JP2010146514A - Information processor and neural network circuit using the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an information processor storing synapse bond strength as an analog quantity without increasing an occupied area on an LSI chip by indicating the synapse bond strength using a resistance value of a resistance variable memory element. <P>SOLUTION: The information processor 100 includes at least one synapse circuit 102. The synapse circuit 102 has the resistance variable memory element 24 reversibly varied by the application of voltage pulses, and an STDP (spike-timing dependent synaptic plasticity) section 25 carrying out operation using a function that indicates a preset nonlinear voltage waveform according to a lag of input timing between two spike pulses input at different timing. The STDP section 25 carries out operation to the lag of the input timing when the two spike pulses are input, and sets a voltage pulse applied to the resistance variable memory element 24 based on the operation result. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

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 Document 1, the conventional neural network model handles analog values as time averages or collective averages of spike pulses, but higher performance can be obtained by using a model that directly handles spike pulses. It has been suggested that

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tと、そのニューロンの発火スパイクのタイミングt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t−t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t−t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, Patent Document 1 discloses a method of sampling a nonlinear voltage waveform. This realizes a nonlinear conversion function by generating a nonlinear voltage waveform with the first spike pulse and sampling it with the second spike pulse.

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 Non-Patent Document 2, for example.

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 Document 2, only a short time on the order of seconds can be stored, and the exclusive area on the LSI chip becomes extremely large, making it difficult to achieve high integration. was there.

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。
特開2007−241684号公報(平成19年9月20日公開) 特開平5−335656号公報(平成5年12月17日公開) W. Maass、 "Networks of Spiking Neurons: The Third Generation of Neural Network Models、" Neural Networks、 vol. 10、 no. 9、 pp. 1659-1671、 1997. 田中秀樹、 森江隆、 合原一幸、STDPを有するCMOSスパイキングニューラルネットワークLSIの評価、電子情報通信学会 ニューロコンピューティング研究会、 NC2007-61、 Vol. 107、 No. 328、 pp. 37-42、 2007年11月18日 S. Kinoshita、 T. Morie、 M. Nagata and A. Iwata、 A PWM Analog Memory Programming Circuit for Floating-Gate MOSFETs with 75us Programming Time and 11b Updating Resolution、 IEEE J. Solid-State Circuits、 Vol. 36、 No. 8、 pp. 1286-1290、 2001. Liu, S. Q. 他、“Electric-pulse-induced reversible Resistance change effect in magnetoresistive films”, Applied Physics Letter, Vol. 76, pp. 2749-2751, 2000年
For this reason, for example, a special structure disclosed in Patent Document 2 and a complicated circuit disclosed in Non-Patent Document 3, for example, are required, and as a result, there is still a problem that the area occupied by the circuit increases.
JP 2007-241684 A (published on September 20, 2007) Japanese Patent Laid-Open No. 5-335656 (published on December 17, 1993) W. Maass, “Networks of Spiking Neurons: The Third Generation of Neural Network Models,” Neural Networks, vol. 10, no. 9, pp. 1659-1671, 1997. Hideki Tanaka, Takashi Morie, Kazuyuki Aihara, Evaluation of CMOS Spiking Neural Network LSI with STDP, IEICE Neurocomputing Society, NC2007-61, Vol. 107, No. 328, pp. 37-42, 2007 November 18, S. Kinoshita, T. Morie, M. Nagata and A. Iwata, A PWM Analog Memory Programming Circuit for Floating-Gate MOSFETs with 75us Programming Time and 11b Updating Resolution, IEEE J. Solid-State Circuits, Vol. 36, No. 8, pp. 1286-1290, 2001. Liu, SQ et al. “Electric-pulse-induced reversible Resistance change effect in magnetoresistive films”, Applied Physics Letter, Vol. 76, pp. 2749-2751, 2000

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 Non-Patent Document 4. Such a storage element is expected to be applied as a next-generation non-volatile random access memory (NVRAM) capable of high-speed operation instead of a flash memory.

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 Embodiment 1 of the present invention.

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 information processing apparatus 100 according to the present embodiment includes a plurality of neuron circuits (neuron units) 101 and a plurality of synapse circuits (synapse units) 102. In FIG. 1, only one neuron circuit 101 and one synapse circuit 102 are shown for ease of illustration, but actually, a plurality of neuron circuits 101 pass through a plurality of synapse circuits 102. Are connected to each other.

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U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U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 neuron circuit 101 receives spikes from other neuron circuits (not shown) via the synapse circuit 102, the neuron circuit 101 generates a PSP (post-synaptic potential) in its own internal potential U i . This spike is given asynchronously from a plurality of other neuron circuits, and the internal potential U i of the neuron circuit 101 is determined by the spatio-temporal addition of PSP by the plurality of spikes.

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U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 neuron 101 and the synaptic circuit 102 has excitability and inhibitory property, and is expressed by a sign of synaptic connection strength. When the internal potential U i of the neuron circuit 101 exceeds a predetermined threshold, the neuron circuit 101 ignites and generates a spike. At the same time, the neuron circuit 101 enters a refractory period of a certain period simultaneously with the generation of the spike, and the generated spike is given to another neuron circuit through a predetermined propagation delay time.

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Oが入力されると、そのスパイクO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Qを生成し、スイッチ22に出力する。スイッチ22は、制御信号Q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 synapse circuit 102 from other neuron circuit, based on the input timing of the spike O j, the pulse generator 21 is the control signal Q j Is output to the switch 22. The switch 22 is closed when the control signal Qj is at the H level, and is open during other periods.

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 switch 22 is closed, a predetermined power supply voltage and one end of the resistance change type memory element (storage element) 24 are connected. At this time, a switch 23 described later is also closed.

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 type memory element 24 has a variable resistance value to be described later. When the switch 22 is closed, a current corresponding to the current resistance value σ ji of the resistance change memory element 24 flows between a predetermined power supply voltage and the other end of the resistance change memory element 24, and the neuron circuit 101 is output.

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 neuron circuit 101 charges the capacitor 11 using the current output from the synapse circuit 102. The capacitor 11 is disposed between the negative input terminal (−) and the output terminal of the operational amplifier 12, and the capacitor 11 and the operational amplifier 12 constitute an integrating circuit. Then, due to the feedback function of the operational amplifier 12 that returns the output signal to the negative input terminal (−) via the feedback resistor 13, the input to the negative input terminal (−) becomes virtual ground, and charges are accumulated in the capacitor 11. The potential fluctuation due to is suppressed.

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 operational amplifier 12 can keep the potential of the capacitor 11 of the neuron circuit 101 constant, a constant current can be passed through the resistance change type memory element 24 regardless of the potential of the capacitor 11. For this reason, it is possible to accurately change the resistance value σ ji of the resistance change type memory element 24 described later.

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 neuron circuit 101 charges the capacitor 11 to generate the above-described PSP, that is, the above-described time-space addition of the PSP is performed on the capacitor 11. The current output from the synapse circuit 102 is proportional to the resistance value σ ji of the resistance change memory element 24, and the PSP becomes excitable or suppressive depending on the value.

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 type memory element 24 is connected to a potential (for example, power supply voltage) higher than the inverting input terminal voltage of the operational amplifier, and the capacitor 11 is charged. do it.

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 type memory element 24 may be connected to a potential (for example, ground potential) lower than the inverting input terminal voltage of the operational amplifier, and the capacitor 11 may be discharged.

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 type memory element 24 to the power supply voltage or the ground potential is required in FIG.

そして、キャパシタ11の充電により生成される内部電位Uは、コンパレータ14により閾値THと比較され、内部電位U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Pを生成する。スパイク生成部15は、そのスパイクP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 capacitor 11 is compared with the threshold value TH by the comparator 14, and when the internal potential U i exceeds the threshold value TH, the spike generation unit 15 determines that the internal potential U i exceeds the threshold value TH. Spike Pi is generated. Spike generation unit 15, simultaneously with its spike P i generation, by increasing the threshold value TH certain period, it starts the refractory period discussed above.

スパイク生成部15により生成されたスパイクP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Oとして出力される。 The spike P i generated by the spike generator 15 is output as a spike O i to another neuron circuit after the propagation delay time set by the delay unit 16 has elapsed.

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 information processing apparatus 100 will be described.

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O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P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 synapse circuit 102, the STDP unit (arithmetic unit) 25 inputs the spike O j input from another neuron circuit and the generation timing of the spike P i generated by the spike generation unit 15. Based on the above, the STDP signal y ji for changing the resistance value σ ji of the resistance change type memory element 24 is generated. In the present embodiment, the resistance value σ ji of the resistance change memory element 24 represents the above-described synapse coupling strength, and the synaptic coupling strength of the synapse circuit 102 can be updated by the change in the resistance value.

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O及びスパイクP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O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P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 STDP unit 25. The STDP unit 25 includes a waveform forming unit 27 that forms a nonlinear waveform, and a switch 28 for sampling the nonlinear waveform formed by the waveform forming unit 27. The STDP unit 25 operates with two spikes, that is, a spike O j and a spike P i . For example, the waveform forming unit 27 starts forming a nonlinear waveform of the spike O j input from another neuron circuit. while it used as a trigger pulse to be used as a sampling pulse for opening and closing operation of the switch 28 to sample the nonlinear waveform formed spikes P i generated by the spike generator 15 by the waveform forming section 27.

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Sを生成する。そして、制御信号S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S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 generation unit 15 of the neuron circuit 101 to start the refractory period, increasing the threshold TH, the voltage conversion circuit 103 using the elevated threshold TH generates a control signal S i. During the period when the control signal S i is at the H level, the switch 23 of the synapse circuit 102 is in the open state and the switch (switching element) 26 is in the closed state. In other words, during the period in which the control signal S i is at the H level, the connection destination to which one end of the resistance change type memory element 24 is connected is switched to the STDP unit 25.

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P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 spike generator 15 and (synapse load), and generates the STDP signal y ji by the STDP unit 25, by opening and closing operations of the switches 22, 23, 26 Has been switched.

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P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 switches 22, 23, 26 within this period. The opening and closing operations of the switches 22, 23, 26, can be used spike P i generated by the spike generator 15.

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 neuron circuit 101 is closed, and the input of the neuron circuit 101 is grounded.

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Oがシナプス回路102に入力されると、そのスパイクOをトリガとして波形形成部27が所定の非線形波形Zを形成する。この非線形波形Zは、例えば、図11(b)や(c)に示した関数形状である。 In the STDP section 25, as shown in FIG. 2, when a spike O j is input from another neuron circuit to the synapse circuit 102, the waveform forming section 27 generates a predetermined nonlinear waveform Z j using the spike O j as a trigger. Form. This non-linear waveform Z j has the function shape shown in FIGS. 11B and 11C, for example.

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Pが生成され、STDP部25に入力されると、そのスパイクP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Z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 spike generator 15 of the neuron circuit 101, is input to the STDP unit 25, the switch 28 is closed in its spike P i is at the H level. As a result, during the period in which the switch 28 is in the closed state, the nonlinear waveform Z j formed by the waveform forming unit 27 is sampled and output as a sampling signal y ji having a pulse shape, that is, an STDP signal y ji .

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 change memory element 24 via the switch 26. As will be described later, the resistance change type memory element 24 changes its resistance value σ ji only when a signal having a voltage value equal to or higher than a predetermined threshold value is input. When the voltage value at the H level of the sampling signal y ji is a value equal to or higher than the threshold value, the resistance value σ ji of the resistance change memory element 24 changes according to the input of the sampling signal y ji .

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 change memory element 24 represents the synapse coupling strength of the synapse circuit 102 as described above. Therefore, when the resistance value σ ji of the resistance change type memory element 24 changes, the synapse coupling strength of the synapse circuit 102 changes.

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 information processing apparatus 100 in the present embodiment will be specifically described with reference to FIG. FIG. 3 is a timing chart for explaining the operation of the information processing apparatus 100.

図3に示すように、時刻tにおいて、他のニューロン回路からスパイクOがシナプス回路102に入力されると、そのスパイクOの入力に基づいて、パルス生成部21は、制御信号Qを生成し、スイッチ22に出力する。この制御信号Qは、時刻tから所定の期間、Hレベルとなり、スイッチ22は、制御信号Q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 synapse circuit 102 at time t 1 , based on the input of the spike O j , the pulse generator 21 controls the control signal Q j Is output to the switch 22. The control signal Q j is at the H level for a predetermined period from time t 1 , and the switch 22 is closed while the control signal Q j is at the H level. At this time, the switch 23 is also closed, and a current corresponding to the resistance value σ ji of the resistance change memory element 24 is output to the neuron circuit 101.

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U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Uと所定の閾値THとを比較し、時刻tにおいて内部電位U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 neuron circuit 101 charges and discharges the capacitor 11 using the current output from the synapse circuit 102. As a result, the internal potential U i generated by charging / discharging of the capacitor 11 gradually increases, and the comparator 14 compares the internal potential U i with a predetermined threshold TH, and at time t 2 , the internal potential U i is compared. When i exceeds the threshold value TH, a comparison result indicating that i is exceeded is output to the spike generator 15.

スパイク生成部15は、コンパレータ14からの内部電位Uが閾値THを超えたとの比較結果に基づいてスパイクPを生成する。また、スパイク生成部15は、そのスパイクP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S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t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 spike generation unit 15 generates the spike P i based on the comparison result that the internal potential U i from the comparator 14 exceeds the threshold value TH. A spike-generating unit 15, the spike P i generation and simultaneously, the threshold value TH is increased a certain period, starts the refractory period. The voltage conversion circuit 103 sets the H level period of the control signal S i in accordance with the its refractory period, the switch 23 of the synapse circuit 102 opened, the switch 26 is closed. As a result, at the time t 2 , one end of the resistance change memory element 24 is connected to the STDP unit 25.

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P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Oとして出力する。 When the spike P i generated by the spike generator 15 is input, the delay unit 16 outputs the spike O i to another neuron circuit after a predetermined propagation delay time has elapsed.

一方、STDP部25では、時刻tにおいて、他のニューロン回路からスパイクOがシナプス回路102に入力されると、そのスパイクOの入力に基づいて、波形形成部27が所定の非線形波形Z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 synapse circuit 102 at the time t 1 , the STDP unit 25 causes the waveform forming unit 27 to generate a predetermined nonlinear waveform Z based on the input of the spike O j. Start forming j .

そして、上述したように、時刻tにおいて、スパイク生成部15により生成されたスパイクPがSTDP部25に入力されると、そのスパイクP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Z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tにおける非線形波形Z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 spike generator 15 is input to the STDP unit 25, the spike P i is at the H level, the switch 28 is closed . As a result, the nonlinear waveform Z j formed by the waveform forming unit 27 is sampled, and the STDP unit 25 outputs the sampling result as a sampling signal y ji . The amplitude of the sampled signal y ji is the same as the amplitude V ji nonlinear waveform Z i at time t 2.

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 change memory element 24 changes its resistance value σ ji and changes the synapse coupling strength of the synapse circuit 102.

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 change memory element 24 of the synapse circuit 102 will be described.

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 type memory element 24 and an equivalent circuit at the time of measurement. For example, an RRAM (Resistance RAM: resistance change type memory element) includes an upper electrode 241, a lower electrode 242, and a resistor 243, as shown in FIG.

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 resistor 243 is made of a metal oxide and has a structure sandwiched between the upper electrode 241 and the lower electrode 242.

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 change memory element 24 at an interval of 35 nsec (the number of SET pulses) and the current flowing through the resistance change memory element 24 at that time. Show the relationship. As shown in FIG. 5A, it can be seen that the current flowing through the resistance change memory element 24 can be controlled according to the number of SET pulses.

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 change memory element 24 can control the current flowing through the element according to the number of SET pulses. Therefore, the value of the current flowing through the element is determined according to the number of SET pulses to the resistance change memory element 24. That is, the resistance value of the resistance change memory element 24 can be changed.

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 memory element 24 is shown. As shown in FIG. 5B, it can be seen that the current flowing through the resistance change memory element 24 can be controlled according to the application time.

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 change memory element 24 can control the current flowing through the element according to the application time. Therefore, the value of the current flowing through the element is determined according to the application time to the resistance change type memory element 24. That is, the resistance value of the resistance change memory element 24 can be changed.

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 change memory element 24 and a current flowing through the resistance change memory element 24 at that time. As shown in FIG. 5C, there is no change up to about 0.5 V, but the current flowing through the resistance change type memory element 24 can be controlled with a voltage higher than that according to the pulse voltage value. I understand that.

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 change memory element 24 can control the current flowing through the element in accordance with the pulse voltage value. Therefore, the value of the current flowing through the element is determined according to the pulse voltage value to the resistance change memory element 24. That is, the resistance value of the resistance change memory element 24 can be changed. Furthermore, as shown in FIG. 5C, it can be seen that the pulse voltage value that changes the resistance value of the resistance change type memory element 24 has a threshold value.

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 change memory element 4, that is, the synapse coupling strength of the synapse circuit 102 is changed according to the time difference between the two spikes and the temporal order. As described above, in order to change the resistance value of the resistance change memory element 24, any one of the number of SET pulses, the application time, and the pulse voltage value of the pulse voltage applied to the resistance change memory element 24 is changed. Just do it.

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 type memory element 4 needs to be changed during a limited period of the refractory period. The technique to make is preferable.

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 STDP unit 25 uses the fact that the pulse voltage value for changing the resistance value of the resistance change type memory element 24 has a threshold value so that the STDP unit 25 can change the resistance value type memory element 24. If the STDP signal y ji output to the resistance change type memory element 24 is equal to or higher than the above threshold when the resistance value of the resistance change type memory element 24 is changed, a change in the resistance value of the resistance change type memory element 24 in the refractory period is realized. 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P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 spike generator 15 of the neuron circuit 101 (synaptic weight), applies a power supply voltage having a voltage value lower than said threshold value to the resistance variable memory device 24 On the other hand, to update the synapse coupling strength of the synapse circuit 102 by the STDP unit 25, the STDP signal y ji having a voltage value equal to or higher than the threshold value is applied to the resistance change memory element 24.

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 type memory element 24 at the time of the synaptic load, so that the synapse coupling strength can be updated accurately.

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 STDP unit 25 will be described. FIG. 6 is a circuit diagram showing the configuration of the STDP unit 25 having a symmetric structure, where (a) is a circuit diagram showing the configuration of the spike detection unit, and (b) is a circuit diagram showing the configuration of the load update unit. It is.

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 symmetric STDP unit 25 includes a spike detection unit and a load update unit. In the spike detection unit, the state of the T-FF (Toggle flip-flop) is inverted twice by the spikes of pre and post. Inversion of the state in the T-FF is detected by a D & I (delay inversion circuit) and a NOR gate in the subsequent stage. As a result, spikes that arrive early are input to in1 of the load update unit, and those that arrive late are input to in2 after a predetermined delay time.

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 change memory element 24.

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 change memory element 24.

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 change memory element 24.

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 STDP section 25 having an asymmetric structure.

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 asymmetric STDP section 25, as shown in FIG. 7, the transconductance amplifier A1 increases the STDP signal y ji in proportion to V1-VREF, whereas the transconductance amplifier A2 is in proportion to V2-VREF. Thus, the STDP signal y ji is decreased. That is, the transconductance amplifier A1 operates as LTP (Long Term Potentiation), and the transconductance amplifier A2 operates as LTD (Long Term Depression).

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 non-linear waveform V 1 is generated by the input spike pre and the transconductance amplifier A 1 is driven. . At this time, the transconductance amplifier A2 is also driven, but since V2−VREF = 0, the transconductance amplifier A2 cannot decrease the STDP signal y ji . For this reason, the STDP signal y ji is increased by the transconductance amplifier A1.

post−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 transconductance amplifiers A 1 and A 2 are driven simultaneously, and the STDP signal y ji applied to the resistance change type memory element 24 is canceled out.

post−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 symmetric STDP unit 25 described above, the shape of the STDP function is determined by bias values such as V b_top1 and V b_top2 .

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 STDP unit 25 to one end of the resistance change memory element 24, the resistance change memory element 24 The resistance value, that is, the synapse coupling strength of the synapse circuit 102 can be changed.

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 information processing apparatus 100 in the present embodiment is that the resistance change memory element 24 uses a physical characteristic that a resistance value reversibly changes when a voltage pulse is applied. The resistance change memory element 24 is an element whose electrical resistance reversibly changes when a voltage pulse is applied. In recent years, the resistance change memory element 24 is expected to be applied as a next-generation non-volatile random access memory (NVRAM) capable of high-speed operation instead of a flash memory. Examples of the resistance change memory element 24 include RRAM (Resistance RAM) and PCRAM (Phase Change RAM) as described in Non-Patent Document 4.

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 synapse circuit 102 is expressed by using the resistance value of the resistance change type memory element 24, so that the synapse coupling is not increased on the LSI chip. Since the intensity can be stored as an analog quantity, high integration of the LSI chip can be realized.

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 type memory element 24 can be easily changed by applying a voltage pulse, a complicated circuit configuration is not required, and as a result, the area occupied by the LSI chip can be reduced.

(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 operational amplifier 12 suppresses the potential fluctuation caused by the charge accumulated in the capacitor 11.

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 type memory element 24 is converted into a voltage value, and the current source is controlled using the converted voltage value. By doing so, use of the feedback function of the operational amplifier can be made unnecessary.

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 type memory element 24 is converted into a voltage value and the current source is controlled using the converted voltage value in the information processing apparatus according to the present embodiment. It is explanatory drawing.

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 capacitor 41 is connected to the other end of the resistance change memory element 24 as shown in FIG. The capacitor 41 is charged and discharged by a current flowing through the resistance change memory element 24, and applies a potential Vc to the connection point between the other end of the resistance change memory element 24 and the capacitor 41.

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 capacitor 41 and the potential Vc rises to a predetermined potential Vco, the transistor 42 connected to the connection point between the other end of the resistance change memory element 24 and the capacitor 41 is closed. .

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 capacitor 11 of the neuron circuit 101 is connected to the predetermined power supply voltage via the switch 44 and the transistor 42 that are closed in advance, and a constant current is output to the capacitor 11. Therefore, it is possible to prevent the potential variation due to the accumulation of charges in the capacitor 11 from affecting the resistance change type memory element 24.

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 change memory element 24 at time 0, a current is supplied to the resistance change memory element 24. The capacitor 41 is charged by the flowing current. By charging the capacitor 41, the potential Vc gradually increases at the connection point between the other end of the resistance change memory element 24 and the capacitor 41.

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 change memory element 24 and the capacitance value C of the capacitor 41. It is calculated based on the equation shown in FIG. 8B using the time constant τ = RC.

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 change memory element 24 and the capacitor 41 reaches Vco, and this Vco is supplied to the gate terminal of the transistor 42 connected to the connection point. The threshold voltage of the transistor 42 is set in advance so as to be equal to or higher than this Vco. For this reason, the transistor 42 is in a closed state when the potential Vc at the connection point reaches Vco, that is, after time T.

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 transistor 42 is closed, a constant current is supplied to the capacitor 11 of the neuron circuit 101 through the transistor 42. The capacitor 11 is charged by this constant current.

(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 Embodiment 3 of the present invention. Hereinafter, the same reference numerals are given to the same parts as those of the first embodiment of the present invention, and the detailed description thereof is omitted.

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 information processing apparatus 100a according to the present embodiment includes a plurality of neuron circuits 101a and a plurality of synapse circuits 102a. For ease of drawing, only one neuron circuit 101a and one synapse circuit 102a are shown, but actually, a plurality of neuron circuits 101a are connected to each other via a plurality of synapse circuits 102a. Yes.

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 information processing apparatus 100a of the present embodiment and the information processing apparatus 100 of the first embodiment is that instead of the switches 23 and 26, an STDP unit 25 and a resistance change type memory are used. The capacitor 29 is disposed between the element 24 and the element 24.

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 information processing apparatus 100a of the present embodiment, the STDP signal y ji generated by the STDP unit 25 is supplied to one end of the resistance change type memory element 24 via the capacitor 29. The STDP unit 25 and the resistance change type memory element 24 are capacitively coupled by the capacitor 29. Therefore, unlike the first embodiment, the resistance change type memory element 24 using the switches 23 and 26 is connected. It is not necessary to switch the connection destination.

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Q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 STDP unit 25 has a pulse shape with a narrow time width, the STDP signal y ji passes through the capacitor 29 in an alternating manner and is applied to the resistance change memory element 24. On the other hand, the time during which the PSP is generated based on the control signal Q j output from the pulse generator 21 is longer than the time width of the STDP signal y ji. Do not flush.

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 change memory element 24 can be switched without using the switches 23 and 26 of the first embodiment.

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.

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。It is a block diagram which shows the structure of the information processing apparatus in Embodiment 1 of this invention. 図1に示すSTDP部の基本構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the basic composition of the STDP part shown in FIG. 図1に示す情報処理装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。3 is a timing chart for explaining the operation of the information processing apparatus shown in FIG. 1. 図1に示す抵抗変化型メモリ素子の構造及び電気特性測定の際の等価回路を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing an equivalent circuit when measuring the structure and electrical characteristics of the resistance change type memory element shown in FIG. 1. (a)は、図1に示す抵抗変化型メモリ素子に流れる電流値のSETパルス回数依存性を示すグラフ図、(b)は、図1に示す抵抗変化型メモリ素子に流れる電流値の所定パルス電圧の電圧パルス幅(所定パルス電圧の印加時間)依存性を示すグラフ図、(c)は、図1に示す抵抗変化型メモリ素子に流れる電流値のパルス電圧依存性を示すグラフ図である。(A) is a graph showing the SET pulse frequency dependence of the current value flowing through the resistance change type memory element shown in FIG. 1, and (b) is a predetermined pulse of the current value flowing through the resistance change type memory element shown in FIG. FIG. 4C is a graph showing the voltage pulse width (application time of a predetermined pulse voltage) dependence of voltage, and FIG. 5C is a graph showing the pulse voltage dependence of the current value flowing through the resistance change type memory element shown in FIG. 図1に示すSTDP部の具体的な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。FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a specific configuration of an STDP unit illustrated in FIG. 1, in which (a) is a circuit diagram illustrating a configuration of a spike detection unit, and (b) is a circuit diagram illustrating a configuration of a load update unit. 図1に示すSTDP部の他の具体的な構成を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing another specific configuration of the STDP section shown in FIG. 1. 本発明の実施の形態2における情報処理装置の動作を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating operation | movement of the information processing apparatus in Embodiment 2 of this invention. 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。It is a block diagram which shows the structure of the information processing apparatus in Embodiment 3 of this invention. 従来のスパイク型ニューロンモデルを説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the conventional spike type neuron model. 従来のSTDPを説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the conventional STDP.

符号の説明Explanation of symbols

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 Information processing apparatus 101, 101a Neuron circuit (neuron part)
102, 102a Synapse circuit (synapse part)
11, 29, 41 Capacitor 12 Operational amplifier 13 Feedback resistor 14 Comparator 15 Spike generator 16 Delay unit 21 Pulse generator 22, 23, 28, 43, 44 Switch 24 Resistance change type memory element (memory element)
25 STDP section (calculation section)
26 switch (switching element)
27 Waveform Forming Unit 42 Transistor 241 Upper Electrode 242 Lower Electrode 243 Resistor

Claims (6)

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を特徴とする請求項1に記載の情報処理装置。   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. 2. The method of claim 1, further comprising: sampling the nonlinear voltage waveform using the second spike pulse as a sampling pulse, and applying a voltage pulse having a voltage value in the sampled waveform to the storage element. The information processing apparatus described. 複数の前記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、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.
請求項1〜5のいずれか1項に記載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ニューラルネットワーク回路。   6. A neural network circuit using the information processing apparatus according to claim 1 as a neuron element.
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