JP5187804B2 - Vertical / horizontal processor - Google Patents

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Description

本発明は、ニューラル・ネットワークの動作原理に従う新規な垂直・水平プロセッサ(あるいは、単に「垂直プロセッサ」とも呼ぶ)、この垂直・水平プロセッサを含む修正仮想ソース・ニューラル・ネットワーク・モデル、およびこの垂直・水平プロセッサの単一垂直・水平プロセッサを学習させるプロセッサ学習法に関する。   The present invention provides a novel vertical and horizontal processor (or simply referred to as “vertical processor”) that follows the principle of operation of a neural network, a modified virtual source neural network model that includes the vertical and horizontal processor, and the vertical and horizontal processor. The present invention relates to a processor learning method for learning a single vertical / horizontal processor of a horizontal processor.

任意のシーケンシャル(逐次型)プロセッサにおいては、そのプロセッサがテラフロップ型のものであっても、それぞれのビットは、1つずつ情報処理される。しかし、脳のプロセスにおいては、たとえ、それがゆっくりであっても、何千ものビットが、一度に情報処理される。ソフトウェアによって神経系統をまねるために、いくつかのモデルが作られており、また、神経活動の性質をまねる多くの実験構成が提案されている。一例では、イオン・チャネルを作り出すこと(例えば、特許文献1参照)と、応答に、しきい電位を取り入れて、ニューラル・モデリング・デバイスを作ることである。ニューロンは、コンデンサと浮遊ゲート形トランジスタを用いて設計され(例えば、特許文献2参照)、同等なニューラル・ネットワーク・モデルを用いて解析されてきた。結合性を強めるか、あるいは弱めるための複数の信号入出力を持つ物理的ニューラル・ネットワークも実現されている(例えば、特許文献3参照)。ニューロンを設計することとは別に、ランダム・ネットワークを解析するために、多くのモデルが作られている。しかしながら、このようなモデルはどれも、固体デバイスで神経系統の基本機能を現実にまねられるような構成が提案できていない。   In an arbitrary sequential (sequential type) processor, even if the processor is a teraflop type, each bit is processed one by one. However, in the brain process, thousands of bits are processed at a time, even if it is slow. Several models have been created to mimic the nervous system through software, and many experimental configurations have been proposed that mimic the nature of neural activity. One example is to create an ion channel (see, for example, US Pat. No. 6,057,836) and to incorporate a threshold potential in the response to create a neural modeling device. Neurons are designed using capacitors and floating gate transistors (see, for example, Patent Document 2) and have been analyzed using equivalent neural network models. A physical neural network having a plurality of signal inputs and outputs for enhancing or weakening connectivity has also been realized (see, for example, Patent Document 3). Apart from designing neurons, many models have been created to analyze random networks. However, none of these models has proposed a configuration that can imitate the basic functions of the nervous system with a solid-state device.

これらのモデルに従う神経系統は、情報処理の間にかなりの熱を発生させる電子部品を使用しており、したがって、ナノスケールの大きさに最小化することはできない。分子エレクトロニクスの導入は、DNAオリゴマーを用いて多層パーセプトロンの概念(例えば、特許文献4参照)を生み出すか、あるいは、スイッチング分子(例えば、特許文献5参照)を通じて情報処理面上にランダム経路を生成することにより、ナノスケールの計算の基本的問題を扱う。これらのランダム・ニューラル・ネットワークの大部分は、主としてわれわれの脳の動作原理(例えば、特許文献7参照)を応用する決定関数(例えば、特許文献6参照)を構築することにより、動作できるようになる。機械のインテリジェント制御(例えば、特許文献8参照)に対して、いくつかの提案があるが、ニューロンからニューロンへの信号伝達の基本的問題は、最終的に、任意のシステム・ユニットの障害で破壊されている逐次結合(逐次接続部)を発達させることである。どうにかしてファジー論理により逐次性を克服しようとするが、ただし、最終出力信号への個別制御を妥協しようとするプロジェクトがいくつかある。そのような例の1つは、プロジェクト・ナノセルである(例えば、非特許文献5参照)。   Neural systems that follow these models use electronic components that generate significant heat during information processing and therefore cannot be minimized to nanoscale dimensions. The introduction of molecular electronics creates the concept of a multilayer perceptron using a DNA oligomer (for example, see Patent Document 4), or generates a random path on an information processing surface through a switching molecule (for example, see Patent Document 5). It deals with the basic problems of nanoscale calculations. Most of these random neural networks can operate by constructing a decision function (for example, see Patent Document 6) that mainly applies the principle of operation of our brain (for example, see Patent Document 7). Become. Although there are several proposals for intelligent control of machines (see, for example, Patent Document 8), the basic problem of signal transmission from neuron to neuron is eventually destroyed by the failure of any system unit. It is to develop a sequential connection (sequential connection). There are some projects that somehow attempt to overcome sequentiality with fuzzy logic, but compromise individual control over the final output signal. One such example is a project nanocell (see, for example, Non-Patent Document 5).

分子を物理探針へ集積する問題は、ナノセル(例えば、非特許文献2〜4参照)を作り出す際に、ランダムな向きのスイッチの全体的な応答を、論理ゲート、例えばNANDゲートの振舞いとして、学習させることで、解決されている。他のモデルとのナノセルの主要な変更は、配座変化に左右される単一分子のワイヤリングを避けることであった。それゆえ、このような変更は、集積回路中では信頼できないこともある。そこで、クリティカルな寸法の課題が、ファジーシステムのインテリジェント論理化により解き明かされた。ナノセルと同様に、いくつかのニューラル・モデリング・デバイスを通じてファジーシステムを論理化する日まで多くのモデルが作られており、また、ANN論理を情報処理する機器も設計されている。ナノセルは、プロセッサで分子エレクトロニクスを取り扱う代替方法を提案したという点でのみ、異なっている。   The problem of integrating molecules into a physical probe is that when creating nanocells (see, for example, Non-Patent Documents 2 to 4), the overall response of a randomly oriented switch is taken as the behavior of a logic gate, eg, a NAND gate, It is solved by learning. The major change of nanocells with other models was to avoid single molecule wiring, which depends on conformational changes. Therefore, such changes may not be reliable in integrated circuits. Therefore, the critical dimension problem was solved by intelligent logic of the fuzzy system. As with nanocells, many models have been created until the day of logicalizing a fuzzy system through several neural modeling devices, and devices that process ANN logic have also been designed. Nanocells differ only in that they have proposed an alternative method of handling molecular electronics with a processor.

ナノセルが実現されているとはいえ、これは、寸法要件とは別に、いくつかの制限がある。特定の領域が、全体の論理パターンの変化をもたらすのをやめると、同一面上で、2つの異なる端部に信号入出力が取られる。この信号入出力は、ノイズの影響を受けやすい。入力信号配列の変化が、最終信号出力を有意に変化させる場合にのみ、このような(入力配列の)変化を考慮する。また、異なる配列では、同一の信号出力で終えることが可能であるかもしれない。信号出力の数と信号入力の数は、一定の演算エリア内で互いに補完している。信号入力の数が増えれば、信号出力の数が減ることになる。スイッチは、絶対的な予測不能なやり方で、ランダムに働き、また、個々のスマート・システムあるいはスイッチまたはニューロンの役割は、考慮されないし、また、必要でもない。ナノセルにおいては、我々は、信号出力電流の最終変化にのみ関心がある。異なる信号入力が、電流を異なる経路に流してもかまわなく、それにより、最終的に同一の信号出力が得られる。そこで、物理的に、この互いに作用し合う面は、異なる組の入力電圧に対して、異なる組の電流出力を供給するブラックボックスである。この面は、非線形電子部品がランダムに接続されている電極アレイとしてモデル化されることもある。スイッチおよび経路は、非線形性の発生装置である。
今日では、ナノセルの応用例が、異なるモードおよびシステム(例えば、非特許文献6参照)で実現されるか、あるいは提案されているので、我々は、同様なシステムをすべて、ナノセル・システムと呼んでいる。
Although nanocells have been realized, this has some limitations apart from dimensional requirements. When a particular region stops changing the overall logic pattern, signal input and output are taken at two different ends on the same plane. This signal input / output is susceptible to noise. Such changes (in the input sequence) are only considered if changes in the input signal sequence significantly change the final signal output. Also, different arrangements may be able to finish with the same signal output. The number of signal outputs and the number of signal inputs complement each other within a certain calculation area. As the number of signal inputs increases, the number of signal outputs decreases. The switches work randomly in an absolutely unpredictable way, and the role of individual smart systems or switches or neurons is not considered or necessary. In nanocells, we are only interested in the final change in signal output current. Different signal inputs may cause current to flow in different paths, so that ultimately the same signal output is obtained. Thus, physically, this interacting surface is a black box that supplies different sets of current outputs for different sets of input voltages. This surface may be modeled as an electrode array in which nonlinear electronic components are randomly connected. The switches and paths are non-linear generators.
Nowadays, nanocell applications are realized or proposed in different modes and systems (see, for example, Non-Patent Document 6), so we call all similar systems nanocell systems. Yes.

U.S.5,378,342U.S. 5,378,342 U.S.5,343,555U.S. 5,343,555 U.S.6,889,216 B2U.S.6,889,216 B2 U.S.6,741,956 B1U.S. 6,741,956 B1 U.S.6,820,244 B2U.S.6,820,244 B2 U.S.6,886,008 B2U.S.6,886,008 B2 U.S.4,954,963U.S. 4,954,963 U.S.6.882,992 B1U.S.6.882,992 B1

J.Hopfield, Neural networks and physical systems with emergent collective computational abilities(創発的集団的計算能力を持つニューラル・ネットワークと物理システム), 79Proc, Nati. Acad. Of Sci. USA 2554(1982)。J. Hopfield, Neural networks and physical systems with emergent collective computational abilities, 79Proc, Nati. Acad. Of Sci. USA 2554 (1982). http://www.caam.rice.edu/caam/trs/2002/TR02-04.pdfにて入手できるSummer M. Husband, Programming in Nanocell a random array of molecules(ナノセルでのプログラミング、ランダムな分子配列), Rice University PhD thesis April 2002。Summer M. Husband, Programming in Nanocell a random array of molecules, available at http://www.caam.rice.edu/caam/trs/2002/TR02-04.pdf ), Rice University PhD thesis April 2002. Christopher P. Husband, Summer M.Husband, Jonathan S.Daniels, and James M. Tour, Logic and Memory With Nanocell Circuits(ナノセル回路を持つ論理とメモリ), IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL.50, No.9, SEPTEMBER 2003 pp-1865。Christopher P. Husband, Summer M. Husband, Jonathan S. Daniels, and James M. Tour, Logic and Memory With Nanocell Circuits, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL.50, No.9 , SEPTEMBER 2003 pp-1865. James M. Tour, William L. Van Zandt, Christopher P. Husband, Summer M. Husband, Lauren S, Wilson, Paul D. Franzon, and David P. Nackashi, Nanocell Logic Gates for Molecular Computing(分子コンピューティング用のナノセル論理ゲート), IEEE TRANSACTIONS ON NANOTECHNOLOGY, VOL.1, NO.2, JUNE 2002 pp-100。James M. Tour, William L. Van Zandt, Christopher P. Husband, Summer M. Husband, Lauren S, Wilson, Paul D. Franzon, and David P. Nackashi, Nanocell Logic Gates for Molecular Computing (Nanocells for Molecular Computing) Logic gate), IEEE TRANSACTIONS ON NANOTECHNOLOGY, VOL.1, NO.2, JUNE 2002 pp-100. http://www.eng.yale.edu/reedlab/protected/proposals/nanocell-full-proposal.pdfにて入手できるナノセル・プロジェクト提案。Nanocell project proposals available at http://www.eng.yale.edu/reedlab/protected/proposals/nanocell-full-proposal.pdf. N. J. Wu, H. Lee, Y. Amemiya, H. Yasunaga, Methods for determining weight co-efficients for Quantum Boltzman Machine neuron devices(量子ボルツマン・マシン型ニューロン・デバイス用の重み係数を決定する方法), Jpn JAP, 38, 439(1999)。NJ Wu, H. Lee, Y. Amemiya, H. Yasunaga, Methods for determining weight co-efficients for Quantum Boltzman Machine neuron devices, Jpn JAP, 38, 439 (1999). http://www.nanohub.org/com.docman/task,down/bid,84/にて入手できるSupriyo Datta, Magnus Paulsson, Ferdows Zahid, Electrical Conduction through Molecules(分子を介する導電)。Supriyo Datta, Magnus Paulsson, Ferdows Zahid, Electrical Conduction through Molecules available at http://www.nanohub.org/com.docman/task,down/bid,84/.

本発明の目的は、現実的なニューラル・モデル(一組の要領またはルール)と、この提案されたニューラル・モデルを考慮に入れて、脳の動作原理に基づいて動作できるデバイス(プロセッサ)を原則として作り上げることである。このような原理に基づくデバイスは、データ処理が更に速く、信頼性が更に高いので、広範な産業用途を持つこともあり、また、多値準位の情報処理に基づいているので汎用性があり、システム要件とともに自由に修正できる。まったく異なる種類の情報を処理し、同時に決定を下すことが、今まで、知られていなかった。単一ユニットにおいて、一度に1ビットよりも多くの情報を処理できるモデルもデバイスも、原則として、あるいは現実的に存在しなかったし(スーパーコンピュータは、このようなユニットを、いくつかパラレルに持っている)、また、どんなモデルも、脳のような基本的要素の死やノイズのもとに意思決定を存続させることもない。我々の最終目的は、ただ1つの情報処理システムにおいて、これらすべての特徴を提供することである。   The object of the present invention is to provide a realistic neural model (a set of rules or rules) and a device (processor) that can operate based on the brain operating principle, taking into account the proposed neural model. It is to make up as. Devices based on these principles have a wider range of industrial applications because of faster data processing and higher reliability, and are versatile because they are based on multi-level information processing. Can be freely modified along with system requirements. Until now, it has not been known to process an entirely different kind of information and make decisions at the same time. No model or device that can process more than one bit at a time in a single unit, in principle or practically exists (a supercomputer has several such units in parallel. Neither model survives decision making under the death or noise of fundamental elements like the brain. Our ultimate goal is to provide all these features in a single information processing system.

〔発明の概要〕
本発明者らは、脳内でのニューロンの集合計算の原理に基づいて、3Dマルチビットの垂直水平プロセッサを考え出して、本発明を完成した。すなわち、本発明は、以下の垂直水平プロセッサと、この垂直水平プロセッサを持つクラスタと、修正仮想ソース・ニューラル・ネットワーク・モデルと、上記垂直水平プロセッサまたは上記クラスタを用いるプロセッサ学習法とに関する。
第1に、本発明は、周囲電極の中央にありかつ多値準位システムまたはニューロンが収められている表面上にて、あらゆる方向から水平に複数の入力信号が与えられ、そして、前記表面上の様々な地点にて出力信号が垂直に取られている一対のテンプレートを含む垂直・水平プロセッサ(これを、「標準垂直水平プロセッサ」とも呼ぶ)を提供する。
本明細書では、信号入力と信号出力が互いに垂直であるので、我々は、このプロセッサを、「垂直水平プロセッサ」、あるいは単に「垂直プロセッサ」と呼ぶ(図1、図6を参照のこと)。多値準位システムが位置するテンプレートの面は、情報処理面と呼ぶ。また、多値準位導電率、すなわち、特定のバイアスにて2つ以上の導電率を示すシステムは、多値準位システムまたはニューロンと呼ぶ。
[Summary of the Invention]
The inventors of the present invention have come up with a 3D multi-bit vertical horizontal processor based on the principle of neuron collective calculation in the brain, and have completed the present invention. That is, the present invention relates to the following vertical horizontal processor, a cluster having the vertical horizontal processor, a modified virtual source neural network model, and a processor learning method using the vertical horizontal processor or the cluster.
First, the present invention provides a plurality of input signals horizontally from any direction on the surface in the center of the surrounding electrode and containing the multilevel system or neuron, and on the surface Provides a vertical and horizontal processor (also referred to as a “standard vertical horizontal processor”) that includes a pair of templates whose output signals are taken vertically at various points.
In this specification, since the signal input and signal output are perpendicular to each other, we will refer to this processor as a “vertical horizontal processor”, or simply “vertical processor” (see FIGS. 1 and 6). The surface of the template on which the multi-level system is located is called an information processing surface. A system that exhibits multilevel conductivity, ie, more than one conductivity at a particular bias, is called a multilevel system or neuron.

第2に、本発明は、上記(標準)垂直水平プロセッサ、ニューラル・ノード・コントローラ、および、
次のA,BおよびCのやり方で接続された接続部切替器センサを備えるクラスタ(図18を参照のこと)を提供する。
A.前記垂直水平プロセッサの信号入力部の一部または全部を、垂直プロセッサのアレイに接続し、また、残りの信号入力部を、システム全体の自由信号入力部であるセンサの信号出力部に接続する、
B.その信号出力部の一部を、前記信号出力切替器のいくつかに接続し、また、残りの信号出力部を、他のバーティカル・プロセッサに接続する、
C.すべての自由信号出力部を、切替器に接続し、システム全体のどの信号入力部にも接続せず、最終クラスタ信号出力として垂直に取る。
本明細書では、「クラスタ」は、少数のプロセッサ、ニューラル・ノード・コントローラ、接続部、切替器、入力信号コンバータ・アレイを備えるシステムを意味する。
Second, the present invention provides a (standard) vertical horizontal processor, a neural node controller, and
A cluster (see FIG. 18) with connection switch sensors connected in the following A, B, and C manner is provided.
A. A part or all of the signal input of the vertical horizontal processor is connected to the array of vertical processors, and the remaining signal input is connected to the signal output of the sensor, which is a free signal input of the entire system;
B. A part of the signal output unit is connected to some of the signal output switches, and the remaining signal output unit is connected to another vertical processor;
C. All free signal outputs are connected to the switch and not connected to any signal inputs in the entire system, but taken vertically as the final cluster signal output.
As used herein, “cluster” means a system comprising a small number of processors, neural node controllers, connections, switches, and input signal converter arrays.

第3に、本発明は、上記の垂直水平プロセッサのどれか1つを備え、また、修正が以下のA、B、Cをすべて含むような修正仮想ソース・ニューラル・ネットワーク・モデル(図11を参照のこと)を提供する。
A.旧概念の2値ニューロン(0または1の値を持つ)または連続体ニューロン(0〜1の任意の値)を、多値準位システムまたはニューロン(0と1の間の選択値)に代える。
B.それぞれのニューロンへの実効信号入力として仮想ソースを導入することが、他のニューロンからは生じない。
C.信号出力が垂直に取られるので、修正は、個々の信号出力にアクセスすることである。それゆえ、モデルは、3D(三次元)モデルとなる。
この仮想ソース・ニューラル・ネットワーク・モデルは、上記の垂直水平プロセッサに合うように、1982年のHopfield原理(図11)から作られたものである。なお、本明細書では、「モデル」は、リアルタイム動作用の学習ソフトウェアを作る間、従うべき一組の基本的な原理、要領、またはルールを意味する。
Third, the present invention comprises any one of the vertical and horizontal processors described above, and a modified virtual source neural network model (see FIG. 11) in which the modification includes all of the following A, B, C: For reference).
A. Replace old-concept binary neurons (with values of 0 or 1) or continuum neurons (any value between 0 and 1) with multi-level systems or neurons (selected values between 0 and 1).
B. Introducing virtual sources as effective signal inputs to each neuron does not occur from other neurons.
C. Since the signal outputs are taken vertically, the modification is to access the individual signal outputs. Therefore, the model is a 3D (three-dimensional) model.
This virtual source neural network model was created from the 1982 Hopfield principle (FIG. 11) to fit the vertical and horizontal processors described above. As used herein, “model” means a set of basic principles, procedures, or rules that should be followed while creating learning software for real-time operation.

第4に、本発明は、上記垂直水平プロセッサの単一垂直水平プロセッサを学習させるプロセッサ学習法(図12を参照のこと)を提供する。そこでは、信号入力と信号出力は、上記の発明された人工ニューラル・ネットワーク・モデルにより相互に関連づけられて、以下の学習法ステップ(1)〜(3)の主要初期設定の後で、仮想ニューロンまたは多値準位システムのルールまたは重み係数を見出す。
(1)第1に、局所バイアスと大域的バイアスに対する印加範囲を見出す(図13を参照のこと)。
(2)第2に、それらの動作レベルまたは機能振舞いを、多値準位論理状態ごとに見出す(図13を参照のこと)。
(3)最後に、予測不能な信号入力が与えられると、その問題のもっとも確からしいソリューションを与えることができるように、エネルギー最小化による論理関数を作り出す(または、見出す)(図14を参照のこと)。
Fourth, the present invention provides a processor learning method (see FIG. 12) for learning a single vertical horizontal processor of the vertical horizontal processor. There, the signal input and the signal output are correlated with each other by the above-described invented artificial neural network model, and after the main initial setting of the following learning method steps (1) to (3), the virtual neuron Or find rules or weighting factors for multilevel systems.
(1) First, find application ranges for local and global bias (see FIG. 13).
(2) Secondly, their operation level or functional behavior is found for each multi-level logic state (see FIG. 13).
(3) Finally, given an unpredictable signal input, create (or find) a logic function with energy minimization so that it can give the most probable solution to the problem (see FIG. 14) about).

(従来のプロセッサとの比較)
ナノセルの学習法を述べている米国特許第6,820,244B2号において、大規模用では、この互いに作用し合う面上での垂直観察は実用にはならないと暗に示されている。
しかし、我々は、この垂直電極アレイ・システムを、ニューラル・ネットワーク全体の一構成部分として見なせる場合に、多くの点で、欠点を更にスマートなシステムに変えることができる。垂直になることが、基本設計を変えるだけでなく、その基本動作原理を、ナノセルのようなプロセッサの既定概念からまったく変えている。次に、水平面上では、我々は、あらゆる方向からやってくる様々な信号入力だけを持っており、すべての信号出力は、垂直に取られる。それぞれの垂直電極は、ニューラル・ネットワークの信号出力であって、ナノセル・プロセッサのようなシーケンシャル・プロセッサの場合のように、表面経路を介する信号処理を必要としないから、データをパラレルに情報処理する。ほんのわずかな多値準位ユニットでも、互いにほぼ独立した信号出力点に対しては切り換える必要があるので、性能も極めて高速であると予想される。
(Comparison with conventional processors)
In US Pat. No. 6,820,244 B2, which describes a learning method for nanocells, it is implied that, for large scale use, this vertical observation on interacting surfaces is not practical.
However, in many ways we can turn the drawbacks into smarter systems when this vertical electrode array system can be viewed as a component of the overall neural network. Being vertical not only changes the basic design but also completely changes its basic operating principle from the default concept of a processor such as a nanocell. Next, on the horizontal plane, we have only various signal inputs coming from all directions, and all signal outputs are taken vertically. Each vertical electrode is a neural network signal output and does not require signal processing via a surface path as in the case of a sequential processor such as a nanocell processor, so it processes data in parallel. . Even a few multilevel units need to be switched for signal output points that are almost independent of each other, so the performance is expected to be extremely fast.

我々のシステムでは、いかにして信号出力を得るか、また、その信号出力が、どれくらい予想とは異なっているか、更に、この信号出力がどんな具合に異なっているか、今や見て理解できるので、この互いに作用し合う面は、もはやブラックボックスではない。互いに作用し合う面上のあらゆる地点での電界、電位、電位勾配は、既知のものであり、これらは、予測されるかもしれない多値準位状態を我々が精力的に知るときに、この多値準位状態にスマート・システムをセットする。垂直信号出力は、ナノセルとは異なるが、脳と同様に、電流の上り傾斜と下り傾斜のある面である。また、この面上のスマート・システムの一部が切り換わらず、それにより、上り傾斜と下り傾斜の位置が変わらない場合には、そのソリューションにはまったく影響がないであろう。何らかの信号入力が、ソリューションにおいて何らかの効果を及ぼすかどうかというプロセッサのようなナノセルの単純な問題は、もはや生じない。ナノセルは、多くの点で、われわれの脳のような極めて並列情報処理のニューラル・プロセッサをまねている。ANNは、このデバイスが従うルールを見出して、異なる入力信号配列にて、異なる面を発展させるために使用される。「ナノセル」が入力信号と出力信号を学習させて、論理ゲートとして振舞う場合には、我々の垂直プロセッサが、センサ・アレイを通じての自然界と、適正な動作のために複数のモータが多値準位の制御を必要とするような器官との間のインターフェースであり得るから、論理ゲートを必要としない。   In our system, we can now see and understand how the signal output is obtained, how it differs from what is expected, and how this signal output is different. The surfaces that interact with each other are no longer black boxes. The electric fields, potentials, and potential gradients at every point on the interacting surface are known, and these are important when we energetically know the multilevel states that may be predicted. Set the smart system to the multi-level state. Although the vertical signal output is different from that of the nanocell, the vertical signal output is a surface having an upward current slope and a downward slope similar to the brain. Also, if a portion of the smart system on this surface does not switch, so that the position of the upslope and downslope does not change, the solution will not be affected at all. The simple problem of a nanocell, such as a processor, whether any signal input has any effect on the solution no longer arises. In many ways, nanocells mimic a highly parallel information processing neural processor like our brain. ANN is used to find the rules followed by this device and develop different aspects with different input signal arrangements. When a “nanocell” learns input and output signals and behaves as a logic gate, our vertical processor has multiple levels of natural motors through sensor arrays and multiple motors for proper operation. Logic gates are not required because it can be an interface to an organ that requires control.

これらすべての有利な変更を、以下に要約する。
1.本発明のモデル・デバイスは単純であるが、ニューラル・ネットワークのHopfieldモデルよりも新しい特徴が追加されて、われわれの脳の神経系統の情報処理の利点を弱めることなく、実験的に実現することができる。一例として、このモデル・デバイスは、論理ゲートを必要としない。
2.本発明のモデルは、使用される材料、その基本動作パラメータを破壊せずに原則として複雑な集積回路に用いられる演算エリアの寸法制約に対して柔軟性がある。
3.本発明は、2ビット以上の情報を一度に処理し、それゆえ、極限のパラレル・ビット処理を用いて演算することもある唯一のシステムである。これは、まったく並列なプロセッサである。1cmの情報処理面は、1スイッチ/100nmの面積があれば、同時に1テラビット(1012ビット)を情報処理できるが、しかるに、世界中のどんなプロセッサも、一度に1ビットしか情報処理できない。このことは、それぞれのスイッチが1GHzで動作すれば、各スイッチは、データを、なんと1012×10=1021ビット/秒で情報処理できることを意味している。
4.本発明は、意思決定が、各人の寄与ではなくて、有意な座標での応答によって決まるので、われわれの脳のように、極端なノイズのもとでさえ、決定が存続するような唯一の提案されたモデルである。
5.ランダムな相互接続により、我々のプロセッサを接続することにより作られたファジー集積回路が、我々が導入した垂直投影概念に従う論理も生み出すことができるので、本発明は、人間の脳に匹敵できるハードウェアを真剣に作る方向に我々を仕向けることができる。
6.本発明のモデルは、この原理を弱めることなく、集合計算(例えば、見て、考えて、働く)を実験的に実現することもある。これは、意思決定ユニットのあらゆる有意な誘因を考慮に入れることのできる唯一のニューラル・モデルである。
7.本発明のモデルは、使用される材料、異なる機能を同時に情報処理すること、情報処理面の寸法、あるいは、使用される電極の数、および、結合性の制約がないことで、柔軟性がある。
8.本発明のモデルは、この検出パラメータの3Dパターンを生成できる極限センサ・デバイスを作ることができる。
9.本発明のモデルは、我々が、これを、水平・垂直モードと垂直・水平モードの両方のやり方で使用できるので、数学的関数の演算に向けて柔軟性がある。
10.本発明のモデルは、その情報処理ユニット(ニューロン)の一部が、その情報処理面上で実行できなくても、その決定を存続させる唯一の既存モデルである。
All these advantageous changes are summarized below.
1. Although the model device of the present invention is simple, new features are added to the Hopfield model of the neural network, which can be experimentally realized without compromising the information processing advantages of our brain nervous system. it can. As an example, this model device does not require a logic gate.
2. The model of the present invention is flexible with respect to the dimensional constraints of the computational area used in principle for complex integrated circuits without destroying the materials used and their basic operating parameters.
3. The present invention is the only system that processes more than one bit of information at a time and therefore may operate using extreme parallel bit processing. This is a completely parallel processor. An information processing area of 1 cm 2 can process 1 terabit (10 12 bits) at the same time if it has an area of 1 switch / 100 nm 2. However, any processor in the world can process only 1 bit at a time. . This means that if each switch operates at 1 GHz, each switch can process data at a rate of 10 12 × 10 9 = 10 21 bits / second.
4). The present invention is the only one where the decision persists even under extreme noise, as in our brain, because the decision is determined by the response in significant coordinates, not by each person's contribution. This is a proposed model.
5. Random interconnections allow fuzzy integrated circuits created by connecting our processors to also generate logic that follows the vertical projection concept we introduced, so the present invention is hardware that can be comparable to the human brain. We can direct us in the direction of making it seriously.
6). The model of the present invention may experimentally implement set computation (eg, see, think, work) without weakening this principle. This is the only neural model that can take into account any significant incentives of the decision-making unit.
7). The model of the present invention is flexible because there is no constraint on the materials used, different functions simultaneously, the dimensions of the information processing surface, or the number of electrodes used and the connectivity. .
8). The model of the present invention can create an extreme sensor device that can generate a 3D pattern of this detection parameter.
9. The model of the present invention is flexible towards the computation of mathematical functions because we can use it in both horizontal and vertical modes and vertical and horizontal modes.
10. The model of the present invention is the only existing model that continues the decision even if some of the information processing units (neurons) cannot be executed on the information processing surface.

発明の更に詳しい説明Further explanation of the invention

次に、本発明を詳しく説明する。   Next, the present invention will be described in detail.

上述の通り、第1の発明は、周囲電極の中央にあり、かつ多値準位システムまたはニューロンが収められている面上で、あらゆる方向から水平に複数の入力信号が与えられ、また、その面上の様々な地点にて出力信号が垂直に取られる一対のテンプレートを含む垂直水平プロセッサ(「標準垂直水平プロセッサ」)である。   As described above, the first invention is provided with a plurality of input signals horizontally from all directions on the plane at the center of the surrounding electrode and containing the multilevel system or neuron. A vertical horizontal processor ("standard vertical horizontal processor") that includes a pair of templates whose output signals are taken vertically at various points on the surface.

本明細書では、これらの多値準位システムの上記テンプレートの平面形状は、好ましくは、正方形または長方形である(図1〜図3を参照のこと)。このような形状では、前記複数の入力信号は、周囲のp+q+p+q個の電極の中央にありかつ多値準位システムまたはニューロンが収められている正方形または長方形の表面上にて、あらゆる方向から水平に、p×q個だけ与えられ、そして、前記表面上の様々な地点にて、m×n個の出力信号を垂直に取ることができる。ここで、m、n、p、qの値は、0から無限大までの様々な数であるが、ただし、mとnの双方、あるいはpとqの双方は、同時にはゼロになり得ない。   In this specification, the planar shape of the template of these multilevel systems is preferably square or rectangular (see FIGS. 1 to 3). In such a shape, the plurality of input signals are horizontally from any direction on a square or rectangular surface in the center of surrounding p + q + p + q electrodes and containing a multilevel system or neuron. , P × q, and m × n output signals can be taken vertically at various points on the surface. Here, the values of m, n, p, and q are various numbers from 0 to infinity, but both m and n, or both p and q cannot be zero at the same time. .

これらの多値準位システムの上記テンプレートの平面形状はまた、三角形、円形、または多角形であることもある(図16を参照のこと)。このような形状では、前記複数の入力信号は、周囲電極の中央にありかつ多値準位システムまたはニューロンが収められている三角形、円形、または多角形の表面上にて、あらゆる方向から水平に与えられ、そして、前記表面上の様々な地点にて、出力信号を垂直に取り出すことができる。
上記テンプレートの平面形状が三角形であるときには、この三角形を取り巻くa+b+c個(3辺からのもの)の入力電極が、この面上にセットされる。上記テンプレートの平面形状が円形であるときには、この円を取り巻くn個(周界に沿って、信号入力aの数)の入力電極が、この面上にセットされる。上記テンプレートの平面形状が、n辺の多角形であるときには、この多角形を取り巻くa+b+c+…+n個(n辺からのもの)の入力電極が、この面上にセットされる。また、この情報処理面と周囲電極との高さの差は、情報処理面ごとに様々である。
The planar shape of the templates of these multilevel systems can also be triangular, circular, or polygonal (see FIG. 16). In such a shape, the plurality of input signals are horizontally oriented from any direction on a triangular, circular, or polygonal surface in the center of the surrounding electrode and containing a multilevel system or neuron. And the output signal can be extracted vertically at various points on the surface.
When the planar shape of the template is a triangle, a + b + c (from three sides) input electrodes surrounding the triangle are set on this surface. When the planar shape of the template is a circle, n input electrodes (the number of signal inputs a along the circumference) surrounding this circle are set on this surface. When the planar shape of the template is an n-side polygon, a + b + c +... + N (from n-side) input electrodes surrounding the polygon are set on this surface. Further, the difference in height between the information processing surface and the surrounding electrodes varies for each information processing surface.

上記の垂直水平プロセッサでは、好ましくは、そのテンプレート表面は導電性がある。また、好ましい垂直電極は、多値準位システムまたはニューロンへ流れるSTMベースのトンネル電流を測定するものである(図6を参照のこと)。ここでは、この導電面は、好ましくは接地されており、また、p×qの配列のそれぞれの電極は、通電していて、独立した測定回路の一部となっている。   In the vertical horizontal processor described above, preferably the template surface is conductive. A preferred vertical electrode is one that measures STM-based tunneling current flowing into a multilevel system or neuron (see FIG. 6). Here, the conductive surface is preferably grounded, and each electrode in the p × q array is energized and is part of an independent measurement circuit.

他の好ましい垂直電極は、多値準位システムまたはニューロンと接触してAFMベースの原子間力を測定する。ここでは、この導電面は、好ましくは接地されており、また、p×qの電極アレイのそれぞれのバーティカル導電探針は通電していて、独立した測定回路の一部となっている。   Other preferred vertical electrodes measure AFM-based atomic forces in contact with multilevel systems or neurons. Here, this conductive surface is preferably grounded, and each vertical conductive probe of the p × q electrode array is energized and is part of an independent measurement circuit.

本発明の垂直水平プロセッサの情報処理面は、好ましくは、酸化還元作用センタまたは配座依存センタを有する材料で、次の性質A,B,Cのうちの少なくとも2つの性質をもつ材料を含む(情報処理表面上の)薄膜を持っている。
A.一対の電極間に取り入れられた材料が、或る一定範囲または用途において(図5Bを参照のこと)、どの特定のバイアスでも、安定した多値準位導電率を示す性質(図5Cを参照のこと)、
B.異なるバイアス状態を加えることにより、それぞれの状態がもたらされることもある性質(図5Bを参照のこと)、
C.矩形電圧パルスへの過渡電流応答が、ガウス応答、ステップ応答またはランプ応答、あるいは、階段状応答の発展させた形式である性質。
なお、本明細書では、「情報処理面」は、このテンプレートのうち、多値準位システムがある面を意味している。また、「以下のA、B、Cの性質のうちの少なくとも2つ」は、(AとB)、(BとC)、(CとA)、または、(AとBとC)の場合を意味している。
上述の「酸化還元作用センタまたは配座依存センタを有する材料で、かつ上のA、B、Cの性質のうちの少なくとも2つが含まれている材料」として、我々は、例えば、任意の分子システム、すなわち、ナノワイヤ(細線)、またはナノパーティクル、または量子ドット、またはそれらの有機または無機の混成物、または液晶材料、またはポリマー、酵素、脂質、DNA状の様々な生体分子システム、およびそれらの生体分子システムの混成物、あるいは、有機材料の任意の組合せ、および/または、任意の無機合成物または自然に存在する無機材料を持つものから成っているシステムを挙げることができる。
The information processing surface of the vertical horizontal processor of the present invention is preferably a material having a redox action center or a conformation dependent center, and a material having at least two of the following properties A, B, and C ( Has a thin film (on the information processing surface).
A. The material incorporated between a pair of electrodes, in a certain range or application (see FIG. 5B), exhibits the property of exhibiting a stable multilevel conductivity at any particular bias (see FIG. 5C). about),
B. The nature of each state may be brought about by adding different bias states (see FIG. 5B),
C. The property that the transient current response to a rectangular voltage pulse is a Gaussian response, a step response or a ramp response, or an evolved form of a stepped response.
In the present specification, the “information processing surface” means a surface having a multi-level system in the template. In addition, “at least two of the following A, B, and C properties” means that (A and B), (B and C), (C and A), or (A, B, and C) Means.
As described above “materials with redox centers or conformation-dependent centers and containing at least two of the above A, B, C properties” That is, nanowires (narrow wires), or nanoparticles, or quantum dots, or organic or inorganic hybrids thereof, or liquid crystal materials, or various biomolecular systems in the form of polymers, enzymes, lipids, DNA, and their biological bodies Mention may be made of hybrids of molecular systems, or any combination of organic materials, and / or systems comprising any inorganic composite or naturally occurring inorganic material.

本発明の垂直水平プロセッサでは、上記多値準位システムまたはニューロンは、好ましくは、以下のA、B、C、またはDの手段を含む。
A.特定の信号を検出するためのセンサ、および、現実の音、熱、光、その他の任意の形式のエネルギーのような信号を検出するためのセンサで、情報処理表面上に当たると、その信号を電子信号の一次元配列に変換できるように特定的に設計されたセンサ。
B.特定機能を持つ他の任意の機能材料の小型情報処理ユニットであって、情報処理表面全体を、異なる機能を持つように異なる領域へ変換転送するもの;
C.可能なあらゆる導電状態の間で可逆に切り換えて、前記状態を、平衡状態が表面全体に及ぶ時間よりも長く、覚えておくことができる多値準位システムまたはニューロンであって、何回でも更新できるもの(RAM);
D.前記可能な多値準位状態の1つに一度、切り換えると、恒久的に同一状態にとどまる多値準位システムまたはニューロン(ROM)。
In the vertical horizontal processor of the present invention, the multi-level system or neuron preferably includes the following means A, B, C, or D.
A. A sensor for detecting a specific signal, and a sensor for detecting a signal such as real sound, heat, light, or any other form of energy. A sensor specifically designed to be converted into a one-dimensional array of signals.
B. A small information processing unit of any other functional material having a specific function, which converts and transfers the entire information processing surface to a different area so as to have a different function;
C. A multi-level system or neuron that can be reversibly switched between all possible conducting states and remembered longer than the time that the equilibrium state spans the entire surface, updated many times What can be done (RAM);
D. A multi-level system or neuron (ROM) that stays permanently the same once switched to one of the possible multi-level states.

本発明の垂直水平プロセッサでは、垂直電極は、好ましくは、原子一個の先端を持つ探針の様にナノスケール幅の高さとマイクロスケール長さを持つ構造物であり、また、或る電極システム中のいくつかの探針は、好ましくは、AまたはBを含む。
A.或るソリューション・ポイントが単一の原子先端であると考えられるような原子一個の先端を持つ探針(図16を参照のこと)。
B.ソリューション・ポイントがあらゆる原子先端に対する集合出力信号の平均応答と考えられるような単一電極ユニット中に定義された数だけの原子先端(図16を参照のこと)。上述の垂直電極として、我々は、例えば、メタル・ナノワイヤ、半導体ナノワイヤ、カーボン・ナノチューブ、および、他の任意の金属製または半導体のナノロッド、ナノチューブ、またはそれらの束状のものを挙げることができる。
In the vertical horizontal processor of the present invention, the vertical electrode is preferably a structure having a nanoscale width height and a microscale length, such as a probe having a single atom tip, and in a certain electrode system. Some of the probes preferably include A or B.
A. A probe with a single atom tip such that a solution point is considered to be a single atom tip (see FIG. 16).
B. A defined number of atom tips in a single electrode unit such that the solution point is considered the average response of the aggregate output signal for every atom tip (see FIG. 16). As the vertical electrodes described above, we can mention, for example, metal nanowires, semiconductor nanowires, carbon nanotubes, and any other metal or semiconductor nanorods, nanotubes, or bundles thereof.

本発明の垂直水平プロセッサでは、信号入力部は、好ましくは、ニューラル・ノード・コントローラに接続され(図6を参照のこと)、そこでは、すべての入力信号は、この垂直水平プロセッサに先行する異なるユニットにパラレルに分けられて、かつ、次のA,B,C,DまたはEを含むそれぞれのユニット間で切り換える(図7を参照のこと)。
A.シーケンス順序と中間アース接続を変えることもあるユニット、
B.配列された同一信号入力を、異なる順序の配列に変えるユニット、
C.配列された信号入力を、異なる形態のプロセッサにパラレルに通して、結合出力を生成するユニット、
D.前記信号入力の一部を、パルス式アレイ・ソースに代えるユニット、
E.入力信号をチャネルに通し、そこで、前記入力信号に乗算または除算を行って、情報処理表面全体の入力インピーダンスと一致するようにするユニット。
ここで、上記ニューラル・ノード・コントローラは、この配列された同一入力信号を、垂直プロセッサに送る前に、この入力を、異なるやり方で修正できるハードウェア・ソフトウェアのパッケージである。
In the vertical horizontal processor of the present invention, the signal input is preferably connected to a neural node controller (see FIG. 6), where all input signals are different prior to this vertical horizontal processor. The units are divided into units in parallel and are switched between the units including the next A, B, C, D, or E (see FIG. 7).
A. Units that may change the sequence order and intermediate ground connection,
B. A unit for changing the arranged identical signal inputs into an arrangement in a different order;
C. A unit that passes the arranged signal inputs in parallel through different forms of processors to produce a combined output;
D. A unit for replacing a part of the signal input with a pulsed array source;
E. A unit that passes an input signal through a channel where the input signal is multiplied or divided to match the input impedance of the entire information processing surface.
Here, the neural node controller is a package of hardware software that can modify this input in different ways before sending the arranged identical input signals to the vertical processor.

本発明の垂直水平プロセッサでは、p×q個の信号入力用のアース接続の数は、同一の組の配列された入力信号を情報処理するために、好ましくは1個からpq−1個まで様々である(図6の領域Aにおいて)。アースのそれぞれの組合せは、好ましくは、特定の動作ノードを作り出し、また、それぞれのノードは、好ましくは、それら自体のニューラル・ネットワークを持ち、トレーニングして、ルールを作った後で、特別な種類の情報処理を必要とする様々な状況において、これらのノードが使用されるようにしている。   In the vertical and horizontal processor of the present invention, the number of ground connections for p × q signal inputs preferably varies from 1 to pq−1 in order to process the same set of arranged input signals. (In region A of FIG. 6). Each combination of earth preferably creates a specific action node, and each node preferably has its own neural network, and after training and creating rules, a special kind of These nodes are used in various situations that require information processing.

我々は、この発明された垂直水平プロセッサを逆に使用することもできる(逆プロセッサ)。このニューラル・モデルを逆にするときは、すなわち、電圧を垂直方向に印加して、出力信号を水平方向に取る。
すなわち、本発明はまた、周囲電極の中央にありかつ多値準位システムまたはニューロンが収められている水平表面上にて、上から垂直に複数の入力信号が与えられ、そして、それらの電極を通じて出力信号が水平に取り出されている一対のテンプレートを含む垂直水平プロセッサも提供する。
We can also reverse use this invented vertical and horizontal processor (inverse processor). When this neural model is reversed, that is, the voltage is applied in the vertical direction and the output signal is taken in the horizontal direction.
That is, the present invention also provides a plurality of input signals vertically from above on a horizontal surface in the center of the surrounding electrodes and containing a multilevel system or neuron, and through those electrodes. A vertical horizontal processor is also provided that includes a pair of templates from which output signals are extracted horizontally.

上記(逆に使用される)垂直水平プロセッサでは、垂直の複数入力電極は、好ましくは、この情報処理面上の広い領域にわたって局所バイアスを発生させる平形または球形の前端縁を持ち、また、垂直電極の前端縁領域は、好ましくは、次のA,BおよびCを構成している。
A.情報処理面の或る一定割合以上をカバーする、個々のすべての垂直電極の和である合計領域であって、そこから、動作の種別ごとに、信号入力動作ノードが作り出される合計領域、
B.最終ソリーション表面上の個々の信号入力の制御を様々に調整するための、束状電極または個々の垂直電極の関係領域、
C.情報処理表面上の等高線の電位分布を調整するために矯正した前端縁の形態。
In the above-described (vertically used) vertical horizontal processor, the vertical multiple input electrodes preferably have a flat or spherical leading edge that generates a local bias over a large area on the information processing surface, and the vertical electrodes The front edge region of each of these preferably forms the following A, B, and C.
A. A total area that is the sum of all individual vertical electrodes that covers a certain percentage of the information processing surface, from which a total area in which a signal input operation node is created for each type of operation,
B. Relational area of bundled electrodes or individual vertical electrodes to variously adjust the control of individual signal inputs on the final solution surface,
C. The form of the front edge corrected to adjust the potential distribution of contour lines on the information processing surface.

上述のように、第2の発明は、上記標準垂直水平プロセッサ、ニューラル・ノード・コントローラ、および、次のA,BおよびCのやり方で接続された接続部切替器センサを備えるクラスタ(図18を参照のこと)である。
A.前記垂直水平プロセッサの信号入力部の一部または全部を、バーティカル・プロセッサのアレイに接続し、また、残りの信号入力部を、システム全体の自由信号入力部であるセンサの信号出力部に接続する。
B.その信号出力部の一部を、前記信号出力切替器のいくつかに接続し、また、残りの信号出力部を、他のバーティカル・プロセッサに接続する。
C.すべての自由信号出力部を、切替器に接続し、システム全体のどの信号入力部にも接続せず、最終クラスタ信号出力として垂直に取る。
As described above, the second invention is a cluster comprising the standard vertical horizontal processor, the neural node controller, and the connection switch sensor connected in the following A, B and C manner (see FIG. 18). See).
A. A part or all of the signal input unit of the vertical and horizontal processor is connected to the array of vertical processors, and the remaining signal input unit is connected to the signal output unit of the sensor which is a free signal input unit of the entire system. .
B. A part of the signal output unit is connected to some of the signal output switchers, and the remaining signal output unit is connected to another vertical processor.
C. All free signal outputs are connected to the switch and not connected to any signal inputs in the entire system, but taken vertically as the final cluster signal output.

上述のように、第3の発明は、上記の垂直水平プロセッサのどれか1つを備えている修正仮想ソース・ニューラル・ネットワーク・モデル(図11を参照のこと)であって、その修正は、以下のA,BおよびCを含んでいるモデルである。
A.旧概念の2値ニューロン(0または1の値を持つ)または連続体ニューロン(0〜1の任意の値)を、多値準位システムまたはニューロン(0と1の間の選択値)に代える。
B.それぞれのニューロンへの実効信号入力として仮想ソースを導入することが、他のニューロンからは生じない。
C.信号出力が垂直に取られるので、修正は、個々の信号出力にアクセスすることである。それゆえ、モデルは、3D(三次元)モデルとなる。
この発明された仮想ソース・ニューラル・ネットワーク・モデルは、上記の垂直水平プロセッサに合うように、1982年のHopfield原理(図11を参照のこと)から作られたものである。なお、本明細書では、「モデル」とは、リアルタイム動作用のトレーニング・ソフトウェアを作る間、従うべき一組の基本的な原理、要領、またはルールを意味する。
As mentioned above, the third invention is a modified virtual source neural network model (see FIG. 11) comprising any one of the above vertical and horizontal processors, the modification being The model includes the following A, B, and C.
A. Replace old-concept binary neurons (with values of 0 or 1) or continuum neurons (any value between 0 and 1) with multi-level systems or neurons (selected values between 0 and 1).
B. Introducing virtual sources as effective signal inputs to each neuron does not occur from other neurons.
C. Since the signal outputs are taken vertically, the modification is to access the individual signal outputs. Therefore, the model is a 3D (three-dimensional) model.
The invented virtual source neural network model was created from the 1982 Hopfield principle (see FIG. 11) to fit the vertical and horizontal processor described above. As used herein, “model” means a set of basic principles, procedures, or rules to be followed while creating training software for real-time operation.

上述のモデルにおいて、その形態は、仮想ソースからの実効信号入力により生成された重み、すなわち大域的加重値と、バーティカル・プローブで生成された重み、すなわち局所加重値との積のベクトル和を含むエネルギー項を最小化することで、作ることができ(図14を参照のこと)、そして、これら2つのプラスの寄与に、多値準位状態のしきい値により生成された加重値を用いて、否定の演算を行うことができる。   In the above model, the form includes a vector sum of the products of the weights generated by the effective signal input from the virtual source, i.e. the global weights, and the weights generated by the vertical probe, i.e. the local weights. It can be made by minimizing the energy term (see Figure 14), and for these two positive contributions, using the weights generated by the multi-level thresholds , Negative operations can be performed.

上記モデルの1つの好ましい実施形態は、A、B、および/またはCを含む。
A.垂直水平プロセッサのモデルの一部または全部の信号出力を、元に戻して、それ自体の信号入力部に直接または間接に接続することによるフィードフォワード・ネットワーク(図12を参照のこと)。
B.多値準位ニューロンの1つまたは複数の隠れ層(図11を参照のこと)を持ちかつ、更に少ないか、または等しい数の信号出力を、様々なレベルにて発生させて、最終信号出力に達するようにするモデル。
C.4進法または8進法のシステム、あるいは他の論理システムのように、2種類以上の論理ニューロンをいっしょに含む混合多値準位論理ニューロンから構成される中間層(図11を参照のこと)。
One preferred embodiment of the model includes A, B, and / or C.
A. A feedforward network by reverting the signal output of some or all of the model of the vertical and horizontal processor and connecting it directly or indirectly to its own signal input (see FIG. 12).
B. With one or more hidden layers of multi-level neurons (see FIG. 11), fewer or equal numbers of signal outputs can be generated at various levels to produce the final signal output. Model to reach.
C. An intermediate layer composed of mixed multi-level logic neurons that contain two or more types of logic neurons, as in a quaternary or octal system, or other logic systems (see Figure 11) .

上述のように、第4の発明は、上記の発明された垂直水平プロセッサの単一垂直水平プロセッサを学習させるプロセッサ学習法(図12を参照のこと)である。ここでは、信号入力と信号出力は、上記の発明された人工ニューラル・ネットワーク・モデルにより相互に関連づけられて、以下の学習ステップ(1)〜(3)の主要初期設定の後で、仮想ニューロンまたはマルチレベル・システムのルールまたは重み係数を見出す。
(1)第1に、局所バイアスと大域的バイアスに対する印加範囲を見出す(図13を参照のこと)。
(2)第2に、それらの動作レベルまたは機能振舞いを、多値準位論理状態ごとに見出す(図13を参照のこと)。
(3)最後に、予測不能な信号入力が与えられると、その問題のもっとも確からしいソリューションを与えることができるように、エネルギー最小化による論理関数を作り出す(または、見出す)(図14を参照のこと)。
As described above, the fourth invention is a processor learning method (see FIG. 12) for learning a single vertical horizontal processor of the vertical horizontal processor invented above. Here, the signal input and the signal output are correlated with each other by the above-described invented artificial neural network model, and after the main initial setting of the following learning steps (1) to (3), the virtual neuron or Find rules or weighting factors for multilevel systems.
(1) First, find application ranges for local and global bias (see FIG. 13).
(2) Secondly, their operation level or functional behavior is found for each multi-level logic state (see FIG. 13).
(3) Finally, given an unpredictable signal input, create (or find) a logic function with energy minimization so that it can give the most probable solution to the problem (see FIG. 14) about).

上記のプロセッサ学習法では、上記のステップ(3)において論理関数を作り出して、数学的演算(図17を参照のこと)を行うプロセッサは、好ましくは、下記CまたはDを含む関数基準を扱うAまたはBを含む。
A.この発明された(標準)垂直水平プロセッサの垂直信号入力・水平信号出力のために、3D行列を、線形化配列に逆転させる逆行列プロセスの概念を介すること。
B.水平信号入力と垂直信号出力のために、3D行列への線形化配列の変換を介すること。これは、逆垂直水平プロセッサのプロセッサに対して基本的な動作方法である。
C.演算子としてプローブ・バイアスを使用して、数学的関数を情報処理すること。
D.p×q個の信号入力に対するアース接続の数は、同一の組の配列された入力信号を情報処理するために、1個からpq−1個まで様々である。アースのそれぞれの組合せは、特定の動作ノードを作り出し、また、それぞれのノードは、それら自体のニューラル・ネットワークを持ち、学習させて、ルールを作った後で、特別な種類の情報処理を必要とする様々な状況において、これらのノードが使用されるようにする。この場合、上記の発明された標準垂直水平プロセッサまたは逆垂直水平プロセッサの幾何学的な情報処理面の変形を使用して、特定の関数基準を生成すること。
上記の数学的演算として、我々は、例えば、行列変換、演算子、テンソル情報処理、積分、および他の機能性のような数学的演算を挙げる。
In the processor learning method described above, a processor that creates a logical function in the above step (3) and performs a mathematical operation (see FIG. 17) is preferably an A that handles a function criterion including C or D below. Or B is included.
A. For the vertical signal input and horizontal signal output of the invented (standard) vertical horizontal processor, through the concept of an inverse matrix process that reverses the 3D matrix to a linearized array.
B. Through conversion of linearized array to 3D matrix for horizontal signal input and vertical signal output. This is the basic operation method for the processor of an inverted vertical horizontal processor.
C. Information processing of mathematical functions using probe bias as an operator.
D. The number of ground connections for p × q signal inputs varies from 1 to pq−1 in order to process the same set of arranged input signals. Each combination of earths creates a specific motion node, and each node has its own neural network, and after learning and creating rules, it needs a special kind of information processing These nodes are used in various situations. In this case, using a geometric information processing surface variant of the above invented standard vertical horizontal processor or inverse vertical horizontal processor to generate a specific function criterion.
As the mathematical operations described above, we list mathematical operations such as matrix transformations, operators, tensor information processing, integration, and other functionality.

上記クラスタ(図18〜図19を参照のこと)用の上記プロセッサ学習法では、学習は、好ましくは、基本考慮事項A、B、Cを含む上記モデルに従って行われる。
A.このプロセッサの信号入力は、2D入力信号配列と見なされるクラスタの自由信号入力であり、また、このプロセッサの信号出力は、3D配列と見なされるクラスタの最終信号出力であり、更に、クラスタのすべての基本プロセッサ構成要素を、多値準位ニューロンの1つまたは複数の層に代える。
B.まず最初に、このクラスタの個々の構成要素を学習させて、次に、最終信号出力におけるその重要性が、最終信号出力パターンにおいて、もっとも類似する部分との関数関係を見出すことにより、決定される。
C.センサから、あるいは他の任意のプロセッサから直接に、クラスタに2つの異なる種類の信号入力があるので、したがって、この最終パターンへの2つの異なる種類の信号入力の重要性が、関数関係を見出すことにより、決定される。
In the processor learning method for the cluster (see FIGS. 18-19), learning is preferably performed according to the model including basic considerations A, B, C.
A. The signal input of this processor is the free signal input of the cluster considered as a 2D input signal array, and the signal output of this processor is the final signal output of the cluster considered as a 3D array, The basic processor component is replaced with one or more layers of multilevel neurons.
B. First, the individual components of this cluster are learned, then their importance in the final signal output is determined by finding the functional relationship with the most similar part in the final signal output pattern .
C. Since there are two different types of signal inputs in the cluster, either directly from the sensor or from any other processor, the importance of the two different types of signal inputs to this final pattern therefore finds a functional relationship. Determined by

上記の逆プロセッサ用の上記プロセッサ学習法では、好ましくは、次のステップA、ステップB、ステップCを含む学習法が、行われる。
A.垂直電極からの電界投影により生成された情報処理面上の等高線に、ニューロンのクロスチェック再現性の追加基準を用いて、局所バイアスと大域的バイアス用の印加範囲を見出すステップ、
B.隣接する垂直電極が互いに作用し合って生成された電界分布等高線とともに、それぞれの多値準位状態への遷移用の機能振舞いを見出すステップ、
C.水平電極から水平電極への最小エネルギー経路を考慮に入れて、エネルギー最小化による論理関数を作るステップ。
In the processor learning method for the inverse processor, a learning method including the following step A, step B, and step C is preferably performed.
A. Finding an application range for local and global biases using an additional criterion of neuron crosscheck reproducibility on contours on the information processing surface generated by electric field projection from the vertical electrode;
B. Finding the functional behavior for the transition to each multi-level state, along with the electric field distribution contours generated by the interaction of adjacent vertical electrodes with each other;
C. Creating a logic function by energy minimization taking into account the minimum energy path from horizontal electrode to horizontal electrode.

われわれのダイナミックな脳では、結合性が連続的に変化し、それにより、脳は、未知の状況において実行されるいくつかの基本ルールを作ることができる。ルールを作ることは、ただ、3Dプロセッサ・ネットワークを恒久的に変化させることに過ぎない。しかしながら、われわれがたとえどんな個体デバイスを作り出そうとも、われわれは、このシステムの形態を変更することはできない。それゆえ、これと同等な個体システムは、3つの基本的な基準を持つべきである。第1に、このシステムは、極限のパラレル情報処理を持つシステムとなり、すなわち、その情報処理経路上の任意要素の死、またはノイズは、最終的な意思決定に著しい影響を及ぼしてはならない。第2に、このシステムは、重畳信号の集合出力を提供するために、3Dパターンのソリューションを生成できなければならない。最後に、組込みプロセッサの動作原理は、自由に修正できるか、あるいは、異なる機能を持つプロセッサに自由に転換できるか、RAMおよびROMベースのプロセッサ、特異な動作のセンサなどとして自由に構成できるものでなければならない。動作原理は、単一情報処理ユニットで情報処理されるあらゆる種類の汎用データをサポートしなければならない(すなわち、機能的に異なるソースからやって来るあらゆる種類の信号が、そのデータの収集の間に重ね合わされる)だけでなく、この動作原理は、それ自体のデータ情報処理の一部として、これらのデータの効力を弱めてはならない。   In our dynamic brain, connectivity changes continuously, which allows the brain to make some basic rules that are executed in unknown situations. Creating a rule is just a permanent change to the 3D processor network. However, no matter what individual device we create, we cannot change the form of this system. Therefore, an equivalent individual system should have three basic criteria. First, the system will be a system with extreme parallel information processing, ie the death of any element on the information processing path or noise should not significantly affect the final decision making. Second, the system must be able to generate a 3D pattern solution to provide a collective output of the superimposed signal. Finally, the operating principle of the embedded processor can be freely modified, or can be freely converted to a processor with a different function, or can be freely configured as a RAM and ROM-based processor, a sensor of unusual operation, etc. There must be. The principle of operation must support all kinds of general-purpose data that is processed by a single information processing unit (ie, all kinds of signals coming from different functional sources are superimposed during the collection of that data). In addition, this principle of operation should not weaken the effectiveness of these data as part of its own data processing.

発明を実施するための形態BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

図1は、本発明の垂直プロセッサの略図を示している。水平部分と垂直部分は、電子的にも、物理的にも独立していて、これらの部分が、結合された状態で示されている。図2は、水平面(部分)の構造設計段階とその外部接続部を示し、また、図3は、垂直面(部分)の構造設計段階と、図1に示される外部接続部を示している。
我々のモデル・プロセッサの動作原理は、上述の基本要件をすべて満たすこともある。本発明のモデルおよび方法を説明する前に、わかりやすくするために、この原理を実現できるモデル・デバイスを述べる。このプロセッサは、2つのテンプレート、すなわち、一方は情報処理面ユニット101と、他方は前記ユニットと向き合った垂直電極アレイ・ユニット102を持っている。それぞれの垂直電極103と水平電極104からのケーブルは、情報処理面105または収集面106からの信号入力または信号出力のために、結束して出る。情報処理面は、ニューロン107を持っており、また、垂直電極は、これらのニューロンからトンネル距離だけ離れた所にある。情報処理面と電極との間には、トンネリングをまったく確証しない間隔108が確保されており、更に、そのアースも、信号出力部109に接続されている。我々は、水平面上に電界分布を作り出す必要がある。それゆえ、外部の電極厚さd(201)は、水平導電面d(202)の厚さよりも厚くなければならない。金属電極面と基板とを組み合わせたものは、使用されるニューロンの種類、更に、この構造物を製造するのに用いられる技術にも左右される。一例として、我々は、化学蒸着法によりSi基板203にSiOを被着させ(204)、更に、電子ビーム・リソグラフィー(205)により外部Au電極Eを蒸着した低抵抗のSi(111)基板を挙げることができる。引き続いて、ドライ・エッチング(206、207)により、SiOをリフトオフし、最後に、Au処理面Pを被着させる(208)。この構造物は、それぞれの電極が、情報処理面またはアースとともに、更に外側の回路209に接続されている更に大きい構造物の一部である。電極アレイp×qまたはm×nの大きさは、システム要件210によって決定される。Au面は、Hの一段熱処理により、原子的に平坦にされている。そこで、これを実現するために、2段階のリソグラフィーが必要となる。垂直電極アレイは、本発明では必要でないが、ただし、産業応用には有用であることもある。垂直電極アレイでは、我々は、化学気相成長法(302)を用いてSi平面301にSiOを被着させた低抵抗のSi(111)平面を例として挙げることができ、図3Bに示されるようなAuのパターンを、この平面上に、電子ビーム・リソグラフィー303を用いて形成する。また、この面全体を樹脂で覆い(304)、また、或る部分にドライ・エッチングを行って(305)、その選択された領域内でのみ、絶縁分離されたナノロッドまたはナノワイヤのアレイを成長させられるようにしている(306)。図3Aに描かれるプロセス全体は、SiOを被着させることなく、高抵抗のSi基板上に行われることもある。ナノワイヤまたはナノロッドの成長を開始させるために、305と306の間で、成型触媒金属を回転塗布させる必要があるかもしれない。異なる金属および半導体材料用のナノワイヤの垂直成長は、出版物において、成長する化学槽被着、化学蒸着などによる標準的方法が確立されている。すべての電極接続部は、それらの接続部を外側の外部電子回路に導かせる大構造物の一部である。
FIG. 1 shows a schematic diagram of the vertical processor of the present invention. The horizontal and vertical portions are both electronically and physically independent, and these portions are shown in a coupled state. 2 shows the structural design stage of the horizontal plane (part) and its external connection part, and FIG. 3 shows the structural design stage of the vertical plane (part) and the external connection part shown in FIG.
The operating principle of our model processor may satisfy all the basic requirements mentioned above. Before describing the model and method of the present invention, a model device capable of implementing this principle will be described for clarity. This processor has two templates, one with an information processing surface unit 101 and the other with a vertical electrode array unit 102 facing the unit. Cables from the respective vertical electrodes 103 and horizontal electrodes 104 are bundled and output for signal input or signal output from the information processing surface 105 or the collection surface 106. The information processing surface has neurons 107, and the vertical electrodes are at a distance from these neurons by a tunnel distance. Between the information processing surface and the electrode, an interval 108 that does not confirm any tunneling is secured, and the ground is also connected to the signal output unit 109. We need to create an electric field distribution on the horizontal plane. Therefore, the external electrode thickness d 1 (201) must be greater than the thickness of the horizontal conductive surface d 2 (202). The combination of the metal electrode surface and the substrate depends on the type of neuron used and also on the technology used to manufacture this structure. As an example, we have deposited a low resistance Si (111) substrate by depositing SiO 2 on a Si substrate 203 by chemical vapor deposition (204) and further depositing an external Au electrode E by electron beam lithography (205). Can be mentioned. Subsequently, SiO 2 is lifted off by dry etching (206, 207), and finally, an Au-treated surface P is deposited (208). This structure is part of a larger structure in which each electrode is connected to an outer circuit 209 with an information processing surface or ground. The size of the electrode array p × q or m × n is determined by the system requirements 210. The Au surface is made atomically flat by a one-step heat treatment of H 2 . Therefore, in order to realize this, two-stage lithography is required. A vertical electrode array is not required in the present invention, but may be useful for industrial applications. In the vertical electrode array, we can mention chemical vapor deposition of low resistance Si (111) plane was deposited a SiO 2 to Si plane 301 using (302) as an example, shown in Figure 3B Such an Au pattern is formed on this plane using electron beam lithography 303. The entire surface is covered with resin (304), and a portion is dry etched (305) to grow an isolated array of nanorods or nanowires only within the selected region. (306). The entire process depicted in FIG. 3A may be performed on a high resistance Si substrate without depositing SiO 2 . To initiate nanowire or nanorod growth, it may be necessary to spin coat a shaped catalytic metal between 305 and 306. The vertical growth of nanowires for different metal and semiconductor materials has been established in publications by standard methods such as growing chemical bath deposition, chemical vapor deposition and the like. All electrode connections are part of a large structure that leads them to an external external electronic circuit.

上記サンプルを、任意のSTM/AFM機構(図4)において水平情報処理ユニット401に代えて、そこから、m×nのケーブルをシステム402から取り出して、それを、PC(パーソナルコンピュータ)を基本情報処理装置としてGPIB/RS制御システムを持つ電圧源に接続することができる。専用ソフトウェアは、パルス、あるいは、印加信号入力の大きさまたは時間を制御することができる。垂直信号出力部は、一般に、本発明のモデルの適用性に関する限り、元のSTM(走査トンネル顕微鏡)/AFM(原子間力顕微鏡)本体404に接続されたSTMまたはAFM探針403である。我々は、専用の2つの圧電素子駆動機構を基盤装置としたシステムを、この結合システム405用に背中合わせに設計することがある。産業用途では、我々が提案している設計に類似する束状構造垂直電極は、メインSTM/AFM本体408中の探針406、407に代替することもある。束状構造垂直電極のケースは、その理論上のモデリングが非常に限定されているので、我々の発明の極めて代表的なケースと見なされることもある。この垂直信号出力では、p×qのケーブルを、システム406から取り出し、また、それぞれの信号出力部は、水平面を共通のアースとした独立の電流測定ユニットを持っている。接近中409、410、411の間、この信号出力の1つまたは複数は、探針のプラス電圧に接続され、また、アースは、探針のアースである。トンネル電流を受け取るとすぐに、これらの電極の一部は、そのトンネル距離まで近づいているものと見なされる。基板またはトンネル電極の位置を移動させることにより、垂直、水平部分を、的確な位置にする。図4Cにおいて、的確な位置にするために、簡単な要領を提案している。4つのスイッチS1、S2、S3、S4のどれか1つをオンに切り換えて、点A’、点B’、点C’、点D’を基準にして、STMシステム内で走査を行う。我々は、相応の情報処理面、すなわち最大の共通領域に達するまで、共通領域412、413、414を大きくしようとする。すべての電極を、垂直に同じ高さに準備することは不可能であるから、我々は、これらの電極をいくつ接続するか、あるいは、どのシステムが最大信号出力を得ているのか保証できない。ほとんど、電極の応答は非線形でもある。しかし、このシステムは、ビットが同時に情報処理されることを示すことができ、しかも、最大の共通領域となった後で、水平・垂直ユニットをトンネル距離416に固定するために固定具415を使用できるような商業用ユニット用の概念を創出するのに役立つ。こうして、我々は、水平信号入力・垂直信号出力用の概念デバイスを構築し、逆(垂直信号入力・水平信号出力用)も同様である。   The above sample is replaced with the horizontal information processing unit 401 in an arbitrary STM / AFM mechanism (FIG. 4), and an m × n cable is taken out from the system 402, and the PC (personal computer) is used as basic information. A processing device can be connected to a voltage source having a GPIB / RS control system. Dedicated software can control the magnitude or time of the pulse or applied signal input. The vertical signal output section is generally an STM or AFM probe 403 connected to the original STM (scanning tunneling microscope) / AFM (atomic force microscope) body 404 as far as the applicability of the model of the present invention is concerned. We sometimes design a back-to-back system for this coupling system 405 based on two dedicated piezoelectric element drive mechanisms. For industrial applications, a bundled vertical electrode similar to the design we have proposed may replace the probes 406, 407 in the main STM / AFM body 408. The case of a bundle-structured vertical electrode may be considered a very representative case of our invention because of its very limited theoretical modeling. For this vertical signal output, a p × q cable is removed from the system 406 and each signal output has an independent current measurement unit with a horizontal ground as a common ground. During approach 409, 410, 411, one or more of this signal output is connected to the probe's positive voltage, and ground is the probe's ground. As soon as the tunnel current is received, some of these electrodes are considered as close to the tunnel distance. By moving the position of the substrate or the tunnel electrode, the vertical and horizontal portions are brought into appropriate positions. In FIG. 4C, a simple procedure is proposed in order to obtain an accurate position. One of the four switches S1, S2, S3, S4 is switched on, and scanning is performed in the STM system with respect to the points A ', B', C ', D'. We try to enlarge the common areas 412, 413, 414 until the corresponding information processing surface, i.e. the maximum common area is reached. Since it is impossible to prepare all electrodes vertically at the same height, we cannot guarantee how many of these electrodes will be connected or which system will have the maximum signal output. For the most part, the electrode response is also non-linear. However, this system can show that bits are processed simultaneously, and uses fixtures 415 to secure horizontal and vertical units to tunnel distance 416 after reaching the maximum common area Helps create concepts for commercial units that can. Thus, we have constructed a conceptual device for horizontal signal input / vertical signal output, and vice versa (for vertical signal input / horizontal signal output).

我々は、本発明を実現できるようなボックス用の概念を構築してきたので、多値の導電準位を持つことができるニューロン用の概念構築を必要とする。「ニューロン」という語は、水平面上で一群として振舞い、かつ多値の導電率を示す、任意の材料から構成される等価システムを意味している。多値の導電率という語は、等価一群システムが、異なる導電率の状態に切り換えられることが可能で、また、特定のプローブ・バイアスにおいて、測定された導電率が、切換え後には違えることができることを意味している。電子を獲得するか、または電子を放つことにより、あるいは、配座変化により、このシステムは、配置空間(qij)の異なるエネルギー(Uij)最小値にとどまることもある(図5A)。それぞれのエネルギー最小値は、システムの導電率501、502、更には多値準位503、504に対応する。異なる状態の導電率の差は、大きくなければならない。我々は、水平面上で、多値の導電率のシステムをもたらすことのできる有機材料または無機材料を用いる薄膜を準備する必要がある。このような基本的な基準に従って、多くのシステムを選択できる。我々は、電子を受け入れるか、または電子を放つごとに、分子システムが、異なる導電状態に導かれるように、サイクリック・ボルタメトリーにおいて複数の電子可逆酸化還元を示す分子を選択することも可能であろう。我々は、酸化する/還元する配位子または分子を用いて固定されたナノワイヤを選択することも可能であり、したがって、酸化度または還元度を変えて、多値システムが実現されることも可能であろう。DNA、ポリマーまたは長鎖分子、(π)共役部が(分子の)長手方向に、切り換わる分子またはナノパーティクルに固定されている生体分子、あるいは、酸化剤/還元剤のような分子システムは、複数の酸化準位または還元準位を持つことができる例の一部であるか、あるいは、導電率が異なる配座状態は、多値準位システムと見なされることもある。このような薄膜は、自己集合により成長され、また、配座変化は、我々の好みのもっとも望ましいシステムに到達するまで、様々なパラメータにより制御される。多値準位システムは、準位ごとに必要となる或る一定のエネルギーを持っており、それは、電界により印加される。一連の電圧を印加して(505)、異なる導電状態506を起こし、かつ、その間に数回(507)、同じプローブ・バイアスで調べると、プローブ508のシーケンスごとに、異なる導電率を見出すはずである。このような書き込まれた状態は、適切なパルス509を印加すれば、消去できるであろうし、また、状態510の減衰が明らかになろう。このシステムが不可逆性のものであれば、このシステムはROMとして使用され、また、1つのニューロンを、一度だけ使用できよう。上に説明されるように製造されたどんなシステムも、解析されるような「書き込み・読出し・消去・読出し」の性質を示し、これは、多値準位のニューロンと見なされる。 Since we have built a concept for boxes that can implement the present invention, we need to build a concept for neurons that can have multiple levels of conduction. The term “neuron” means an equivalent system composed of any material that behaves as a group on a horizontal plane and exhibits multi-valued conductivity. The term multi-valued conductivity means that an equivalent group system can be switched to different conductivity states, and at a specific probe bias, the measured conductivity can be different after switching. Means. By acquiring or emitting electrons, or by conformational changes, the system may remain at a different energy (U ij ) minimum in the configuration space (q ij ) (FIG. 5A). The respective energy minimum values correspond to the system conductivity 501, 502, as well as the multi-value levels 503, 504. The difference in conductivity between different states must be large. We need to prepare thin films using organic or inorganic materials that can provide a multi-valued conductivity system on a horizontal plane. Many systems can be selected according to such basic criteria. We can also select molecules that exhibit multiple electron reversible redox in cyclic voltammetry so that each time they accept or emit electrons, the molecular system is led to a different conducting state. I will. We can also select nanowires immobilized with ligands / molecules that oxidize / reduce, and thus multi-value systems can be realized with varying degrees of oxidation or reduction Will. Molecular systems such as DNA, polymers or long-chain molecules, biomolecules in which (π) conjugates are switched to molecules or nanoparticles that switch in the longitudinal direction (molecules), or oxidants / reducing agents Conformational states that are part of an example that can have multiple oxidation levels or reduction levels, or that have different conductivities, may be considered a multilevel system. Such thin films are grown by self-assembly and conformational changes are controlled by various parameters until the most desirable system of our preference is reached. A multi-level system has a certain energy required for each level, which is applied by an electric field. Applying a series of voltages (505), causing different conductivity states 506, and examining several times in the meantime (507) with the same probe bias should find different conductivities for each sequence of probes 508. is there. Such written state could be erased by applying the appropriate pulse 509 and the attenuation of state 510 would be apparent. If this system is irreversible, it will be used as a ROM and one neuron could be used only once. Any system manufactured as described above exhibits the nature of “write / read / erase / read” as analyzed, which is considered a multi-level neuron.

テストシステム全体用の演算回路網は、2つの結合回路、すなわち、水平回路と垂直回路を持っている(図6)。水平情報処理面601は、mnケーブル602を介してニューラル・ノード・コントローラ603に接続され、また、ニューラル・ノード・コントローラ603の信号出力部は、独立した電圧源604またはセンサ・アレイに接続されることもある。異なる機能のセンサアレイF1、F2、F3、F4(605)は、ニューラル・ノード・コントローラに接続されることもある。この信号出力は、STM探針を用いて、すべてのニューロン606の応答を走査することで読み取られ(図6C)、更に、独立した電流計607のアレイを用いて、その信号出力を測定するか(図6D)、あるいは、それらの電流計を接続切替器608に接続することさえできる(図6B)。ここで、センサ/ソース701、702と、水平情報処理面703、704用の修正ノード信号入力との間のインターフェースであるニューラル・ノード・コントローラ(NNC)(図7)について説明が必要となる。NNCは2つの面がある。一般に、情報処理面705の特定の地点における実効電流源{I}による電界分布の変化は、アース接続部の数と向きが決まっているために、また、情報処理面の幾何形状が円形、あるいは三角形または多角形のいずれか、すなわち定められた幾何形状であるために、いくつかのルールに従うことになる。第2に、有機材料または無機材料の特定の合成物である仮想ニューロンでは、その応答関数は、超分子の不可解な特徴を表わすように変化する。ニューラル・ノード・コントローラの目的は、信号源{S}を得て、アース接続、外部バイアス、パルス・シーケンス、パターン制御を変えて、ハードウェアにより異なるルートを作り出して、信号が通過するときに、その信号が、新たに定められた電圧変化ルートを全く同じに再現することである。信号源{S}のランダム変化だけが、定められたルールに従って、固有の電界分布を生み出すこともできる。それゆえ、ニューロンの応答関数、すなわち、ニューロンの元の信号入力と信号出力との関係は、更に明確に定められよう。我々は、一組の{S}の信号源から、水平情報処理面に、一組の{I}の信号を生成できる異なる電気回路を生成する。あらゆる組は、この表面上のランダム電界分布用の源であり、これは、ニューラル・ノードと呼ばれる。ノードN1、N2、N3、…、Nn(706)の間で切り換えることができる。それぞれのノードは、関数F1、F2、…、Fn(707)に対応する。これらの関数はすべて、一般化されて、最終基準関数F(708)をなすこともある。我々は、力線801と等電位面802を含む長方形の面上に電界を分布させた。図8のC欄に、また、ときには図8のA欄とB欄に、Gで示されているアース接続は、電界分布の基本的で、もっとも顕著な特徴を決定することを示している。電界分布が作り出されるとすぐに、情報処理面のニューロンは、この電界に応答して、平衡配座に達しようとする。許容される量子井戸901、902の寸法は、それぞれの量子井戸において許容されることになる導電ニューロン配座(σ)のエネルギー準位を決定する。言い替えれば、3D(3次元)箱903の寸法は、どの導電性の球を904に嵌めるか決定する。STM/AFMの探針は、箱にニューロンの球を一杯に詰めるごとに、トンネル電流を流して、異なる高さ906、907、908を生み出す。これらすべてのナノスケールの多値応答の柱は、マイクロスケールの(凹凸を持つ)表面909を出現させる。この表面上のあらゆるピークは、入力信号の問題の解と見なせる。そこで、現実のセンサから、光、音、熱のような信号が、電子信号列1001に変換され、また、これらすべての信号列が、水平面1002に送られる。この信号は、電界分布を発生させ、多値準位を持つニューロンが相互に作用し、平衡状態に達し(1003)、ニューロンが入っている3D量子井戸のランダム分布1004が、強制的にニューロンに、許容された状態に到達させる。垂直電極のアレイ1005は、低い電圧を印加して、3D量子井戸1006を破壊することなく、ニューラルの状態を読み取る。その結果得られる信号出力の3D信号列は、多値で(1008)、接続されたモータ1007を制御できる。ニューラル・ネットワークの現実的なモデルは、電子パルスの入力信号列1002と出力3D信号列1006との論理関係1009を作り出す。この論理関係は、未知の状況において、結果を予測するために使用される。 The arithmetic circuit network for the entire test system has two coupling circuits, a horizontal circuit and a vertical circuit (FIG. 6). The horizontal information processing surface 601 is connected to the neural node controller 603 via the mn cable 602, and the signal output unit of the neural node controller 603 is connected to an independent voltage source 604 or sensor array. Sometimes. The different function sensor arrays F1, F2, F3, F4 (605) may be connected to a neural node controller. This signal output is read by scanning the response of all neurons 606 using an STM probe (FIG. 6C) and whether the signal output is measured using an array of independent ammeters 607. (FIG. 6D) Alternatively, those ammeters can even be connected to the connection switch 608 (FIG. 6B). Here, a neural node controller (NNC) (FIG. 7) that is an interface between the sensors / sources 701 and 702 and the corrected node signal input for the horizontal information processing surfaces 703 and 704 needs to be described. NNC has two aspects. In general, the change in electric field distribution due to the effective current source {I n } at a specific point on the information processing surface 705 is determined because the number and direction of the ground connection portions are determined, and the geometric shape of the information processing surface is circular. Alternatively, to be either a triangle or a polygon, i.e. a defined geometry, some rules will be followed. Second, in virtual neurons, which are specific composites of organic or inorganic materials, their response functions change to represent the mysterious characteristics of supramolecules. The purpose of the neural node controller is to get the signal source {S n } and change the ground connection, external bias, pulse sequence, pattern control, create different routes by hardware, when the signal passes The signal reproduces the newly defined voltage change route exactly the same. Only a random change of the signal source {S n } can produce a unique electric field distribution according to defined rules. Therefore, the response function of the neuron, that is, the relationship between the original signal input and signal output of the neuron will be more clearly defined. We generate different electrical circuits capable of generating a set of {I n } signals on a horizontal information processing surface from a set of {S n } signal sources. Every set is a source for a random electric field distribution on this surface, which is called a neural node. It is possible to switch between nodes N1, N2, N3,..., Nn (706). Each node corresponds to a function F1, F2,..., Fn (707). All of these functions may be generalized to form the final criterion function F (708). We distributed the electric field on a rectangular surface including the field lines 801 and the equipotential surface 802. The ground connection indicated by G in column C of FIG. 8 and sometimes in columns A and B of FIG. 8 indicates that the basic and most prominent feature of the electric field distribution is determined. As soon as the electric field distribution is created, the neurons in the information processing surface try to reach an equilibrium conformation in response to this electric field. The dimensions of the allowed quantum wells 901, 902 determine the energy level of the conductive neuron conformation (σ n ) that will be allowed in each quantum well. In other words, the dimensions of the 3D (three-dimensional) box 903 determine which conductive sphere fits into the 904. Each time an STM / AFM probe is filled with a sphere of neurons, a tunneling current is applied to produce different heights 906, 907, 908. All of these nanoscale multivalued response columns give rise to a microscale (uneven) surface 909. Every peak on this surface can be considered a solution to the problem of the input signal. Therefore, signals such as light, sound, and heat are converted from an actual sensor into an electronic signal sequence 1001, and all these signal sequences are sent to the horizontal plane 1002. This signal generates an electric field distribution, and neurons having multi-level levels interact with each other to reach an equilibrium state (1003). A random distribution 1004 of the 3D quantum well in which the neuron is contained is forced to the neuron. To reach an allowed state. The vertical electrode array 1005 reads the state of the neural without applying a low voltage and destroying the 3D quantum well 1006. The 3D signal sequence of the signal output obtained as a result is multivalued (1008), and the connected motor 1007 can be controlled. A realistic model of a neural network creates a logical relationship 1009 between an input sequence 1002 of electronic pulses and an output 3D sequence 1006. This logical relationship is used to predict the outcome in an unknown situation.

我々は、その発明のモデルを、次のように作り出す。このプロセッサ上のそれぞれの多値準位システムを、仮想ソース1104、1105、1106の特定構成にて導電率を持つことができるニューロン1101、1102、1103と見なして、そのニューロンを異なる状態に切り換える。どの瞬時においても、ニューラル・ネットワーク面の状態は、二次元のm×n成分の行列V=[V11,V21,V31,…,Vmn]である。この場合、その面上には、mnの多値準位システムがある。成分の値は、0からn−1にわたる。そこで、我々は、ニューロンXの信号出力活動が、0〜n−1;X(t)=(0)V(n−1)に等しい時間依存多項パラメータであるという点を、Hopfieldの確率的な離散モデルや、決定論的な連続モデルを修正する。ここで、V(n−1)は、n個の入力信号と1個の出力信号の論理関数1107である。標準のニューラル・ネットワークモデルとは違って、ここでは、我々は、前シナプス性のニューロンを持たず、その代わり、電位分布と電界分布の行列χijの要素を持ち、すなわち、周囲電極アレイの電気信号で発生するそれぞれのニューロン信号入力に対する仮想ソースの影響1108を持っている。しかし、我々は、アースと、この探針との間の実効電位、および、個々の要素とこの探針との間の相互作用によって決まる出力信号をニューロンが与えるように、シナプス結合重みWijを持っている。多値準位の論理を考慮に入れるときには、状態が実現するたびに、n個のしきい値を持つ。それぞれのニューロンしきい値が、印加された電圧範囲内にランダムに分布することを考慮に入れて、所与のシステムに対して、一組のしきい電圧{θ}を考察できる。ニューロンの出力信号1109は、入力信号としての電界行列要素、多値準位しきい値、この行列中の遷移確率、個々に測定された応答関数によって決まる関数である。我々の発明は、(a)仮想ソースを導く前シナプス性のニューロンを除去し、(b)多値準位論理を導入し、(c)個々の出力信号を考慮に入れることで、20年前のニューラル・ネットワークの概念を修正している。 We create the model of the invention as follows. Each multi-level system on this processor is regarded as a neuron 1101, 1102, 1103 that can have conductivity in a particular configuration of virtual sources 1104, 1105, 1106, and that neuron is switched to a different state. At any instant, the state of the neural network surface is a two-dimensional m × n component matrix V = [V 11 , V 21 , V 31 ,..., V mn ]. In this case, there is an mn multilevel system on the surface. The component values range from 0 to n-1. So we see that the signal output activity of neuron X j is a time-dependent polynomial parameter equal to 0-n−1; X j (t) = (0) V (n−1). Correct discrete and deterministic continuous models. Here, V (n−1) is a logical function 1107 of n input signals and one output signal. Unlike the standard neural network model, here we have no presynaptic neurons, but instead have elements of the matrix χ ij of the potential and electric field distributions, ie the electrical of the surrounding electrode array It has a virtual source effect 1108 on each neuron signal input generated by the signal. However, we set the synaptic connection weight W ij so that the neuron provides an output signal that depends on the effective potential between earth and the probe, and the interaction between the individual elements and the probe. have. When taking multi-level logic into account, each time a state is realized, it has n thresholds. A set of threshold voltages {θ i } can be considered for a given system, taking into account that each neuron threshold is randomly distributed within the applied voltage range. The neuron output signal 1109 is a function determined by an electric field matrix element as an input signal, a multilevel threshold, a transition probability in this matrix, and an individually measured response function. Our invention (20) removes presynaptic neurons leading to virtual sources, (b) introduces multilevel logic, and (c) takes into account individual output signals, The concept of neural network is corrected.

ここで、垂直電極またはナノワイヤの束によって測定された出力トンネル電流パルスのそれぞれの要素を、基本的にガウス形関数f(x)、例えば、次式で与えられた負微分抵抗システム用のものであると書き表すことができる。

この出力関数は、このシステムに印加される入力電圧パルスの種類によって決まるステップ関数またはランプ関数、あるいはシグモイド関数などであることもある。関数の変数xは、周囲電極信号列からのシナプス信号入力、ナノワイヤ・トンネル電流測定回路からのプローブ・バイアス、および、多値準位切換え用のしきい値の加重平均によって決まる。

式中、ijは、電流が測定される情報処理面上のニューロンの座標であり、また、kは、それぞれ少なくともrの間隔を置く合計e個の電極のうち入力電極の順番である。Vは、プローブ電圧であり、また、θは、k番目の状態のしきい値である。ここでは、多値準位システムのクラスタリングや幾何学面の欠陥による過度の電子状態修正を無視するが、ただし、シナプスの重みでは、システム間の相互作用を考慮に入れている。
この情報処理面上のあらゆる多値準位システムまたはニューロンは、この状態のエネルギーが、所与の重みに対して最小となるもっとも確からしい状態θを持っている。このシステムのエネルギーは、次式で与えられる。

このエネルギー変化は、多値準位ニューロンであるので、探索バイアスとしきい値により制御される。ここで、sは、電極(すなわち、仮想ニューロン)用の実効電位である。このエネルギー論理の式に基づいて、主たる状態が決定される。θを用いて、重み変化を見出す。もっとも確からしい状態の組は、このシステムにおいて、どのようにして、ニューロンが、多値準位論理を生成できるのか決定するために使用される。例えば、8レベルの論理値を持つ場合には、θは、0から7まで様々である。また、このシステムでは、3+5=0、5+5=2である。そこで、外部電極から、電圧アレイを印加した後で、この情報処理面上に、0から7までの様々な数がランダムに分布する。
Here, each element of the output tunneling current pulse measured by a vertical electrode or a bundle of nanowires is basically a Gaussian function f (x), eg, for a negative differential resistance system given by It can be written as there is.

The output function may be a step function, a ramp function, or a sigmoid function that depends on the type of input voltage pulse applied to the system. The function variable x depends on the synaptic signal input from the ambient electrode signal sequence, the probe bias from the nanowire tunnel current measurement circuit, and the weighted average of the thresholds for multilevel switching.

In the equation, ij is the coordinates of the neuron on the information processing surface where the current is measured, and k is the order of the input electrodes among a total of e electrodes each spaced at least by r k . V p is the probe voltage, and θ k is the threshold of the kth state. Here, clustering of multi-level systems and excessive correction of electronic states due to defects in geometric planes are ignored, but synaptic weights take into account interactions between systems.
Every multilevel system or neuron on this information processing surface has the most probable state θ k in which the energy of this state is minimal for a given weight. The energy of this system is given by:

Since this energy change is a multilevel neuron, it is controlled by a search bias and a threshold value. Here, sk is the effective potential for the electrode (ie, virtual neuron). Based on this energy logic equation, the main state is determined. Use θ m to find the weight change. The most probable set of states is used in this system to determine how the neuron can generate multilevel logic. For example, when there are 8 levels of logical values, θ m varies from 0 to 7. In this system, 3 + 5 = 0 and 5 + 5 = 2. Therefore, after applying the voltage array from the external electrode, various numbers from 0 to 7 are randomly distributed on the information processing surface.

θを選択した後で、それぞれに対して出力信号誤差を計算し、また、もっとも確からしい重みが、バックプロパゲーション・アルゴリズム、すなわち、誤差が最小となるまで、結果の重みのフィードバックにより続けられる計算により、選択される。我々は、この情報処理面と出力信号層1110との間に隠れニューロン・レベルを考案できる。ここでは、ただ1つの隠れ層だけの場合について説明する。pqとして信号入力ノード1111、1113、stとして隠れノード1110、1114、最後に、ijとして信号出力ノードを持つ場合である。隠れモードにおいて、この隠れ層は、我々のモデル1114であっても、あるいは、Hopfieldのニューロン1110であっても良い。mnの数の入力電極があるので、この情報処理面全体が、mn個のセルに分けられる。しかし、mn個のセルはそれぞれ、いくつかの多値準位システムを持つことができる。例えば、その数はabである。Vpqは、これらの入力セルのそれぞれに対する信号入力であり、pqは、11(p=1、q=1)からabまで様々である。これらのセルの出力信号は、

により与えられる。そこで、ニューロンの隠れ層がcdある場合には、stは、11(s=1、t=1)からcdまで様々である。ここで、我々は、STM/AFMへの1つの出力信号Iij、あるいは、STM/AFMの探針に代替可能な束状構造電極をまねた、ナノワイヤまたはナノロッドまたはナノチューブへの数個(例えば、uv個)の出力信号を持っている。それゆえ、

となり、したがって、最後に、このモデル化されたニューラル・システム用の出力信号は、次式となる。
After selecting θ k , the output signal error is calculated for each, and the most probable weight is continued by the back propagation algorithm, ie, feedback of the resulting weight until the error is minimized. Selected by calculation. We can devise a hidden neuron level between this information processing surface and the output signal layer 1110. Here, the case of only one hidden layer will be described. This is a case where pq has signal input nodes 1111 and 1113, st as hidden nodes 1110 and 1114, and finally ij as a signal output node. In hidden mode, this hidden layer may be our model 1114 or Hopfield's neurons 1110. Since there are mn input electrodes, the entire information processing surface is divided into mn cells. However, each of the mn cells can have several multilevel systems. For example, the number is ab. V pq is the signal input for each of these input cells, and pq varies from 11 (p = 1, q = 1) to ab. The output signal of these cells is

Given by. Therefore, when the hidden layer of neurons is cd, st varies from 11 (s = 1, t = 1) to cd. Here we have one output signal I ij to STM / AFM, or several to nanowires or nanorods or nanotubes imitating bundled electrodes that can be substituted for STM / AFM tips (eg, uv) output signals. therefore,

Thus, finally, the output signal for this modeled neural system is:

先に述べたように、しきい電圧θと探索電圧Vの概念をこの関数に取り入れることができる。ここで、上記原理のプログラミングへの導入について説明する。まず最初に、θと、更にはそれぞれの状態に対応する重み組合せとを決定する必要がある。このような状態が、巡回的なやり方でどのように得られるのか、換言すれば、我々は、どんなランダム電圧アレイ信号入力に対しても、8値論理システムとして、0から7までの出力信号がつねに得られるような、アナログ・デジタル変換器としてこのシステムを使用したい。我々は、単に或る信号入力バイアスを変更するだけで、特定領域での論理応答をどのように変更するかを規定するいくつかのルールを作る必要があるので、この巡回動作は確実でないかもしれない。この手法により、日常使っているコンピュータ・プロセッサとの整合性が構築できる。 As mentioned earlier, the concepts of threshold voltage θ k and search voltage V p can be incorporated into this function. Here, the introduction of the above principle into programming will be described. First, it is necessary to determine θ k and further weight combinations corresponding to the respective states. How such a state can be obtained in a cyclic manner, in other words, for any random voltage array signal input, we have an output signal from 0 to 7 as an 8-level logic system. I would like to use this system as an analog-to-digital converter as always available. This cyclic behavior may not be assured because we need to create some rules that specify how to change the logic response in a particular domain simply by changing a certain signal input bias. Absent. By this method, consistency with the computer processor used every day can be constructed.

まず最初に、特定の探索バイアスVに対して、出力応答が左右される電位の総和をとる範囲

を決定しなければならない。式中、ViLは、それ以下では、面上でニューロンがまったく応答できない最低電位総和となり(1201)、ViHは、それを超えると、ノイズが、有意な変化にまさる最高総和になる(1202)。同様に、我々は、探索電位Vの範囲を決定しなければならず、その範囲のもっとも低い所で、ニューロンを探知するのに必要な最小電圧が決定され(1203)、また、最大電圧は、それを超えると、電極電位変化が無意味となる大きさである(1204)。第2に、ニューロンは、あらゆる論理状態に対して感受性が高いわけではなく、その論理状態の範囲や、最終的に、ニューロンごとの状態を達成するのに必要な電位の総和に対して感受性が高いわけではない。我々の場合には、多値準位システムを持つので、しきい値およびシナプスの重みに対して、エネルギー最小値または電位の総和を調べる必要がある。我々は、図13A、図13Bに示される特定のニューロンでは、ノードが変化する特定状態に対して、電位総和または重みがどのように変わるのかを決定した。ノード効果の平均を図13Cにプロットして、特定の状態を特定のニューロンに及ぼすために必要なもっとも有望な配列組合せを決定した。このような配列から、上記ニューロンを誘発する確率がもっとも高い配列を、図13Dから選択して、それらの配列を、可能なあらゆる組合せに施して、図13Eに示される多値準位論理のルールを作る。
First, a range in which the sum of potentials whose output responses are affected is determined for a specific search bias V p .

Must be determined. Where V iL is the lowest potential sum below which the neuron cannot respond at all below (1201), and V iH is the highest sum above which significant noise surpasses significant changes (1202). ). Similarly, we must determine the extent of the search the potential V P, at the lowest place of its range, the minimum voltage necessary to detect neurons is determined (1203), and the maximum voltage Beyond that, the electrode potential change is meaningless (1204). Second, neurons are not sensitive to all logic states, but are sensitive to the range of logic states and, ultimately, the sum of potentials required to achieve the state of each neuron. Not expensive. In our case, since we have a multi-level system, we need to examine the minimum energy or the sum of potentials for threshold and synaptic weights. We have determined how the potential summation or weight changes for the specific state where the node changes in the specific neuron shown in FIGS. 13A and 13B. The average of node effects was plotted in FIG. 13C to determine the most promising sequence combinations needed to exert a particular state on a particular neuron. From such an array, the array having the highest probability of inducing the neuron is selected from FIG. 13D, and these arrays are applied to all possible combinations to determine the rules of the multilevel logic shown in FIG. 13E. make.

本発明者らは、多くのやり方で実現できる学習プロセス用の段階的手順を要約してきた。本発明の場合は、図14に示される通り、ニューラル・ネットワーク上に隠れニューロンがない、極めて特殊な場合を述べてきた。我々のエネルギー変数は、3組のパラメータであり、目標は、与えられた任意の入力信号シーケンスに対して、能動的で、もっとも有望な状態を見出すことである。そこで、我々は、エネルギー値を最小にするか(1401)、あるいは、先のステップ1402から、多値準位の変分関数Gijを決定する(1403)ことになる。備わっている性質によって、学習により切り替え器を接続することになり、そのために、未知の任意の組の入力信号にいつ遭遇することになっても、我々のモデル・デバイスが、出力信号用の主式1404のしきい値を決定する逆関数を別のものに置き換える。我々のモデル・プローブの場合のように、水平電極としきい電圧はすべて様々であり、それゆえ、第2の最小化プロセス用の初期設定値として、シナプスの重みとプローブ効果用の第1の組のパラメータとして、逆伝播アルゴリズムを数回繰り返すことにより全体の誤差を最小化する場合もある。 The inventors have summarized a step-by-step procedure for the learning process that can be implemented in many ways. In the case of the present invention, as shown in FIG. 14, a very special case has been described in which there are no hidden neurons on the neural network. Our energy variables are three sets of parameters, and the goal is to find the most promising state that is active for any given input signal sequence. Therefore, we will minimize the energy value (1401), or determine the variational function Gij of the multilevel level from the previous step 1402 (1403). Due to the nature of it, learning will connect the switch, so that our model device will be the main source for the output signal whenever it encounters any unknown set of input signals. Replace the inverse function that determines the threshold in Equation 1404 with another one. As with our model probe, the horizontal electrodes and threshold voltages are all different, and therefore, as a default for the second minimization process, the first set of synaptic weights and probe effects In some cases, the entire error is minimized by repeating the back propagation algorithm several times.

分子規模の分解能を持ちながら、出力信号データの垂直取得を同時に行うことは不可能であるので、これだけの数のケーブルを、このように小さい面域から取り出すことはできない。実際はSTMを用いて信号出力にアクセスして、我々の発明モデルを実験的に確かめる。STMには探針が1つしかないので、走査終了後に一組の出力信号を一度に全部生成して、多値準位システムのメモリを利用することにより、同時に信号出力されたとものと看做すことになる。
このモデルを確かめるために、我々は、個々の入力電極アレイに、パルスではなく定常電圧を印加している。それゆえ、STM/AFN探針電流は基本的にはランプ関数またはシグモイド関数であり、シグモイド関数f(x)は
f(x)=1/(1+exp(−ax))によって与えられ、式中、aは、シグモイド関数の勾配パラメータである。我々は、その多値準位ニューロンとバーティカル・ネットワーク概念をSTMを用いて調べることにより、そのまま、隠れニューロンの理論上の概念を実験的に調べることになる。それゆえ、STMは、この面上をすべて走査できるために、その面上のあらゆる多値準位システム全てが、外部の取巻き外部電極アレイから電位および電界が印加された時点で、探索されてしまう。その結果、信号出力数は、信号入力数よりも少ない。データを取得する空間分解能が高ければ高いほど、このデバイスの効率はよく、それゆえ、多値準位システムの数と、信号出力の数との差が小さくなる。
Since it is impossible to simultaneously perform vertical acquisition of output signal data while having a molecular scale resolution, it is not possible to take out such a large number of cables from such a small area. In fact, we use STM to access the signal output and verify our invention model experimentally. Since the STM has only one probe, it is considered that a set of output signals are generated all at once after the scan is completed, and signals are output simultaneously by using the memory of the multilevel system. Will be.
To verify this model, we are applying a steady voltage rather than a pulse to each input electrode array. Therefore, the STM / AFN probe current is basically a ramp function or sigmoid function, and the sigmoid function f (x) is given by f (x) = 1 / (1 + exp (−ax)), where a is the gradient parameter of the sigmoid function. By examining the multilevel neuron and the vertical network concept using STM, we will experimentally examine the theoretical concept of the hidden neuron. Therefore, because STM can scan all over this surface, all multi-level systems on that surface will be searched when potentials and electric fields are applied from the external surrounding external electrode array. . As a result, the number of signal outputs is less than the number of signal inputs. The higher the spatial resolution at which data is acquired, the better the efficiency of the device and hence the smaller the difference between the number of multilevel systems and the number of signal outputs.

それぞれの重みを選択した後に発生する誤差は、その信号入力部にフィードバックされ、入力信号が補正される。この誤差は、基本的には、MSE、すなわち平均二乗誤差である。上記の数学的要領に基づいて、更に多くの隠れ層を設ける場合には、適宜に、誤差関数が変更される。この情報処理面上では、動作の間、発生した誤差は、普通は、水平方向に転送され、それゆえ、垂直方向の影響は最小である。また、このシステムが逐次情報処理ではないから、誤差関数の空間分布は、あらゆる領域にわたってニューラルの応答を遮断するために、得られたパターンを覆い隠す必要がある。図15Aでは、入力信号に対して得られた電気力線をプロットし、その面上のもっとも有意なソリューション・ポイントS、S、S、…、Snが結線されている。ここで、個々のベクトルを修正しても、これらのベクトルは、その結合パターン・ソリューションを変更できない、その理由は、どの誤差も、その情報処理面全体にわたって、調和的作用ができないことである。このような単純論理では、我々のプロセッサは、我々の脳のように、極度のノイズのもとでも耐えることができる。更に、隠れニューロン1502の概念を導入することにより、誤差媒介の決定変更を制圧できる。更に、ニューラル意思決定クラスタを縮小すれば、誤差媒介の決定変更頻度を減らすことができる(1503)。 The error generated after selecting each weight is fed back to the signal input unit, and the input signal is corrected. This error is basically the MSE, or mean square error. When more hidden layers are provided based on the above mathematical procedure, the error function is changed as appropriate. On this information processing surface, errors that occur during operation are normally transferred in the horizontal direction, and therefore the influence of the vertical direction is minimal. In addition, since this system is not a sequential information processing, the spatial distribution of the error function needs to obscure the resulting pattern in order to block the neural response across all regions. In FIG. 15A, electric force lines obtained with respect to the input signal are plotted, and the most significant solution points S 1 , S 2 , S 3 ,..., Sn on the surface are connected. Here, even if individual vectors are modified, these vectors cannot change their combined pattern solution because no error can be harmonized across the information processing surface. With this simple logic, our processors can withstand extreme noise, like our brain. Furthermore, by introducing the concept of hidden neurons 1502, error-mediated decision changes can be suppressed. Furthermore, if the neural decision-making cluster is reduced, the error-mediated decision change frequency can be reduced (1503).

最後に、我々は、リアルタイムのパラメータの一部と、本発明のモデル・デバイスにおける上記パラメータの重要性を説明したいと思う、これらは、ソリューションの分析中は、ANNを用いて完全に回避している。一組の電気バイアスが情報処理面に印加されると、この情報処理面上のあらゆる点に、電位が発生する。一般に、情報処理面上には多値準位システムはない、あるいは、情報処理面は導電率が一定であると考えられ、その場合、これらの電極の外側の全領域内の電位φ(x,y)は、ラプラスの式、すなわち、Vφ(x,y)=0の解である。
簡単にするために、半径aの16個の電極で取り巻かれた半径bの円形の情報処理面を考察する。重ね合わせの原理により、この面上の任意地点での総電位は、それぞれの電極により発生された電位の和であり、次式となる。

式中、z=x+iy、および、
Finally, we would like to explain some of the real-time parameters and the importance of these parameters in the model device of the present invention, which can be completely avoided using ANN during solution analysis. Yes. When a set of electrical biases are applied to the information processing surface, a potential is generated at every point on the information processing surface. In general, there is no multilevel system on the information processing surface, or the information processing surface is considered to have a constant conductivity. In this case, the potential φ (x, x, y) is the Laplace equation, ie, the solution of V 2 φ (x, y) = 0.
For the sake of simplicity, consider a circular information processing surface of radius b surrounded by 16 electrodes of radius a. Due to the principle of superposition, the total potential at any point on this surface is the sum of the potentials generated by the respective electrodes and is given by:

Where z = x + ii, and

この展開式では、第1項は、n番目の電極の内部にある単極(モノポール)により生じた電位を表わし、また、kは、n番目の電極上の一様でない電荷分布の双極子モーメント、4極子モーメント、8極子モーメントに相当する。境界条件により、aとbの点から、Cの値を求めることができる。
ここで、情報処理面上に、多値準位システムを置く。様々な電気信号を印加している間、この情報処理面上に、電荷分布があることがわかる。しかし、STMを用いて、出力電流を測定するときに、この電位面上の一様でない電荷の動的量子効果を考慮しても、ラプラスの等式の変更の必要がない場合がある。Feynmanの経路積分法の離散系のものに基づく量子経路積分分子ダイナミックス(QUPID)を使用して、Nのパーティクル・クラスタと相互作用する電子は次式となる。

式中、Pは、調和電位とクラスタ電位の重ね合わせを考慮した寄与数である。このトンネル電流を測定すると、実効サンプル・バイアスは、次式のように、面電極により発生した電位と、古典イオンにより発生した実効電位との和となる。
φsample=φ+<Veff>、この障壁の高さは、サンプルと探針・バイアスとのほぼ平均である。φbarrier=1/2(φsample+φtip)。そこで、電流は、

の場合に、次式により表わすことができる。

式中、Eはエネルギーであり、ρは、局所状態密度である。ここで、探針バイアスにより発生した電界は、局所作用であり、また、取巻き電極で発生する電界は、大域的作用であって、これらの作用は、互いに相互作用し合う。我々は、提案されたモデルの実現において、(外部電極によって発生した)電界により外的に誘起された導電率の変化がもっとも有意であるように、双方の値を選択する。常態では、この探針における電界のオーダは、〜108V/m(例えば、1V/2nm)であり、また、(外部電極によって発生する)電界は約〜10V/mのオーダで、熱的なホッピングによってのみの導電率を変化させることができ、また、導電率は、次式のように、電界とともに増す。

それゆえ、外部電界は、前述の値よりも大きくなるべきで(すなわち、約〜10V/m)、有意に探針バイアスに寄与するが、ただし、完全に探針バイアスに勝ることのないようにしなければならない。従って、トンネル電流は、ノイズにすぎない。それゆえ、例えば、16個の電極を1000nmの間隔で配置するシステムの場合に、この情報処理面上の或る地点に、あらゆる電極に+5Vを印加すれば、〜8×10V/mが得られる。そこで、薄膜の厚さ、使用される多値準位システムの電気的特性、探針バイアス、分子面配座、および情報処理面の幾何的形状に基づいて、デバイスの動作電圧範囲を最適化する必要がある。
In this expansion, the first term represents the potential generated by a monopole inside the nth electrode, and k is a non-uniform charge distribution dipole on the nth electrode. It corresponds to a moment, a quadrupole moment, and an octupole moment. The value of C can be obtained from the points a and b according to the boundary condition.
Here, a multi-level system is placed on the information processing surface. It can be seen that there is a charge distribution on this information processing surface while applying various electrical signals. However, when measuring the output current using STM, the Laplace equation may not need to be changed even if the dynamic quantum effect of the non-uniform charge on the potential surface is taken into account. Using quantum path integral molecular dynamics (QUPID) based on the discrete system of Feynman's path integral method, the electrons interacting with N particle clusters are:

In the equation, P is the number of contributions considering the superposition of the harmonic potential and the cluster potential. When this tunneling current is measured, the effective sample bias is the sum of the potential generated by the surface electrode and the effective potential generated by the classical ions as shown in the following equation.
φ sample = φ 2 + <V eff >, the height of this barrier is approximately the average of the sample and the tip / bias. φ barrier = 1/2 (φ sample + φ tip ). So the current is

Can be expressed by the following equation.

Where E is energy and ρ is local density of states. Here, the electric field generated by the probe bias is a local action, and the electric field generated by the surrounding electrode is a global action, and these actions interact with each other. We choose both values so that in the realization of the proposed model, the change in conductivity externally induced by the electric field (generated by the external electrode) is most significant. Normally, the electric field on this probe is on the order of ~ 10 8 V / m (eg 1V / 2nm), and the electric field (generated by the external electrode) is on the order of about ~ 10 6 V / m, The conductivity can only be changed by thermal hopping, and the conductivity increases with the electric field as:

Therefore, the external electric field should be greater than the aforementioned value (ie, about ˜10 7 V / m), which contributes significantly to the probe bias, but does not completely overcome the probe bias. Must do so. Therefore, the tunnel current is only noise. Therefore, for example, in the case of a system in which 16 electrodes are arranged at an interval of 1000 nm, if +5 V is applied to any electrode at a certain point on this information processing surface, ˜8 × 10 7 V / m is obtained. can get. Therefore, the operating voltage range of the device is optimized based on the thickness of the thin film, the electrical characteristics of the multilevel system used, the probe bias, the molecular plane conformation, and the geometry of the information processing plane. There is a need.

Bardeenの手法では、

式中、f(E)は、フェルミ関数であり、Vは、この場合も、印加電圧であり、Mμvは、状態間のトンネル行列要素であって、波動ベクトルkによって決まり、更に、kはφbarrierによって決まり、また、Eは、状態に対応するエネルギーである。
非平衡グリーン関数定式化(NEGF)では、概念上、原子面1506と、STM/AFM探針または垂直電極1507との間に掛かっている導体1505に仮想媒体1504が接続されている。ハミルトン作用素H用の電位の項は、U(r)=φsample+φで与えられる。ハミルトン作用素Hは、グリーン関数



であることを判定するために使用される。この電流は、次式により与えられる。
In Bardeen's method,

Where f (E) is the Fermi function, V is again the applied voltage, M μv is the tunnel matrix element between states, determined by the wave vector k, and k is It depends on φ barrier and E is the energy corresponding to the state.
In the nonequilibrium Green function formulation (NEGF), a virtual medium 1504 is conceptually connected to a conductor 1505 that hangs between an atomic surface 1506 and an STM / AFM probe or vertical electrode 1507. The potential term for the Hamilton operator H c is given by U (r) = φ sample + φ. Hamilton operator Hc is Green's function
,


Is used to determine that This current is given by:

様々なパラメータを考慮に入れているにもかかわらず、信号出力及び異なる状態への遷移を直接に予測することは不可能である。原子平坦面の欠陥、異なる平面の存在、多様な分子間相互作用、異なる状態での多値準位システムの遷移確率の揺動、のようないくつかのパラメータを、有効な現実的予測のための計算プロセスに取り入れることはできない。それゆえ、上に説明したように、ANNベースの概念で、前記全てのパラメータを避けることができる。更に、情報処理面を、三角形1601、長方形1602、n辺の多角形1603、円形1604として変更することもある。その場合、この面の論理応答変化が、ますます複雑となり、ANNなしでは作業はほとんど不可能と思われる。
ここで、このプロセッサの汎用性について、幾つかの注釈を加えたい。第1は可逆使用である。ニューラル・モデルを逆にするときには、すなわち、電圧を垂直に印加し、また、信号出力を水平に取るときには、この提案されたニューラル・ネットワーク・モデルに従って、結果を得るが、ただし、STM/AFM探針がランダムに局所経路調整をもたらす場合には、学習方法を変更する必要がある。上述した、このシステムの物理的説明では、この場合には有効ではない。この場合には、信号の水平情報処理が主要な物理現象であり、前記理論では不十分な扱いになっているためである。そこで、ANNは、建設的な結果を与えるが、ただし、汎用性を取り入れることができないことになる。第2に、STM/AFM探針1605を用いて、この情報処理面上をすべて走査して(1606)、結果を見出す。そこで、このような場合、ソリューション・ポイントとして最大値が得られる。我々は、垂直電極アレイを使用するときには、設計の制約を考慮に入れて、1つの探針1608では、単一点の情報処理面1609を持ち、4つの探針1610では、4点の局所的なクラスタ効果のある情報処理面1611を持ち、8つの探針1612では、8点の局所的なクラスタ効果のある情報処理面1613を持つ。探針数nの変化とともに、このデバイスの効率Eをプロットする場合には、当初、平均応答を考慮に入れると、効率が向上するが、ただし、nが更に増加する場合には、プローブ間の相互作用が、このデバイスの効率を低下させることになる(1614)。
本発明のモデルは、それ自体、図17Aに示されるように、行列線形化の完全な一例である。信号入力/信号出力形態を変更すれば、逆動作さえも達成できる。我々は、図13Eに示されるように、局所的なソリューション・パターンを修正する方法を決定しさえすれば、図17Bに示されるように、個々の数学的関数に対して、ルールを作り出すことができる。そこで、数学的な演算を予測する一組の重み係数を生成する。このプロセッサは、量子力学演算、例えば演算子関数を実行することに対応している。プローブ・バイアスを演算子として学習させ、図17Cに示されるように、量子力学代数演算のためのルールを作り出す。
Despite taking various parameters into account, it is impossible to directly predict the signal output and transition to different states. For effective realistic prediction, several parameters such as atomic flat surface defects, existence of different planes, various intermolecular interactions, fluctuation of transition probability of multi-level system in different states, etc. Cannot be incorporated into the calculation process. Therefore, as explained above, all the parameters can be avoided with the ANN-based concept. Furthermore, the information processing surface may be changed to a triangle 1601, a rectangle 1602, an n-side polygon 1603, and a circle 1604. In that case, the logical response change in this aspect becomes more and more complex, and it seems almost impossible to work without ANN.
I would like to add some comments about the versatility of this processor. The first is reversible use. When reversing the neural model, i.e., applying voltage vertically and taking the signal output horizontally, results are obtained according to this proposed neural network model, except that the STM / AFM search is performed. If the needle randomly brings local path adjustments, the learning method needs to be changed. The physical description of this system described above is not valid in this case. In this case, the horizontal information processing of signals is the main physical phenomenon, and the above theory is insufficient. So ANN gives a constructive result, but it cannot take versatility. Second, using the STM / AFM probe 1605, the entire information processing surface is scanned (1606) to find the result. In such a case, the maximum value is obtained as the solution point. We take into account design constraints when using vertical electrode arrays, with one probe 1608 having a single point information processing surface 1609 and four probes 1610 having four local points. It has an information processing surface 1611 having a cluster effect, and the eight probes 1612 have information processing surfaces 1613 having eight local cluster effects. When plotting the efficiency E of this device along with the change in the number of probes n, initially the average response is taken into account when the average response is taken into account, but if n is further increased, the probe-to-probe The interaction will reduce the efficiency of the device (1614).
The model of the present invention is itself a complete example of matrix linearization, as shown in FIG. 17A. Even reverse operation can be achieved by changing the signal input / signal output configuration. As long as we determine how to modify the local solution pattern as shown in FIG. 13E, we can create rules for individual mathematical functions as shown in FIG. 17B. it can. Therefore, a set of weighting factors that predict mathematical operations is generated. This processor corresponds to performing quantum mechanics operations, eg operator functions. The probe bias is learned as an operator, and a rule for quantum mechanical algebra calculation is created as shown in FIG. 17C.

バーティカル・プロセッサの概念を作り出すときに、システム全体の総括的出力信号行列用に、いくつかのプロセッサを組み合わせたものが、図18に示されるように、実現される可能性のある応用の中でも当面の応用例になる。任意の種類のプロセッサ信号入力部が他の任意の種類のプロセッサに接続されるが、ただし、任意の信号出力部が任意の信号入力部に有意に接続されることもあり、等価電圧をそれぞれの信号入力部1801に供給するために、マニュアル・コンバータを持つ必要がある。ROMプロセッサ1901は、RAMプロセッサ1902にランダムに接続され、更に、この結合性の垂直投影は、これらの要素の一部がROMのために固定されるような行列を与える。図19に示される面ABCD−面EFGHの内側のプロセッサの3D行列は、ABCD面上に信号出力接続の投影を持っている。それゆえ、この面から垂直に出て来る信号出力は、前述の通り、基本的に「垂直信号出力」である。我々は、異なる大きさまたは機能を持つプロセッサの更に大きいランダム統合において、出力信号行列クラスタ1904の相関行列源1903を用いて、同一概念を適用できる。それゆえ、最終プロセッサは、前述の理論として、ランダムな3D(3次元)入力源から垂直にアクセスされたものとして前記原理に従う。基本的な変更は2つしかない。第1のものは、仮想ソースに対するシナプス信号入力用の加重値関数が、ここでは、その信号入力に対するプロセッサ出力信号行列に対する加重値係数であり、それにより、別の行列のシードとなる出力信号行列要素が得られることである。我々はまた、投影定理を適用して、ランダム・クラスタから実効出力信号を見出すこともできる。よって、水平信号入力・垂直信号出力と、垂直信号入力・水平信号出力の概念は、ファジー・ニューラル・ネットワーク・システムを、脳のような未来のプロセッサへと発展させる際の普遍的な概念である。   When creating the concept of a vertical processor, a combination of several processors for the overall output signal matrix of the entire system is among the applications that may be realized for the time being, as shown in FIG. Application example. Any type of processor signal input can be connected to any other type of processor, but any signal output can be significantly connected to any signal input and the equivalent voltage can be In order to supply to the signal input unit 1801, it is necessary to have a manual converter. The ROM processor 1901 is randomly connected to the RAM processor 1902, and this combined vertical projection gives a matrix in which some of these elements are fixed for the ROM. The 3D matrix of the processor inside the plane ABCD-plane EFGH shown in FIG. 19 has a projection of the signal output connection on the ABCD plane. Therefore, the signal output coming out vertically from this surface is basically “vertical signal output” as described above. We can apply the same concept using the correlation matrix source 1903 of the output signal matrix cluster 1904 in a larger random integration of processors with different sizes or functions. Therefore, the final processor follows the above principle as the above theory as being accessed vertically from a random 3D input source. There are only two basic changes. The first is that the weighting function for the synaptic signal input for the virtual source is here the weighting coefficient for the processor output signal matrix for that signal input, thereby the output signal matrix that is the seed of another matrix The element is to be obtained. We can also apply the projection theorem to find the effective output signal from random clusters. Therefore, the concept of horizontal signal input / vertical signal output and vertical signal input / horizontal signal output is a universal concept for developing a fuzzy neural network system into a future processor such as the brain. .

例1と例2
1×0としての水平基本p×qを、上述のプロセッサのもっとも基本としている。これは、大域的制御が、互いに向い合せにある外側の2つの電極によってなされる一方で、情報処理面が電極間にあって、STMにより、データが垂直に取られることを意味している。また、我々は、デュアル・モードの調整がなされているかどうかの動作確認に成功した。つぎに、電極を1つ増やして、1×1としてp×qを作った。第3の電極をrと呼ぶ。このシステムは、以下のように作られた。上述のテンプレートを、電子ビーム・リソグラフィーと、Si(111)基板上の金の電子ビーム蒸着との組合せにより製造することから始まる。この場合、水平電極対(p、q、rの高さは〜100nm)と、それらの電極の間にある情報処理面(情報処理面の高さは、50nm)は、〜80nmだけ隔てられている。このギャップが、理論上、臨界値を超える状態でシミュレーションしたので、電気バイアスを増しても一定の限度内は、情報処理面への電荷注入がもたらされないこともある。電極と情報処理面との間に、〜50nmの高低差を設けるために、ナノスケールの2段リソグラフィーにより、最終パターンの製造成功率は約30%減少した。情報処理面の面積は、100nm2〜200nm2の間で様々である。広い面積の原子平坦面(r.m.s<1.5nm)と、対称形のSTM探針(電気化学エッチングと、それに続く構造の吟味)は、量子現象の大域的調整に不可欠であった。上述のSi(111)基板上に金のテンプレートを製作した後で、この基板を石英室内で、流量60mL/分の100%水素ガス流中で熱処理する。この後で、15℃/分の率で上昇させて、400℃(新たに碧開された雲母上の金では600℃)の温度で熱処理し、30分間保持した後に、熱源の電源を遮断して冷却させる。基板は、その水平面を水素ガスの流れの方向に向けて、9°〜22°という最善の操作領域内で最適化された15°の角度に保たれる。極めて重要なことは、広い面積で表面構造が再構成された原子平坦の金Au(111)基板を作り出すことである。更に、欠陥を最小限に抑えるために、このテンプレートを、DMF溶液に浸し、その場合、溶液を、水平面に対して3度/秒の割合で、60分の間、連続して傾斜させ、また、2時間の間、傾斜させないでおく。このサイクルは、3回繰り返され、その後で、上述のように、水素ガス流中の熱処理が行われる。この記述された方法は、どの方法よりも欠陥の少ない広い面積の原子平坦面(r.m.s. 〜8nmで〜500nm2)を作り出すことができる。最終テンプレートの存続率は、約10%であった。
新たに熱処理されたテンプレートは、RB(Rose Bengal)のマイクロモル・エタノール溶液に、5時間の間、浸されて、厚さr.m.s. 〜1.5nmの1.2単分子層カバー範囲の自己組織化膜を生み出した。特定場所での量子ホールが、この表面被覆膜上の様々な区域で認められた。専用電極システムの設計および製造の最適化は、STMを用いて、この電極システムに摂動を局所的に(垂直に)加え、同時に、その環境を安定させて、大域的電界を(水平に)加えることを実現するのに有効であった。二つの動作を均衡させることで、量子井戸(2nm2)に発生する物理的事象を調整した。その場合、キサンテン染料の配座状態間の遷移確率は、局所バイアスと大域的バイアスの両方によって決まった。量子井戸中の単一のキサンテン染料RBは、様々な配座への遷移で、ガウス確率分布を示した。ガウス分布のQバンドのバンド幅は、水平バイアスにより、最大25%に調整された。これにより、局所バイアスを大域的でも制御することが可能であることが明らかになった(これは、このプロセッサの基本要件である)。また、我々が得る調整可能なデータは、調整に論理を見出すために、ソフトウェアでシミュレートされる処理情報である。したがって、これは、上述の通り、もっとも基本的なプロセッサとして機能する。
Example 1 and Example 2
The horizontal basic p × q as 1 × 0 is the most basic of the above-described processor. This means that global control is done by the two outer electrodes facing each other, while the information processing surface is between the electrodes and the data is taken vertically by STM. In addition, we succeeded in confirming whether the dual mode was adjusted. Next, the number of electrodes was increased by 1 to make 1 × 1 and p × q. The third electrode is called r. This system was made as follows. The template described above begins with a combination of electron beam lithography and gold electron beam deposition on a Si (111) substrate. In this case, the horizontal electrode pair (the height of p, q, r is ~ 100 nm) and the information processing surface (the height of the information processing surface is 50 nm) between these electrodes are separated by ~ 80 nm. Yes. Since this gap is theoretically simulated in a state exceeding the critical value, even if the electric bias is increased, charge injection to the information processing surface may not be brought within a certain limit. Nanoscale two-stage lithography has reduced the final pattern manufacturing success rate by about 30% to provide an elevation difference of ˜50 nm between the electrode and the information processing surface. The area of information processing surface is varied between 100 nm 2 to 200 nm 2. A large area atomic flat surface (rms <1.5 nm) and a symmetrical STM probe (electrochemical etching and subsequent structural examination) were essential for global tuning of quantum phenomena. After the gold template is manufactured on the Si (111) substrate, the substrate is heat-treated in a 100% hydrogen gas flow in a quartz chamber at a flow rate of 60 mL / min. This is followed by a heat treatment at a rate of 15 ° C./minute, heat treated at a temperature of 400 ° C. (600 ° C. for gold on newly cleaved mica), held for 30 minutes, and then shut off the heat source. Allow to cool. The substrate is kept at an angle of 15 ° optimized within the best operating range of 9 ° to 22 °, with its horizontal plane pointing in the direction of hydrogen gas flow. Very important is to create an atomically flat gold Au (111) substrate with a reconstructed surface structure over a large area. Further, to minimize defects, the template is immersed in a DMF solution, in which case the solution is continuously tilted at a rate of 3 degrees / second relative to the horizontal plane for 60 minutes, and Leave uninclined for 2 hours. This cycle is repeated three times, after which heat treatment in the hydrogen gas stream is performed as described above. This described method can produce a large area atomic flat surface (rms ˜8 nm to ˜500 nm 2 ) with fewer defects than any other method. The survival rate of the final template was about 10%.
The newly heat-treated template is immersed in a micromolar ethanol solution of RB (Rose Bengal) for 5 hours, and is a self-assembled film having a 1.2 monolayer covering range having a thickness of rms to 1.5 nm. Produced. Quantum holes at specific locations were observed in various areas on the surface coating film. Optimization of the design and manufacture of a dedicated electrode system uses STM to apply a perturbation to this electrode system locally (vertically) and at the same time stabilize its environment and apply a global electric field (horizontally) It was effective to realize that. The physical events that occur in the quantum well (2nm 2 ) were adjusted by balancing the two operations. In that case, the transition probability between the conformational states of the xanthene dyes was determined by both local and global bias. A single xanthene dye RB in a quantum well showed a Gaussian probability distribution with various conformational transitions. The bandwidth of the Gaussian Q band was adjusted to a maximum of 25% by horizontal bias. This revealed that the local bias could be controlled globally (this is a basic requirement for this processor). Also, the adjustable data we get is processing information that is simulated in software to find logic in the adjustment. This therefore functions as the most basic processor, as described above.

本発明の垂直・水平プロセッサの斜視図。水平部分と垂直部分は、電子的にも、物理的にも独立していて、これらの部分が、結合された状態で示されている。The perspective view of the vertical and horizontal processor of this invention. The horizontal and vertical portions are both electronically and physically independent, and these portions are shown in a coupled state. 水平面設計段階と、図1に示される垂直・水平プロセッサの、水平面設計段階の外部接続部。 Aは、水平面のテンプレートを製造する主要ステップの略図(工程図)を示す。Bは、p×qの寸法で構築される最終構造物(斜視図)を示す。Cは、水平面との外部電子回路のインターフェース用に、フォトリソグラフィまたは金属マスクの直接接触により作り出された外部配線図を示す。The external connection part of the horizontal plane design stage and the horizontal plane design stage of the vertical and horizontal processors shown in FIG. A shows the schematic (process drawing) of the main steps which manufacture the template of a horizontal surface. B shows the final structure (perspective view) constructed with dimensions of p × q. C shows an external wiring diagram created by photolithography or direct contact of a metal mask for the interface of the external electronic circuit to the horizontal plane. 図1に示される垂直・水平プロセッサの外部接続部を持つ垂直面設計段階。 Aは、STM/AFM探針の取替えのために、また、産業用途のために、垂直面のテンプレートを製造する主要ステップの略図(工程図)を示す。Bは、最終垂直電極アレイ・テンプレート(平面図)を示す。Cは、フォトリソグラフィまたは金属マスクの直接接触により作り出された外部配線図を示す。A vertical plane design stage with external connections of the vertical and horizontal processors shown in FIG. A shows a schematic (process diagram) of the main steps for producing a vertical surface template for STM / AFM probe replacement and for industrial applications. B shows the final vertical electrode array template (plan view). C shows an external wiring diagram created by photolithography or direct contact of a metal mask. 本発明で提案したモデルをチェックする特性を表わすユニットの接続と機構。Aは、STM/AFMユニットの略図(斜視図)であって、この場合、サンプルを、水平情報処理面に接続されたm×nのケーブル網に代えている。Bは、本発明の単独システムの略図(斜視図)である。Cは、本発明におけるホリゾンタル・プロセッサとバーティカル・プロセッサとの間の正確な結合の略図である。Unit connection and mechanism representing the characteristics of checking the model proposed in the present invention. A is a schematic view (perspective view) of the STM / AFM unit. In this case, the sample is replaced with an m × n cable network connected to the horizontal information processing surface. B is a schematic (perspective view) of the single system of the present invention. C is a schematic diagram of the exact coupling between a horizontal processor and a vertical processor in the present invention. このプロセッサに使用されるスマート・システムの選択。Aは、本発明のスマート・システムまたはニューロン用の図式的なエネルギー図である。 Bは、本発明の多値準位RAM、すなわち、「書込み・読出し・消去・読出し」の多値準位のプロセスを実行するスマート・システムのテストの略図である。Selection of the smart system used for this processor. A is a schematic energy diagram for the smart system or neuron of the present invention. B is a schematic diagram of a test of a multi-level RAM of the present invention, ie, a smart system that performs a multi-level process of “write / read / erase / read”.

本発明を現実に適用するために提案されたハードウェア制御ユニットの略図。Aは、ニューラル・ノード・コントローラを介して、固有の電界分布を生み出すための電子回路である。Bは、PC4により制御されることもあるモータにそれぞれ接続された垂直電極である。Cは、STM/AFMを介してソリューションを読み取る回路である。Dは、独立した電流計を通じて、垂直電極の読みとりが直接に行われる場合があることを示す。Eは、機能センサを介しての固有の水平電界分布発生を示し、これは、ニューラル・ノード・コントローラの前、または後に接続されることもある。1 is a schematic diagram of a hardware control unit proposed for actually applying the present invention. A is an electronic circuit for creating a unique electric field distribution via a neural node controller. B is a vertical electrode connected to each motor that may be controlled by the PC 4. C is a circuit that reads the solution via STM / AFM. D indicates that the vertical electrode reading may be taken directly through an independent ammeter. E indicates the inherent horizontal field distribution generation through the functional sensor, which may be connected before or after the neural node controller. 本発明のニューラル・ノード・コントローラ。Aは、ニューラル・ノードを生成する様々なやり方である。Bは、様々なモードによるニューラル・ノード・コントローラの使用法である。The neural node controller of the present invention. A is a variety of ways to generate neural nodes. B is the usage of the neural node controller in various modes. 本発明の特別の場合に、16の電極を持つ水平情報処理面上の電界分布の理論上のシミュレーション結果。Aは、一組の高電圧範囲に対して、異なるアース接続用のシミュレーションである。Bは、一組の低電圧範囲に対して、異なるアース接続用のシミュレーションである。Theoretical simulation results of the electric field distribution on the horizontal information processing surface with 16 electrodes in the special case of the present invention. A is a simulation for different ground connections for a set of high voltage ranges. B is a simulation for different ground connections for a set of low voltage ranges. 本発明のモデル・プロセッサの動作機構の略図。1 is a schematic diagram of an operating mechanism of a model processor of the present invention. 本発明のプロセッサの現実の動作と、本発明の同時ANN学習法の図。The figure of the real operation | movement of the processor of this invention, and the simultaneous ANN learning method of this invention.

モデルの概念図。上側の3つの電極は、矢印で方向づけられるように、本発明のモデルに導く仮想ソース概念の略図を示す。我々のモデルは、参照文献[非特許文献1参照]に記述されるように、従来技術のHopfieldの1982年ニューラル・モデルとは本質的に異なっている。下側は、本発明の隠れ層を含むニューロン等価物の略図である。Model conceptual diagram. The upper three electrodes show a schematic representation of the virtual source concept leading to the model of the present invention, as directed by the arrows. Our model is essentially different from the prior art Hopfield 1982 neural model, as described in the reference [see Non-Patent Document 1]. Below is a schematic representation of the neuron equivalent including the hidden layer of the present invention. 本発明の現実のプロセッサ用の適用範囲または適用分野を見出す手順(フローシート)。Procedure (flow sheet) for finding the scope or field of application for real processors of the present invention. 本発明の現実のプロセッサの非常に局所的な領域で、ニューロンの特定状態を調整するルールの決定。Aは、このプロセッサの性能レベルを分類するための略図(フローシート)である。Bは、ニューロンの応答、基本的な振舞いの分類をするための多値準位(グラフ)である。Cは、電位応答、特定の入力信号セットに対する基本的な振舞いの分類図である。Dは、特定の状態に対する最小応答アレイの決定手順(フローシート)である。Eは、これらのルールの決定手順(フローシート)である。Determination of rules for adjusting specific states of neurons in a very local area of the real processor of the present invention. A is a schematic diagram (flow sheet) for classifying the performance level of the processor. B is a multi-level (graph) for classifying neuron responses and basic behavior. C is a classification diagram of basic behavior for a potential response, a specific set of input signals. D is a procedure (flow sheet) for determining a minimum response array for a specific state. E is a procedure (flow sheet) for determining these rules. 本発明のプロセッサの学習法プロセス(フローシート)。The learning method process (flow sheet) of the processor of this invention. ノイズのもとでのプロセッサ信号出力の存続と、このプロセッサの信号出力を調整する現実のパラメータ。Aは、本発明において、このプロセッサのノイズを情報処理する図である。Bは、本発明のプロセッサの性能を制御する現実のパラメータの略図である。Cは、非特許文献7のNEGF公式化の略図である。Survival of processor signal output under noise and real parameters to adjust the signal output of this processor. A is a figure which processes the noise of this processor in this invention. B is a schematic representation of the actual parameters that control the performance of the processor of the present invention. C is a schematic diagram of the NEGF formulation of Non-Patent Document 7.

本発明におけるプロセッサの情報処理面と探針の効果の汎用性を示す略図。この略図はまた、STM/AFMのケースが最適であるときに、異なるケースに対して、ソリューション面のカバー範囲も示す。The schematic which shows the versatility of the information processing surface of a processor and the effect of a probe in this invention. This schematic also shows the solution surface coverage for the different cases when the STM / AFM case is optimal. 本発明の垂直・水平プロセッサを用いる数学的演算を示す図。The figure which shows the mathematical operation using the vertical and horizontal processor of this invention. 本発明の多数の同様な種類のプロセッサへの本発明の垂直・水平プロセッサの制約と結合の汎用性を示す図。FIG. 5 illustrates the versatility of the vertical and horizontal processor constraints and combinations of the present invention to a number of similar types of processors of the present invention. 本発明のプロセッサを用いて、巨大プロセッサ・ネットワークの概念を構築する際における、本発明の垂直アクセス概念の普遍性を示す図。The figure which shows the universality of the vertical access concept of this invention in the case of constructing | assembling the concept of a huge processor network using the processor of this invention.

記号の説明Explanation of symbols

101: 1つの情報処理面ユニット
102: 垂直電極アレイ・ユニット
103: 垂直電極
104: 水平電極
107: ニューロン
402: 情報処理面とソースを接続するインターフェース
405: 信号出力面とモータを接続するインターフェース
501: ニューロンの或る導電状態用のエネルギー最小値。
508: 多値準位応答
802: 情報処理面上の電界分布
904: n番目の状態ニューロンが、許容される井戸を占有する。
1607: STM/AFMでスキャンされた全ソリューション面。
1613: 選択ソリューション面
1901: ROMプロセッサ
1902: RAMプロセッサ
その他: 本文を参照のこと。
101: One information processing surface unit 102: Vertical electrode array unit 103: Vertical electrode 104: Horizontal electrode 107: Neuron 402: Interface connecting information processing surface and source 405: Interface connecting signal output surface and motor 501: Energy minimum for a certain conduction state of a neuron.
508: Multilevel response 802: Electric field distribution on the information processing plane 904: The nth state neuron occupies an acceptable well.
1607: All solution surfaces scanned with STM / AFM.
1613: Selected Solution Aspect 1901: ROM Processor 1902: RAM Processor Others: See text.

Claims (13)

周囲電極の中央にありかつ多値準位システムまたはニューロンが収められている表面上にて、あらゆる方向から水平に複数の入力信号が与えられ、そして、前記表面上の様々な地点にて出力信号が垂直に取り出される一対のテンプレートを含む垂直・水平プロセッサ。   Multiple input signals are applied horizontally from any direction on the surface in the center of the surrounding electrode and containing the multilevel system or neuron, and the output signal at various points on the surface A vertical and horizontal processor that includes a pair of templates that are vertically extracted. 前記複数の入力信号は、周囲のp+q+p+q個の電極の中央にありかつ多値準位システムまたはニューロンが収められている正方形または長方形の表面上にて、あらゆる方向から水平に、p×q個だけ与えられ、そして、前記表面上の様々な地点にて、m×n個の出力信号が垂直に取り出され、
前記m、n、p、qの値は、非負整数であるが、mとnの双方、あるいはpとqの双方は、同時にはゼロになり得ない、
請求項1に記載の垂直・水平プロセッサ。
The plurality of input signals are only p × q horizontally from all directions on a square or rectangular surface in the center of surrounding p + q + p + q electrodes and containing a multilevel system or neuron. And at various points on the surface, m × n output signals are taken vertically,
The values of m, n, p, q are non-negative integers, but both m and n, or both p and q cannot be zero at the same time.
The vertical / horizontal processor according to claim 1.
前記複数の入力信号は、周囲電極の中央にありかつ多値準位システムまたはニューロンが収められている三角形、円形、または多角形の表面上にて、あらゆる方向から水平に与えられ、そして、前記表面上の様々な地点にて、出力信号が垂直に取り出される
請求項1に記載の垂直・水平プロセッサ。
The plurality of input signals are applied horizontally from any direction on a triangular, circular, or polygonal surface in the center of the surrounding electrode and containing a multilevel system or neuron, and 2. A vertical and horizontal processor according to claim 1, wherein the output signals are taken vertically at various points on the surface.
前記テンプレートの表面は導電性があり、そして、垂直電極は、多値準位システムまたはニューロンへ流れるSTMベースのトンネル電流を測定するものである
請求項1から3の何れかに記載の垂直・水平プロセッサ。
The vertical / horizontal according to any one of claims 1 to 3, wherein the surface of the template is electrically conductive, and the vertical electrode measures a STM-based tunnel current flowing to a multilevel system or a neuron. Processor.
前記テンプレートの表面は導電性があり、そして、垂直電極は、多値準位システムまたはニューロンと接触してAFMベースの原子間力を測定するものである
請求項1から3の何れかに記載の垂直・水平プロセッサ。
The surface of the template is electrically conductive, and the vertical electrode is in contact with a multilevel system or neuron to measure AFM-based atomic force. Vertical and horizontal processor.
酸化還元作用分子または配座変化分子を有する材料で、次の性質A,B,Cのうちの少なくとも2つの性質をもつ材料を含む、情報処理表面としての薄膜を持っている、請求項1から5の何れかに記載の垂直・水平プロセッサ。
A.一対の電極間に取り入れられた材料が、或る一定範囲または用途において、どの特定のバイアスでも、安定した多値準位導電率を示す性質、
B.異なるバイアス状態を加えることにより、前記多値順位のそれぞれに対応する状態がもたらされることもある性質、
C.矩形電圧パルスへの過渡電流応答が、ガウス応答、ステップ応答またはランプ応答、あるいは、階段状応答の発展させた形式である性質。
The material having an oxidation-reduction acting molecule or a conformational change molecule and having a thin film as an information processing surface including a material having at least two of the following properties A, B, and C: The vertical / horizontal processor according to claim 5.
A. The property that the material incorporated between a pair of electrodes exhibits a stable multilevel conductivity at any particular bias in a range or application;
B. The fact that adding different bias states may result in states corresponding to each of the multi-valued ranks ;
C. The property that the transient current response to a rectangular voltage pulse is a Gaussian response, a step response or a ramp response, or an evolved form of a stepped response.
前記多値準位システムまたはニューロンは、次のA,B,CまたはDを備えている、請求項1から6の何れかに記載の垂直・水平プロセッサ。
A.特定の信号を検出するためのセンサ、および、現実の音、熱、光、その他の任意の形式のエネルギーのような信号を検出するためのセンサで、情報処理表面上に当たると、その信号を電子信号の一次元配列に変換できるように特定的に設計されたセンサ;
B.情報処理表面の小型情報処理ユニットであって、情報処理表面の異なる領域が異なる関数を持つように変換するもの;
C.前記表面の導電状態を可能な導電状態の間で可逆に切り換えて、前記状態を、平衡状態が表面全体に及ぶ時間よりも長く、覚えておくことができる多値準位システムまたはニューロンであって、何回でも更新できるもの(RAM);
D.前記可能な多値準位状態の1つに一度切り換えると、恒久的に同一状態にとどまる多値準位システムまたはニューロン(ROM)。
The vertical / horizontal processor according to any one of claims 1 to 6, wherein the multi-level system or neuron includes the following A, B, C, or D.
A. A sensor for detecting a specific signal, and a sensor for detecting a signal such as real sound, heat, light, or any other form of energy. A sensor specifically designed to be converted into a one-dimensional array of signals;
B. A small information processing unit on the information processing surface that converts different areas of the information processing surface to have different functions;
C. A multi-level system or neuron that can reversibly switch the conducting state of the surface between possible conducting states and remember the state longer than the time that the equilibrium state spans the entire surface. Can be updated any number of times (RAM);
D. A multi-level system or neuron (ROM) that stays in the same state permanently once switched to one of the possible multi-level states.
前記垂直電極は、原子一個の先端を持つ探針の様にナノスケール幅の高さとマイクロスケール長さを持つ構造物であり、そこでは、或る電極システム中のいくつかの探針は、次のAまたはBを備えている、請求項1から7の何れかに記載の垂直・水平プロセッサ。
A.或るソリューション・ポイントが単一の原子先端であると考えられるような原子一個の先端を持つ探針、
B.ソリューション・ポイントが単一電極ユニット中の全ての原子先端における出力の総和の平均応答であると考えられるような、単一電極ユニット中の複数の原子先端。
The vertical electrode is a structure having a nanoscale width and a microscale length, like a probe with a single atom tip, in which some probes in an electrode system are: The vertical / horizontal processor according to claim 1, comprising A or B.
A. A probe with a single atom tip such that a solution point is considered to be a single atom tip,
B. Multiple atom tips in a single electrode unit such that the solution point is considered to be the average response of the sum of outputs at all atom tips in the single electrode unit.
前記信号入力部が、ニューラル・ノード・コントローラに接続され、そこでは、すべての入力信号が、垂直・水平プロセッサに先行する異なるユニットにパラレルに分けられて、かつ、次のA,B,C,DまたはEを含むそれぞれのユニット間で切り換える、請求項1から8の何れかに記載の垂直・水平プロセッサ。
A.アース接続を取る端子を変更することができるユニット、
B.配列された同一入力信号を異なる順序の配列に変えるユニット、
C.配列された入力信号を、異なる形態のプロセッサにパラレルに通して、結合出力信号を生成するユニット、
D.前記入力信号の一部を、パルス式アレイ・ソースに代えるユニット、
E.入力信号をチャネルに通し、そこで、前記入力信号を変換することにより、情報処理表面全体の入力インピーダンスと整合させるユニット。
The signal input is connected to a neural node controller, where all input signals are divided in parallel into different units preceding a vertical and horizontal processor, and the following A, B, C, 9. A vertical / horizontal processor according to any of claims 1 to 8, wherein the vertical and horizontal processor switches between each unit including D or E.
A. Unit that can change the terminal to take the ground connection,
B. A unit for changing the arranged identical input signals into an arrangement in a different order;
C. A unit that passes the arranged input signals through different forms of the processor in parallel to produce a combined output signal;
D. A unit for replacing a part of the input signal with a pulsed array source;
E. A unit that passes an input signal through a channel where it matches the input impedance of the entire information processing surface by converting the input signal.
前記p×q個の入力用のアース接続の数は、同一の組の配列された入力を情報処理するために、1個からpq−1個まで様々であり、また、前記アース接続を定めることによって動作ノードが定まり、また、前記ノードによりニューラル・ネットワークが定まり、学習させて、情報処理ルールが見出された後に、特殊な情報処理を必要とする様々な状況において、これらのノードが利用できるようにしている、請求項1から9の何れかに記載の垂直・水平プロセッサ。   The number of ground connections for the p × q inputs varies from 1 to pq−1 to process the same set of arranged inputs, and defines the ground connection. The operation nodes are determined by the above, and after the neural network is determined by the nodes and learned, and information processing rules are found, these nodes can be used in various situations that require special information processing. 10. A vertical and horizontal processor according to any of claims 1 to 9, wherein: 周囲電極の中央にありかつ多値準位システムまたはニューロンが収められている水平表面上にて、上から垂直に複数の入力信号が与えられ、そして、それらの電極を通じて出力信号が水平に取り出される一対のテンプレートを含む垂直・水平プロセッサ。   On the horizontal surface in the center of the surrounding electrode and containing the multilevel system or neuron, multiple input signals are given vertically from above, and the output signal is taken horizontally through these electrodes Vertical and horizontal processor containing a pair of templates. 前記垂直の複数入力電極は、前記情報処理表面上の広い領域にわたって局所バイアスを発生させる平形または球形の前端縁を持ち、また、垂直電極の前端縁領域は、次のA,BおよびCを含む、請求項11に記載の垂直・水平プロセッサ。
A.情報処理表面の或る一定割合以上をカバーする、個々のすべての垂直電極から成る合計領域であって、そこから、動作の種別ごとに、信号入力動作ノードが作り出される合計領域、
B.最終的なソリューションが与えられた表面上の個々の信号入力の制御を様々に調整するための、束状電極または個々の垂直電極の関係領域、
C.情報処理表面上の等高線の電位分布を調整するために矯正した前端縁の形態。
The vertical multiple input electrode has a flat or spherical front edge that generates a local bias over a wide area on the information processing surface, and the front edge area of the vertical electrode includes the following A, B, and C: 12. Vertical / horizontal processor according to claim 11.
A. A total area consisting of all individual vertical electrodes covering a certain percentage of the information processing surface, from which a total area in which signal input operation nodes are created for each type of operation,
B. Relational area of bundled electrodes or individual vertical electrodes to variously adjust the control of individual signal inputs on the surface given the final solution,
C. The form of the front edge corrected to adjust the potential distribution of contour lines on the information processing surface.
請求項1から8の何れかに記載の複数の垂直・水平プロセッサ、
ニューラル・ノード・コントローラ、および、
次のA,BおよびCのやり方で接続された接続部切替器センサ
を設けたクラスタ。
A.前記垂直・水平プロセッサの信号入力部の一部または全部を、前記垂直・水平プロセッサのアレイに接続し、また、残りの信号入力部を、システム全体の空いている信号入力部であるセンサの出力部に接続するやり方、
B.その出力部の一部を、出力切替器のいくつかに接続し、また、残りの出力部を、他の垂直・水平プロセッサに接続するやり方、
C.すべての空いている出力部を、切替器に接続し、システム全体のどの信号入力部にも接続せず、最終クラスタ出力として垂直に取るやり方。
A plurality of vertical and horizontal processors according to any one of claims 1 to 8,
A neural node controller, and
Cluster with connection switch sensor connected in the following A, B and C manner.
A. A part or all of the signal input units of the vertical and horizontal processors are connected to the array of the vertical and horizontal processors, and the remaining signal input units are output from sensors which are free signal input units of the entire system. How to connect to the department,
B. Connect some of its outputs to some of the output switches and connect the remaining outputs to other vertical and horizontal processors;
C. All vacant outputs are connected to a switch, not connected to any signal input in the entire system, but taken vertically as the final cluster output.
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