その超えたとの比較結果に基づき、スパイク生成部15がスパイクPiを生成する。スパイク生成部15は、そのスパイクPiの生成と同時に、閾値THを一定期間上昇させることにより、上述した不応期を開始する。
Then, the internal potential U i generated by charging the
スパイク生成部15により生成されたスパイクPiは、遅延部16により設定された伝播遅延時間が経過した後、他のニューロン回路にスパイクOiとして出力される。
The spike P i generated by the
次に、情報処理装置100のSTDP機能について説明する。
Next, the STDP function of the
図1に示すように、シナプス回路102では、STDP部(演算部)25が、他のニューロン回路から入力されたスパイクOjの入力タイミング及びスパイク生成部15により生成されたスパイクPiの発生タイミングに基づいて、抵抗変化型メモリ素子24の抵抗値σjiを変化させるためのSTDP信号yjiを生成する。本実施の形態においては、抵抗変化型メモリ素子24の抵抗値σjiは上述したシナプス結合強度を表わしており、その抵抗値の変化によりシナプス回路102のシナプス結合強度が更新可能となっている。
As shown in FIG. 1, in the
図2に、このSTDP部25の基本構成を示す。STDP部25は、非線形波形を形成する波形形成部27と、波形形成部27により形成される非線形波形をサンプリングするためのスイッチ28と、を有している。STDP部25は、2つのスパイク、つまり、スパイクOj及びスパイクPiで動作するものであり、例えば、他のニューロン回路から入力されるスパイクOjを波形形成部27が非線形波形の形成を開始するトリガパルスとして利用する一方、スパイク生成部15により生成されるスパイクPiを波形形成部27により形成される非線形波形をサンプリングするためにスイッチ28の開閉動作を行なうためのサンプリングパルスとして利用する。
FIG. 2 shows a basic configuration of the
上述したように、ニューロン回路101のスパイク生成部15が不応期を開始させるべく、閾値THを上昇させると、その上昇された閾値THを用いて電圧変換回路103は制御信号Siを生成する。そして、制御信号SiがHレベルの期間において、シナプス回路102のスイッチ23は開状態、スイッチ(スイッチング素子)26は閉状態となる。すなわち、制御信号SiがHレベルの期間において、抵抗変化型メモリ素子24の一方の端部が接続する接続先がSTDP部25に切り替わっている。
As described above, to spike
すなわち、本実施の形態においては、スパイク生成部15によるスパイクPiの生成(シナプス荷重)と、STDP部25によるSTDP信号yjiの生成とが、上記のスイッチ22、23、26の開閉動作により、切り替えられている。
That is, in this embodiment, generation of the spike P i by the
ここで、他のニューロン回路からのスパイクは、いつ入力されるかわからないので、上記のシナプス荷重は常時働かせておく必要がある。唯一の例外は、スパイク発火直後の不応期の期間なので、本実施の形態においては、この期間内に上記のスイッチ22、23、26の開閉動作により、STDP信号yjiの生成を実行する。上記のスイッチ22、23、26の開閉動作には、スパイク生成部15により生成されるスパイクPiを用いることができる。
Here, since spikes from other neuron circuits are not input, it is necessary to keep the above-mentioned synaptic load working at all times. The only exception is the period of refractory period immediately after spike firing, and in this embodiment, the generation of the STDP signal y ji is executed by the opening / closing operation of the
なお、この時、ニューロン回路101のスイッチ17は閉状態となり、ニューロン回路101の入力は接地される。
At this time, the switch 17 of the
STDP部25においては、図2に示すように、他のニューロン回路からスパイクOjがシナプス回路102に入力されると、そのスパイクOjをトリガとして波形形成部27が所定の非線形波形Zjを形成する。この非線形波形Zjは、例えば、図11(b)や(c)に示した関数形状である。
In the
そして、ニューロン回路101のスパイク生成部15によりスパイクPiが生成され、STDP部25に入力されると、そのスパイクPiがHレベルの期間においてはスイッチ28が閉状態となる。その結果、スイッチ28が閉状態である期間において、波形形成部27により形成される非線形波形Zjがサンプリングされ、パルス形状を持つサンプリング信号yji、すなわち、STDP信号yjiとして出力される。
The spike P i is generated by the
このサンプリング信号yjiは、スイッチ26を介して、抵抗変化型メモリ素子24の一方の端部に出力される。抵抗変化型メモリ素子24は、後述するように、所定の閾値以上の電圧値を持つ信号が入力された場合に限り、自身の抵抗値σjiを変化させるものである。サンプリング信号yjiのHレベルの電圧値が、上記の閾値以上の値である場合に、抵抗変化型メモリ素子24の抵抗値σjiは、サンプリング信号yjiの入力に応じて変化する。
The sampling signal y ji is output to one end of the resistance
抵抗変化型メモリ素子24の抵抗値σjiは、上述したように、シナプス回路102のシナプス結合強度を表わしている。したがって、抵抗変化型メモリ素子24の抵抗値σjiが変化することにより、シナプス回路102のシナプス結合強度が変化することになる。
The resistance value σ ji of the resistance
次に、図3を用いて、本実施の形態における情報処理装置100の動作について具体的に説明する。図3は、情報処理装置100の動作を説明するためのタイミングチャートである。
Next, the operation of the
図3に示すように、時刻t1において、他のニューロン回路からスパイクOjがシナプス回路102に入力されると、そのスパイクOjの入力に基づいて、パルス生成部21は、制御信号Qjを生成し、スイッチ22に出力する。この制御信号Qjは、時刻t1から所定の期間、Hレベルとなり、スイッチ22は、制御信号QjがHレベルの期間、閉状態となる。このとき、スイッチ23も閉状態であり、抵抗変化型メモリ素子24の抵抗値σjiに応じた電流がニューロン回路101に出力される。
As shown in FIG. 3, when a spike O j is input from another neuron circuit to the
そして、ニューロン回路101は、シナプス回路102から出力される電流を用いてキャパシタ11を充放電する。その結果、キャパシタ11の充放電により生成される内部電位Uiは、徐々に上昇すると共に、コンパレータ14は、この内部電位Uiと所定の閾値THとを比較し、時刻t2において内部電位Uiが閾値THを超えると、その超えたとの比較結果をスパイク生成部15に出力する。
The
スパイク生成部15は、コンパレータ14からの内部電位Uiが閾値THを超えたとの比較結果に基づいてスパイクPiを生成する。また、スパイク生成部15は、そのスパイクPiの生成と同時に、閾値THを一定期間上昇させ、不応期を開始する。また、電圧変換回路103は、その不応期にあわせて制御信号SiのHレベル期間を設定し、シナプス回路102のスイッチ23を開状態、スイッチ26を閉状態とする。その結果、時刻t2において、抵抗変化型メモリ素子24の一方の端部がSTDP部25に接続されることになる。
The
遅延部16は、スパイク生成部15により生成されたスパイクPiが入力されると、所定の伝播遅延時間の経過後、他のニューロン回路にスパイクOiとして出力する。
When the spike P i generated by the
一方、STDP部25では、時刻t1において、他のニューロン回路からスパイクOjがシナプス回路102に入力されると、そのスパイクOjの入力に基づいて、波形形成部27が所定の非線形波形Zjの形成を開始する。
On the other hand, when the spike O j is input from the other neuron circuit to the
そして、上述したように、時刻t2において、スパイク生成部15により生成されたスパイクPiがSTDP部25に入力されると、そのスパイクPiがHレベルの期間、スイッチ28が閉状態となる。その結果、波形形成部27により形成される非線形波形Zjがサンプリングされ、STDP部25は、そのサンプリング結果をサンプリング信号yjiとして出力する。なお、サンプリング信号yjiの振幅は、時刻t2における非線形波形Ziの振幅Vjiと同一となる。
Then, as described above, at time t 2, the the spike P i generated by the
抵抗変化型メモリ素子24は、このサンプリング信号yjiが入力されると、自身の抵抗値σjiを変化させ、シナプス回路102のシナプス結合強度を変化させる。
When this sampling signal y ji is input, the resistance
次に、シナプス回路102の抵抗変化型メモリ素子24について説明する。
Next, the resistance
図4は、抵抗変化型メモリ素子24の構造及び測定時の等価回路を示す。例えば、RRAM(Resistance RAM:抵抗変化型メモリ素子)は、図4に示すように、上部電極241と、下部電極242と、抵抗体243と、を有している。
FIG. 4 shows a structure of the resistance change
抵抗体243は、金属酸化物が材料となっており、上部電極241及び下部電極242に挟まれた構造をしている。
The
RRAMに、パルス電圧を印加することにより、電気抵抗が変化し、電源をオフにしてもその抵抗値が保持され、不揮発性メモリとして働く。通常、高抵抗状態から低抵抗状態に遷移する動作を「SET(セット)動作」、低抵抗状態から高抵抗状態に遷移する動作を「RESET(リセット)動作」と定義している。 By applying a pulse voltage to the RRAM, the electric resistance changes, and the resistance value is retained even when the power is turned off, and the RRAM functions as a nonvolatile memory. Usually, an operation that transitions from a high resistance state to a low resistance state is defined as a “SET (set) operation”, and an operation that transitions from a low resistance state to a high resistance state is defined as a “RESET (reset) operation”.
SET動作及びRESET動作ともに同極性の電圧パルスを印加する方式を「ユニポーラースイッチング方式(モノポーラ動作)」、逆極性のパルスを印加する方式を「バイポーラースイッチング方式(バイポーラ動作)」と呼ぶ。 A method of applying voltage pulses of the same polarity in both the SET operation and the RESET operation is called a “unipolar switching method (monopolar operation)”, and a method of applying a reverse polarity pulse is called a “bipolar switching method (bipolar operation)”.
図5(a)に、抵抗変化型メモリ素子24にパルス電圧(振幅値2.6V)を35nsec間隔で印加した回数(SETパルス回数)と、その時の抵抗変化型メモリ素子24に流れる電流との関係を示す。図5(a)に示すように、SETパルス回数に応じて抵抗変化型メモリ素子24に流れる電流が制御可能となっていることがわかる。
FIG. 5A shows the number of times that the pulse voltage (amplitude value 2.6 V) is applied to the resistance
抵抗変化型メモリ素子24は、SETパルス回数に応じて素子に流れる電流を制御できる。よって、抵抗変化型メモリ素子24へのSETパルス回数に応じて素子に流れる電流値が決まる。すなわち、抵抗変化型メモリ素子24の抵抗値を変化させることができる。
The resistance
図5(b)に、抵抗変化型メモリ素子24へ印加したパルス電圧の印加時間(振幅値2.6Vのパルス電圧を印加した時間:単位はns)(パルス幅)と、その時の抵抗変化型メモリ素子24に流れる電流との関係を示す。図5(b)に示すように、印加時間に応じて抵抗変化型メモリ素子24に流れる電流が制御可能となっていることがわかる。
FIG. 5B shows the application time of the pulse voltage applied to the resistance change type memory element 24 (time when the pulse voltage having an amplitude value of 2.6 V is applied: unit: ns) (pulse width) and the resistance change type at that time. The relationship with the current flowing through the
抵抗変化型メモリ素子24は、印加時間に応じて素子に流れる電流を制御できる。よって、抵抗変化型メモリ素子24への印加時間に応じて素子に流れる電流値が決まる。すなわち、抵抗変化型メモリ素子24の抵抗値を変化させることができる。
The resistance
図5(c)に、抵抗変化型メモリ素子24に所定のパルス電圧を印加した場合のパルス電圧値と、その時の抵抗変化型メモリ素子24に流れる電流との関係を示す。図5(c)に示すように、0.5V程度までは、変化が無いが、それ以上の電圧で、パルス電圧値に応じて抵抗変化型メモリ素子24に流れる電流が制御可能となっていることがわかる。
FIG. 5C shows a relationship between a pulse voltage value when a predetermined pulse voltage is applied to the resistance
抵抗変化型メモリ素子24は、パルス電圧値に応じて素子に流れる電流を制御できる。よって、抵抗変化型メモリ素子24へのパルス電圧値に応じて素子に流れる電流値が決まる。すなわち、抵抗変化型メモリ素子24の抵抗値を変化させることができる。さらに、図5(c)に示すように、抵抗変化型メモリ素子24の抵抗値を変化させるパルス電圧値には、閾値があることがわかる。
The resistance
本実施の形態においては、2個のスパイクの時間差、時間的順序に応じて、抵抗変化型メモリ素子4の抵抗値、つまり、シナプス回路102のシナプス結合強度を変化させている。上述したように、抵抗変化型メモリ素子24の抵抗値を変化させるには、抵抗変化型メモリ素子24に印加するパルス電圧のSETパルス回数、印加時間、及び、パルス電圧値のいずれかを変化させればよい。
In the present embodiment, the resistance value of the resistance
特に、スパイキングニューロンモデルのSTDPに利用する場合は、上述したように、不応期という限られた期間に、抵抗変化型メモリ素子4の抵抗値を変化させる必要があるので、パルス電圧値を変化させる手法が好ましい。
In particular, when used for the STDP of the spiking neuron model, as described above, the resistance value of the resistance change
また、このパルス電圧値を変化させる手法を用いた場合、抵抗変化型メモリ素子24の抵抗値を変化させるパルス電圧値には閾値があることを利用し、STDP部25が抵抗変化型メモリ素子24の抵抗値を変化させる際、抵抗変化型メモリ素子24に出力するSTDP信号yjiが上記の閾値以上となるようにすれば、不応期における抵抗変化型メモリ素子24の抵抗値の変化が実現される。
Further, when this method of changing the pulse voltage value is used, the
すなわち、本実施の形態においては、ニューロン回路101のスパイク生成部15によるスパイクPiの生成(シナプス荷重)を、上記の閾値未満の電圧値を持つ電源電圧を抵抗変化型メモリ素子24に印加する一方、STDP部25によるシナプス回路102のシナプス結合強度の更新を、上記の閾値以上の電圧値を持つSTDP信号yjiを抵抗変化型メモリ素子24に印加する。
That is, in this embodiment, generation of the spike P i by the
そうすることにより、シナプス荷重の際に抵抗変化型メモリ素子24の抵抗値が変化してしまうことを回避することができるので、シナプス結合強度の更新を正確に実行することができる。
By doing so, it is possible to avoid a change in the resistance value of the resistance change
次に、STDP部25のより具体的な構成について説明する。図6は、対称型構造を持つSTDP部25の構成を示す回路図であり、(a)は、スパイク検出部の構成を示す回路図、(b)は、荷重更新部の構成を示す回路図である。
Next, a more specific configuration of the
対称型STDP部25は、図6に示すように、スパイク検出部と、荷重更新部と、を有している。スパイク検出部において、T−FF(Toggle flip-flop)は、preとpostのスパイクによって2度、状態が反転する。T−FFにおける状態の反転は、後段のD&I(遅延反転回路)とNORゲートによって検出される。その結果、早く到達したスパイクは荷重更新部のin1へ、遅く到達したものは所定の遅延時間を経てin2へ入力される。
As shown in FIG. 6, the
荷重更新部は、preとpostの時間間隔のみに依存し、STDP信号yjiを変化させる。一方で、preとpostが同時に入力された場合は、T−FFの状態値は1度しか変化しない。この場合は回路内のリセット回路により、T−FFの状態は再び反転する。 The load updating unit depends on only the time interval between pre and post and changes the STDP signal y ji . On the other hand, when pre and post are input simultaneously, the state value of T-FF changes only once. In this case, the state of the T-FF is inverted again by the reset circuit in the circuit.
入力スパイクin1が荷重更新部に入力されると、キャパシタCAの端子にランプ波形VAが生成される。また、同時にD&I(遅延反転回路)によって制御信号SWがHレベルとなる。このランプ波形VAは、後段のトランジスタンM1によって非線形波形に変形され、トランスコンダクタンスアンプA1の入力端子に入力される。そして、キャパシタCBの端子電圧VBは、制御信号SWがLレベルになると、抵抗Rによって基準電位VREFへ落ち着く。 When the input spike in1 is input to the load update unit, a ramp waveform VA is generated at the terminal of the capacitor CA. At the same time, the control signal SW becomes H level by D & I (delay inversion circuit). The ramp waveform VA is transformed into a non-linear waveform by the subsequent transistor M1 and input to the input terminal of the transconductance amplifier A1. The terminal voltage VB of the capacitor CB is settled to the reference potential VREF by the resistor R when the control signal SW becomes L level.
トランジスタM1により非線形波形の生成が行なわれている間に入力スパイクin2が入力されると、トランスコンダクタンスアンプA1からのSTDP信号yjiが抵抗変化型メモリ素子24に印加させる。
When the input spike in2 is input while the nonlinear waveform is generated by the transistor M1, the STDP signal y ji from the transconductance amplifier A1 is applied to the resistance
一方、キャパシタCBの端子電圧VBが基準電位VREFに落ち着いた後に入力スパイクin2が入力されると、トランスコンダクタンスアンプA1からのSTDP信号yjiは抵抗変化型メモリ素子24に印加されることはない。
On the other hand, when the input spike in2 is input after the terminal voltage VB of the capacitor CB has settled to the reference potential VREF, the STDP signal y ji from the transconductance amplifier A1 is not applied to the resistance
なお、Vb3、Vb_rmpはSTDP関数の時間窓、Vb_top、Vb_btm2及びin2のパルス幅は、抵抗変化型メモリ素子24の抵抗値の変化量を決定するパラメータである。
Note that V b3 and V b_rmp are time windows of the STDP function, and pulse widths of V b_top , V b_btm2, and in2 are parameters that determine the amount of change in the resistance value of the resistance
図7は、非対称型構造を持つSTDP部25の構成を示す回路図である。
FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of the
この非対称型STDP部25においては、図7に示すように、トランスコンダクタンスアンプA1はV1−VREFに比例してSTDP信号yjiを増加させるのに対し、トランスコンダクタンスアンプA2はV2−VREFに比例してSTDP信号yjiを減少させる。すなわち、トランスコンダクタンスアンプA1はLTP(Long Term Potentiation)、トランスコンダクタンスアンプA2はLTD(Long Term Depression)として動作している。
In the
Preの入力タイミングをtpreとし、Postの入力タイミングをtpostととした場合、tpost−tpre>0であれば入力スパイクpreによって非線形波形V1が生成され、トランスコンダクタンスアンプA1が駆動される。このとき、トランスコンダクタンスアンプA2も駆動されるが、V2−VREF=0であるため、トランスコンダクタンスアンプA2はSTDP信号yjiを減少させることができない。このため、STDP信号yjiは、トランスコンダクタンスアンプA1によって増加する。
When the input timing of Pre is t pre and the input timing of Post is t post, if t post −t pre > 0, the
tpost−tpre=0であればトランスコンダクタンスアンプA1、A2が同時に駆動され、抵抗変化型メモリ素子24に印加されるSTDP信号yjiは相殺される。
If t post −t pre = 0, the
tpost−tpre<0であれば入力スパイクPostによって非線形波形V2が生成され、トランスコンダクタンスアンプA2が駆動される。このとき、トランスコンダクタンスアンプA1も駆動されるが、V1−VREF=0であるため、トランスコンダクタンスアンプA1はSTDP信号yjiを増加させることができない。このため、STDP信号yjiは、トランスコンダクタンスアンプA2によって減少する。 If t post −t pre <0, a nonlinear waveform V2 is generated by the input spike Post, and the transconductance amplifier A2 is driven. At this time, the transconductance amplifier A1 is also driven, but since V1−VREF = 0, the transconductance amplifier A1 cannot increase the STDP signal y ji . For this reason, the STDP signal y ji is decreased by the transconductance amplifier A2.
なお、上記の対称型STDP部25と同様、STDP関数の形状は、Vb_top1、Vb_top2等のバイアス値によって決定される。
Similar to the
以上説明したように、本実施の形態によれば、抵抗変化型メモリ素子24の一方の端部にSTDP部25により生成されるSTDP信号yjiを入力することにより、抵抗変化型メモリ素子24の抵抗値、つまり、シナプス回路102のシナプス結合強度を変化させることができる。
As described above, according to the present embodiment, by inputting the STDP signal y ji generated by the
本実施の形態における情報処理装置100の特徴点は、抵抗変化型メモリ素子24における、電圧パルスを印加することによって可逆的に抵抗値が変化するという物理的特性を利用する点にある。抵抗変化型メモリ素子24は、電圧パルスを印加することによって可逆的に電気抵抗が変化する素子のことである。抵抗変化型メモリ素子24は、近年、フラッシュメモリに代わる高速動作可能な次世代不揮発性ランダムアクセスメモリ(NVRAM:Nonvolatile Random Access Memory)として応用が期待されているものである。また、抵抗変化型メモリ素子24としては、例えば、非特許文献4に記載されている様なRRAM(Resistance RAM)やPCRAM(Phase Change RAM)などが挙げられる。
The feature of the
このように、本実施の形態によれば、シナプス回路102のシナプス結合強度を抵抗変化型メモリ素子24の抵抗値を用いて表わすことにより、LSIチップ上の専有面積を増大させることなく、シナプス結合強度をアナログ量として記憶することができるので、LSIチップの高集積化を実現することができる。
As described above, according to the present embodiment, the synapse coupling strength of the
また、電圧パルスの印加により抵抗変化型メモリ素子24の抵抗値を容易に変化させることができるので、複雑な回路構成が不要となり、その結果、LSIチップの専有面積を小さくすることができる。
In addition, since the resistance value of the resistance change
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2について説明する。上記の実施の形態1においては、オペアンプ12のフィードバック機能により、キャパシタ11に電荷が溜まることによる電位変動の抑制を行なっていた。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, the feedback function of the
これに対し、本実施の形態においては、抵抗変化型メモリ素子24の抵抗値を電圧値に変換し、その変換された電圧値を用いて電流源を制御する。そうすることにより、オペアンプのフィードバック機能の利用を不要とすることができる。
On the other hand, in the present embodiment, the resistance value of the resistance change
図8は、本実施の形態における情報処理装置において、抵抗変化型メモリ素子24の抵抗値を電圧値に変換し、その変換された電圧値を用いて電流源を制御する様子を説明するための説明図である。
FIG. 8 is a diagram for explaining a state in which the resistance value of the resistance change
本実施の形態における情報処理装置においては、図8(a)に示すように、抵抗変化型メモリ素子24の他方の端部にキャパシタ41が接続されている。キャパシタ41は、抵抗変化型メモリ素子24を流れる電流により充放電され、抵抗変化型メモリ素子24の他方の端部とキャパシタ41との接続点に電位Vcを与える。
In the information processing apparatus according to the present embodiment, a
キャパシタ41に電荷が徐々に蓄積され、電位Vcが所定の電位Vcoまで上昇すると、抵抗変化型メモリ素子24の他方の端部とキャパシタ41との接続点に接続されたトランジスタ42が閉状態となる。
When charges are gradually accumulated in the
その結果、予め閉状態とされたスイッチ44及びトランジスタ42を介して、ニューロン回路101のキャパシタ11と所定の電源電圧とが接続され、キャパシタ11に一定電流が出力されることになる。したがって、キャパシタ11に電荷が溜まることによる電位変動が抵抗変化型メモリ素子24に影響を及ぼすことを防止することができる。
As a result, the
次に、本実施の形態における情報処理装置の動作について、図8(b)のタイミングチャートを用いて、より具体的に説明する。 Next, the operation of the information processing apparatus in this embodiment will be described more specifically with reference to the timing chart of FIG.
図8(b)に示すように、時刻0において、抵抗変化型メモリ素子24の一方の端部に振幅Voを持つ所定の電源電圧Vが印加されると、抵抗変化型メモリ素子24に電流が流れることになり、その流れ込む電流によりキャパシタ41が充電されることになる。このキャパシタ41の充電により、抵抗変化型メモリ素子24の他方の端部とキャパシタ41との接続点に電位Vcは、徐々に上昇することになる。
As shown in FIG. 8B, when a predetermined power supply voltage V having an amplitude Vo is applied to one end of the resistance
そして、時刻Tにおいて、上記の電源電圧Vの印加が終了し、上記の接続点の電位VcがVcoに到達する。ここで、この接続点の電位Vcの時刻Tにおける到達点Vcoは、所定の電源電圧Vの振幅Voと、抵抗変化型メモリ素子24が持つ現時点の抵抗値R及びキャパシタ41の容量値Cから与えられる時定数τ=RCと、を用いた、図8(b)に示す式に基づいて算出されることになる。
At time T, the application of the power supply voltage V ends, and the potential Vc at the connection point reaches Vco. Here, the arrival point Vco of the potential Vc of the connection point at time T is given from the amplitude Vo of the predetermined power supply voltage V, the current resistance value R of the resistance
このようにして抵抗変化型メモリ素子24とキャパシタ41との接続点の電位VcがVcoに到達し、このVcoがその接続点と接続されたトランジスタ42のゲート端子に供給される。トランジスタ42の閾値電圧は、このVco以上となるように予め設定されている。このため、トランジスタ42は、上記の接続点の電位VcがVcoに到達した時点、つまり、時刻Tの以降、閉状態となる。
In this way, the potential Vc at the connection point between the resistance
トランジスタ42が閉状態になると、トランジスタ42を通して一定の電流がニューロン回路101のキャパシタ11に供給されることになる。キャパシタ11は、この一定の電流により充電されることになる。
When the
(実施の形態3)
次に、本発明の実施の形態3について説明する。図9は、本発明の実施の形態3における情報処理装置の構成を示すブロック図である。以下、本発明の実施の形態1と同様の部分については、同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
(Embodiment 3)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of the information processing apparatus according to
本実施の形態における情報処理装置100aは、図9に示すように、複数のニューロン回路101aと、複数のシナプス回路102aと、を備えている。図面の見易さのため、1つのニューロン回路101a及び1つのシナプス回路102aのみが記載されているが、実際には、複数のニューロン回路101aが複数のシナプス回路102aを介して相互に接続されている。
As shown in FIG. 9, the
図9に示すように、本実施の形態の情報処理装置100aと上記の実施の形態1の情報処理装置100とで異なる点は、スイッチ23、26に代えて、STDP部25と抵抗変化型メモリ素子24との間にキャパシタ29を配置した点である。
As shown in FIG. 9, the difference between the
本実施の形態の情報処理装置100aにおいては、STDP部25により生成されるSTDP信号yjiがキャパシタ29を介して抵抗変化型メモリ素子24の一方に端部に供給されている。STDP部25と抵抗変化型メモリ素子24との間はキャパシタ29により容量結合されており、このため、上記の実施の形態1とは異なり、スイッチ23、26を用いた抵抗変化型メモリ素子24の接続先の切り替えが不要となる。
In the
STDP部25から出力されるSTDP信号yjiは、時間幅の狭いパルス状であることから、キャパシタ29を交流的に通過し、抵抗変化型メモリ素子24に印加される。一方、パルス生成部21から出力される制御信号Qjに基づきPSPが生成される時間は、STDP信号yjiの時間幅に比して長く、このため、キャパシタ29はこの期間では直流的に電流を流さない。
Since the STDP signal y ji output from the
したがって、本実施の形態では、上記の実施の形態1のスイッチ23、26を用いることなく、抵抗変化型メモリ素子24の接続先の切り替えが可能となる。
Therefore, in the present embodiment, the connection destination of the resistance
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.
なお、本発明は、以下のようにも表現することができる。すなわち、本発明にかかる情報処理装置は、2つのスパイクパルスの時間差を所定の関数にしたがって変換した値に比例して、抵抗変化型メモリ素子の抵抗値を変化させることを特徴とする。 The present invention can also be expressed as follows. That is, the information processing apparatus according to the present invention is characterized in that the resistance value of the resistance change type memory element is changed in proportion to a value obtained by converting the time difference between two spike pulses according to a predetermined function.
最初に入力される第1のスパイクパルスにより非線形電圧波形を発生させ、次に入力される第2のスパイクパルスでそれをサンプリングすることにより、前記電圧波形に相似の関数で変換された電圧値を得て、前記電圧値を前記抵抗変化型メモリ素子に印加することにより、その抵抗値を変化させることが好ましい。 By generating a non-linear voltage waveform by the first input spike pulse and sampling it by the second input spike pulse, the voltage value converted by a function similar to the voltage waveform is obtained. It is preferable to change the resistance value by applying the voltage value to the resistance change memory element.
複数個の入力パルスに対応して複数個の抵抗変化型メモリ素子を用意し、前記複数個の入力パルスから各々一時的電圧または電流信号を生成し、前記一時的電圧または電流信号を、前記抵抗変化型メモリ素子を通して共通の線に電流として集め、前記共通線に電荷蓄積素子または電流検出回路を接続して、電流値または電荷量を検出することにより、抵抗値で重み付けされた前記一時的電圧信号の加算値を得ることが好ましい。 A plurality of resistance change type memory devices are prepared corresponding to a plurality of input pulses, a temporary voltage or current signal is generated from each of the plurality of input pulses, and the temporary voltage or current signal is supplied to the resistor. The temporary voltage weighted with a resistance value by collecting current as a current on a common line through a changeable memory element, connecting a charge storage element or a current detection circuit to the common line, and detecting a current value or a charge amount. It is preferable to obtain the sum of the signals.
スパイクパルスを情報表現とするニューラルネットワークであって、ニューロン発火直後の不応期の期間中に前記抵抗変化型メモリ素子の抵抗値を変化させ、それ以外の期間に前記一時的電圧信号の加算値を得ることが好ましい。 A neural network having a spike pulse as an information expression, wherein the resistance value of the resistance change type memory element is changed during a refractory period immediately after the firing of a neuron, and the addition value of the temporary voltage signal is changed during other periods. It is preferable to obtain.
本発明は、電気的ストレス印加による電気抵抗の変化により情報を記憶可能な抵抗変化型メモリ素子を用いた情報処理装置、及び、この情報処理装置をニューロン素子として用いるニューラルネットワーク等に適用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to an information processing apparatus using a resistance change type memory element that can store information by a change in electric resistance caused by applying an electrical stress, and a neural network using the information processing apparatus as a neuron element. it can.
100、100a 情報処理装置
101、101a ニューロン回路(ニューロン部)
102、102a シナプス回路(シナプス部)
11、29、41 キャパシタ
12 オペアンプ
13 フィードバック抵抗
14 コンパレータ
15 スパイク生成部
16 遅延部
21 パルス生成部
22、23、28、43、44 スイッチ
24 抵抗変化型メモリ素子(記憶素子)
25 STDP部(演算部)
26 スイッチ(スイッチング素子)
27 波形形成部
42 トランジスタ
241 上部電極
242 下部電極
243 抵抗体
100, 100a
102, 102a Synapse circuit (synapse part)
11, 29, 41
25 STDP section (calculation section)
26 switch (switching element)
27
Claims (6)
前記シナプス部は、
電圧パルスの印加により可逆的に変化する抵抗値を持つ記憶素子と、
異なるタイミングで入力される2つのスパイクパルス間における入力タイミングのずれに応じて予め設定された非線形電圧波形を表わす関数を用いた演算を実行する演算部と
を有し、
前記記憶素子は、前記スパイクパルスに与えられる重み値を表わすアナログ量として設定される前記抵抗値を持ち、
前記演算部は、2つのスパイクパルスが入力された場合に、前記関数を用いて当該2つのスパイクパルス間における入力タイミングのずれに対する演算を実行し、当該演算の結果に基づいて前記記憶素子に印加されるべき電圧パルスを設定することを特徴とする情報処理装置。 An information processing apparatus including at least one synapse unit that receives a spike pulse and gives a weight value to the spike pulse to generate a weight signal,
The synapse part is
A memory element having a resistance value reversibly changed by application of a voltage pulse;
A calculation unit that performs a calculation using a function that represents a preset non-linear voltage waveform according to a shift in input timing between two spike pulses input at different timings;
The storage element has the resistance value set as an analog quantity representing a weight value given to the spike pulse,
When the two spike pulses are input, the calculation unit performs a calculation for a shift in input timing between the two spike pulses using the function, and applies to the storage element based on a result of the calculation An information processing apparatus for setting a voltage pulse to be performed.
前記複数のニューロン部の各々は、自身が生成する重み付け加算信号のレベルがスパイクパルスを生成すべきとして予め定められた閾値以上となった場合に、新たなスパイクパルスを生成しており、
前記複数のシナプス部の各々は、前記ニューロン部による新たなスパイクパルスの生成の後に到来する、前記シナプス部へのスパイクパルスの入力の有無にかかわらず前記ニューロン部が新たなスパイクパルスの生成を停止するパルス発生停止期間において、前記演算部による前記記憶素子への電圧パルス印加を実行することを特徴とする請求項1または2に記載の情報処理装置。 Adding a plurality of weighting signals generated by each of the plurality of synapse units, further comprising a plurality of neuron units for generating a weighted addition signal;
Each of the plurality of neuron units generates a new spike pulse when the level of the weighted addition signal generated by itself is equal to or higher than a predetermined threshold value to generate a spike pulse,
Each of the plurality of synapse units stops after the generation of a new spike pulse by the neuron unit regardless of whether or not a spike pulse is input to the synapse unit. 3. The information processing apparatus according to claim 1, wherein voltage pulse application to the storage element is performed by the arithmetic unit during a pulse generation stop period.
前記記憶素子は、前記シナプス部による重み付け信号の生成が行なわれる場合には、前記閾値未満の電圧値を持つ電圧パルスが印加される一方、自身の抵抗値の変化による前記重み値の更新が行われる場合には、前記閾値以上の電圧値を持つ電圧パルスが印加されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の情報処理装置。 The storage element has a threshold value of a voltage value of a voltage pulse required for changing its own resistance value,
When the weight signal is generated by the synapse unit, the memory element is applied with a voltage pulse having a voltage value less than the threshold value, while the weight value is updated by a change in its resistance value. The information processing apparatus according to claim 1, wherein a voltage pulse having a voltage value equal to or greater than the threshold is applied.
前記スイッチング素子は、前記パルス発生停止期間においてのみ閉状態となることを特徴とする請求項3に記載の情報処理装置。 Each of the plurality of synapse units further includes a switching element disposed between the arithmetic unit and the storage element,
The information processing apparatus according to claim 3, wherein the switching element is closed only during the pulse generation stop period.
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