JP2739781B2

JP2739781B2 - 超伝導シナプス回路

Info

Publication number: JP2739781B2
Application number: JP3024225A
Authority: JP
Inventors: 睦夫日高
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1991-02-19
Filing date: 1991-02-19
Publication date: 1998-04-15
Anticipated expiration: 2013-04-15
Also published as: JPH04263517A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は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より詳しくは超伝導ニューロ
ン素子に関する。

【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、超伝導体を
用いた素子は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。

【０００３】本発明者は超伝導体を用いたニューロン素
子として次に示すような超伝導ニューロン素子を案出し
ている。この超伝導ニューロン素子の一例を図７に示
す。

【０００４】図７の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１０１、超伝導閉ループ１０
２、バイアス入力端１０３、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１０４、一個のジョセフソ
ン素子からなる出力ゲート１０５、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１０６、出
力線のリセットゲート１０７、リセット信号線１０８か
ら構成される。図７ではファンイン、ファンアウト数は
それぞれ５とした。

【０００５】５本の入力線１０１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１０２と磁気的に結合
している。相互インダクタンスＭ₁、Ｍ₂、Ｍ₃、
Ｍ₄、Ｍ₅の値は、それぞれ４ｐＨ、１ｐＨ、５ｐＨ、
２ｐＨ、３ｐＨである。超伝導閉ループ１０２全体のイ
ンダクタンスは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、Ｉ₃、Ｉ₄、とＩ₂、Ｉ₅、とでは、超伝導
閉ループ１０２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
０２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、（４／１８）・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Ｉ_cirは、Ｉ_cir＝０．１３−０．
０３＋０．１７＋０．０７＝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、Ｉ
₄は興奮性の信号となり、電流Ｉ₂、Ｉ₅は抑圧性の信
号となる。

【０００６】バイアス入力端１０３からバイアス電流
０．６ｍＡ流すと、出力線１０８側のブランチおよび入
力線１０１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１０４を含むブランチのイ
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１０４を含むブ
ランチの方に流れる。スイッチングエレメント１０４
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１０４に上記値
のバイアス電流を流した場合、超伝導閉ループ１０２に
循環電流Ｉ_cirが図７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１０４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１０４は
電圧状態にスイッチし、バイアス電流０．６ｍＡが出力
線１０６および入力線１０１と磁気結合したブランチに
流れる。出力線１０６側のブランチのインダクタンスは
通常入力線１０１と磁気結合したブランチのインダクタ
ンスよりずっと大きい。このためバイアス電流は、ほと
んど入力線１０１と磁気結合したブランチに流れこむ。
このとき出力ゲート１０５の臨界電流値を０．４ｍＡと
すれば、出力ゲート１０５はスイッチし、バイアス電流
はすべて出力線１０６側のブランチに流れ込む。

【０００７】このように図７に示した超伝導ニューロン
素子を用いれば、各入力それぞれに重みをつけて足し合
わせ（シナプス動作）、その和があるしきい値を越える
と出力を出す（ニューロン動作）ニューロン素子の基本
動作を行わせることができる。

【０００８】また、出力線１０６に流れた電流は、バイ
アス電流が立ち下がった後も出力線１０６とスイッチン
グエレメント１０５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１０８に適当な電流を流してやりリセットゲート
１０７を電圧状態にスイッチする。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ニューラルネットワー
クの重要な特徴の一つに入力に対して最適な出力が得ら
れるよう学習により各ニューロン間の結合の強さ（重
み）を調節することがある。そのためには、各ニューロ
ン間の結合の強さは可変である必要がある。しかし前述
の超伝導ニューロン素子では各ニューロン間の結合の強
さは、結合部分の相互インダクタンス値で決定されるた
め変えることはできなかった。

【００１０】本発明の目的は、各ニューロン間の結合の
強さを変えることができ、学習による結合の強さ（重
み）の調節が可能となる超伝導シナプス回路を提供する
ことにある。

【課題を解決するための手段】本願第１の発明によれ
ば、他ニューロン回路からの出力の電流または外部から
の信号電流からなる入力電流をゲート電流とするジョセ
フソン素子を用いたゲートと、このゲートに制御電流を
供給する重みメモリと、超伝導ニューロン回路の入力部
超伝導閉ループと磁気的に結合し、かつ前記ゲートと並
列に配置された重みインダクタンスを少なくとも含み、
前記ゲートのスイッチにより前記入力電流を前記重みイ
ンダクタンスに流し前記超伝導閉ループに循環電流を誘
起させることを特徴とする超伝導シナプス回路が得られ
る。

【００１１】本願第２の発明によれば、他ニューロン回
路からの出力電流または外部からの信号電流からなる入
力電流をゲート電流とするジョセフソンン素子を用いた
ゲートと、このゲートに制御電流を供給する重みメモリ
と、超伝導ニューロン回路の入力部超伝導閉ループと磁
気的に結合し、かつ前記ゲートと並列に配置された重み
インダクタンスを少くとも含むユニットが微数個直列に
接続され、前記ゲートのスイッチにより前記入力電流を
前記重みインダクタンスに流し、スイッチする前記ゲー
トに付髄した前記重みインダクタンスの値の組み合せに
より所望の値の循環電流を前記超伝導閉ループに誘起す
ることを特徴とする超伝導シナプス回路が得られる。

【００１２】本願の第３の発明を用いれば、他ニューロ
ン回路から出力電流、または外部から信号電流からなる
入力電流と重みメモリからの信号電流を制御電流とする
ジョセフソン素子を用いた磁界結合型ＡＮＤゲートと、
超伝導ニューロン回路の入力部超伝導閉ループと磁気的
に結合しかつ前記ＡＮＤゲートと並列に配置された重み
インダクタンスを少くとも含むユニットが複数個直列に
接続され、前記ＡＮＤゲートのスイッチにより前記重み
インダクタンスに電流を流し、スイッチする前記ＡＮＤ
ゲートに付随した前記重みインダクタンスの値の組み合
せにより所望の値の循環電流を前記超伝導閉ループに誘
起することを特徴とする超伝導シナプス回路が得られ
る。

【００１３】本願第４の発明を用いれば、ジョセフソン
素子を用いた第１のゲートと、この第１ゲートと磁気的
に結合しかつジョセフソン素子を用いた第２のゲートを
含む超伝導メモリループと、前記第２のゲートにゲート
電流を供給するゲート電流路と、前記第２のゲートに制
御電流を供給する制御電流路と、超伝導ニューロン回路
の入力部超伝導閉ループと磁気的に結合しかつ前記第１
のゲートと並列に配置された重みインダクタンスを少く
とも含み、前記超伝メモリループに蓄えられた循環電流
の有無により前記第１のゲートのスイッチを制御し前記
超伝導ループに誘起される循環電流値を制御することを
特徴とする超伝導シナプス回路が得られる。

【００１４】

【作用】ニューロン素子のシナプス回路は、与えられた
入力Ｘに対してある重みＷをかけ合わせ積Ｗ・Ｘを作り
ニューロン回路に送る動作を行う。ニューロン回路で
は、各シナプス回路からの出力を足し合わせその和（下
記の式）があるしきい値を越えると出力を出す働きをす
る。

【００１５】

【００１６】本発明第１の発明では、入力電流がジョセ
フソン素子を用いたゲートに流れた状態で、重みメモリ
からの出力が“１”であり前記ゲートの制御電流が流れ
ていれば、前記ゲートは電圧状態にスイッチし、入力電
流は前記ゲートに並列に配置された重みインダクタンス
の方に流れる。一方重みメモリからの出力が“０”であ
れば前記ゲートには制御電流は流れず前記ゲートは超伝
導状態を保つ。重みインダクタンスを含むパスのインダ
クタンスを前記ゲートを含むパスのインダクンスよりず
っと大きくしておくか、重みインダクタンスを含むパス
に抵抗成分を挿入しておけば、前記ゲートが超伝導状態
にある間は、重みインダクタンスには電流はほとんど流
れない。重みインダクタンスに電流が流れると重みイン
ダクタンスと磁気的に結合した超伝導ニューロン素子の
入力部超伝導閉ループに循環電流が誘起される。この循
環電流の値Ｉ_cirは超伝導閉ループの総インダクタンス
をＬ、重みインダクタンスとの結合インダクタンスを
Ｍ、重みインダクタンスに流れる電流をＩとするとＩ
_cir＝（Ｍ／Ｌ）Ｉとなる。以上述べたように重みメモ
リの“１”、“０”を前述した重みＷに対応させ、（Ｍ
／Ｌ）Ｉを入力Ｘに対応させれば、本発明の回路はニュ
ーロン回路に入力Ｘと重みＷの積を供給するシナプス回
路である。

【００１７】本願第２の発明では、第１の発明で述べた
回路一つのユニットとしそれを複数個直列に結合してい
る。この場合、超伝導閉ループに誘起される循環電流値
Ｉ_cirは次式のようになる。

【００１８】

【００１９】ここでｍは直列に結合された回路の数であ
り、Ｍ_i、Ａ_iはそれぞれｉ番目のゲートと並列に配置
された重みイングクタンスと超伝導閉ループとの結合イ
ンダクタンス、ｉ番目のゲートに制御電流を与える重み
メモリの“１”、“０”の値である。本発明の回路で
は、重みメモリの値Ａｉの組み合わせによって、多種類
のＩ_cirの値を得ることができる。つまり選択できる重
みの値が多種類となる。

【００２０】本願第３の発明では、入力電流と重みメモ
リからの出力電流がＡＮＤゲートの制御電流となってお
り、両者が“１”の場合だけ重みインダクタンスに電流
が流れる回路を一つのユニットとし、そのユニットを複
数個直列に結合している。このことにより入力電流が流
れたときに、重みメモリの値に応じた循環電流を超伝導
閉ループに誘起するシナプス回路を得ることができる。

【００２１】本願第４の発明では、重みメモリとしてジ
ョセフソン素子を用いた第２のゲートを含む超伝導メモ
リループを使用している。超伝導メモリループは前記ス
イッチが電圧状態になったときのゲート電流の値に応じ
て、循環電流をその中に貯えることができ、その値は、
次に前記第２のゲートをスイッチさせるまで変わらな
い。超伝導メモリループの一部は、重みインダクタンス
と並列に配置された第１のゲートの制御線となってお
り、超伝導メモリループに貯えられた循環電流に応じ
て、前記第１のゲートをスイッチさせ重みインダクタン
スに電流を流すことができる。このことにより超伝導メ
モリループに貯えられた循環電流に応じて超伝導ニュー
ロン素子の入力部超伝導閉ループに循環電流を誘起する
シナプス回路が得られる。

【００２２】

【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。

【００２３】本シナプス回路は、ジョセフソン素子を用
いたゲート１１、他ニューロン回路からの出力電流また
は外部からの信号電流が本シナプス回路の入力電流Ｉ_in
として供給される入力線１２、重みメモリ１３、ゲート
１１と並列に配置された重みインダクタンス１４、リセ
ットゲート１５、リセット信号線１６で構成される。ゲ
ート１１は入力線１２からゲート電流を供給され、重み
メモリ１３から制御電流を供給される。また重みインダ
クタンス１４は（従来の技術）の項で述べた超伝導ニュ
ーロン素子の入力超伝導閉ループ１０２と磁気的に結合
しており、その相互インダクタンスは３ｐＨである。ま
た超伝導閉ループ１０２の全インダクタンスは６０ｐＨ
である。リセットゲート１５は重みインダクタンス１４
と直列に配置される。

【００２４】本実施例ではゲート１１として、図２に等
価回路に示す２接合量子干渉計を用いる。２接合量子干
渉計は、超伝導閉ループにジョセフソン素子２１を２個
含んでおり、ゲート電流２３からゲート電流Ｉ_gが供給
され、インダクタンス２２を介して制御電流路２４から
制御電流Ｉ_cが供給される。また２接合量子干渉計は図
３に示すしきい値特性を有しており、動作点がしきい値
の山の中にあるときは、超伝導状態にあるが、動作点が
しきい値の山の外に出ると電圧状態にスイッチする。本
実施例では、ジョセフソン素子２１の臨界電流値をそれ
ぞれ０．４ｍＡ、インダクタンス２２の値をそれぞれ
０．８５ｐＨとする。

【００２５】入力線１２を通して入力電流Ｉ_inが０．６
ｍＡ供給されると、Ｉ_inは、ゲート１１を含むパスと重
みインダクタンス１４を含むパスのインダタンス比に応
じて分流する。ゲート１１とリセットゲート１５の等価
インダクタンスをそれぞれ０．４ｐＨ、重みインダクタ
ンス１４の自己インダクタンス値を１０ｐＨとすると、
Ｉ_inは約９６％がゲート１１を含むパスに流れる。この
とき重みメモリからの出力が“１”であり重み電流Ｉ_w
が０．６ｍＡ流れているとゲート１１は電圧状態にスイ
ッチする。

【００２６】このスイッチを図３のしきい値特性を用い
て説明する。重み電流Ｉ_wだけが流れているときは動作
点は図３の３２にあるが入力が電流Ｉ_inが供給されると
動作点は３３に移りしきい値の山の外に出るためゲート
１１は電圧状態にスイッチする。一方入力電流Ｉ_inが先
に流れて動作点が３１にある場合も重み電流Ｉ_wが流れ
ることによって動作点が３３に移り、ゲート１１は電圧
状態にスイッチする。

【００２７】ゲート１１が電圧状態にスイッチすると入
力電流Ｉ_inはすべて重みインダクタンス１４を含むパス
の方向に流れる。重みインダクタンス１４に電流が流れ
ると重みインダクタンス１４と超伝導ニューロン素子の
超伝導閉ループ１０２間の相互インダクタンス３ｐＨと
超伝導閉ループ１０２の全インダクンス６０ｐＨおよび
入力電流Ｉ_in＝０．６ｍＡによって３／６０×０．６＝
０．０３ｍＡの循環電流が超伝導閉ループ１０２中に誘
起される。この循環電流は、他シナプス回路による循環
電流と足し合わされその値が一定値を超えるとスイッチ
ングエレメント１０４が電圧状態にスイッチし、出力線
１０６を通って出される。

【００２８】一方重みメモリ１３からの出力が“０”で
あり重み電流Ｉ_wが流れないと、ゲート１１は超伝導状
態のままであり、重みインダクタンス１４を含むパスに
は電流は流れず、従って超伝導閉ループ１０２にはこの
シナプス回路による循環電流は流れない。

【００２９】また一度重みインダクタンス１４に電流が
流れると、入力電流が立ち下がった後も重みインダクタ
ンス１４とゲート１１を含む超伝導閉ループには電流が
流れつづける。そこで本実施例では重みインダクタンス
１４と直列にリセットゲート１５を挿入し、適当なタイ
ミングでリセット信号線を通して電流を流してやること
により、リセットゲート１５を電圧状態にスイッチさ
せ、重みインダクタンス１４とゲート１１からなる超伝
導閉ループの電流をリセットする。このリセットゲート
１５としては、図２に示した２接合量子干渉計を用いる
ことができる。

【００３０】以上説明したように本実施例の回路を用い
れば、重みメモリの“１”、“０”の値Ｗと入力電流Ｉ
_inの積に対応した循環電流を超伝導ニューロン回路の超
伝導閉ループに誘起することができ、本実施例の回路
が、２値の重みを持ったシナプス回路として働くことが
わかる。

【００３１】また本実施例では、ゲート１１、リセット
ゲート１５として２接合量子干渉計を用いたが、インラ
インゲートや３接合量子干渉計等の他の種類のジョセフ
ソン接合を用いたゲートを用いることもできる。さらに
リセットゲート１５の代わりに、値の小さな抵抗体を重
みゲート１４と直列に挿入することもできる。

【００３２】（実施例２）図４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４を用いて第２の発
明の実施例の説明を行う。

【００３３】本シナプス回路は、ジョセフソン素子を用
いたゲート１１、他ニューロン回路からの出力電流また
は外部からの信号電流が本シナプス回路の入力電流Ｉ_in
として供給される入力線１２、重みメモリ１３、ゲート
１１と並列に配置された重みインダクタンス１４、リセ
ットゲート１５、リセット信号線１６で構成されたユニ
ットが４個直列につながっている。図４上から上記ユニ
ットをＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄと名付けるとＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの重
みインダクタンス１４と超伝導ニューロン素子の入力部
起伝導閉ループ１０２間の相互インダクタンスの値の比
は１：２：４：８になっている。４個のゲート１１は入
力線１２からゲート電流Ｉ_inを供給されそれぞれに付属
したメモリ１３から制御電流Ｉ_wを供給される。またそ
れぞれの重みインダクタンス１４は（従来の技術）の項
で述べた超伝導ニューロン素子の入力部超伝導閉ループ
１０２と磁気的に結合している。

【００３４】本実施例ではゲート１１として図２に等価
回路を示す２接合量子干渉計を用いる。２接合量子干渉
計は超伝導閉ループにジョセフソン素子２１を２個含ん
でおり、ゲート電流路２３からゲート電流Ｉ_gが供給さ
れ、インダクタンス２２を介して制御電流路２４から制
御電流Ｉ_cが供給される。また２接合量子干渉は図３に
示すしきい値特性を有しており、動作点がしきい値の山
の中にあるときは、超伝導状態にあるが、動作点がしき
い値の山の外に出ると電圧状態にスイッチする。本実施
例ではジョセフソン素子２１の臨界電流値がそれぞれ
０．４ｍＡ、インダクタンス２２の値がそれぞれ０．８
５ｐＨの２接合量子干渉計を用いる。

【００３５】入力線１２を通して入力電流Ｉ_inが０．６
ｍＡが供給されるとＩ_inはゲート１１を含むパスと重み
インダクタンス１４を含むパスのインダクタンス比に応
じて分流する。ゲート１１とリセットゲート１５の等価
インダクタンスをそれぞれ０．４ｐＨ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ
の重みインダクタンスの自己インダクタンス値をそれぞ
れ１０ｐＨ、２０ｐＨ、３０ｐＨ、８０ｐＨとすると、
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのゲート１１にはそれぞれ９６％、９８
％、９９％、９９．５％の入力電流Ｉ_inが流れる。この
とき重みメモリからの出力が“１”であり重み電流Ｉ_w
が０．６ｍＡ流れているユニットのゲート１１は動作点
が図３の動作点３２から動作点３３に移りしきい値の山
の外に出るため電圧状態にスイッチし、入力電流はすべ
て重みインダクタンス１４を含むパスに流れる。入力電
流Ｉ_inが先に流れて、重み電流Ｉ_wが後から流れても、
図３動作点は、動作点３１から動作点３３に移るため同
様にゲート１１はスイッチする。一方重みメモリからの
出力が“０”であり重み電流Ｉ_wが流れていないユニッ
トのゲート１１は超伝導状態を保ち、重みインダクタン
ス１４には電流はほとんど流れない。

【００３６】本実施例ではＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ各ユニットの
重みインダクタンス１４と超伝導ニューロン素子の入力
部超伝導閉ループ１０２との相互インダクタンスの比は
１：２：４：８になっているため、ユニットＡの重みイ
ンダクタンス１４と超伝導閉ループ１０２間の相互イン
ダクタンスをＭ、超伝導閉ループ１０２の総インダクタ
ンスをＬとすると、各重みメモリ１３からの出力の組み
合せによって、超伝導閉ループには、Ｍ／Ｌ・（Ｗ_A＋
２Ｗ_B＋４Ｗ_c＋８Ｗ_D）・Ｉ_inの循環電流が誘起され
る。ここでＷ_A、Ｗ_B、Ｗ_C、Ｗ_Dはそれぞれユニット
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの重みメモリ１３からの出力で“０”ま
たは“１”の値をもつ。つまり本回路は、Ｗ_A、Ｗ_B、
Ｗ_C、Ｗ_Dの組み合せで、４ビットの異なる値の循環電
流を超電流を超伝導閉ループ１０２中に誘起できる。

【００３７】本回路によって超伝導閉ループ１０２中誘
起された循環電流は他のシナプス回路による循環電流と
足し合せられ、その値があるしきい値を超えると超伝導
ニューロン素子のスイッチングエレメント１０４が電圧
状態にスイッチし、出力線１０６に出力が出される。

【００３８】また一度重みインダクタンス１４に電流が
流れると、入力電流が立ち下がった後も、重みインダク
タンス１４とゲート１１を含む超伝導ループには電流が
流れつづける。そこで本実施例では重みインダクタンス
１４と直列にリセットゲート１５を挿入し、適当なタイ
ミングでリセット信号線を通して電流を流してやること
により、リセットゲート１５を電圧状態にスイッチさ
せ、重みインダクタンス１４とゲート１１からなる超伝
導閉ループの電流をリセットする。このリセットゲート
１５としては、図２に示した２接合量子干渉計を用いる
ことができる。

【００３９】以上説明したように本実施例の回路を用い
れば、入力電流Ｉ_inに対して各ユニットの重みメモリ１
３の値の組み合せにより４ビットの異なる値の循環電流
を超伝導閉ループ中の誘起でき、本実施例の回路は、４
ビットの可変重みを持つシナプス回路として動作する。
本実施例では、ユニット数を４とし各ユニットの重み
インダクタンスの値の比を１：２：４：８としたが、ユ
ニットの数を変えたり、各ユニットの重みインダクタン
スの値の比を変えることで、所望の可変重みを有するシ
ナプス回路を構成できる。

【００４０】また本実施例では、ゲート１１、リセット
ゲート１５として２接合量子干渉計を用いたが、インラ
インゲートや３接合量子干渉計等の他種類のジョセフソ
ン接合を用いたゲートを用いることもできる。さらにリ
セットゲート１５の代わりに、値の小さな抵抗体を重み
インダクタンス１４と直列に挿入することもできる。

【００４１】（実施例３）図５は、第３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３の
発明の実施例の説明を行う。

【００４２】本シナプス回路は、ジョセフソン素子を用
いたゲート１１、他ニューロン回路からの出力電流また
は、外部からの信号電流が本シナプス回路の入力電流Ｉ
_inとして供給される入力線１２、重みメモリ１３、外部
からのゲート電流Ｉ_gによってバイアスされ、入力電流
Ｉ_inと重みメモリ１３からの出力電流Ｉ_wを制御電流と
する磁界結合型ＡＮＤゲート５１、ＡＮＤゲート５１と
並列に配置され超伝導ニューロン素子の入力部超伝導閉
ループ１０２と磁気的に結合した重みインダクタンス１
４、リセットゲート１５、リセット信号線１６で構成さ
れたユニットが４個直列につながっている。図５上から
上記ユニットをＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄと名付けると、Ａ、Ｂ、
Ｃ、Ｄの重みインダクタンス１４と超伝導閉ループ１０
２間の相互インダクタンスの値の比は、１：２：４：８
になっている。

【００４３】本実施例では、ＡＮＤゲート５１として図
２に等価回路を示す２接合量子干渉計を用いる。２接合
量子干渉計は、超伝導閉ループにジョセフソン素子２１
を２個含んでおり、ゲート電流路２３からゲート電流Ｉ
_gが供給され、インダクタンス２２を介して制御電流路
２４から制御電流Ｉ_cが供給される。なお図２では制御
電流路２４は一本しか示してないが、本ゲートはＡＮＤ
ゲートであるため、制御電流路２４は２本となる。また
２接合量子干渉計は、図３に示すしきい値特性を有して
おり、動作点がしきい値の山の中にあるときは、超伝導
状態にあるが、動作点がしきい値の山の外に出ると電圧
状態にスイッチする。

【００４４】本実施例では、ジョセフソン素子２１の臨
界電流値がそれぞれ０．４ｍＡ、インダクタンス２２の
値がそれぞれ０．８５ｐＨの２接合量子干渉計を用い
る。

【００４５】ＡＮＤゲート５１にゲート電流Ｉ_gが０．
４ｍＡ供給された状態で、入力線１２を通して入力電流
Ｉ_inが０．３ｍＡ供給されると、ＡＮＤゲート５１の動
作点は、図３の動作点３４から、動作点３５に移る。動
作点３５はしきい値の山の内側にあるので、これだけで
は、ＡＮＤゲート５１はスイッチしない。この状態に、
重みメモリ１３からの出力電流Ｉ_wが０．３ｍＡある
と、動作点は図３の動作点３５から動作点３６に移りし
きい値の山の外に出るため、ＡＮＤゲート５１は電圧状
態にスイッチする。また、重みメモリからの出力電流Ｉ
_wだけが流れており、入力電流Ｉ_inが流れていない状態
でも、動作点は動作点３５にありＡＮＤゲート５１はス
イッチしない。

【００４６】ＡＮＤゲート５１が電圧状態にスイッチす
ると、ゲート電流Ｉ_gはすべて重みインダクタンス１４
を含むパスの方に流れる。重みインダクタンス１４に電
流が流れると、超伝導ニューロン回路の超伝導閉ループ
１０２に循環電流が誘起される。本実施例では、Ａ、
Ｂ、Ｃ、Ｄ各ユニットの重みインダクタンス１４と、超
伝導閉ループ１０２との相互インダクタンス値の比は、
１：２：４：８になっているため、ユニットＡの重みイ
ンダクタンス１４と超伝導閉ループ１０２間の相互イン
ダクタンスをＭ、超伝導閉ループ１０２の総インダクタ
ンスをＬとすると、超伝導閉ループに誘起される循環電
流Ｉ_cirは次式で表わされる。

【００４７】Ｉ_cir＝Ｍ／Ｌ・（Ｇ_A＋２Ｇ_B＋４Ｇ_C
＋８Ｇ_D）・Ｉ_g ここでＧ_A、Ｇ_B、Ｇ_C、Ｇ_DはユニットＡ、Ｂ、Ｃ、
Ｄのゲートの５１のスイッチの有無を表す“１”、
“０”の値である。入力電流Ｉ_in、重みメモリからの出
力電流Ｉ_wを“１”、“０”のデジタル信号として取り
あつかうと、Ｇ_i＝Ｉ_in・Ｉ_wiとなるのでＩ_cirは次式
のように書ける。（Ｇ_i、Ｉ_wiはユニットｉのＡＮＤゲ
ート５１のスイッチおよびＩw の有無を表す。）Ｉ_cir＝Ｍ／Ｌ・（Ｉ_in・Ｉ_wA＋２Ｉ_in・Ｉ_wB＋４Ｉ_in
・Ｉ_wC＋８Ｉ_in・Ｉ_wD）・Ｉ_g＝Ｍ／Ｌ・Ｉ_g・Ｉ
_in（Ｉ_wA＋２Ｉ_wB＋４Ｉ_wC＋８Ｉ_wD）Ｌ、Ｍ、Ｉ_gの値は一定であるため、本回路は、デジタ
ル信号Ｉ_inに対して、０から１５までの４ビットの重み
を付けて、その重みに対応した循環電流Ｉ_cirと超伝導
ニューロン素子の入力部超伝導閉ループ１０２に誘起す
るシナプス回路である。

【００４８】本シナプス回路によって超伝導閉ループ１
０２中に誘起された循環電流は、他シナプス回路による
循環電流と足し合せられ、その値があるしきい値を超え
ると超伝導ニューロン回路のスイッチングエレメント１
０４が電圧状態にスイッチし、出力線１０６に出力が出
される。

【００４９】また一度重みインダクタンス１４に電流が
流れると、入力電流が立ち下がった後も、重みインダク
タンス１４とゲート１１を含む超伝導ループには電流が
流れつづける。そこで本実施例では重みインダクタンス
１４と直列にリセットゲート１５を挿入し、適当なタイ
ミングでリセット信号線を通して電流を流してやること
により、リセットゲート１５を電圧状態にスイッチさ
せ、重みインダクタンス１４とゲート１１からなる超伝
導ループの電流をリセットする。このリセットゲート１
５としては、図２に示した２接合量子干渉計を用いるこ
とができる。

【００５０】以上説明したように、本実施例の回路を用
いれば、デジタル化した入力信号Ｉ_inに対して、各ユニ
ットの重みメモリ１３の値の組み合せにより４ビットの
異なる値の循環電流を超伝導閉ループ中に誘起でき、本
実施例の回路は４ビットの可変重みを持つシナプス回路
として動作する。また、入力電流Ｉ_inをＡＮＤゲート５
１のゲート電流として用いてないため、入力線１２すな
わち他のニューロン素子の出力線１０６のインダクタン
ス値がＡＮＤゲートのスイッチにより、変化しない。さ
らにこのために重みインダクタンス１４を含むパスのイ
ンダクタンスを十分大きくすることができ、ＡＮＤゲー
ト５１がスイッチしないときのもれ電流を十分小さくす
ることができる。

【００５１】本実施例では、ユニット数を４とし各ユニ
ットの重みインダクタンスの値の比を１：２：４：８と
したが、ユニット数を変えたり、各ユニットの重みイン
ダクタンスの値の比を変えることで、所望の可変重みを
有するシナプス回路を構成できる。

【００５２】また本実施例では、ゲート１１、リセット
ゲート１５として２接合量子干渉計を用いたが、インラ
インゲートや３接合量子干渉計等の他のジョセフソン接
合を用いたゲートを用いることもできる。さらにリセッ
トゲート１５の代わりに、値の小さな抵抗体を重みイン
ダクタンス１４と直列に挿入することもできる。

【００５３】（実施例４）図６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６を用いて、第４の
発明の実施例の説明を行う。

【００５４】本シナプス回路は、ジョセフソン素子を用
いた特許請求の範囲の項に示す第２のゲートであるゲー
ト６１、ゲート６１を含む超伝導メモリループ６２、ゲ
ート６１にゲート電流Ｉ_gを供給するゲート電流路６
３、ゲート６１に制御電流Ｉ_cを供給する制御電流路６
４、他のニューロン回路からの出力電流または外部から
の信号電流が本シナプス回路の入力電流Ｉ_inとして供給
される入力線１２、入力線１２と超伝導メモリループ６
２を制御線に持つ特許請求の範囲の項に示す第１のゲー
トであるＡＮＤゲート５１、ＡＮＤゲート５１と並列に
配置され、超伝導ニューロン回路の入力部超伝導閉ルー
プ１０２と磁気的に結合した重みインダクタンス１４、
重みインダクタンス１４と、ＡＮＤゲート１５を含む超
伝導閉ループに流れる電流のリセットを行うリセットゲ
ート１５、リセットゲート１５に信号を与えるリセット
信号線１６で構成されたユニットが４個直列につながっ
ている。図６の上方から上記ユニットをＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ
と名付けると、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの重みインダクタンス１
４と超伝導閉ループ１０２間の相互インダクタンスの値
の比は１：２：４：８になっている。

【００５５】本実施例では、ゲート６１、ＡＮＤゲート
５１として図２に等価回路を示す２接合量子干渉計を用
いる。２接合量子干渉計は超伝導閉ループにジョセフソ
ン素子２１を２個含んでおり、ゲート電流路２３からゲ
ート電流Ｉ_gが供給され、インダクタンス２２を介して
制御電流路２４から制御電流Ｉ_cが供給される。なお図
２では、制御電流路２４は一本しか示してないが、ＡＮ
Ｄゲート５１では、制御電流路２４は２本となる。また
２接合量子干渉計は図３に示すしきい値特性を有してお
り、動作点がしきい値の山の中にあるときは超伝導状態
にあるが、動作点がしきい値の山の外に出ると電圧状態
にスイッチする。本実施例ではゲート６１としてジョセ
フソン素子２１の臨界電流値がそれぞれ０．２ｍＡ、イ
ンダクタンス２２の値がそれぞれ１．７ｐＨの２接合量
子干渉計を用い、ＡＮＤゲート５１としてジョセフソン
素子２１の臨界電流値がそれぞれ０．４ｍＡ、インダク
タンス２２の値がそれぞれ１．７ｐＨの２接合量子干渉
計を用いる。

【００５６】ゲート電流路６３からゲート電流Ｉ_gが供
給されるとゲート電流Ｉ_gは、超伝導メモリループ６２
のゲート６１を含むパスと含まないパスとのインダクタ
ンスの比に対応して分流するが、ゲート６１を含まない
パスのインダクタンスは、ゲート６１を含むパスのイン
ダクタンスよりずっと大きいため、ゲート電流Ｉ_gのほ
とんどはゲート６１を含むパスに流れる。このときゲー
ト６１を含まないパスの方に分流する電流は値が十分小
さいため、ＡＮＤゲート５１のスイッチに影響を及ぼさ
ない。ゲート６１にゲート電流Ｉ_gが流れている状態で
制御電流路６４に制御電流Ｉ_cが流れると、ゲート６１
の動作点は図３の動作点３１から動作点３３に移り、ゲ
ート６１は電圧状態にスイッチする。ゲート６１がスイ
ッチするとゲート電流Ｉ_gは超伝導メモリループ６２の
ゲート６１を含まないパスの方に流れる。この状態から
制御電流Ｉc が零になり続いてゲート電流Ｉ_gが零にな
ると、超伝導の閉じたループにはその中にある磁束を保
存しようとする性質があるため、ゲート６１を含む超伝
導メモリループ６２にメモル電流Ｉ_Mが流れ続ける。超
伝導の閉じたループの中の磁束は量子磁束Φ₀＝２．０
７×１０^-15（Ｗｂ／ｍ²）で量子化されるため、超伝
導メモリループ６２のゲート６１を含まないパスのイン
ダクタンスをＬ_M、超伝導メモリループ全体のインダク
タンスをＬ_M0とするとメモリ電流Ｉ_Mは次式で表わされ
る。

【００５７】Ｉ_M＝ｎΦ₀／Ｌ_M0 ここでｎは保存される量子磁束数でありＸを越えない最
大の整数を表すガウス記号［Ｘ］を用いて次式で表され
る整数である。

【００５８】ｎ＝（Ｌ_MＩ_g／Φ₀＋０．５）本実施例では、Ｌ_M、Ｌ_M0の値をそれぞれ２０ｐＨ、２
１ｐＨとし、ゲート電流Ｉ_gを０．３ｍＡ流すと、メモ
リ電流Ｉ_Mは約０．３ｍＡとなる。この時保存される量
子磁束Φ₀の数は３である。

【００５９】一度超伝導メモリループ６２中に流れたメ
モリ電流Ｉ_Mを零にもどすには、もう一度ゲート６１を
電圧状態にスイッチする必要がある。そのためには、ゲ
ート電流Ｉ_gが流れていない状態で制御電流Ｉ_cだけを
流してやればよい。ゲート６１は、メモリ電流Ｉ_Mによ
って、ゲート電流Ｉ_gを流したときに逆向きにバイアス
されており、動作点は図３の動作点３７にある。この状
態から制御電流Ｉ_cが流れると、動作点は、図３の動作
点３８に移りゲート６１は電圧状態にスイッチし、超伝
導の閉じたループが破れるためメモリ電流Ｉ_Mは零にな
る。一方メモリ電流Ｉ_Mが流れている状態で、ゲート電
流Ｉ_gを流すと、二つの電流は互いに打ち消しあって動
作点は図３の動作点３９に移り、制御電流Ｉ_cを流して
も、動作点３２に移るだけなのでゲート６１はスイッチ
しない。

【００６０】以上述べたように、本回路では、ゲート電
流Ｉ_gと制御電流Ｉ_cを同時に流すことによって超伝導
メモリループ６２に流れるメモリ電流Ｉ_Mを“１”にす
ることができ、制御電流Ｉ_cだけを流すことによって超
伝導メモリループ６２に流れるメモリ電流Ｉ_Mを“０”
にすることができる。ＡＮＤゲート５１は、バイアス電
流Ｉ_bでバイアスされた状態で、入力線１２からの入力
電流Ｉ_inと、超伝導メモリループ６２からのメモリ電流
Ｉ_Mがともに流れると動作点が図３の動作点３４から動
作点３５を通り動作点３６に移り電圧状態にスイッチす
る。ＡＮＤゲート５１がスイッチすると、ＡＮＤゲート
５１をバイアスしていたバイアス電流Ｉ_bは、重みイン
ダクタンス１４の方に流れる。重みインダクタンス１４
に電流が流れると、重みインダクタンス１４と磁気的に
結合した超伝導ニューロン素子の超伝導閉ループ１０２
に循環電流が誘起される。

【００６１】本実施例ではＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、各ユニット
の重みインダクタンス１４と超伝導閉ループ１０２との
相互インダクタンス値の比は、１：２：４：８になって
いるため、ユニットＡの重みインダクタンス１４と超伝
導閉ループ１０２間の相互インダクタンスをＭ、超伝導
閉ループ１０２の総インダクタンスをＬとすると、超伝
導閉ループに誘起される循環電流Ｉ_cirは次式で表わさ
れる。

【００６２】Ｉ_cir＝Ｍ／Ｌ・（Ｇ_A＋２Ｇ_B＋４Ｇ_C
＋８Ｇ_D）・Ｉ_b ここでＧ_A、Ｇ_B、Ｇ_C、Ｇ_DはユニットＡ、Ｂ、
Ｃ、Ｄのゲート５１のスイッチの有無を表す“１”、
“０”の値である。入力電流Ｉ_inメモリ電流Ｉ_Mを
“１”、“０”のデジタル信号として取りあつかうとＧ
_i＝Ｉ_in・Ｉ_MiとなるのでＩcir は次式のように書け
る。（Ｇ_i、Ｉ_Miは、ユニットｉのＡＮＤゲート５１の
スイッチ、およびＩM の有無を表す。）Ｉ_cir＝Ｍ／Ｌ・（Ｉ_in・Ｉ_MA＋２Ｉ_in・Ｉ_MB＋４Ｉ_in
・Ｉ_MC＋８Ｉ_in・Ｉ_MD）・Ｉ_b＝Ｍ／Ｌ・Ｉ_b・Ｉ
_in（Ｉ_MA＋２Ｉ_MB＋４Ｉ_MC＋８Ｉ_MD）Ｌ、Ｍ、Ｉ_bの値は一定であるため本回路は、超伝導メ
モリループ６２にメモリ電流Ｉ_Mが保存されているかど
うかによって、デジタル信号Ｉ_inに対して０から１５ま
での４ビットの重みを付けて、その重みに対応した循環
電流Ｉ_cirを超伝導ニューロン素子の入力部超伝導閉ル
ープ１０２に誘起するシナプス回路である。

【００６３】本シナプス回路によって超伝導閉ループ１
０２中に誘起された循環電流は、他シナプス回路による
循環電流と足し合せられ、その値があるしきい値を起え
ると超伝導ニューロン回路のスイッチングエレメント１
０４が電圧状態にスイッチし、出力線１０６に出力が出
される。

【００６４】また一度重みインダクタンス１４に電流が
流れると、入力電流が立ち下がった後も、重みインダク
タンス１４とゲート１１を含む超伝導ループには電流が
流れつづける。そこで本実施例では重みインダクタンス
１４と直列にリセットゲート１５を挿入し、適当なタイ
ミングでリセット信号線を通して電流を流してやること
により、リセットゲート１５を電圧状態にスイッチさ
せ、重みインダクタンス１４とゲート１１からなる超伝
導ループの電流をリセットする。このリセットゲート１
５としては、図２に示した２接合量子干渉計を用いるこ
とができる。

【００６５】以上説明したように本実施例の回路を用い
れば、入力電流Ｉ_inに対して、超伝導メモリループ６２
中に保存されたメモリ電流Ｉ_Mにより重み付けを行い、
所望の循環電流を超伝導ニューロン素子の入力部超伝導
閉ループ１０２に誘起する。超伝導シナプス回路が得ら
れる。また、超伝導メモリループ６２中に流れるメモリ
電流Ｉ_Mの有無はゲート電流Ｉ_gおよび制御電流Ｉ_cに
よって制御できるため、本シナプス回路の重みは可変で
ある。

【００６６】本実施例においては、超伝導メモリループ
６２は実施例３で述べた回路を組み合せたか、実施例２
で述べた回路と組み合せても同様の効果を期待できる。

【００６７】本実施例ではユニット数を４とし各ユニッ
トの重みインダクタンスの値の比を１：２：４：８とし
たが、ユニット数を変えたり、各ユニットの重みインダ
クタンスの値の比を変えることで、所望の可変重みを有
するシナプス回線を構成できる。

【００６８】また本実施例では、ゲート１１、リセット
ゲート１５として２接合量子干渉計を用いたが、インラ
インゲートや３接合量子干渉計等の他のジョセフソン接
合を用いたゲートを用いることもできる。さらにリセッ
トゲート１５に代わりに、値の小さな抵抗体を重みゲー
ト１４と直列に挿入することもできる。

【００６９】

【発明の効果】第１の発明を用いれば、入力電流に対し
て“１”、“０”二値の重み付けが可能な超伝導シナプ
ス回路が得られる。第２の発明を用いれば、入力電流に
対して所望の値の可変重み付けが可能な超伝導シナプス
回路が得られる。第３の発明を用いれば、デジタル化し
た入力電流に対して所望の値の可変重み付けが可能な超
伝導シナプス回路が得られ、しかも、重みの大きさによ
って入力線すなわち他のニューロンの出力線の負荷が変
わることがない。また重みメモリからの出力が“０”の
ときのもれ電流も十分小さくできる。第４の発明を用い
れば超伝導メモリループを用いて可変重み付けが可能な
超伝導シナプス回路が得られる。

【図面の簡単な説明】

【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。

【図２】２接合量子干渉計を説明するための回路図であ
る。

【図３】２接合量子干渉計の動作を説明するためのしき
い値特性図である。

【図４】本発明の第２の実施例を説明するための回路図
である。

【図５】本発明の第３の実施例を説明するための回路図
である。

【図６】本発明の第４の実施例を説明するための回路図
である。

【図７】従来の超伝導ニューロン素子を説明するための
回路図である。

【符号の説明】

１１ゲート１２入力線１３重みメモリ１４重みインダクタンス１５リセットゲート１６リセット信号線２１ジョセフソン素子２２インダクタンス２３ゲート電流路２４制御電流路３１〜３９動作点５１ＡＮＤゲート６１ゲート６２超伝導メモリループ６３ゲート電流路６４制御電流路１０１入力線１０２超伝導閉ループ１０３バイアス入力端１０４スイッチングエレメント１０５出力ゲート１０６出力線１０７リセットゲート１０８リセット信号線

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】他ニューロン回路からの出力電流または
外部からの信号電流からなる入力電流をゲート電流とす
るジョセフソン素子を用いたゲートと、このゲートに制
御電流を供給する重みメモリと、超伝導ニューロン回路
の入力部超伝導閉ループと磁気的に結合しかつ前記ゲー
トと並列に配置された重みインダクタンスを少くとも含
み、前記ゲートのスイッチにより前記入力電流を前記重
みインダクタンスに流し前記超伝導閉ループに循環電流
を誘起させることを特徴とする超伝導シナプス回路。
【請求項２】他ニューロン回路からの出力電流または
外部からの信号電流からなる入力電流をゲート電流とす
るジョセフソン素子を用いたゲートとこのゲートに制御
電流を供給する重みメモリと、超伝導ニューロン回路の
入力部超伝導閉ループと磁気的に結合しかつ前記ゲート
と並列に配置された重みインダクタンスを少くとも含む
ユニットが複数個直列に接続され、前記ゲートのスイッ
チにより前記入力電流を前記重みインダクタンスに流
し、スイッチする前記ゲートに付随した前記重みインダ
クタンスの値の組み合せにより所望の値の循環電流を前
記超伝導閉ループに誘起することを特徴とする超伝導シ
ナプス回路。
【請求項３】他ニューロン回路からの出力電流または
外部からの信号電流からなる入力電流と重みメモリから
の信号電流を制御電流とするジョセフソン素子を用いた
磁界結合型ＡＮＤゲートと、超伝導ニューロン回路の入
力部超伝導閉ループと磁気的に結合しかつ前記ＡＮＤゲ
ートと並列に配置された重みインダクタンスを少くとも
含むユニットが複数個直列に接続され、前記ＡＮＤゲー
トのスイッチにより前記重みインダクタンスに電流を流
し、スイッチする前記ＡＮＤゲートに付随した前記重み
インダクタンスの値の組み合せにより所望の値の循環電
流を前記超伝導閉ループに誘起することを特徴とする超
伝導シナプス回路。
【請求項４】ジョセフソン素子を用いた第１のゲート
と、この第１のゲートと磁気的に結合しかつジョセフソ
ン素子を用いた第２のゲートを含む超伝導メモリループ
と、前記第２のゲートにゲート電流を供給するゲート電
流路と、前記第２のゲートに制御電流を供給する制御電
流路と、超伝導ニューロン回路の入力超伝導閉ループと
磁気的に結合しかつ前記第１のゲートと並列に配置され
た重みインダクタンスを少なくとも含み、前記超伝導メ
モリループに蓄えられた循環電流の有無により前記第１
のゲートのスイッチを制御し前記超伝導閉ループに誘起
される循環電流値を制御することを特徴とする超伝導シ
ナプス回路。