JP2694778B2 - Superconducting neuron element - Google Patents

Superconducting neuron element

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JP2694778B2
JP2694778B2 JP3024224A JP2422491A JP2694778B2 JP 2694778 B2 JP2694778 B2 JP 2694778B2 JP 3024224 A JP3024224 A JP 3024224A JP 2422491 A JP2422491 A JP 2422491A JP 2694778 B2 JP2694778 B2 JP 2694778B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、ニューラルネットワー
クをデバイス上に実現するための基本単位となるニュー
ロン素子、より詳しくは超伝導体を用いたニューロン素
子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a neuron element as a basic unit for realizing a neural network on a device, and more particularly to a neuron element using a superconductor.

【0002】[0002]

【従来の技術】人間の脳の情報処理方法を模倣したいわ
ゆるアーティフィシャルニューラルネットワークをデバ
イス上に実現するための基本素子となるニューロン素子
は、従来半導体集積回路を用いて作られてきた。これに
対してニューロン素子に超伝導体を用いると、消費電力
が極端に小さいため配線部分等での発熱が抑制できると
いう利点がある。また超伝導集積回路では本質的に能動
素子(ジョセフソン素子)が3次元化しやすく、能動素
子の3次元化が難しい半導体集積回路に比べてニューロ
ン素子間の配線が大幅に容易になるという利点もあっ
た。
2. Description of the Related Art A neuron element, which is a basic element for realizing a so-called artificial neural network imitating the information processing method of the human brain on a device, has been conventionally made by using a semiconductor integrated circuit. On the other hand, when a superconductor is used for the neuron element, there is an advantage that heat generation in the wiring portion can be suppressed because the power consumption is extremely small. Also, in a superconducting integrated circuit, the active element (Josephson element) is inherently easily made three-dimensional, and the wiring between neuron elements is greatly facilitated compared to a semiconductor integrated circuit in which it is difficult to make the active element three-dimensional. there were.

【0003】従来から知られている超伝導体を用いたニ
ューロン素子としては、昭和63年電子情報通信学会秋
季全国大会講演論文集C−2−19にあるジョセフソン
線路中に存在する磁束量子の伝搬密度を情報担体とした
ニューロン素子がある。
A conventionally known neuron element using a superconductor is a magnetic flux quantum existing in a Josephson line in the collection of papers C-2-19 of the Autumn National Conference of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers in 1988. There is a neuron element whose propagation density is an information carrier.

【0004】ニューロン素子の基本動作は、各入力それ
ぞれに重みWiをつけ(シナプス動作)前記重みと各入
力値Xiとの積の総和Σ(Xi・Wi)があるしきい値
hを越えると出力を出す(ニューロン動作)ことにあ
る。
The basic operation of the neuron element is that a weight Wi is applied to each input (synaptic operation) and output when the sum Σ (Xi · Wi) of products of the weight and each input value Xi exceeds a certain threshold value h. To output (neuron operation).

【0005】前述のジョセフソン線路を利用したニュー
ロン素子の基本素子構成を図7に示す。図7の101、
102、103、104はそれぞれジョセフソン線路で
超伝導体からなる下部電極111、上部電極113と絶
緑体からなる薄いトンネルバリア112とから構成され
る細長いジョセフソン接合である。情報担体となる磁束
量子はジョセフソン線路のトンネルバリア中を線路の長
手方向に移動する。線路A(101)と線路B(10
2)は間にインダクタンス114と抵抗115を介して
接続されている。入力端106から入力としてある伝搬
密度の量子磁束を与えると、この伝搬密度があるしきい
値以上の場合、磁束量子が線路B(102)を通って出
力端107から出力される。このとき線路B(102)
の上部電極に磁気的に結合させたインダクタンス116
によって磁束停止部105の超伝導ループに蓄えられた
磁束量子に伴う循環電流を作用させてやることにより、
前記しきい値を制御することができる。以上がニューロ
ン動作である。また興奮性制御入力端108、抑制性制
御入力端109からそれぞれ線路C(103)、D(1
04)を介して磁束量子を伝搬させ、前記磁束量子停止
部105に蓄えられた量子磁束の数や向きを変えること
で、前記循環電流を制御でき、前記伝搬確率を制御する
ことが可能となり、入力に対して重み付けをすることが
できる。これはシナプス動作である。以上述べたように
図7に示された回路は、ニューロン動作、シナプス動作
を行うことができるため、これらを組み合わせることに
よってニューロン素子として用いることができる。
FIG. 7 shows a basic element structure of a neuron element using the above Josephson line. 101 of FIG.
Reference numerals 102, 103 and 104 denote Josephson lines, each of which is an elongated Josephson junction composed of a lower electrode 111 and an upper electrode 113 made of a superconductor and a thin tunnel barrier 112 made of an insulative body. The flux quanta, which is an information carrier, moves in the tunnel barrier of the Josephson line in the longitudinal direction of the line. Track A (101) and Track B (10
2) is connected between the inductor 114 and the resistor 115. When a quantum magnetic flux having a certain propagation density is given as an input from the input end 106, the magnetic flux quantum is output from the output end 107 through the line B (102) when the propagation density is higher than a certain threshold value. At this time, track B (102)
116 magnetically coupled to the upper electrode of the
By causing the circulating current associated with the magnetic flux quantum stored in the superconducting loop of the magnetic flux stop unit 105 to act,
The threshold can be controlled. The above is the neuron operation. In addition, lines C (103) and D (1) from the excitatory control input terminal 108 and the inhibitory control input terminal 109, respectively.
04) to propagate the magnetic flux quantum, by changing the number and direction of the quantum magnetic flux stored in the magnetic flux quantum stop unit 105, it is possible to control the circulating current, it is possible to control the propagation probability, The inputs can be weighted. This is a synaptic action. As described above, the circuit shown in FIG. 7 can perform a neuron operation and a synapse operation, and therefore can be used as a neuron element by combining these.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】ニューラルネットワー
クは超並列処理であるため、各ニューロン素子は他の多
くのニューロン素子と結合しており、多くのファンイ
ン、ファンアウトを必要とする。これに対して従来の技
術で述べたジョセフソン線路を用いたニューロン素子で
は、図7の線路A(101)から線路B(102)への
磁束量子の伝搬確率は損失のため最大でも70%程度に
しかならない。この信号の減衰を補うためにT分岐路を
用いた磁束量子数の増幅が提案されているが、利得は余
り大きくなく、このニューロン素子において多くのファ
ンアウトを得ることは不可能である。
Since the neural network is a massively parallel processing, each neuron element is connected to many other neuron elements and requires many fan-ins and fan-outs. On the other hand, in the neuron element using the Josephson line described in the conventional technique, the propagation probability of the magnetic flux quantum from the line A (101) to the line B (102) in FIG. It's nothing but. Amplification of the magnetic flux quantum number using a T-branch has been proposed to compensate for the attenuation of this signal, but the gain is not so large and it is impossible to obtain much fanout in this neuron element.

【0007】以上述べたように従来の技術で述べたニュ
ーロン素子は、ニューロン素子としての基本的な動作は
行うことができるが、ニューラルネットワークを構成す
るには、ファンアウト数が足りないという大きな欠点を
有していた。
As described above, the neuron element described in the prior art can perform the basic operation as a neuron element, but has a major drawback that the number of fanouts is insufficient to form a neural network. Had.

【0008】本発明は、大きなファンイン、ファンアウ
ト数が得られる超伝導体を用いたニューロン素子を提供
することを目的としている。
An object of the present invention is to provide a neuron element using a superconductor which can obtain a large fan-in / fan-out number.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明の第1の発明によ
ればジョセフソン素子を用いたスイッチングエレメント
と超伝導閉ループと他のニューロン素子と磁気的に結合
された出力線を含み、前記超伝導閉ループと一個または
複数個の入力線が磁気的に結合しその結合のインダクタ
ンス値を制御することにより入力の重み付けが行われか
つ前期入力線を流れる電流の向きにより重みの正負の符
号が決定され、前記スイッチングエレメントと前記出力
線がバイアス入力端に対して並列に接続され、前記超伝
導閉ループと前記スイッチングエレメントのスイッチが
磁気的に結合されていることを特徴とする超伝導ニュー
ロン素子が得られる。
According to a first aspect of the present invention, a switching element using a Josephson element, a superconducting closed loop, and an output line magnetically coupled to another neuron element are provided. The conduction closed loop and one or more input lines are magnetically coupled to each other, and the inductance value of the coupling is controlled to weight the inputs, and the sign of the weight is determined depending on the direction of the current flowing through the input line. The switching element and the output line are connected in parallel to a bias input terminal, and the superconducting closed loop and the switch of the switching element are magnetically coupled to obtain a superconducting neuron element. .

【0010】本発明の第2の発明によればジョセフソン
素子を用いたスイッチングエレメントと超伝導閉ループ
と他のニューロン素子と磁気的に結合された出力線を含
み、前記超伝導閉ループと一個または複数個の入力線が
磁気的に結合し前記入力線に流れる電流値を制御するこ
とにより入力の重み付けが行われかつ前期入力線を流れ
る電流の向きにより重みの正負の符号が決定され、前記
スイッチングエレメントと前記出力線がバイアス入力端
に対して並列に接続され、前記超伝導閉ループに流れる
循環電流が一定のしきい値以上になると前記スイッチン
グエレメントがスイッチすることを特徴とする超伝導ニ
ューロン素子が得られる。
According to a second aspect of the present invention, a switching element using a Josephson element, a superconducting closed loop, and an output line magnetically coupled to another neuron element are included, and one or more of the superconducting closed loop are included. The input elements are magnetically coupled to each other to control the value of the current flowing through the input lines to weight the inputs, and the sign of the weight is determined according to the direction of the current flowing through the input lines in the previous period. And the output line are connected in parallel to a bias input terminal, and the switching element switches when the circulating current flowing in the closed loop of superconductivity exceeds a certain threshold value. To be

【0011】本発明の第3の発明によればジョセフソン
素子を用いたスイッチングエレメントと超伝導閉ループ
と他のニューロン素子と磁気的に結合した超伝導体から
なる出力線を含み、前記超伝導閉ループと一個または複
数個の入力線が磁気的に結合され、前記超伝導閉ループ
に流れる循環電流が一定のしきい値以上になると前記ス
イッチングエレメントがスイッチし、前記スイッチング
エレメントが直流バイアスで駆動され、前記スイッチン
グエレメントと前記出力線が前記バイアス入力端に対し
て並列に接続され、前記出力線中に前記超伝導閉ループ
に流れる循環電流があるしきい値以下になるとスイッチ
するダウンエッジトリガ回路が含まれることを特徴とす
る超伝導ニューロン素子が得れらる。
According to a third aspect of the present invention, the superconducting closed loop includes a switching element using a Josephson element, a superconducting closed loop, and an output line made of a superconductor magnetically coupled to another neuron element. And one or more input lines are magnetically coupled to each other, the switching element switches when the circulating current flowing in the superconducting closed loop exceeds a certain threshold value, the switching element is driven by a DC bias, and A switching element and the output line are connected in parallel to the bias input terminal, and a down-edge trigger circuit is included in the output line, which switches when a circulating current flowing in the superconducting closed loop falls below a certain threshold value. A superconducting neuron element characterized by is obtained.

【0012】本発明の第4の発明によればジョセフソン
素子を用いたスイッチングエレメントと超伝導閉ループ
と他のニューロン素子と磁気的に結合された出力線を含
み、前記超伝導閉ループと一個または複数個の入力線が
磁気的に結合され、前記スイッチングエレメントと前記
出力線がバイアス入力端に対して並列に接続され、前記
超伝導閉ループが前記スイッチングエレメント中に含ま
れることを特徴とする超伝導ニューロン素子が得られ
る。
According to a fourth aspect of the present invention, a switching element using a Josephson element, a superconducting closed loop, and an output line magnetically coupled to another neuron element are included, and the superconducting closed loop is one or more. A superconducting neuron characterized in that the input lines are magnetically coupled, the switching element and the output line are connected in parallel to a bias input terminal, and the superconducting closed loop is included in the switching element. The device is obtained.

【0013】本発明の第5の発明によればジョセフソン
素子を用いたスイッチングエレメントと超伝導閉ループ
と他のニューロン素子と磁気的に結合した出力線を含
み、前記超伝導閉ループと一個または複数個の入力線が
磁気的に結合され、前記超伝導閉ループに流れる循環電
流が一定のしきい値以上になると前記スイッチングエレ
メントがスイッチし、前記スイッチングエレメントと前
記出力線が前記バイアス入力端に対して並列に接続さ
れ、前記出力線中に抵抗成分を含むことを特徴とする超
伝導ニューロン素子が得られる。
According to a fifth aspect of the present invention, a switching element using a Josephson element, a superconducting closed loop, and an output line magnetically coupled to another neuron element are included, and one or more superconducting closed loops are included. Input line is magnetically coupled, and when the circulating current flowing in the superconducting closed loop exceeds a certain threshold value, the switching element switches, and the switching element and the output line are parallel to the bias input terminal. A superconducting neuron element is obtained which is connected to the output line and includes a resistance component in the output line.

【0014】[0014]

【作用】超伝導閉ループに磁気的に結合した入力線に電
流を流すと、超伝導閉ループ内に磁場が進入するのを防
ぐために、超伝導閉ループに循環電流が流れる。この循
環電流値Icirは超伝導閉ループのインダクタンスを
L、入力線と超伝導閉ループの間の相互インダクタンス
をM、入力線に流れる電流をIとするとIcir=M/
L・Iで表される。これは入力に対して(M/L)の重
みをつけるシナプス動作である。
When a current is passed through the input line magnetically coupled to the superconducting closed loop, a circulating current flows in the superconducting closed loop to prevent the magnetic field from entering the superconducting closed loop. This circulating current value Icir is Icir = M /, where L is the inductance of the superconducting closed loop, M is the mutual inductance between the input line and the superconducting closed loop, and I is the current flowing through the input line.
It is represented by L · I. This is a synapse operation that weights (M / L) the input.

【0015】このような入力線が多数ある場合、i番目
の入力線に流れる電流Ii、i番目の入力線と超伝導閉
ループとの相互インダクタンスをMiとすると循環電流
はIcir=Σ(Mi/L・Ii)となり、各入力電流
を重み(Mi/L)で一次結合した形で表される。また
超伝導閉ループに対する入力線の結合の向きを変えるこ
とで超伝導閉ループ内に逆向きの循環電流を誘起でき、
負の重みも簡単に作ることができる。ジョセフソン素子
は、入力があるしきい値以下では抵抗ゼロで電流が流
れ、入力があるしきい値を越えるとその両端に電圧が発
生する素子である。このため超伝導閉ループに流れる電
流によってスイッチするジョセフソン素子を含むスイッ
チングエレメントは、入力を重み(Mi/L)で一次結
合しその値があるしきい値以上だと出力を出すニューロ
ン動作を行う。
When there are many such input lines, the current Ii flowing through the i-th input line and the mutual inductance between the i-th input line and the superconducting closed loop are Mi, the circulating current is Icir = Σ (Mi / L -Ii), which is expressed in a form in which each input current is linearly combined with a weight (Mi / L). Also, by changing the direction of the coupling of the input line to the superconducting closed loop, a reverse circulating current can be induced in the superconducting closed loop,
Negative weights can be easily created. The Josephson element is an element in which a current flows with zero resistance when the input is below a certain threshold value and a voltage is generated across the input when the input exceeds a certain threshold value. Therefore, a switching element including a Josephson element that switches by a current flowing in a superconducting closed loop performs a neuron operation in which inputs are linearly coupled with weights (Mi / L) and output when the value is above a certain threshold value.

【0016】以上のことから本発明による超伝導ニュー
ロン素子は、シナプス動作、ニューロン動作のニューロ
ン素子としての機能を有していることがわかる。また出
力線は他のニューロン素子と磁気的に結合していること
から、基本的に出力線は一本でよく、また出力線を流れ
る電流値は出力線のインダクタンスによらないため、こ
の電流値は結合しているニューロン数(ファンアウト
数)に関わらず一定である。従って本発明による超伝導
ニューロン素子は多くのファンアウトを得ることができ
る。またファンインも超伝導閉ループと入力線との磁気
的結合を取るだけでよいため、容易に増やすことができ
る。
From the above, it can be seen that the superconducting neuron element according to the present invention has a function as a neuron element for synapse operation and neuron operation. In addition, since the output line is magnetically coupled to other neuron elements, basically only one output line is required, and the current value flowing through the output line does not depend on the inductance of the output line. Is constant regardless of the number of connected neurons (fan-out number). Therefore, the superconducting neuron device according to the present invention can obtain many fanouts. Further, the fan-in can be easily increased because only the magnetic coupling between the superconducting closed loop and the input line is required.

【0017】本発明の第2の発明では、あらかじめ入力
電流に処理を施し入力電流値の中に重みを含ませてお
く。このため入力線と超伝導閉ループとの間の相互イン
ダクタンス値を入力線によって変えなくともシナプス動
作を行うことができる。
In the second aspect of the present invention, the input current is processed in advance to include the weight in the input current value. Therefore, the synaptic operation can be performed without changing the mutual inductance value between the input line and the superconducting closed loop depending on the input line.

【0018】ジョセフソン素子を用いたスイッチングエ
レメントはラッチ素子であるため、一旦電圧状態にスイ
ッチするとバイアス電流がある一定値以下にならなけれ
ばリセットしない。本発明の第3の発明では、スイッチ
ングエレメントの負荷である出力線が超伝導であるた
め、スイッチングエレメントがスイッチするとバイアス
電流は全て出力線の方に流れ、スイッチングエレメント
に電流が流れなくなるため、スイッチングエレメントは
リセットする。一方出力線を流れる電流は、超伝導閉ル
ープに流れる電流がある一定値以下になるとダウンエッ
ジトリガ回路がスイッチし、出力線中に電圧が発生する
ため、すでに超伝導状態にリセットしているスイッチン
グエレメントの方に流れ込む。このためスイッチングエ
レメントと出力線は超伝導閉ループに流れる電流すなわ
ち入力電流に応じてセット、リセットを行うフリップフ
ロップ回路となっている。このため本ニューロン素子は
タイミング信号が不要な回路となっており、ニューラル
ネットワークの中で他のニューロン素子と非同期に動作
させることができる。
Since the switching element using the Josephson element is a latch element, once it is switched to the voltage state, it is not reset unless the bias current falls below a certain value. In the third aspect of the present invention, since the output line that is the load of the switching element is superconducting, when the switching element switches, all the bias current flows toward the output line, and no current flows through the switching element. Reset the element. On the other hand, the current flowing through the output line has already been reset to the superconducting state because the down-edge trigger circuit switches when the current flowing in the closed loop of the superconducting current drops below a certain value and a voltage is generated in the output line. Flows into. Therefore, the switching element and the output line are flip-flop circuits that set and reset according to the current flowing in the superconducting closed loop, that is, the input current. Therefore, this neuron element is a circuit that does not require a timing signal, and can be operated asynchronously with other neuron elements in the neural network.

【0019】本発明の第4の発明では、超伝導閉ループ
の中にスイッチングエレメントを含んでいる。このため
超伝導閉ループを流れる循環電流とバイアス電流の和で
スイッチングエレメントはスイッチする。
In a fourth aspect of the present invention, a switching element is included in the superconducting closed loop. Therefore, the switching element switches with the sum of the circulating current flowing in the superconducting closed loop and the bias current.

【0020】本発明の第5の発明では、出力線中に抵抗
成分を含んでいるため出力線を流れる電流はバイアス電
流減少とともに一定の時定数で減少し、出力線のリセッ
ト動作がいらない。
In the fifth aspect of the present invention, since the output line includes a resistance component, the current flowing through the output line decreases with a constant time constant as the bias current decreases, and the reset operation of the output line is unnecessary.

【0021】[0021]

【実施例】(実施例1)図1は第1の発明の実施例を説
明するための図である。以下図1を用いて第1の発明の
実施例の説明を行う。
(Embodiment 1) FIG. 1 is a diagram for explaining an embodiment of the first invention. Hereinafter, an embodiment of the first invention will be described with reference to FIG.

【0022】本ニューロン素子は他ニューロン素子また
は外部からの入力線11、超伝導閉ループ12、バイア
ス入力端13、ジョセフソン素子14を2個用いた非対
称なしきい値特性を有する2接合量子干渉素子からなる
スイッチングエレメント15、他のニューロン素子の超
伝導閉ループと磁気的に結合した出力線16、出力線の
リセットゲート17、リセット信号線18から構成され
る。本発明によるニューロン素子は多数のファンイン、
ファンアウトを取ることができるが、本実施例では簡単
のためファンイン、ファンアウト数はそれぞれ5とし
た。
This neuron element is composed of another neuron element or a two-junction quantum interference element having an asymmetric threshold characteristic using two input lines 11 from outside, a superconducting closed loop 12, a bias input terminal 13, and a Josephson element 14. And a switching element 15, an output line 16 magnetically coupled to a superconducting closed loop of another neuron element, a reset gate 17 of the output line, and a reset signal line 18. The neuron element according to the present invention has a large number of fan-ins,
Although fan-out can be taken, in the present embodiment, the number of fan-ins and the number of fan-outs were set to 5 for simplicity.

【0023】5本の入力線11はそれぞれ独自の相互イ
ンダクタンスで超伝導閉ループ12と磁気的に結合して
いる。相互インダクタンスM1 、M2 、M3 、M4 、M
5 の値は、それぞれ4pH、1pH、5pH、2pH、
3pHである。超伝導閉ループ12全体のインダクタイ
スはスイッチングエレメント15との結合インダクタン
ス3pHと配線部分のインダクタンス2pHを合わせて
20pHとなる。また入力電流I1 〜I5 は、全て0.
6mAとしI1 、I3、I4 とI2 、I5 、とでは、超
伝導閉ループ12との結合部に対して、流れる向きを逆
にする。例えば、インダクタンスM1 で超伝導閉ループ
12と結合した入力線に電流I1 が流れると、超伝導閉
ループ12にはI1 によって誘起される磁場を排除する
ために、(4/20)・0.6=0.12mAの循環電
流が流れる。加えて入力電流I2 、I3 、I4 が流れる
と全循環電流Icirは、Icir=0.12−0.0
3+0.15+0.06=0.3mAとなる。ここで第
2項の符号がマイナスなのは、電流I2 の向きが他の電
流と逆向きであるため誘起される循環電流の向きが逆向
きになるからである。このため電流I1 、I3 、I4
興奮性の信号となり、電流I2 、I5 は抑圧性の信号と
なる。
Each of the five input lines 11 is magnetically coupled to the superconducting closed loop 12 with its own mutual inductance. Mutual inductance M 1 , M 2 , M 3 , M 4 , M
The values of 5 are 4pH, 1pH, 5pH, 2pH,
It is 3 pH. The inductor chair of the entire superconducting closed loop 12 has a combined inductance of 3 pH with the switching element 15 and an inductance of the wiring portion of 2 pH of 20 pH. The input currents I 1 to I 5 are all 0.
With 6 mA, the flow directions of I 1 , I 3 , I 4 and I 2 , I 5 are reversed with respect to the joint with the superconducting closed loop 12. For example, when the current I 1 flows through the input line coupled with the superconducting loop 12 with inductance M 1, the superconducting closed loop 12 in order to eliminate the magnetic field induced by I 1, (4/20) · 0 . A circulating current of 6 = 0.12 mA flows. In addition, when the input currents I 2 , I 3 , and I 4 flow, the total circulating current Icir is Icir = 0.12-0.0.
It becomes 3 + 0.15 + 0.06 = 0.3 mA. Here the second term of the sign is negative Nanoha, because the direction of the circulating current direction of the current I 2 is induced for a another current and reverse are opposite. Therefore, the currents I 1 , I 3 , I 4 become excitatory signals, and the currents I 2 , I 5 become suppressive signals.

【0024】バイアス入力端13からバイアス電流を
0.6mA流すと、出力線16側のブランチはインダク
タンスが大きいため、バイアス電流はほとんど全てスイ
ッチングエレメント15を含むブランチの方に流れる。
スイッチングエレメント15は、ジョセフソン素子14
の臨界電流値がそれぞれ0.40mA、インダクタンス
が1.7pHの非対称なしきい値特性を有する2接合量
子干渉計である。このスイッチングエレメント15に上
記の値のバイアス電流を流した場合、超伝導閉ループ1
2に循環電流Icirが図1に示した向きに0.20m
A以上流れるとスイッチングエレメントは電圧状態にス
イッチし、バイアス電流0.6mAが出力線16のブラ
ンチに流れる。前記例のようにI1 、I2 、I3 、I4
が入力されると、循環電流は0.3mAとなり、出力線
16に出力電流が現れるが、例えば入力がI1 、I2
3 、I5 では、循環電流は0.15mAとなり、出力
電流は現れない。つまり流れる入力電流の組み合わせに
よって出力線16に電流が現れるかどうかが決定され
る。
When a bias current of 0.6 mA is supplied from the bias input terminal 13, the branch on the output line 16 side has a large inductance, so that almost all the bias current flows to the branch including the switching element 15.
The switching element 15 is the Josephson element 14
Is a two-junction quantum interferometer having an asymmetrical threshold characteristic with a critical current value of 0.40 mA and an inductance of 1.7 pH. When a bias current of the above value is applied to the switching element 15, the superconducting closed loop 1
2, the circulating current Icir is 0.20 m in the direction shown in FIG.
When more than A flows, the switching element switches to the voltage state, and the bias current of 0.6 mA flows to the branch of the output line 16. As in the above example, I 1 , I 2 , I 3 , I 4
, The circulating current becomes 0.3 mA, and the output current appears on the output line 16. For example, when the input is I 1 , I 2 ,
With I 3 and I 5 , the circulating current is 0.15 mA and no output current appears. That is, whether or not a current appears on the output line 16 is determined by the combination of the flowing input currents.

【0025】出力線16に流れる電流は他のニューロン
素子の入力電流となる。出力線16に流れる電流値は出
力線16のインダクタンス値によらないこと、および出
力線16は超伝導線であるため電流が減衰しないことか
ら出力線16と磁気結合する他ニューロン素子の数つま
りファンアウト数に本質的な制限はない。また入力も超
伝導閉ループ12と磁気的な結合を行うだけなので、フ
ァンイン数にも本質的な制限はない。
The current flowing through the output line 16 becomes the input current of another neuron element. The current value flowing through the output line 16 does not depend on the inductance value of the output line 16, and since the output line 16 is a superconducting wire, the current is not attenuated. There is no inherent limit to the number of outs. Also, since the input only magnetically couples to the superconducting closed loop 12, there is no substantial limitation on the fan-in number.

【0026】出力線16に電流が流れている場合、この
電流はバイアス電流が立ち下がった後も出力線16とス
イッチングエレメント15を含むパスからなる超伝導閉
ループに流れ続ける。この電流をリセットするためにリ
セット信号線18に0.3mAの電流を流し、リセット
ゲート17を電圧状態にリセットする。リセットゲート
17は2接合量子干渉計でジョセフソン素子の臨界電流
値は0.4mA、インダクタンスは1.7pHである。
一方超伝導閉ループ12に流れる循環電流は入力電流に
より発生する磁場を遮蔽する性質の電流であるため入力
電流に応じて増減する。
When a current flows through the output line 16, this current continues to flow in the superconducting closed loop including the path including the output line 16 and the switching element 15 even after the bias current falls. In order to reset this current, a current of 0.3 mA is passed through the reset signal line 18 to reset the reset gate 17 to the voltage state. The reset gate 17 is a two-junction quantum interferometer in which the Josephson device has a critical current value of 0.4 mA and an inductance of 1.7 pH.
On the other hand, the circulating current flowing in the superconducting closed loop 12 has a property of shielding the magnetic field generated by the input current, and therefore increases or decreases according to the input current.

【0027】以上説明したように本実施例で述べた回路
を用いれば、超伝導体独自の性質を用いてシナプス動
作、ニューロン動作を行うニューロン素子が構成でき
る。しかも本ニューロン素子は、ファンイン、ファンア
ウト数に本質的な制限がないため、ニューロン素子同士
がお互いに複雑に結合した高度なニューラルネットワー
クが形成できる。また半導体のニューロン素子に比べて
も回路構成が簡単で部品数が少なくてすむため、高密度
の集積が可能である。
As described above, by using the circuit described in this embodiment, a neuron element which performs synaptic operation and neuron operation can be constructed by using the unique property of the superconductor. Moreover, since the number of fan-ins and fan-outs of the present neuron element is not essentially limited, it is possible to form a sophisticated neural network in which neuron elements are connected to each other in a complicated manner. In addition, the circuit configuration is simpler and the number of parts is smaller than that of the semiconductor neuron element, so that high-density integration is possible.

【0028】本実施例ではスイッチングエレメント15
として非対称なしきい値特性を有する2接合量子干渉計
を用いたが、これは利得が大きいためと反対方向の循環
電流でスイッチしないようにするためである。しかし場
合に応じて他のジョセフソン素子を含むスイッチングエ
レメントも用いることができる。
In this embodiment, the switching element 15
A two-junction quantum interferometer having an asymmetrical threshold characteristic was used as the reason for this because the gain is large and the switching is prevented by the circulating current in the opposite direction. However, switching elements including other Josephson elements can also be used depending on the case.

【0029】(実施例2)図2は第2の発明の実施例を
説明するための図である。以下図2を用いて第2の発明
の実施例の説明を行う。
(Embodiment 2) FIG. 2 is a diagram for explaining an embodiment of the second invention. An embodiment of the second invention will be described below with reference to FIG.

【0030】本ニューロン素子は他ニューロン素子の出
力線21に流れる電流によってスイッチする入力ゲート
22、前記入力ゲート22のスイッチによって入力電流
供給端23からの電流が流れ込む入力線11、超伝導閉
ループ12、バイアス入力端13、ジョセフソン素子1
4を2個用いた非対称なしきい値特性を有する2接合量
子干渉素子からなるスイッチングエレメント15、他の
ニューロン素子の超伝導閉ループと磁気的に結合した出
力線16、出力線のリセットゲート17、リセット信号
線18から構成される。本発明によるニューロン素子は
多数のファンイン、ファンアウトを取ることができる
が、本実施例では簡単のためファンイン、ファンアウト
数はそれぞれ5とした。
The present neuron element has an input gate 22 which is switched by a current flowing through an output line 21 of another neuron element, an input line 11 into which a current from an input current supply terminal 23 flows by a switch of the input gate 22, a superconducting closed loop 12, Bias input terminal 13, Josephson element 1
A switching element 15 composed of a two-junction quantum interference device having an asymmetrical threshold characteristic using two 4's, an output line 16 magnetically coupled to a superconducting closed loop of another neuron device, a reset gate 17 of the output line, a reset It is composed of the signal line 18. The neuron element according to the present invention can take a large number of fan-ins and fan-outs, but in the present embodiment, the number of fan-ins and fan-outs is 5 for simplicity.

【0031】入力ゲート22はジョセフソン素子の臨界
電流値が0.41mA、インダクタンスが1.0pHの
2接合量子干渉計であり、入力電流供給端23からバイ
アス電流を供給され他のニューロン素子の出力線21に
流れる電流によってスイッチする。従って入力電流供給
端23から供給される電流値を制御することで出力線1
1に流れる電流を制御することができる。このため入力
電流供給端23から供給される電流値によって、他ニュ
ーロン素子からの入力に重み付けを行うシナプス動作を
行うことができる。
The input gate 22 is a two-junction quantum interferometer in which the Josephson device has a critical current value of 0.41 mA and an inductance of 1.0 pH, and a bias current is supplied from the input current supply end 23 to the output of other neuron devices. It is switched by the current flowing through the line 21. Therefore, by controlling the current value supplied from the input current supply terminal 23, the output line 1
The current flowing through 1 can be controlled. Therefore, the synapse operation for weighting the input from the other neuron element can be performed by the current value supplied from the input current supply terminal 23.

【0032】5本の入力線11はすべて等しい相互イン
ダクタンス値3pHで超伝導閉ループ12と磁気的に結
合している。超伝導閉ループ12全体のインダクタンス
はスイッチングエレメント15との結合インダクタンス
3pHと配線部分のインダクタンス2pHを合わせて2
0pHとなる。例えば入力ゲート22のスイッチによっ
て入力線11に流れる電流I1 、I3 、I4 とI2 、I
5 をそれぞれ0.6mA、0.3mA、0.8mA、
0.4mA、0.7mAとし、I1 、I3 、I4
2 、I5 とでは逆向きの電流を流す。例えば、超伝導
閉ループ12と結合した入力線に電流I1 が流れると、
超伝導閉ループ12にはI1 によって誘起される磁場を
排除するために、(3/20)・0.6=0.09mA
の循環電流が流れる。加えて入力電流I2 、I3 、I4
が流れると全循環電流Icirは、Icir=0.09
−0.045+0.12+0.06=0.225mAと
なる。ここで第2項の符号がマイナスなのは、電流I2
の向きが他の電流と逆向きであるため誘起される循環電
流の向きが逆向きになるからである。このため電流
1 、I3 、I4 は興奮性の信号となり、電流I2 、I
5 は抑圧性の信号となる。
All five input lines 11 are magnetically coupled to the superconducting closed loop 12 with an equal mutual inductance value of 3 pH. The total inductance of the superconducting closed loop 12 is 2 including the coupling inductance 3pH with the switching element 15 and the wiring inductance 2pH.
It becomes 0 pH. For example, the currents I 1 , I 3 , I 4 and I 2 , I flowing through the input line 11 by the switch of the input gate 22 are
5 for 0.6 mA, 0.3 mA, 0.8 mA,
The currents are set to 0.4 mA and 0.7 mA, and currents flowing in the opposite directions to I 1 , I 3 , I 4 and I 2 , I 5 flow. For example, if a current I 1 flows through the input line coupled to the superconducting closed loop 12,
In order to eliminate the magnetic field induced by I 1 in the superconducting closed loop 12, (3/20) · 0.6 = 0.09 mA
Circulating current flows. In addition, input currents I 2 , I 3 , I 4
, The total circulating current Icir becomes Icir = 0.09.
It becomes −0.045 + 0.12 + 0.06 = 0.225 mA. Here, the sign of the second term is negative because the current I 2
This is because the direction of the circulating current induced is opposite because the direction of is opposite to the other currents. Therefore, the currents I 1 , I 3 , I 4 become excitatory signals, and the currents I 2 , I 4
5 is a suppressive signal.

【0033】バイアス入力端13からバイアス電流を
0.6mA流すと、出力線16側のブランチはインダク
タンスが大きいため、バイアス電流はほとんど全てスイ
ッチングエレメント15を含むブランチの方に流れる。
スイッチングエレメント15は、ジョセフソン素子14
の臨界電流値がそれぞれ0.40mA、インダクタンス
が1.7pHの非対称なしきい値特性を有する2接合量
子干渉計である。このスイッチングエレメント15に上
記値のバイアス電流を流した場合、超伝導閉ループ12
に循環電流Icirが図2に示した向きに0.20mA
以上流れるとスイッチングエレメントは電圧状態にスイ
ッチし、バイアス電流0.6mAが出力線16のブラン
チに流れる。前記例のようにI1 、I2、I3 、I4
入力されると、循環電流は0.225mAとなり、出力
線16に出力電流が現れるが、例えば入力がI1
2 、I3 、I5 では、循環電流は0.06mAとな
り、出力電流は現れない。つまり流れる入力電流の組み
合わせによって出力線16に電流が現れるかどうかが決
定される。
When a bias current of 0.6 mA is applied from the bias input terminal 13, the branch on the output line 16 side has a large inductance, so that almost all the bias current flows to the branch including the switching element 15.
The switching element 15 is the Josephson element 14
Is a two-junction quantum interferometer having an asymmetrical threshold characteristic with a critical current value of 0.40 mA and an inductance of 1.7 pH. When a bias current of the above value is applied to the switching element 15, the superconducting closed loop 12
The circulating current Icir is 0.20 mA in the direction shown in FIG.
When the above flows, the switching element switches to the voltage state, and the bias current of 0.6 mA flows to the branch of the output line 16. When I 1 , I 2 , I 3 , and I 4 are input as in the above example, the circulating current becomes 0.225 mA and the output current appears on the output line 16. For example, when the input is I 1 ,
With I 2 , I 3 , and I 5 , the circulating current is 0.06 mA, and no output current appears. That is, whether or not a current appears on the output line 16 is determined by the combination of the flowing input currents.

【0034】出力線16に流れる電流は他のニューロン
素子の入力ゲート22をスイッチさせる信号電流とな
る。出力線16に流れる電流値は出力線16のインダク
タンス値によらないこと、および出力線16は超伝導線
であるため電流が減衰しないことから出力線16と磁気
結合する他ニューロン素子の数つまりファンアウト数に
本質的な制限はない。また入力も超伝導閉ループ12と
磁気的な結合を行うだけなので、ファンイン数にも本質
的な制限はない。
The current flowing through the output line 16 becomes a signal current for switching the input gate 22 of another neuron element. The current value flowing through the output line 16 does not depend on the inductance value of the output line 16, and since the output line 16 is a superconducting wire, the current is not attenuated. There is no inherent limit to the number of outs. Also, since the input only magnetically couples to the superconducting closed loop 12, there is no substantial limitation on the fan-in number.

【0035】出力線16に電流が流れている場合、この
電流はバイアス電流が立ち下がった後も出力線16とス
イッチングエレメント15を含みパスからなる超伝導閉
ループに流れ続ける。この電流をリセットするためにリ
セット信号線18に0.3mAの電流を流し、リセット
ゲート17を電圧状態にリセットする。リセットゲート
17は2接合量子干渉計でジョセフソン素子の臨界電流
値は0.4mA、インダクタンスは1.7pHである。
一方超伝導閉ループ12に流れる循環電流は入力電流に
より発生する磁場を遮蔽する性質の電流であるため入力
電流に応じて増減する。
When a current is flowing in the output line 16, this current continues to flow in the superconducting closed loop including the output line 16 and the switching element 15 and forming a path even after the bias current falls. In order to reset this current, a current of 0.3 mA is passed through the reset signal line 18 to reset the reset gate 17 to the voltage state. The reset gate 17 is a two-junction quantum interferometer in which the Josephson device has a critical current value of 0.4 mA and an inductance of 1.7 pH.
On the other hand, the circulating current flowing in the superconducting closed loop 12 has a property of shielding the magnetic field generated by the input current, and therefore increases or decreases according to the input current.

【0036】以上説明したように本実施例で述べた回路
を用いれば、超伝導体独自の性質を用いてシナプス動
作、ニューロン動作を行うニューロン素子が構成でき
る。しかも本ニューロン素子は、ファンイン、ファンア
ウト数に本質的な制限がないため、ニューロン素子同士
がお互いに複雑に結合した高度なニューラルネットワー
クが形成できる。また入力の重みは入力電流供給端から
の供給電流値で決定されるため供給電流値を制御するこ
とで重みを可変にできる。
As described above, if the circuit described in this embodiment is used, a neuron element that performs synaptic operation and neuron operation can be constructed by using the property unique to superconductors. Moreover, since the number of fan-ins and fan-outs of the present neuron element is not essentially limited, it is possible to form a sophisticated neural network in which neuron elements are connected to each other in a complicated manner. Moreover, since the weight of the input is determined by the value of the supply current from the input current supply end, the weight can be made variable by controlling the value of the supply current.

【0037】本実施例ではスイッチングエレメント15
として非対称なしきい値特性を有する2接合量子干渉計
を用いたが、これは利得が大きいためと反対方向の循環
電流でスイッチしないようにするためである。しかし場
合に応じて他のジョセフソン素子を含むスイッチングエ
レメントも用いることができる。また入力線11と超伝
導閉ループ12との間の相互インダクタンス値はすべて
等しいとしたが異なる値を用いることもできる。その場
合は電流値とインダクタンスで二重の重み付けとなる。
In this embodiment, the switching element 15
A two-junction quantum interferometer having an asymmetrical threshold characteristic was used as the reason for this because the gain is large and the switching is prevented by the circulating current in the opposite direction. However, switching elements including other Josephson elements can also be used depending on the case. Further, although the mutual inductance values between the input line 11 and the superconducting closed loop 12 are all the same, different values can be used. In that case, the current value and the inductance are doubly weighted.

【0038】(実施例3)図3、図4は本発明の第3の
実施例を説明するための図である。以下図3、図4を用
いて本発明の実施例の説明を行う。
(Embodiment 3) FIGS. 3 and 4 are views for explaining a third embodiment of the present invention. An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

【0039】本ニューロン素子は、他ニューロン素子ま
たは外部からの入力線11、超伝導閉ループ12、バイ
アス入力端13、ジョセフソン素子14を2個用いた非
対称なしきい値特性を有する2接合量子干渉素子からな
るスイッチングエレメント15、他のニューロン素子の
超伝導閉ループと磁気的に結合した出力線16、ダウン
エッジトリガ回路31、直流制御線32から構成され
る。本発明によるニューロン素子は多数のファンイン、
ファンアウトを取ることができるが、本実施例では簡単
のためファンイン、ファンアウト数はそれぞれ5とし
た。
The present neuron element is a two-junction quantum interference element having an asymmetric threshold characteristic using two neuron elements or an external input line 11, a superconducting closed loop 12, a bias input terminal 13, and two Josephson elements 14. , A switching element 15, an output line 16 magnetically coupled to a superconducting closed loop of another neuron element, a down edge trigger circuit 31, and a DC control line 32. The neuron element according to the present invention has a large number of fan-ins,
Although fan-out can be taken, in the present embodiment, the number of fan-ins and the number of fan-outs were set to 5 for simplicity.

【0040】5本の入力線11はそれぞれ独自の相互イ
ンダクタンスで超伝導閉ループ12と磁気的に結合して
いる。相互インダクタンスM1 、M2 、M3 、M4 、M
5 の値は、それぞれ4pH、1PH、5pH、2pH、
3pHである。超伝導閉ループ12全体のインダクタン
スはスイッチングエレメント15との結合インダクタン
ス3pHおよびダウンエッジトリガ回路31との結合イ
ンダクタンス3pHと配線部分のインダクタンス2pH
を合わせて23pHとなる。また入力電流は、全て0.
6mAとしI1 、I3 、I4 とI2 、I5 とでは、超伝
導閉ループ12との結合部に対して、流れる向きを逆に
する。例えば、インダクタンスM1 で超伝導閉ループ1
2と結合した入力線に電流I1 が流れると、超伝導閉ル
ープ12にはI1 に起因する磁場を排除するために、
(4/23)・0.6=0.10mAの循環電流が流れ
る。加えて入力電流I2 、I3 、I4が流れると全循環
電流Icirは、Icir=0.10−0.026+
0.13+0.052=0.26mAとなる。ここで第
2項の符号がマイナスなのは、電流I2 の向きが他の電
流と逆向きであるため誘起される循環電流の向きが逆向
きになるからである。このため電流I1 、I3 、I4
興奮性の信号となり、電流I2 、I5 は抑圧性の信号と
なる。
The five input lines 11 are magnetically coupled to the superconducting closed loop 12 with their own mutual inductances. Mutual inductance M 1 , M 2 , M 3 , M 4 , M
The values of 5 are 4pH, 1PH, 5pH, 2pH,
It is 3 pH. The inductance of the entire superconducting closed loop 12 is the coupling inductance 3pH with the switching element 15, the coupling inductance 3pH with the down edge trigger circuit 31, and the inductance 2pH of the wiring portion.
To become 23 pH. The input currents are all 0.
At 6 mA, I 1 , I 3 , I 4 and I 2 , I 5 have opposite flow directions with respect to the coupling portion with the superconducting closed loop 12. For example, the superconducting closed loop 1 in inductance M 1
When a current I 1 flows through the input line coupled with 2, the superconducting closed loop 12 has a magnetic field caused by I 1 to be eliminated.
A circulating current of (4/23) · 0.6 = 0.10 mA flows. In addition, when the input currents I 2 , I 3 , and I 4 flow, the total circulating current Icir is Icir = 0.10-0.026 +
It becomes 0.13 + 0.052 = 0.26 mA. Here the second term of the sign is negative Nanoha, because the direction of the circulating current direction of the current I 2 is induced for a another current and reverse are opposite. Therefore, the currents I 1 , I 3 , I 4 become excitatory signals, and the currents I 2 , I 5 become suppressive signals.

【0041】バイアス入力端13からバイアス電流を
0.6mA流すと、出力線16側のブランチはスイッチ
ングエレメント15を含むブランチに比べてインダクタ
ンスが大きいため、バイアス電流は全てスイッチングエ
レメント15を含むブランチの方に流れる。スイッチン
グエレメント15は、ジョセフソン素子14の臨界電流
値がそれぞれ0.40mA、インダクタンスが1.7p
Hの非対称2接合量子干渉計である。このスイッチング
エレメント15に上記値のバイアス電流を流した場合、
超伝導閉ループ12に循環電流Icirが図3に示した
向きに0.2mA以上流れるとスイッチングエレメント
は電圧状態にスイッチし、バイアス電流0.6mAが出
力線16のブランチに流れる。前記例のようにI1、I
2 、I3 、I4 が入力されると、循環電流は0.26m
Aとなり、出力線16に出力電流が現れるが、例えば入
力がI1 、I2 、I3 、I5 では、循環電流は0.13
mAとなり、出力電流は現れない。つまり流れる入力電
流の組み合わせによって出力線16に電流が現れるかど
うかが決定される。
When a bias current of 0.6 mA is applied from the bias input terminal 13, the branch on the output line 16 side has a larger inductance than the branch including the switching element 15, so that all the bias current flows toward the branch including the switching element 15. Flow to. The switching element 15 has a critical current value of the Josephson element 14 of 0.40 mA and an inductance of 1.7 p.
It is an asymmetric two-junction quantum interferometer of H. When a bias current of the above value is applied to this switching element 15,
When the circulating current Icir flows in the superconducting closed loop 12 in the direction shown in FIG. 3 by 0.2 mA or more, the switching element switches to the voltage state, and the bias current of 0.6 mA flows in the branch of the output line 16. As in the above example, I 1 , I
When 2 , I 3 and I 4 are input, the circulating current is 0.26m
A, and an output current appears on the output line 16. For example, when the inputs are I 1 , I 2 , I 3 , and I 5 , the circulating current is 0.13.
It becomes mA and no output current appears. That is, whether or not a current appears on the output line 16 is determined by the combination of the flowing input currents.

【0042】出力線16に流れる電流は他のニューロン
素子の入力電流となる。出力線16に流れる電流値は出
力線16のインダクタンス値によらないこと、および出
力線16は超伝導線であるため電流が減衰しないことか
ら出力線16と磁気結合する他ニューロン素子の数つま
りファンアウト数に本質的な制限はない。また入力も超
伝導閉ループ12と磁気的な結合を行うだけなので、フ
ァンイン数にも本質的な制限はない。
The current flowing through the output line 16 becomes the input current of another neuron element. The current value flowing through the output line 16 does not depend on the inductance value of the output line 16, and since the output line 16 is a superconducting wire, the current is not attenuated. There is no inherent limit to the number of outs. Also, since the input only magnetically couples to the superconducting closed loop 12, there is no substantial limitation on the fan-in number.

【0043】図3のダウンエッジトリガ回路31の具体
例を図4に示す。図4(a)はダウンエッジトリガ回路
の回路図、(b)はそのスイッチングエレメントである
2接合量子干渉計33のしきい値特性である。2接合量
子干渉計33のパラメータは、ジョセフソン素子の臨界
電流値が0.4mA、インダクタンスが1.7pHであ
る。図4(a)に示すダウンエッジトリガ回路おいては
出力線16が2接合量子干渉計にゲート電流Igを供給
しており、一方伝導閉ループ12と直流制御線32が制
御電流Icを供給している。入力線11から供給される
入力電流がゼロの状態では、超伝導閉ループ12に循環
電流は流れずスイッチングエレメント15はスイッチし
ない、したがって出力線16に電流が流れないため、ダ
ウンエッジトリガ回路に流れる電流は直流制御線32に
流れる直流電流0.3mAだけとなり、動作点は図4
(b)の動作点34にある。入力電流が流れ超伝導閉ル
ープ12に流れる循環電流が増えてくると、超伝導閉ル
ープ12に流れる電流は直流制御線32に流れる電流と
逆向きであるため、図4(b)の動作点は動作点34か
らIc軸上マイナス方向にシフトする。超伝導閉ループ
12に流れる電流がさらに増えスイッチングエレメント
15がスイッチすると、出力線16に電流が流れるた
め、動作点は動作点35に移る。動作点35はしきい値
曲線の内側であるため2接合量子干渉計33はスイッチ
しない。ここで超伝導閉ループ12に流れる電流は、入
力I1 、I2 、I3 、I4 、を想定し、0.26mAと
した。入力電流が減少し超伝導閉ループ12を流れる循
環電流が0.2mA以下になると動作点がしきい値曲線
の外側(例えば動作点36)に出るため2接合量子干渉
計33は電圧状態にスイッチする。この結果出力線16
に流れていた電流は再びスイッチングエレメント15を
含みブランチに流れ込む。
A specific example of the down edge trigger circuit 31 of FIG. 3 is shown in FIG. FIG. 4A is a circuit diagram of the down edge trigger circuit, and FIG. 4B is a threshold characteristic of the two-junction quantum interferometer 33 which is the switching element. Regarding the parameters of the two-junction quantum interferometer 33, the critical current value of the Josephson element is 0.4 mA and the inductance is 1.7 pH. In the down-edge trigger circuit shown in FIG. 4A, the output line 16 supplies the gate current Ig to the two-junction quantum interferometer, while the conduction closed loop 12 and the DC control line 32 supply the control current Ic. There is. When the input current supplied from the input line 11 is zero, the circulating current does not flow in the superconducting closed loop 12 and the switching element 15 does not switch. Therefore, the current does not flow in the output line 16, so that the current flowing in the down edge trigger circuit. Is only 0.3 mA of DC current flowing through the DC control line 32, and the operating point is shown in FIG.
It is at the operating point 34 in (b). When the input current flows and the circulating current flowing in the superconducting closed loop 12 increases, the current flowing in the superconducting closed loop 12 is in the opposite direction to the current flowing in the DC control line 32. Therefore, the operating point in FIG. The point 34 is shifted in the minus direction on the Ic axis. When the current flowing through the superconducting closed loop 12 further increases and the switching element 15 switches, a current flows through the output line 16, so that the operating point moves to the operating point 35. Since the operating point 35 is inside the threshold curve, the two-junction quantum interferometer 33 does not switch. Here, the current flowing through the superconducting closed loop 12 was set to 0.26 mA assuming the inputs I 1 , I 2 , I 3 , and I 4 . When the input current decreases and the circulating current flowing through the closed superconducting loop 12 becomes 0.2 mA or less, the operating point appears outside the threshold curve (for example, operating point 36), so that the two-junction quantum interferometer 33 switches to the voltage state. . As a result, the output line 16
The current that has flowed into the circuit again includes the switching element 15 and flows into the branch.

【0044】スイッチングエレメント15およびダウン
エッジトリガ回路31はいずれも負荷が超伝導であるた
め、スイッチすると電流は全て負荷の方に流れてしまい
自動的にゼロ電圧状態にリセットする。この動作を確実
に行うため適当な値のダンピング抵抗を用いることもあ
る。
Since the load is superconducting in both the switching element 15 and the down-edge trigger circuit 31, when switched, all the current flows toward the load and is automatically reset to the zero voltage state. In order to ensure this operation, a damping resistor having an appropriate value may be used.

【0045】一般に超伝導集積回路ではジョセフソン素
子が、バイアス電流がある一定値以下にならないとリセ
ットしないラッチ素子であるため、バイアス電流に交流
を用いる必要があり、全ての素子の動作はバイアス電流
に同期して行われる。本発明による超伝導ニューロン素
子は入力電流に応じてセット、リセットを行う一種のフ
リップフロップ回路であるため、それぞれの素子を非同
期に動かすことができる。この特性はニューロン素子を
用いてニューラルネットワークを構成する際に非常に有
効となる。
Generally, in a superconducting integrated circuit, the Josephson element is a latch element that does not reset unless the bias current becomes a certain value or less. Therefore, it is necessary to use an alternating current for the bias current. It is done in synchronization with. Since the superconducting neuron element according to the present invention is a kind of flip-flop circuit that sets and resets according to an input current, each element can be operated asynchronously. This characteristic is very effective when constructing a neural network using neuron elements.

【0046】以上説明したように本実施例で述べた回路
を用いれば、超伝導体独自の性質を用いてシナプス動
作、ニューロン動作を行うニューロン素子が構成でき
る。しかも本ニューロン素子は、ファンイン、ファンア
ウト数に本質的な制限がないため、ニューロン素子同士
がお互いに複数に結合した高度なニューラルネットワー
クが形成できる。また半導体のニューロン素子に比べて
も回路構成が簡単で部品数が少なくてすむため、高密度
の集積が可能である。さらに複数のニューロン素子を非
同期に動作させることができるためネットワーク化に際
して有利である。
As described above, by using the circuit described in this embodiment, it is possible to construct a neuron element which performs synaptic operation and neuron operation by using the property unique to superconductors. Moreover, since the number of fan-ins and fan-outs of the present neuron element is not essentially limited, it is possible to form a sophisticated neural network in which a plurality of neuron elements are connected to each other. In addition, the circuit configuration is simpler and the number of parts is smaller than that of the semiconductor neuron element, so that high-density integration is possible. Furthermore, since a plurality of neuron elements can be operated asynchronously, it is advantageous in networking.

【0047】本実施例ではスイッチングエレメント15
として非対称なしきい値特性を有する2接合量子干渉計
を用いたが、これは利得が大きいためと反対方向の循環
電流でスイッチしないようにするためである。しかし場
合に応じて他のジョセフソン素子を含むスイッチングエ
レメントも用いることができる。またスイッチングエレ
メント15とダウンエッジトリガ回路31とがスイッチ
する循環電流値を同じにしたが異なる値を用いることも
できる。
In this embodiment, the switching element 15
A two-junction quantum interferometer having an asymmetrical threshold characteristic was used as the reason for this because the gain is large and the switching is prevented by the circulating current in the opposite direction. However, switching elements including other Josephson elements can also be used depending on the case. Further, although the circulating current values switched by the switching element 15 and the down edge trigger circuit 31 are the same, different values may be used.

【0048】(実施例4)図5は第4の発明の実施例を
説明するための図である。以下図5を用いて第4の発明
の実施例の説明を行う。
(Embodiment 4) FIG. 5 is a view for explaining an embodiment of the fourth invention. An embodiment of the fourth invention will be described below with reference to FIG.

【0049】本ニューロン素子は他ニューロン素子また
は外部からの入力線11、超伝導閉ループ12、バイア
ス入力端13、ジョセフソン素子一個からなるスイッチ
ングエレメント15、他のニューロン素子の超伝導閉ル
ープと磁気的に結合した出力線16、出力線のリセット
ゲート17、リセット信号線18から構成される。本発
明によるニューロン素子は多数のファンイン、ファンア
ウトを取ることができるが、本実施例では簡単のためフ
ァンイン、ファンアウト数はそれぞれ5とした。
This neuron element is magnetically connected to another neuron element or an external input line 11, a superconducting closed loop 12, a bias input terminal 13, a switching element 15 consisting of one Josephson element, and a superconducting closed loop of another neuron element. It is composed of a coupled output line 16, a reset gate 17 for the output line, and a reset signal line 18. The neuron element according to the present invention can take a large number of fan-ins and fan-outs, but in the present embodiment, the number of fan-ins and fan-outs is 5 for simplicity.

【0050】5本の入力線11はそれぞれ独自の相互イ
ンダクタンスで超伝導閉ループ12と磁気的に結合して
いる。相互インダクタンスM1 、M2 、M3 、M4 、M
5 の値は、それぞれ4pH、1PH、5pH、2pH、
3pHである。超伝導閉ループ12全体のインダクタン
ス配線部分のインダクタンス3pHを合わせて18pH
となる。また入力電流は、全て0.6mAとしI1 、I
3 、I4とI2 、I5 とでは、超伝導閉ループ12との
結合部に対して、流れる向きを逆にする。例えば、イン
ダクタンスM1 で超伝導閉ループ12と結合した入力線
に電流I1 が流れると、超伝導閉ループ12にはI1
よって誘起される磁場を排除するために、(4/18)
・0.6=0.13mAの循環電流が流れる。加えて入
力電流I2 、I3 、I4 が流れると全循環電流Icir
は、Icir=0.13−0.03+0.17+0.0
7=0.34mAとなる。ここで第2項の符号がマイナ
スなのは、電流I2 の向きが他の電流と逆向きであるた
め誘起される循環電流の向きが逆向きになるからであ
る。このため電流I1 、I3 、I4 は興奮性の信号とな
り、電流I2 、I5 は抑圧性の信号となる。
The five input lines 11 are magnetically coupled to the superconducting closed loop 12 with their own mutual inductances. Mutual inductance M 1 , M 2 , M 3 , M 4 , M
The values of 5 are 4pH, 1PH, 5pH, 2pH,
It is 3 pH. Inductance of the entire superconducting closed loop 12 Inductance of wiring part 3 pH is combined to 18 pH
Becomes The input currents are all 0.6 mA, I 1 , I
The flow directions of 3 , I 4 and I 2 , I 5 are reversed with respect to the coupling portion with the superconducting closed loop 12. For example, when a current I 1 flows through an input line coupled to the superconducting closed loop 12 with an inductance M 1 , the superconducting closed loop 12 has a magnetic field induced by I 1 (4/18)
A circulating current of 0.6 = 0.13 mA flows. In addition, when the input currents I 2 , I 3 , and I 4 flow, the total circulating current Icir
Is Icir = 0.13-0.03 + 0.17 + 0.0
7 = 0.34 mA. Here the second term of the sign is negative Nanoha, because the direction of the circulating current direction of the current I 2 is induced for a another current and reverse are opposite. Therefore, the currents I 1 , I 3 , I 4 become excitatory signals, and the currents I 2 , I 5 become suppressive signals.

【0051】バイアス入力端13からバイアス電流を
0.6mA流すと、出力線16側のブランチおよび入力
線11と磁気結合した側のブランチのインダクタンスは
スイッチングエレメント15を含むブランチにインダク
タンスに比べて著しく大きいため、バイアス電流はほと
んど全てスイッチングエレメント15を含むブランチの
方に流れる。スイッチングエレメント15は、臨界電流
値が0.8mAの1個のジョセフソン素子からなる。こ
のスイッチングエレメント15に上記値のバイアス電流
を流した場合、超伝導閉ループ12に循環電流Icir
が図5に示した向きに0.20mA以上流れると、バイ
アス電流と循環電流が足し合わされてスイッチングエレ
メント15に流れる電流がその臨界電流値を越えるた
め、スイッチングエレメントは電圧状態にスイッチし、
バイアス電流0.6mAが出力線16および入力線11
と磁気結合したブランチに流れる。出力線16側のブラ
ンチのインダクタンスは通常入力線11と磁気結合した
ブランチのインダクタンスより大きい。出力線16のイ
ンダクタンスを74pHとするとバイアス電流は出力線
16側に0.12mA、入力線11と磁気結合した側
0.48mA流れる。このときスイッチングエレメント
15が電圧状態にスイッチしているため、超伝導閉ルー
プ12は切れており、循環電流Icirは流れていな
い。出力ゲート51として臨界電流値0.4mAのジョ
セフソン素子を用いると、前記入力線11と磁気結合し
た側に流れる電流0.48mAで出力ゲートがスイッチ
し、バイアス電流はすべて出力線16側のブランチに流
れ込む。このようにして前記例のようにI1 、I2 、I
3 、I4 が入力されると、循環電流は0.34mAとな
り、出力線16に出力電流が現れるが、例えば入力がI
1 、I2 、I3 、I5 では、循環電流は0.17mAと
なり、出力電流は現れない。つまり流れる入力電流の組
み合わせによって出力線16に電流が現れるかどうかが
決定される。
When a bias current of 0.6 mA is applied from the bias input terminal 13, the inductance of the branch on the output line 16 side and the branch on the side magnetically coupled to the input line 11 are significantly larger than the inductance of the branch including the switching element 15. Therefore, almost all the bias current flows toward the branch including the switching element 15. The switching element 15 is composed of one Josephson element having a critical current value of 0.8 mA. When a bias current of the above value is passed through the switching element 15, the circulating current Icir is passed through the superconducting closed loop 12.
When 0.20 mA or more flows in the direction shown in FIG. 5, the bias current and the circulating current are added together, and the current flowing through the switching element 15 exceeds its critical current value. Therefore, the switching element switches to the voltage state,
Bias current of 0.6 mA is output line 16 and input line 11
It flows to the branch that is magnetically coupled with. The inductance of the branch on the output line 16 side is usually larger than the inductance of the branch magnetically coupled to the input line 11. Assuming that the inductance of the output line 16 is 74 pH, a bias current of 0.12 mA flows to the output line 16 side and 0.48 mA to the side magnetically coupled to the input line 11. At this time, since the switching element 15 is switching to the voltage state, the superconducting closed loop 12 is cut off and the circulating current Icir does not flow. When a Josephson device having a critical current value of 0.4 mA is used as the output gate 51, the output gate switches with a current of 0.48 mA flowing on the side magnetically coupled to the input line 11, and all the bias currents are branched on the output line 16 side. Flow into. Thus, as in the above example, I 1 , I 2 , I
When 3 and I 4 are input, the circulating current becomes 0.34 mA, and the output current appears on the output line 16.
For 1 , I 2 , I 3 , and I 5 , the circulating current was 0.17 mA and no output current appeared. That is, whether or not a current appears on the output line 16 is determined by the combination of the flowing input currents.

【0052】出力線16に流れる電流は他のニューロン
素子の入力電流となる。出力線16に流れる電流値は出
力線16のインダクタンス値によらないこと、および出
力線16は超伝導線であるため電流が減衰しないことか
ら出力線16と磁気結合する他ニューロン素子の数つま
りファンアウト数に本質的な制限はない。また入力も超
伝導閉ループ12と磁気的な結合を行うだけなので、フ
ァンイン数にも本質的な制限はない。
The current flowing through the output line 16 becomes the input current of another neuron element. The current value flowing through the output line 16 does not depend on the inductance value of the output line 16, and since the output line 16 is a superconducting wire, the current is not attenuated. There is no inherent limit to the number of outs. Also, since the input only magnetically couples to the superconducting closed loop 12, there is no substantial limitation on the fan-in number.

【0053】出力線16に電流が流れている場合、この
電流はバイアス電流が立ち下がった後も出力線16とス
イッチングエレメント15を含むパスからなる超伝導閉
ループに流れ続ける。この電流をリセットするためにリ
セット信号線18に0.3mAの電流を流し、リセット
ゲート17を電圧状態にリセットする。リセットゲート
17は2接合量子干渉計でジョセフソン素子の臨界電流
値0.4mA、インダクタンスは1.7pHである。一
方スイッチングエレメント15、出力ゲート51の負荷
が超伝導線であり抵抗成分を含まないことから、すべて
のバイアス電流が出力線16に流れ込むとともに超伝導
状態にもどるため、超伝導閉ループ12は自動的にリセ
ットされる。
When a current flows through the output line 16, this current continues to flow in the superconducting closed loop including the path including the output line 16 and the switching element 15 even after the bias current falls. In order to reset this current, a current of 0.3 mA is passed through the reset signal line 18 to reset the reset gate 17 to the voltage state. The reset gate 17 is a two-junction quantum interferometer, and the critical current value of the Josephson element is 0.4 mA and the inductance is 1.7 pH. On the other hand, since the load of the switching element 15 and the output gate 51 is a superconducting wire and does not include a resistance component, all the bias current flows into the output line 16 and returns to the superconducting state, so that the superconducting closed loop 12 automatically. Will be reset.

【0054】以上説明したように本実施例で述べた回路
を用いれば、超伝導体独自の性質を用いてシナプス動
作、ニューロン動作を行うニューロン素子が構成でき
る。しかも本ニューロン素子は、ファンイン、ファンア
ウト数に本質的な制限がないため、ニューロン素子同士
がお互いに複雑に結合した高度なニューラルネットワー
クが形成できる。また半導体のニューロン素子に比べて
も回路構成が簡単で部品数が少なくてすむため、高密度
の集積の可能である。さらにスイッチングエレメント1
5を超伝導閉ループ12中に含んでいるため、超伝導閉
ループ12の全インダクタンスに占める各入力線11と
の結合インダクタンスの割合が大きくなり、入力電流の
超伝導閉ループ循環電流への変換効率が上がる。
As described above, by using the circuit described in this embodiment, it is possible to construct a neuron element which performs synaptic operation and neuron operation by using the properties unique to superconductors. Moreover, since the number of fan-ins and fan-outs of the present neuron element is not essentially limited, it is possible to form a sophisticated neural network in which neuron elements are connected to each other in a complicated manner. Further, the circuit configuration is simpler and the number of parts is smaller than that of the semiconductor neuron element, so that high density integration is possible. Switching element 1
Since 5 is included in the superconducting closed loop 12, the ratio of the coupling inductance with each input line 11 to the total inductance of the superconducting closed loop 12 is large, and the conversion efficiency of the input current into the superconducting closed loop circulating current is increased. .

【0055】本実施例ではスイッチングエレメント15
として1個のジョセフソン素子を用いたが、場合に応じ
て他のジョセフソン素子を含むスイッチングエレメント
も用いることができる。
In this embodiment, the switching element 15
Although one Josephson element is used as the above, a switching element including another Josephson element can also be used depending on the case.

【0056】(実施例5)図6は第5の発明の実施例を
説明するための図である。以下図6を用いて第5の発明
の実施例の説明を行う。
(Embodiment 5) FIG. 6 is a view for explaining an embodiment of the fifth invention. An embodiment of the fifth invention will be described below with reference to FIG.

【0057】本ニューロン素子は他ニューロン素子また
は外部からの入力線11、超伝導閉ループ12、バイア
ス入力端13、ジョセフソン素子一個からなるスイッチ
ングエレメント15、他のニューロン素子の超伝導閉ル
ープと磁気的に結合した出力線16、リセット抵抗61
から構成される。本発明によるニューロン素子は多数の
ファンイン、ファンアウトを取ることができるが、本実
施例では簡単のためファンイン、ファンアウト数はそれ
ぞれ5とした。
This neuron element is magnetically connected to another neuron element or an external input line 11, a superconducting closed loop 12, a bias input terminal 13, a switching element 15 consisting of one Josephson element, and a superconducting closed loop of another neuron element. Combined output line 16 and reset resistor 61
Consists of The neuron element according to the present invention can take a large number of fan-ins and fan-outs, but in the present embodiment, the number of fan-ins and fan-outs is 5 for simplicity.

【0058】5本の入力線11はそれぞれ独自の相互イ
ンダクタンスで超伝導閉ループ12と磁気的に結合して
いる。相互インダクタンスM1 、M2 、M3 、M4 、M
5 の値は、それぞれ4pH、1PH、5pH、2pH、
3pHである。超伝導閉ループ12全体のインダクタン
ス配線部分のインダクタンス3pHを合わせて18pH
となる。また入力電流は、全て0.6mAとしI1 、I
3 、I4とI2 、I5 とでは、超伝導閉ループ12との
結合部に対して、流れる向きを逆にする。例えば、イン
ダクタンスM1 で超伝導閉ループ12と結合した入力線
に電流I1 が流れると、超伝導閉ループ12にはI1
よって誘起される磁場を排除するために、(4/18)
・0.6=0.13mAの循環電流が流れる。加えて入
力電流I2 、I3 、I4 が流れると全循環電流Icir
は、Icir=0.13−0.03+0.17+0.0
7=0.34mAとなる。ここで第2項の符号がマイナ
スなのは、電流I2 の向きが他の電流と逆向きであるた
め誘起される循環電流の向きが逆向きになるからであ
る。このため電流I1 、I3 、I4 は興奮性の信号とな
り、電流I2 、I5 は抑圧性の信号となる。
The five input lines 11 are magnetically coupled to the superconducting closed loop 12 with their own mutual inductances. Mutual inductance M 1 , M 2 , M 3 , M 4 , M
The values of 5 are 4pH, 1PH, 5pH, 2pH,
It is 3 pH. Inductance of the entire superconducting closed loop 12 Inductance of wiring part 3 pH is combined to 18 pH
Becomes The input currents are all 0.6 mA, I 1 , I
The flow directions of 3 , I 4 and I 2 , I 5 are reversed with respect to the coupling portion with the superconducting closed loop 12. For example, when a current I 1 flows through an input line coupled to the superconducting closed loop 12 with an inductance M 1 , the superconducting closed loop 12 has a magnetic field induced by I 1 (4/18)
A circulating current of 0.6 = 0.13 mA flows. In addition, when the input currents I 2 , I 3 , and I 4 flow, the total circulating current Icir
Is Icir = 0.13-0.03 + 0.17 + 0.0
7 = 0.34 mA. Here the second term of the sign is negative Nanoha, because the direction of the circulating current direction of the current I 2 is induced for a another current and reverse are opposite. Therefore, the currents I 1 , I 3 , I 4 become excitatory signals, and the currents I 2 , I 5 become suppressive signals.

【0059】バイアス入力端13からバイアス電流0.
64mA流すと、出力線16側のブランチはリセット抵
抗61を含んでおり、また入力線11と磁気結合した側
のブランチのインダクタンスはスイッチングエレメント
15を含むブランチにインダクタンスに比べて著しく大
きいため、バイアス電流はほとんど全てスイッチングエ
レメント15を含むブランチの方に流れる。スイッチン
グエレメント15は、臨界電流値が0.855mAの1
個のジョセフソン素子からなる。このスイッチングエレ
メント15に上記値のバイアス電流を流した場合、超伝
導閉ループ12に循環電流Icirが図5に示した向き
に0.20mA以上流れると、バイアス電流と循環電流
が足し合わされてスイッチングエレメント15に流れる
電流がその臨界電流値を越えるため、スイッチングエレ
メント15は電圧状態にスイッチする。スイッチングエ
レメント15がスイッチすると、臨界電流値の約5%に
相当する漏れ電流を除いて、バイアス電流0.6mAが
入力線11と磁気結合したブランチに流れ込む。このと
きスイッチングエレメント15が電圧状態にスイッチし
ているため、超伝導閉ループ12は切れており、循環電
流Icirは流れていない。出力ゲート51として臨界
電流値0.4mAのジョセフソン素子を用いると、前記
入力線11と磁気結合した側に流れ込む電流0.6mA
で出力ゲートがスイッチし、バイアス電流は臨界電流値
の約5%に相当する漏れ電流を除いて出力線16側のブ
ランチに流れ込む。このようにして前記例のように
1 、I2 、I3 、I4 が入力されると、循環電流は
0.34mAとなり、出力線16に出力電流が現れる
が、例えば入力がI1 、I2 、I3 、I5 では、循環電
流は0.17mAとなり、出力電流は現れない。つまり
流れる入力電流の組み合わせによって出力線16に電流
が現れるかどうかが決定される。
Bias current 0.
When a current of 64 mA is applied, the branch on the output line 16 side includes the reset resistor 61, and the inductance of the branch magnetically coupled to the input line 11 is significantly larger than the inductance on the branch including the switching element 15. Flows almost entirely to the branch containing the switching element 15. The switching element 15 has a critical current value of 0.855 mA.
It consists of Josephson elements. When a circulating current Icir of 0.20 mA or more flows in the superconducting closed loop 12 in the direction shown in FIG. 5 when a bias current of the above value is passed through the switching element 15, the bias current and the circulating current are added to each other to cause the switching element 15 to flow. The switching element 15 switches to the voltage state because the current flowing through it exceeds its critical current value. When the switching element 15 switches, a bias current of 0.6 mA flows into the branch magnetically coupled to the input line 11, except for a leakage current corresponding to about 5% of the critical current value. At this time, since the switching element 15 is switching to the voltage state, the superconducting closed loop 12 is cut off and the circulating current Icir does not flow. If a Josephson element having a critical current value of 0.4 mA is used as the output gate 51, a current of 0.6 mA flowing into the side magnetically coupled to the input line 11 is obtained.
Then, the output gate switches, and the bias current flows into the branch on the output line 16 side except for the leakage current corresponding to about 5% of the critical current value. Thus, when I 1 , I 2 , I 3 , and I 4 are input as in the above example, the circulating current becomes 0.34 mA, and the output current appears on the output line 16. For example, when the input is I 1 , For I 2 , I 3 , and I 5 , the circulating current was 0.17 mA, and no output current appeared. That is, whether or not a current appears on the output line 16 is determined by the combination of the flowing input currents.

【0060】出力線16に流れる電流は他のニューロン
素子の入力電流となる。出力線16に流れる電流値は出
力線16のインダクタンス値によらないこと、および出
力線16は超伝導線であるため電流が減衰しないことか
ら出力線16と磁気結合する他ニューロン素子の数つま
りファンアウト数に本質的な制限はない。また入力も超
伝導閉ループ12と磁気的な結合を行うだけなので、フ
ァンイン数にも本質的な制限はない。
The current flowing through the output line 16 becomes the input current of another neuron element. The current value flowing through the output line 16 does not depend on the inductance value of the output line 16, and since the output line 16 is a superconducting wire, the current is not attenuated. There is no inherent limit to the number of outs. Also, since the input only magnetically couples to the superconducting closed loop 12, there is no substantial limitation on the fan-in number.

【0061】本発明においては出力線16中にリセット
抵抗61が存在するため、出力線16に流れる電流はバ
イアス電流が立ち下がるとともにリセット抵抗61と出
力線のインダクタンス16により決定される時定数で減
少する。リセット抵抗61の値を4Ωとするとこの時定
数は18p秒となる。一方スイッチングエレメント15
と出力ゲート51はバイアス電流立ち下がりとともに超
伝導状態にリセットされるため超伝導閉ループ12は自
動的にリセットされる。
In the present invention, since the reset resistance 61 is present in the output line 16, the current flowing through the output line 16 decreases with the time constant determined by the reset resistance 61 and the inductance 16 of the output line as the bias current falls. To do. When the value of the reset resistor 61 is 4Ω, this time constant is 18 psec. On the other hand, the switching element 15
Since the output gate 51 is reset to the superconducting state with the fall of the bias current, the superconducting closed loop 12 is automatically reset.

【0062】以上説明したように本実施例で述べた回路
を用いれば、超伝導体独自の性質を用いてシナプス動
作、ニューロン動作を行うニューロン素子が構成でき
る。しかも本ニューロン素子は、ファンイン、ファンア
ウト数に本質的な制限がないため、ニューロン素子同士
がお互いに複雑に結合した高度なニューラルネットワー
クが形成できる。また半導体のニューロン素子に比べて
も回路構成が簡単で部品数が少なくてすむため、高密度
の集積が可能である。さらにスイッチングエレメント1
5を超伝導閉ループ12中に含んでいるため、超伝導閉
ループ12の全インダクタンスに占める各入力線11と
の結合インダクタンスの割合が大きくなり、入力電流の
超伝導閉ループ循環電流への交換効率が上がる。その上
リセット抵抗61が存在することから抵抗成分がまった
くない場合に比べて回路のより安定した動作が期待でき
る。
As described above, by using the circuit described in this embodiment, it is possible to construct a neuron element which performs synaptic operation and neuron operation by using the property unique to superconductors. Moreover, since the number of fan-ins and fan-outs of the present neuron element is not essentially limited, it is possible to form a sophisticated neural network in which neuron elements are connected to each other in a complicated manner. In addition, the circuit configuration is simpler and the number of parts is smaller than that of the semiconductor neuron element, so that high-density integration is possible. Switching element 1
Since 5 is included in the superconducting closed loop 12, the ratio of the coupling inductance with each input line 11 in the total inductance of the superconducting closed loop 12 is large, and the exchange efficiency of the input current to the superconducting closed loop circulating current is increased. . In addition, since the reset resistor 61 exists, more stable operation of the circuit can be expected as compared with the case where there is no resistance component.

【0063】本実施例ではスイッチングエレメント15
として1個のジョセフソン素子を用いたが、場合に応じ
て他のジョセフソン素子を含むスイッチングエレメント
も用いることができる。
In this embodiment, the switching element 15
Although one Josephson element is used as the above, a switching element including another Josephson element can also be used depending on the case.

【0064】[0064]

【発明の効果】本発明の第1の発明を用いれば、消費電
力が小さく3次元化が比較的容易な超伝導集積回路を用
いてファンイン、ファンアウト数が大きくニューロン素
子を構成することができる。また本発明の回路は半導体
を用いたニューロン素子より回路構成が簡単で部品数も
少なく、高密度の集積が可能であるという効果を有す
る。
According to the first aspect of the present invention, a neuron element having a large number of fan-ins and fan-outs can be constructed by using a superconducting integrated circuit which consumes less power and is relatively easy to be three-dimensional. it can. Further, the circuit of the present invention has an effect that the circuit configuration is simpler than the neuron element using the semiconductor, the number of parts is small, and high density integration is possible.

【0065】第2の発明を用いれば前記第1の発明の効
果に加えて入力の重み付けを可変にできるという効果を
有する。第3の発明を用いれば前記第1の発明の効果に
加えて複数のニューロン素子を非同期に動作させること
ができるため、ネットワーク化に際して有利であるとい
う効果を有する。第4の発明を用いれば前記第1の発明
の効果に加えて入力電流の超伝導閉ループ循環電流への
変換効率をあげることができ、さらに回路構成がより簡
単になるという効果を有する。第5の発明を用いれば前
記第1の発明の効果に加えてより安定な動作が期待でき
設計が容易になると言う効果を有する。
The use of the second invention has the effect that the weighting of the input can be made variable in addition to the effect of the first invention. In addition to the effect of the first invention, the third invention allows the plurality of neuron elements to operate asynchronously, which is advantageous in networking. By using the fourth invention, in addition to the effect of the first invention, the efficiency of conversion of the input current into the superconducting closed loop circulating current can be increased, and further, the circuit configuration becomes simpler. By using the fifth invention, in addition to the effect of the first invention, there is an effect that more stable operation can be expected and the design becomes easy.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例を説明するための回路図
である。
FIG. 1 is a circuit diagram for explaining a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2の実施例を説明するための回路図
である。
FIG. 2 is a circuit diagram for explaining a second embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第3の実施例を説明するための回路図
である。
FIG. 3 is a circuit diagram for explaining a third embodiment of the present invention.

【図4】第3の実施例に用いるダウンエッジトリガ回路
の具体例を説明するための図であり(a)は回路図、
(b)はしきい値特性図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining a specific example of a down edge trigger circuit used in the third embodiment, (a) being a circuit diagram,
(B) is a threshold characteristic diagram.

【図5】本発明の第4の実施例を説明するための回路図
である。
FIG. 5 is a circuit diagram for explaining a fourth embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第5の実施例を説明するための回路図
である。
FIG. 6 is a circuit diagram for explaining a fifth embodiment of the present invention.

【図7】従来のジョセフソン線路を用いたニューロン素
子の基本素子構造を示した図である。
FIG. 7 is a diagram showing a basic element structure of a neuron element using a conventional Josephson line.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 入力線 12 超伝導閉ループ 13 バイアス入力端 14 ジョセフソン素子 15 スイッチングエレメント 16 出力線 17 リセットゲート 18 リセット信号線 21 他ニューロン素子の出力線 22 入力ゲート 23 入力電流供給端 31 ダウンエッジトリガ回路 32 直流制御線 33 2接合量子干渉計 34〜36 動作点 51 出力ゲート 61 リセット抵抗 101 ジョセフソン線路A 102 ジョセフソン線路B 103 ジョセフソン線路C 104 ジョセフソン線路D 105 磁束量子停止部 106 入力端 107 出力端 108 興奮性制御入力端 109 抑圧性制御入力端 111 下部電極 112 トンネルバリア 113 上部電極 114 インダクタンス 115 抵抗 11 Input Line 12 Superconducting Closed Loop 13 Bias Input Terminal 14 Josephson Element 15 Switching Element 16 Output Line 17 Reset Gate 18 Reset Signal Line 21 Output Line of Other Neuron Element 22 Input Gate 23 Input Current Supply Terminal 31 Down Edge Trigger Circuit 32 DC Control line 33 2-junction quantum interferometer 34-36 Operating point 51 Output gate 61 Reset resistance 101 Josephson line A 102 Josephson line B 103 Josephson line C 104 Josephson line D 105 Magnetic flux quantum stop 106 Input end 107 Output end 108 Excitatory Control Input Terminal 109 Suppressive Control Input Terminal 111 Lower Electrode 112 Tunnel Barrier 113 Upper Electrode 114 Inductance 115 Resistance

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 ジョセフソン素子を用いたスイッチング
エレメントと超伝導閉ループと他のニューロン素子と磁
気的に結合された出力線を含み、前記超伝導閉ループと
一個または複数個の入力線が磁気的に結合しその結合の
インダクタンス値を制御することにより入力の重み付け
が行われかつ前期入力線を流れる電流の向きにより重み
の正負の符号が決定され、前記スイッチングエレメント
と前記出力線がバイアス入力端に対して並列に接続さ
れ、前記超伝導閉ループと前記スイッチングエレメント
のスイッチが磁気的に結合されていることを特徴とする
超伝導ニューロン素子。
1. A switching element using a Josephson element, a superconducting closed loop, and an output line magnetically coupled to another neuron element, wherein the superconducting closed loop and one or more input lines are magnetically coupled. The weighting of the input is performed by coupling and controlling the inductance value of the coupling, and the positive and negative signs of the weight are determined by the direction of the current flowing through the input line, and the switching element and the output line are connected to the bias input terminal. Connected in parallel, and the superconducting closed loop and the switch of the switching element are magnetically coupled to each other.
【請求項2】 ジョセフソン素子を用いたスイッチング
エレメントと超伝導閉ループと他のニューロン素子と磁
気的に結合された出力線を含み、前記超伝導閉ループと
一個または複数個の入力線が磁気的に結合し前記入力線
に流れる電流値を制御することにより入力の重み付けが
行われかつ前期入力線を流れる電流の向きにより重みの
正負の符号が決定され、前記スイッチングエレメントと
前記出力線がバイアス入力端に対して並列に接続され、
前記超伝導閉ループに流れる循環電流が一定のしきい値
以上になると前記スイッチングエレメントがスイッチす
ることを特徴とする超伝導ニューロン素子。
2. A switching element using a Josephson element, a superconducting closed loop, and an output line magnetically coupled to another neuron element, wherein the superconducting closed loop and one or more input lines are magnetically coupled. The weighting of the input is performed by controlling the value of the current flowing through the input line in combination, and the sign of the positive or negative of the weight is determined by the direction of the current flowing through the input line, and the switching element and the output line are bias input terminals. Connected in parallel to
A superconducting neuron element, wherein the switching element switches when a circulating current flowing in the superconducting closed loop exceeds a certain threshold value.
【請求項3】 ジョセフソン素子を用いたスイッチング
エレメントと超伝導閉ループと他のニューロン素子と磁
気的に結合した超伝導体からなる出力線を含み、前記超
伝導閉ループと一個または複数個の入力線が磁気的に結
合され、前記超伝導閉ループに流れる循環電流が一定の
しきい値以上になると前記スイッチングエレメントがス
イッチし、前記スイッチングエレメントが直流バイアス
で駆動され、前記スイッチングエレメントと前記出力線
が前記バイアス入力端に対して並列に接続され、前記出
力線中に前記超伝導閉ループに流れる循環電流があるし
きい値以下になるとスイッチするダウンエッジトリガ回
路が含まれることを特徴とする超伝導ニューロン素子。
3. A switching element using a Josephson element, a superconducting closed loop, and an output line made of a superconductor magnetically coupled to another neuron element, the superconducting closed loop and one or a plurality of input lines. Are magnetically coupled, and when the circulating current flowing in the superconducting closed loop exceeds a certain threshold value, the switching element switches, the switching element is driven by DC bias, and the switching element and the output line are A superconducting neuron device including a down-edge trigger circuit connected in parallel to a bias input terminal and switching when a circulating current flowing in the superconducting closed loop falls below a threshold value in the output line. .
【請求項4】 ジョセフソン素子を用いたスイッチング
エレメントと超伝導閉ループと他のニューロン素子と磁
気的に結合された出力線を含み、前記超伝導閉ループと
一個または複数個の入力線が磁気的に結合され、前記ス
イッチングエレメントと前記出力線がバイアス入力端に
対して並列に接続され、前記前記スイッチングエレメン
トが前記超伝導閉ループの中に含まれることを特徴とす
る超伝導ニューロン素子。
4. A switching element using a Josephson element, a superconducting closed loop, and an output line magnetically coupled to another neuron element, wherein the superconducting closed loop and one or more input lines are magnetically coupled. A superconducting neuron device coupled to the switching element and the output line connected in parallel to a bias input terminal, wherein the switching element is included in the superconducting closed loop.
【請求項5】 ジョセフソン素子を用いたスイッチング
エレエントと超伝導閉ループと他のニューロン素子と磁
気的に結合した出力線を含み、前記超伝導閉ループと一
個または複数個の入力線が磁気的に結合され、前記超伝
導閉ループに流れる循環電流が一定のしきい値以上にな
ると前記スイッチングエレメントがスイッチし、前記ス
イッチングエレメントと前記出力線が前記バイアス入力
端に対して並列に接続され、前記出力線中に抵抗成分を
含むことを特徴とする超伝導ニューロン素子。
5. A switching element using a Josephson element, a superconducting closed loop, and an output line magnetically coupled to another neuron element, wherein the superconducting closed loop and one or more input lines are magnetically coupled. The switching element is coupled and the switching element switches when the circulating current flowing in the superconducting closed loop exceeds a certain threshold value, and the switching element and the output line are connected in parallel to the bias input terminal, and the output line. A superconducting neuron element having a resistance component inside.
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