JPH04263379A - 超伝導ニューロン素子 - Google Patents
超伝導ニューロン素子Info
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- JPH04263379A JPH04263379A JP3024224A JP2422491A JPH04263379A JP H04263379 A JPH04263379 A JP H04263379A JP 3024224 A JP3024224 A JP 3024224A JP 2422491 A JP2422491 A JP 2422491A JP H04263379 A JPH04263379 A JP H04263379A
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Landscapes
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
- Logic Circuits (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ニューラルネットワー
クをデバイス上に実現するための基本単位となるニュー
ロン素子、より詳しくは超伝導体を用いたニューロン素
子に関する。
クをデバイス上に実現するための基本単位となるニュー
ロン素子、より詳しくは超伝導体を用いたニューロン素
子に関する。
【０００２】
【従来の技術】人間の脳の情報処理方法を模倣したいわ
ゆるアーティフィシャルニューラルネットワークをデバ
イス上に実現するための基本素子となるニューロン素子
は、従来半導体集積回路を用いて作られてきた。これに
対してニューロン素子に超伝導体を用いると、消費電力
が極端に小さいため配線部分等での発熱が抑制できると
いう利点がある。また超伝導集積回路では本質的に能動
素子（ジョセフソン素子）が３次元化しやすく、能動素
子の３次元化が難しい半導体集積回路に比べてニューロ
ン素子間の配線が大幅に容易になるという利点もあった
。
ゆるアーティフィシャルニューラルネットワークをデバ
イス上に実現するための基本素子となるニューロン素子
は、従来半導体集積回路を用いて作られてきた。これに
対してニューロン素子に超伝導体を用いると、消費電力
が極端に小さいため配線部分等での発熱が抑制できると
いう利点がある。また超伝導集積回路では本質的に能動
素子（ジョセフソン素子）が３次元化しやすく、能動素
子の３次元化が難しい半導体集積回路に比べてニューロ
ン素子間の配線が大幅に容易になるという利点もあった
。
【０００３】従来から知られている超伝導体を用いたニ
ューロン素子としては、昭和６３年電子情報通信学会秋
季全国大会講演論文集Ｃ−２−１９にあるジョセフソン
線路中に存在する磁束量子の伝搬密度を情報担体とした
ニューロン素子がある。
ューロン素子としては、昭和６３年電子情報通信学会秋
季全国大会講演論文集Ｃ−２−１９にあるジョセフソン
線路中に存在する磁束量子の伝搬密度を情報担体とした
ニューロン素子がある。
【０００４】ニューロン素子の基本動作は、各入力それ
ぞれに重みＷｉをつけ（シナプス動作）前記重みと各入
力値Ｘｉとの積の総和Σ（Ｘｉ・Ｗｉ）があるしきい値
ｈを越えると出力を出す（ニューロン動作）ことにある
。
ぞれに重みＷｉをつけ（シナプス動作）前記重みと各入
力値Ｘｉとの積の総和Σ（Ｘｉ・Ｗｉ）があるしきい値
ｈを越えると出力を出す（ニューロン動作）ことにある
。
【０００５】前述のジョセフソン線路を利用したニュー
ロン素子の基本素子構成を図７に示す。図７の１０１、
１０２、１０３、１０４はそれぞれジョセフソン線路で
超伝導体からなる下部電極１１１、上部電極１１３と絶
緑体からなる薄いトンネルバリア１１２とから構成され
る細長いジョセフソン接合である。情報担体となる磁束
量子はジョセフソン線路のトンネルバリア中を線路の長
手方向に移動する。線路Ａ（１０１）と線路Ｂ（１０２
）は間にインダクタンス１１４と抵抗１１５を介して接
続されている。入力端１０６から入力としてある伝搬密
度の量子磁束を与えると、この伝搬密度があるしきい値
以上の場合、磁束量子が線路Ｂ（１０２）を通って出力
端１０７から出力される。このとき線路Ｂ（１０２）の
上部電極に磁気的に結合させたインダクタンス１１６に
よって磁束停止部１０５の超伝導ループに蓄えられた磁
束量子に伴う循環電流を作用させてやることにより、前
記しきい値を制御することができる。以上がニューロン
動作である。また興奮性制御入力端１０８、抑制性制御
入力端１０９からそれぞれ線路Ｃ（１０３）、Ｄ（１０
４）を介して磁束量子を伝搬させ、前記磁束量子停止部
１０５に蓄えられた量子磁束の数や向きを変えることで
、前記循環電流を制御でき、前記伝搬確率を制御するこ
とが可能となり、入力に対して重み付けをすることがで
きる。これはシナプス動作である。以上述べたように図
７に示された回路は、ニューロン動作、シナプス動作を
行うことができるため、これらを組み合わせることによ
ってニューロン素子として用いることができる。
ロン素子の基本素子構成を図７に示す。図７の１０１、
１０２、１０３、１０４はそれぞれジョセフソン線路で
超伝導体からなる下部電極１１１、上部電極１１３と絶
緑体からなる薄いトンネルバリア１１２とから構成され
る細長いジョセフソン接合である。情報担体となる磁束
量子はジョセフソン線路のトンネルバリア中を線路の長
手方向に移動する。線路Ａ（１０１）と線路Ｂ（１０２
）は間にインダクタンス１１４と抵抗１１５を介して接
続されている。入力端１０６から入力としてある伝搬密
度の量子磁束を与えると、この伝搬密度があるしきい値
以上の場合、磁束量子が線路Ｂ（１０２）を通って出力
端１０７から出力される。このとき線路Ｂ（１０２）の
上部電極に磁気的に結合させたインダクタンス１１６に
よって磁束停止部１０５の超伝導ループに蓄えられた磁
束量子に伴う循環電流を作用させてやることにより、前
記しきい値を制御することができる。以上がニューロン
動作である。また興奮性制御入力端１０８、抑制性制御
入力端１０９からそれぞれ線路Ｃ（１０３）、Ｄ（１０
４）を介して磁束量子を伝搬させ、前記磁束量子停止部
１０５に蓄えられた量子磁束の数や向きを変えることで
、前記循環電流を制御でき、前記伝搬確率を制御するこ
とが可能となり、入力に対して重み付けをすることがで
きる。これはシナプス動作である。以上述べたように図
７に示された回路は、ニューロン動作、シナプス動作を
行うことができるため、これらを組み合わせることによ
ってニューロン素子として用いることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ニューラルネットワー
クは超並列処理であるため、各ニューロン素子は他の多
くのニューロン素子と結合しており、多くのファンイン
、ファンアウトを必要とする。これに対して従来の技術
で述べたジョセフソン線路を用いたニューロン素子では
、図７の線路Ａ（１０１）から線路Ｂ（１０２）への磁
束量子の伝搬確率は損失のため最大でも７０％程度にし
かならない。この信号の減衰を補うためにＴ分岐路を用
いた磁束量子数の増幅が提案されているが、利得は余り
大きくなく、このニューロン素子において多くのファン
アウトを得ることは不可能である。
クは超並列処理であるため、各ニューロン素子は他の多
くのニューロン素子と結合しており、多くのファンイン
、ファンアウトを必要とする。これに対して従来の技術
で述べたジョセフソン線路を用いたニューロン素子では
、図７の線路Ａ（１０１）から線路Ｂ（１０２）への磁
束量子の伝搬確率は損失のため最大でも７０％程度にし
かならない。この信号の減衰を補うためにＴ分岐路を用
いた磁束量子数の増幅が提案されているが、利得は余り
大きくなく、このニューロン素子において多くのファン
アウトを得ることは不可能である。
【０００７】以上述べたように従来の技術で述べたニュ
ーロン素子は、ニューロン素子としての基本的な動作は
行うことができるが、ニューラルネットワークを構成す
るには、ファンアウト数が足りないという大きな欠点を
有していた。
ーロン素子は、ニューロン素子としての基本的な動作は
行うことができるが、ニューラルネットワークを構成す
るには、ファンアウト数が足りないという大きな欠点を
有していた。
【０００８】本発明は、大きなファンイン、ファンアウ
ト数が得られる超伝導体を用いたニューロン素子を提供
することを目的としている。
ト数が得られる超伝導体を用いたニューロン素子を提供
することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の発明によ
ればジョセフソン素子を用いたスイッチングエレメント
と超伝導閉ループと他のニューロン素子と磁気的に結合
された出力線を含み、前記超伝導閉ループと一個または
複数個の入力線が磁気的に結合しその結合のインダクタ
ンス値を制御することにより入力の重み付けが行われか
つ前期入力線を流れる電流の向きにより重みの正負の符
号が決定され、前記スイッチングエレメントと前記出力
線がバイアス入力端に対して並列に接続され、前記超伝
導閉ループと前記スイッチングエレメントのスイッチが
磁気的に結合されていることを特徴とする超伝導ニュー
ロン素子が得られる。
ればジョセフソン素子を用いたスイッチングエレメント
と超伝導閉ループと他のニューロン素子と磁気的に結合
された出力線を含み、前記超伝導閉ループと一個または
複数個の入力線が磁気的に結合しその結合のインダクタ
ンス値を制御することにより入力の重み付けが行われか
つ前期入力線を流れる電流の向きにより重みの正負の符
号が決定され、前記スイッチングエレメントと前記出力
線がバイアス入力端に対して並列に接続され、前記超伝
導閉ループと前記スイッチングエレメントのスイッチが
磁気的に結合されていることを特徴とする超伝導ニュー
ロン素子が得られる。
【００１０】本発明の第２の発明によればジョセフソン
素子を用いたスイッチングエレメントと超伝導閉ループ
と他のニューロン素子と磁気的に結合された出力線を含
み、前記超伝導閉ループと一個または複数個の入力線が
磁気的に結合し前記入力線に流れる電流値を制御するこ
とにより入力の重み付けが行われかつ前期入力線を流れ
る電流の向きにより重みの正負の符号が決定され、前記
スイッチングエレメントと前記出力線がバイアス入力端
に対して並列に接続され、前記超伝導閉ループに流れる
循環電流が一定のしきい値以上になると前記スイッチン
グエレメントがスイッチすることを特徴とする超伝導ニ
ューロン素子が得られる。
素子を用いたスイッチングエレメントと超伝導閉ループ
と他のニューロン素子と磁気的に結合された出力線を含
み、前記超伝導閉ループと一個または複数個の入力線が
磁気的に結合し前記入力線に流れる電流値を制御するこ
とにより入力の重み付けが行われかつ前期入力線を流れ
る電流の向きにより重みの正負の符号が決定され、前記
スイッチングエレメントと前記出力線がバイアス入力端
に対して並列に接続され、前記超伝導閉ループに流れる
循環電流が一定のしきい値以上になると前記スイッチン
グエレメントがスイッチすることを特徴とする超伝導ニ
ューロン素子が得られる。
【００１１】本発明の第３の発明によればジョセフソン
素子を用いたスイッチングエレメントと超伝導閉ループ
と他のニューロン素子と磁気的に結合した超伝導体から
なる出力線を含み、前記超伝導閉ループと一個または複
数個の入力線が磁気的に結合され、前記超伝導閉ループ
に流れる循環電流が一定のしきい値以上になると前記ス
イッチングエレメントがスイッチし、前記スイッチング
エレメントが直流バイアスで駆動され、前記スイッチン
グエレメントと前記出力線が前記バイアス入力端に対し
て並列に接続され、前記出力線中に前記超伝導閉ループ
に流れる循環電流があるしきい値以下になるとスイッチ
するダウンエッジトリガ回路が含まれることを特徴とす
る超伝導ニューロン素子が得れらる。
素子を用いたスイッチングエレメントと超伝導閉ループ
と他のニューロン素子と磁気的に結合した超伝導体から
なる出力線を含み、前記超伝導閉ループと一個または複
数個の入力線が磁気的に結合され、前記超伝導閉ループ
に流れる循環電流が一定のしきい値以上になると前記ス
イッチングエレメントがスイッチし、前記スイッチング
エレメントが直流バイアスで駆動され、前記スイッチン
グエレメントと前記出力線が前記バイアス入力端に対し
て並列に接続され、前記出力線中に前記超伝導閉ループ
に流れる循環電流があるしきい値以下になるとスイッチ
するダウンエッジトリガ回路が含まれることを特徴とす
る超伝導ニューロン素子が得れらる。
【００１２】本発明の第４の発明によればジョセフソン
素子を用いたスイッチングエレメントと超伝導閉ループ
と他のニューロン素子と磁気的に結合された出力線を含
み、前記超伝導閉ループと一個または複数個の入力線が
磁気的に結合され、前記スイッチングエレメントと前記
出力線がバイアス入力端に対して並列に接続され、前記
超伝導閉ループが前記スイッチングエレメント中に含ま
れることを特徴とする超伝導ニューロン素子が得られる
。
素子を用いたスイッチングエレメントと超伝導閉ループ
と他のニューロン素子と磁気的に結合された出力線を含
み、前記超伝導閉ループと一個または複数個の入力線が
磁気的に結合され、前記スイッチングエレメントと前記
出力線がバイアス入力端に対して並列に接続され、前記
超伝導閉ループが前記スイッチングエレメント中に含ま
れることを特徴とする超伝導ニューロン素子が得られる
。
【００１３】本発明の第５の発明によればジョセフソン
素子を用いたスイッチングエレメントと超伝導閉ループ
と他のニューロン素子と磁気的に結合した出力線を含み
、前記超伝導閉ループと一個または複数個の入力線が磁
気的に結合され、前記超伝導閉ループに流れる循環電流
が一定のしきい値以上になると前記スイッチングエレメ
ントがスイッチし、前記スイッチングエレメントと前記
出力線が前記バイアス入力端に対して並列に接続され、
前記出力線中に抵抗成分を含むことを特徴とする超伝導
ニューロン素子が得られる。
素子を用いたスイッチングエレメントと超伝導閉ループ
と他のニューロン素子と磁気的に結合した出力線を含み
、前記超伝導閉ループと一個または複数個の入力線が磁
気的に結合され、前記超伝導閉ループに流れる循環電流
が一定のしきい値以上になると前記スイッチングエレメ
ントがスイッチし、前記スイッチングエレメントと前記
出力線が前記バイアス入力端に対して並列に接続され、
前記出力線中に抵抗成分を含むことを特徴とする超伝導
ニューロン素子が得られる。
【００１４】
【作用】超伝導閉ループに磁気的に結合した入力線に電
流を流すと、超伝導閉ループ内に磁場が進入するのを防
ぐために、超伝導閉ループに循環電流が流れる。この循
環電流値Ｉｃｉｒは超伝導閉ループのインダクタンスを
Ｌ、入力線と超伝導閉ループの間の相互インダクタンス
をＭ、入力線に流れる電流をＩとするとＩｃｉｒ＝Ｍ／
Ｌ・Ｉで表される。これは入力に対して（Ｍ／Ｌ）の重
みをつけるシナプス動作である。
流を流すと、超伝導閉ループ内に磁場が進入するのを防
ぐために、超伝導閉ループに循環電流が流れる。この循
環電流値Ｉｃｉｒは超伝導閉ループのインダクタンスを
Ｌ、入力線と超伝導閉ループの間の相互インダクタンス
をＭ、入力線に流れる電流をＩとするとＩｃｉｒ＝Ｍ／
Ｌ・Ｉで表される。これは入力に対して（Ｍ／Ｌ）の重
みをつけるシナプス動作である。
【００１５】このような入力線が多数ある場合、ｉ番目
の入力線に流れる電流Ｉｉ、ｉ番目の入力線と超伝導閉
ループとの相互インダクタンスをＭｉとすると循環電流
はＩｃｉｒ＝Σ（Ｍｉ／Ｌ・Ｉｉ）となり、各入力電流
を重み（Ｍｉ／Ｌ）で一次結合した形で表される。また
超伝導閉ループに対する入力線の結合の向きを変えるこ
とで超伝導閉ループ内に逆向きの循環電流を誘起でき、
負の重みも簡単に作ることができる。ジョセフソン素子
は、入力があるしきい値以下では抵抗ゼロで電流が流れ
、入力があるしきい値を越えるとその両端に電圧が発生
する素子である。このため超伝導閉ループに流れる電流
によってスイッチするジョセフソン素子を含むスイッチ
ングエレメントは、入力を重み（Ｍｉ／Ｌ）で一次結合
しその値があるしきい値以上だと出力を出すニューロン
動作を行う。
の入力線に流れる電流Ｉｉ、ｉ番目の入力線と超伝導閉
ループとの相互インダクタンスをＭｉとすると循環電流
はＩｃｉｒ＝Σ（Ｍｉ／Ｌ・Ｉｉ）となり、各入力電流
を重み（Ｍｉ／Ｌ）で一次結合した形で表される。また
超伝導閉ループに対する入力線の結合の向きを変えるこ
とで超伝導閉ループ内に逆向きの循環電流を誘起でき、
負の重みも簡単に作ることができる。ジョセフソン素子
は、入力があるしきい値以下では抵抗ゼロで電流が流れ
、入力があるしきい値を越えるとその両端に電圧が発生
する素子である。このため超伝導閉ループに流れる電流
によってスイッチするジョセフソン素子を含むスイッチ
ングエレメントは、入力を重み（Ｍｉ／Ｌ）で一次結合
しその値があるしきい値以上だと出力を出すニューロン
動作を行う。
【００１６】以上のことから本発明による超伝導ニュー
ロン素子は、シナプス動作、ニューロン動作のニューロ
ン素子としての機能を有していることがわかる。また出
力線は他のニューロン素子と磁気的に結合していること
から、基本的に出力線は一本でよく、また出力線を流れ
る電流値は出力線のインダクタンスによらないため、こ
の電流値は結合しているニューロン数（ファンアウト数
）に関わらず一定である。従って本発明による超伝導ニ
ューロン素子は多くのファンアウトを得ることができる
。またファンインも超伝導閉ループと入力線との磁気的
結合を取るだけでよいため、容易に増やすことができる
。
ロン素子は、シナプス動作、ニューロン動作のニューロ
ン素子としての機能を有していることがわかる。また出
力線は他のニューロン素子と磁気的に結合していること
から、基本的に出力線は一本でよく、また出力線を流れ
る電流値は出力線のインダクタンスによらないため、こ
の電流値は結合しているニューロン数（ファンアウト数
）に関わらず一定である。従って本発明による超伝導ニ
ューロン素子は多くのファンアウトを得ることができる
。またファンインも超伝導閉ループと入力線との磁気的
結合を取るだけでよいため、容易に増やすことができる
。
【００１７】本発明の第２の発明では、あらかじめ入力
電流に処理を施し入力電流値の中に重みを含ませておく
。このため入力線と超伝導閉ループとの間の相互インダ
クタンス値を入力線によって変えなくともシナプス動作
を行うことができる。
電流に処理を施し入力電流値の中に重みを含ませておく
。このため入力線と超伝導閉ループとの間の相互インダ
クタンス値を入力線によって変えなくともシナプス動作
を行うことができる。
【００１８】ジョセフソン素子を用いたスイッチングエ
レメントはラッチ素子であるため、一旦電圧状態にスイ
ッチするとバイアス電流がある一定値以下にならなけれ
ばリセットしない。本発明の第３の発明では、スイッチ
ングエレメントの負荷である出力線が超伝導であるため
、スイッチングエレメントがスイッチするとバイアス電
流は全て出力線の方に流れ、スイッチングエレメントに
電流が流れなくなるため、スイッチングエレメントはリ
セットする。一方出力線を流れる電流は、超伝導閉ルー
プに流れる電流がある一定値以下になるとダウンエッジ
トリガ回路がスイッチし、出力線中に電圧が発生するた
め、すでに超伝導状態にリセットしているスイッチング
エレメントの方に流れ込む。このためスイッチングエレ
メントと出力線は超伝導閉ループに流れる電流すなわち
入力電流に応じてセット、リセットを行うフリップフロ
ップ回路となっている。このため本ニューロン素子はタ
イミング信号が不要な回路となっており、ニューラルネ
ットワークの中で他のニューロン素子と非同期に動作さ
せることができる。
レメントはラッチ素子であるため、一旦電圧状態にスイ
ッチするとバイアス電流がある一定値以下にならなけれ
ばリセットしない。本発明の第３の発明では、スイッチ
ングエレメントの負荷である出力線が超伝導であるため
、スイッチングエレメントがスイッチするとバイアス電
流は全て出力線の方に流れ、スイッチングエレメントに
電流が流れなくなるため、スイッチングエレメントはリ
セットする。一方出力線を流れる電流は、超伝導閉ルー
プに流れる電流がある一定値以下になるとダウンエッジ
トリガ回路がスイッチし、出力線中に電圧が発生するた
め、すでに超伝導状態にリセットしているスイッチング
エレメントの方に流れ込む。このためスイッチングエレ
メントと出力線は超伝導閉ループに流れる電流すなわち
入力電流に応じてセット、リセットを行うフリップフロ
ップ回路となっている。このため本ニューロン素子はタ
イミング信号が不要な回路となっており、ニューラルネ
ットワークの中で他のニューロン素子と非同期に動作さ
せることができる。
【００１９】本発明の第４の発明では、超伝導閉ループ
の中にスイッチングエレメントを含んでいる。このため
超伝導閉ループを流れる循環電流とバイアス電流の和で
スイッチングエレメントはスイッチする。
の中にスイッチングエレメントを含んでいる。このため
超伝導閉ループを流れる循環電流とバイアス電流の和で
スイッチングエレメントはスイッチする。
【００２０】本発明の第５の発明では、出力線中に抵抗
成分を含んでいるため出力線を流れる電流はバイアス電
流減少とともに一定の時定数で減少し、出力線のリセッ
ト動作がいらない。
成分を含んでいるため出力線を流れる電流はバイアス電
流減少とともに一定の時定数で減少し、出力線のリセッ
ト動作がいらない。
【００２１】
【実施例】（実施例１）図１は第１の発明の実施例を説
明するための図である。以下図１を用いて第１の発明の
実施例の説明を行う。
明するための図である。以下図１を用いて第１の発明の
実施例の説明を行う。
【００２２】本ニューロン素子は他ニューロン素子また
は外部からの入力線１１、超伝導閉ループ１２、バイア
ス入力端１３、ジョセフソン素子１４を２個用いた非対
称なしきい値特性を有する２接合量子干渉素子からなる
スイッチングエレメント１５、他のニューロン素子の超
伝導閉ループと磁気的に結合した出力線１６、出力線の
リセットゲート１７、リセット信号線１８から構成され
る。本発明によるニューロン素子は多数のファンイン、
ファンアウトを取ることができるが、本実施例では簡単
のためファンイン、ファンアウト数はそれぞれ５とした
。
は外部からの入力線１１、超伝導閉ループ１２、バイア
ス入力端１３、ジョセフソン素子１４を２個用いた非対
称なしきい値特性を有する２接合量子干渉素子からなる
スイッチングエレメント１５、他のニューロン素子の超
伝導閉ループと磁気的に結合した出力線１６、出力線の
リセットゲート１７、リセット信号線１８から構成され
る。本発明によるニューロン素子は多数のファンイン、
ファンアウトを取ることができるが、本実施例では簡単
のためファンイン、ファンアウト数はそれぞれ５とした
。
【００２３】５本の入力線１１はそれぞれ独自の相互イ
ンダクタンスで超伝導閉ループ１２と磁気的に結合して
いる。相互インダクタンスＭ１ 、Ｍ２ 、Ｍ３ 、Ｍ
４ 、Ｍ５ の値は、それぞれ４ｐＨ、１ｐＨ、５ｐＨ
、２ｐＨ、３ｐＨである。超伝導閉ループ１２全体のイ
ンダクタイスはスイッチングエレメント１５との結合イ
ンダクタンス３ｐＨと配線部分のインダクタンス２ｐＨ
を合わせて２０ｐＨとなる。また入力電流Ｉ１ 〜Ｉ５
は、全て０．６ｍＡとしＩ１ 、Ｉ３、Ｉ４ とＩ２
、Ｉ５ 、とでは、超伝導閉ループ１２との結合部に
対して、流れる向きを逆にする。例えば、インダクタン
スＭ１ で超伝導閉ループ１２と結合した入力線に電流
Ｉ１ が流れると、超伝導閉ループ１２にはＩ１ によ
って誘起される磁場を排除するために、（４／２０）・
０．６＝０．１２ｍＡの循環電流が流れる。加えて入力
電流Ｉ２ 、Ｉ３ 、Ｉ４ が流れると全循環電流Ｉｃ
ｉｒは、Ｉｃｉｒ＝０．１２−０．０３＋０．１５＋０
．０６＝０．３ｍＡとなる。ここで第２項の符号がマイ
ナスなのは、電流Ｉ２ の向きが他の電流と逆向きであ
るため誘起される循環電流の向きが逆向きになるからで
ある。このため電流Ｉ１ 、Ｉ３ 、Ｉ４ は興奮性の
信号となり、電流Ｉ２ 、Ｉ５ は抑圧性の信号となる
。
ンダクタンスで超伝導閉ループ１２と磁気的に結合して
いる。相互インダクタンスＭ１ 、Ｍ２ 、Ｍ３ 、Ｍ
４ 、Ｍ５ の値は、それぞれ４ｐＨ、１ｐＨ、５ｐＨ
、２ｐＨ、３ｐＨである。超伝導閉ループ１２全体のイ
ンダクタイスはスイッチングエレメント１５との結合イ
ンダクタンス３ｐＨと配線部分のインダクタンス２ｐＨ
を合わせて２０ｐＨとなる。また入力電流Ｉ１ 〜Ｉ５
は、全て０．６ｍＡとしＩ１ 、Ｉ３、Ｉ４ とＩ２
、Ｉ５ 、とでは、超伝導閉ループ１２との結合部に
対して、流れる向きを逆にする。例えば、インダクタン
スＭ１ で超伝導閉ループ１２と結合した入力線に電流
Ｉ１ が流れると、超伝導閉ループ１２にはＩ１ によ
って誘起される磁場を排除するために、（４／２０）・
０．６＝０．１２ｍＡの循環電流が流れる。加えて入力
電流Ｉ２ 、Ｉ３ 、Ｉ４ が流れると全循環電流Ｉｃ
ｉｒは、Ｉｃｉｒ＝０．１２−０．０３＋０．１５＋０
．０６＝０．３ｍＡとなる。ここで第２項の符号がマイ
ナスなのは、電流Ｉ２ の向きが他の電流と逆向きであ
るため誘起される循環電流の向きが逆向きになるからで
ある。このため電流Ｉ１ 、Ｉ３ 、Ｉ４ は興奮性の
信号となり、電流Ｉ２ 、Ｉ５ は抑圧性の信号となる
。
【００２４】バイアス入力端１３からバイアス電流を０
．６ｍＡ流すと、出力線１６側のブランチはインダクタ
ンスが大きいため、バイアス電流はほとんど全てスイッ
チングエレメント１５を含むブランチの方に流れる。 スイッチングエレメント１５は、ジョセフソン素子１４
の臨界電流値がそれぞれ０．４０ｍＡ、インダクタンス
が１．７ｐＨの非対称なしきい値特性を有する２接合量
子干渉計である。このスイッチングエレメント１５に上
記の値のバイアス電流を流した場合、超伝導閉ループ１
２に循環電流Ｉｃｉｒが図１に示した向きに０．２０ｍ
Ａ以上流れるとスイッチングエレメントは電圧状態にス
イッチし、バイアス電流０．６ｍＡが出力線１６のブラ
ンチに流れる。前記例のようにＩ１ 、Ｉ２ 、Ｉ３
、Ｉ４ が入力されると、循環電流は０．３ｍＡとなり
、出力線１６に出力電流が現れるが、例えば入力がＩ１
、Ｉ２ 、Ｉ３ 、Ｉ５ では、循環電流は０．１５
ｍＡとなり、出力電流は現れない。つまり流れる入力電
流の組み合わせによって出力線１６に電流が現れるかど
うかが決定される。
．６ｍＡ流すと、出力線１６側のブランチはインダクタ
ンスが大きいため、バイアス電流はほとんど全てスイッ
チングエレメント１５を含むブランチの方に流れる。 スイッチングエレメント１５は、ジョセフソン素子１４
の臨界電流値がそれぞれ０．４０ｍＡ、インダクタンス
が１．７ｐＨの非対称なしきい値特性を有する２接合量
子干渉計である。このスイッチングエレメント１５に上
記の値のバイアス電流を流した場合、超伝導閉ループ１
２に循環電流Ｉｃｉｒが図１に示した向きに０．２０ｍ
Ａ以上流れるとスイッチングエレメントは電圧状態にス
イッチし、バイアス電流０．６ｍＡが出力線１６のブラ
ンチに流れる。前記例のようにＩ１ 、Ｉ２ 、Ｉ３
、Ｉ４ が入力されると、循環電流は０．３ｍＡとなり
、出力線１６に出力電流が現れるが、例えば入力がＩ１
、Ｉ２ 、Ｉ３ 、Ｉ５ では、循環電流は０．１５
ｍＡとなり、出力電流は現れない。つまり流れる入力電
流の組み合わせによって出力線１６に電流が現れるかど
うかが決定される。
【００２５】出力線１６に流れる電流は他のニューロン
素子の入力電流となる。出力線１６に流れる電流値は出
力線１６のインダクタンス値によらないこと、および出
力線１６は超伝導線であるため電流が減衰しないことか
ら出力線１６と磁気結合する他ニューロン素子の数つま
りファンアウト数に本質的な制限はない。また入力も超
伝導閉ループ１２と磁気的な結合を行うだけなので、フ
ァンイン数にも本質的な制限はない。
素子の入力電流となる。出力線１６に流れる電流値は出
力線１６のインダクタンス値によらないこと、および出
力線１６は超伝導線であるため電流が減衰しないことか
ら出力線１６と磁気結合する他ニューロン素子の数つま
りファンアウト数に本質的な制限はない。また入力も超
伝導閉ループ１２と磁気的な結合を行うだけなので、フ
ァンイン数にも本質的な制限はない。
【００２６】出力線１６に電流が流れている場合、この
電流はバイアス電流が立ち下がった後も出力線１６とス
イッチングエレメント１５を含むパスからなる超伝導閉
ループに流れ続ける。この電流をリセットするためにリ
セット信号線１８に０．３ｍＡの電流を流し、リセット
ゲート１７を電圧状態にリセットする。リセットゲート
１７は２接合量子干渉計でジョセフソン素子の臨界電流
値は０．４ｍＡ、インダクタンスは１．７ｐＨである。 一方超伝導閉ループ１２に流れる循環電流は入力電流に
より発生する磁場を遮蔽する性質の電流であるため入力
電流に応じて増減する。
電流はバイアス電流が立ち下がった後も出力線１６とス
イッチングエレメント１５を含むパスからなる超伝導閉
ループに流れ続ける。この電流をリセットするためにリ
セット信号線１８に０．３ｍＡの電流を流し、リセット
ゲート１７を電圧状態にリセットする。リセットゲート
１７は２接合量子干渉計でジョセフソン素子の臨界電流
値は０．４ｍＡ、インダクタンスは１．７ｐＨである。 一方超伝導閉ループ１２に流れる循環電流は入力電流に
より発生する磁場を遮蔽する性質の電流であるため入力
電流に応じて増減する。
【００２７】以上説明したように本実施例で述べた回路
を用いれば、超伝導体独自の性質を用いてシナプス動作
、ニューロン動作を行うニューロン素子が構成できる。 しかも本ニューロン素子は、ファンイン、ファンアウト
数に本質的な制限がないため、ニューロン素子同士がお
互いに複雑に結合した高度なニューラルネットワークが
形成できる。また半導体のニューロン素子に比べても回
路構成が簡単で部品数が少なくてすむため、高密度の集
積が可能である。
を用いれば、超伝導体独自の性質を用いてシナプス動作
、ニューロン動作を行うニューロン素子が構成できる。 しかも本ニューロン素子は、ファンイン、ファンアウト
数に本質的な制限がないため、ニューロン素子同士がお
互いに複雑に結合した高度なニューラルネットワークが
形成できる。また半導体のニューロン素子に比べても回
路構成が簡単で部品数が少なくてすむため、高密度の集
積が可能である。
【００２８】本実施例ではスイッチングエレメント１５
として非対称なしきい値特性を有する２接合量子干渉計
を用いたが、これは利得が大きいためと反対方向の循環
電流でスイッチしないようにするためである。しかし場
合に応じて他のジョセフソン素子を含むスイッチングエ
レメントも用いることができる。
として非対称なしきい値特性を有する２接合量子干渉計
を用いたが、これは利得が大きいためと反対方向の循環
電流でスイッチしないようにするためである。しかし場
合に応じて他のジョセフソン素子を含むスイッチングエ
レメントも用いることができる。
【００２９】（実施例２）図２は第２の発明の実施例を
説明するための図である。以下図２を用いて第２の発明
の実施例の説明を行う。
説明するための図である。以下図２を用いて第２の発明
の実施例の説明を行う。
【００３０】本ニューロン素子は他ニューロン素子の出
力線２１に流れる電流によってスイッチする入力ゲート
２２、前記入力ゲート２２のスイッチによって入力電流
供給端２３からの電流が流れ込む入力線１１、超伝導閉
ループ１２、バイアス入力端１３、ジョセフソン素子１
４を２個用いた非対称なしきい値特性を有する２接合量
子干渉素子からなるスイッチングエレメント１５、他の
ニューロン素子の超伝導閉ループと磁気的に結合した出
力線１６、出力線のリセットゲート１７、リセット信号
線１８から構成される。本発明によるニューロン素子は
多数のファンイン、ファンアウトを取ることができるが
、本実施例では簡単のためファンイン、ファンアウト数
はそれぞれ５とした。
力線２１に流れる電流によってスイッチする入力ゲート
２２、前記入力ゲート２２のスイッチによって入力電流
供給端２３からの電流が流れ込む入力線１１、超伝導閉
ループ１２、バイアス入力端１３、ジョセフソン素子１
４を２個用いた非対称なしきい値特性を有する２接合量
子干渉素子からなるスイッチングエレメント１５、他の
ニューロン素子の超伝導閉ループと磁気的に結合した出
力線１６、出力線のリセットゲート１７、リセット信号
線１８から構成される。本発明によるニューロン素子は
多数のファンイン、ファンアウトを取ることができるが
、本実施例では簡単のためファンイン、ファンアウト数
はそれぞれ５とした。
【００３１】入力ゲート２２はジョセフソン素子の臨界
電流値が０．４１ｍＡ、インダクタンスが１．０ｐＨの
２接合量子干渉計であり、入力電流供給端２３からバイ
アス電流を供給され他のニューロン素子の出力線２１に
流れる電流によってスイッチする。従って入力電流供給
端２３から供給される電流値を制御することで出力線１
１に流れる電流を制御することができる。このため入力
電流供給端２３から供給される電流値によって、他ニュ
ーロン素子からの入力に重み付けを行うシナプス動作を
行うことができる。
電流値が０．４１ｍＡ、インダクタンスが１．０ｐＨの
２接合量子干渉計であり、入力電流供給端２３からバイ
アス電流を供給され他のニューロン素子の出力線２１に
流れる電流によってスイッチする。従って入力電流供給
端２３から供給される電流値を制御することで出力線１
１に流れる電流を制御することができる。このため入力
電流供給端２３から供給される電流値によって、他ニュ
ーロン素子からの入力に重み付けを行うシナプス動作を
行うことができる。
【００３２】５本の入力線１１はすべて等しい相互イン
ダクタンス値３ｐＨで超伝導閉ループ１２と磁気的に結
合している。超伝導閉ループ１２全体のインダクタンス
はスイッチングエレメント１５との結合インダクタンス
３ｐＨと配線部分のインダクタンス２ｐＨを合わせて２
０ｐＨとなる。例えば入力ゲート２２のスイッチによっ
て入力線１１に流れる電流Ｉ１ 、Ｉ３ 、Ｉ４ とＩ
２ 、Ｉ５ をそれぞれ０．６ｍＡ、０．３ｍＡ、０．
８ｍＡ、０．４ｍＡ、０．７ｍＡとし、Ｉ１ 、Ｉ３
、Ｉ４ とＩ２ 、Ｉ５ とでは逆向きの電流を流す。 例えば、超伝導閉ループ１２と結合した入力線に電流Ｉ
１ が流れると、超伝導閉ループ１２にはＩ１ によっ
て誘起される磁場を排除するために、（３／２０）・０
．６＝０．０９ｍＡの循環電流が流れる。加えて入力電
流Ｉ２ 、Ｉ３ 、Ｉ４ が流れると全循環電流Ｉｃｉ
ｒは、Ｉｃｉｒ＝０．０９−０．０４５＋０．１２＋０
．０６＝０．２２５ｍＡとなる。ここで第２項の符号が
マイナスなのは、電流Ｉ２ の向きが他の電流と逆向き
であるため誘起される循環電流の向きが逆向きになるか
らである。このため電流Ｉ１ 、Ｉ３ 、Ｉ４ は興奮
性の信号となり、電流Ｉ２ 、Ｉ５ は抑圧性の信号と
なる。
ダクタンス値３ｐＨで超伝導閉ループ１２と磁気的に結
合している。超伝導閉ループ１２全体のインダクタンス
はスイッチングエレメント１５との結合インダクタンス
３ｐＨと配線部分のインダクタンス２ｐＨを合わせて２
０ｐＨとなる。例えば入力ゲート２２のスイッチによっ
て入力線１１に流れる電流Ｉ１ 、Ｉ３ 、Ｉ４ とＩ
２ 、Ｉ５ をそれぞれ０．６ｍＡ、０．３ｍＡ、０．
８ｍＡ、０．４ｍＡ、０．７ｍＡとし、Ｉ１ 、Ｉ３
、Ｉ４ とＩ２ 、Ｉ５ とでは逆向きの電流を流す。 例えば、超伝導閉ループ１２と結合した入力線に電流Ｉ
１ が流れると、超伝導閉ループ１２にはＩ１ によっ
て誘起される磁場を排除するために、（３／２０）・０
．６＝０．０９ｍＡの循環電流が流れる。加えて入力電
流Ｉ２ 、Ｉ３ 、Ｉ４ が流れると全循環電流Ｉｃｉ
ｒは、Ｉｃｉｒ＝０．０９−０．０４５＋０．１２＋０
．０６＝０．２２５ｍＡとなる。ここで第２項の符号が
マイナスなのは、電流Ｉ２ の向きが他の電流と逆向き
であるため誘起される循環電流の向きが逆向きになるか
らである。このため電流Ｉ１ 、Ｉ３ 、Ｉ４ は興奮
性の信号となり、電流Ｉ２ 、Ｉ５ は抑圧性の信号と
なる。
【００３３】バイアス入力端１３からバイアス電流を０
．６ｍＡ流すと、出力線１６側のブランチはインダクタ
ンスが大きいため、バイアス電流はほとんど全てスイッ
チングエレメント１５を含むブランチの方に流れる。 スイッチングエレメント１５は、ジョセフソン素子１４
の臨界電流値がそれぞれ０．４０ｍＡ、インダクタンス
が１．７ｐＨの非対称なしきい値特性を有する２接合量
子干渉計である。このスイッチングエレメント１５に上
記値のバイアス電流を流した場合、超伝導閉ループ１２
に循環電流Ｉｃｉｒが図２に示した向きに０．２０ｍＡ
以上流れるとスイッチングエレメントは電圧状態にスイ
ッチし、バイアス電流０．６ｍＡが出力線１６のブラン
チに流れる。前記例のようにＩ１ 、Ｉ２、Ｉ３ 、Ｉ
４ が入力されると、循環電流は０．２２５ｍＡとなり
、出力線１６に出力電流が現れるが、例えば入力がＩ１
、Ｉ２ 、Ｉ３ 、Ｉ５ では、循環電流は０．０６
ｍＡとなり、出力電流は現れない。つまり流れる入力電
流の組み合わせによって出力線１６に電流が現れるかど
うかが決定される。
．６ｍＡ流すと、出力線１６側のブランチはインダクタ
ンスが大きいため、バイアス電流はほとんど全てスイッ
チングエレメント１５を含むブランチの方に流れる。 スイッチングエレメント１５は、ジョセフソン素子１４
の臨界電流値がそれぞれ０．４０ｍＡ、インダクタンス
が１．７ｐＨの非対称なしきい値特性を有する２接合量
子干渉計である。このスイッチングエレメント１５に上
記値のバイアス電流を流した場合、超伝導閉ループ１２
に循環電流Ｉｃｉｒが図２に示した向きに０．２０ｍＡ
以上流れるとスイッチングエレメントは電圧状態にスイ
ッチし、バイアス電流０．６ｍＡが出力線１６のブラン
チに流れる。前記例のようにＩ１ 、Ｉ２、Ｉ３ 、Ｉ
４ が入力されると、循環電流は０．２２５ｍＡとなり
、出力線１６に出力電流が現れるが、例えば入力がＩ１
、Ｉ２ 、Ｉ３ 、Ｉ５ では、循環電流は０．０６
ｍＡとなり、出力電流は現れない。つまり流れる入力電
流の組み合わせによって出力線１６に電流が現れるかど
うかが決定される。
【００３４】出力線１６に流れる電流は他のニューロン
素子の入力ゲート２２をスイッチさせる信号電流となる
。出力線１６に流れる電流値は出力線１６のインダクタ
ンス値によらないこと、および出力線１６は超伝導線で
あるため電流が減衰しないことから出力線１６と磁気結
合する他ニューロン素子の数つまりファンアウト数に本
質的な制限はない。また入力も超伝導閉ループ１２と磁
気的な結合を行うだけなので、ファンイン数にも本質的
な制限はない。
素子の入力ゲート２２をスイッチさせる信号電流となる
。出力線１６に流れる電流値は出力線１６のインダクタ
ンス値によらないこと、および出力線１６は超伝導線で
あるため電流が減衰しないことから出力線１６と磁気結
合する他ニューロン素子の数つまりファンアウト数に本
質的な制限はない。また入力も超伝導閉ループ１２と磁
気的な結合を行うだけなので、ファンイン数にも本質的
な制限はない。
【００３５】出力線１６に電流が流れている場合、この
電流はバイアス電流が立ち下がった後も出力線１６とス
イッチングエレメント１５を含みパスからなる超伝導閉
ループに流れ続ける。この電流をリセットするためにリ
セット信号線１８に０．３ｍＡの電流を流し、リセット
ゲート１７を電圧状態にリセットする。リセットゲート
１７は２接合量子干渉計でジョセフソン素子の臨界電流
値は０．４ｍＡ、インダクタンスは１．７ｐＨである。 一方超伝導閉ループ１２に流れる循環電流は入力電流に
より発生する磁場を遮蔽する性質の電流であるため入力
電流に応じて増減する。
電流はバイアス電流が立ち下がった後も出力線１６とス
イッチングエレメント１５を含みパスからなる超伝導閉
ループに流れ続ける。この電流をリセットするためにリ
セット信号線１８に０．３ｍＡの電流を流し、リセット
ゲート１７を電圧状態にリセットする。リセットゲート
１７は２接合量子干渉計でジョセフソン素子の臨界電流
値は０．４ｍＡ、インダクタンスは１．７ｐＨである。 一方超伝導閉ループ１２に流れる循環電流は入力電流に
より発生する磁場を遮蔽する性質の電流であるため入力
電流に応じて増減する。
【００３６】以上説明したように本実施例で述べた回路
を用いれば、超伝導体独自の性質を用いてシナプス動作
、ニューロン動作を行うニューロン素子が構成できる。 しかも本ニューロン素子は、ファンイン、ファンアウト
数に本質的な制限がないため、ニューロン素子同士がお
互いに複雑に結合した高度なニューラルネットワークが
形成できる。また入力の重みは入力電流供給端からの供
給電流値で決定されるため供給電流値を制御することで
重みを可変にできる。
を用いれば、超伝導体独自の性質を用いてシナプス動作
、ニューロン動作を行うニューロン素子が構成できる。 しかも本ニューロン素子は、ファンイン、ファンアウト
数に本質的な制限がないため、ニューロン素子同士がお
互いに複雑に結合した高度なニューラルネットワークが
形成できる。また入力の重みは入力電流供給端からの供
給電流値で決定されるため供給電流値を制御することで
重みを可変にできる。
【００３７】本実施例ではスイッチングエレメント１５
として非対称なしきい値特性を有する２接合量子干渉計
を用いたが、これは利得が大きいためと反対方向の循環
電流でスイッチしないようにするためである。しかし場
合に応じて他のジョセフソン素子を含むスイッチングエ
レメントも用いることができる。また入力線１１と超伝
導閉ループ１２との間の相互インダクタンス値はすべて
等しいとしたが異なる値を用いることもできる。その場
合は電流値とインダクタンスで二重の重み付けとなる。
として非対称なしきい値特性を有する２接合量子干渉計
を用いたが、これは利得が大きいためと反対方向の循環
電流でスイッチしないようにするためである。しかし場
合に応じて他のジョセフソン素子を含むスイッチングエ
レメントも用いることができる。また入力線１１と超伝
導閉ループ１２との間の相互インダクタンス値はすべて
等しいとしたが異なる値を用いることもできる。その場
合は電流値とインダクタンスで二重の重み付けとなる。
【００３８】（実施例３）図３、図４は本発明の第３の
実施例を説明するための図である。以下図３、図４を用
いて本発明の実施例の説明を行う。
実施例を説明するための図である。以下図３、図４を用
いて本発明の実施例の説明を行う。
【００３９】本ニューロン素子は、他ニューロン素子ま
たは外部からの入力線１１、超伝導閉ループ１２、バイ
アス入力端１３、ジョセフソン素子１４を２個用いた非
対称なしきい値特性を有する２接合量子干渉素子からな
るスイッチングエレメント１５、他のニューロン素子の
超伝導閉ループと磁気的に結合した出力線１６、ダウン
エッジトリガ回路３１、直流制御線３２から構成される
。本発明によるニューロン素子は多数のファンイン、フ
ァンアウトを取ることができるが、本実施例では簡単の
ためファンイン、ファンアウト数はそれぞれ５とした。
たは外部からの入力線１１、超伝導閉ループ１２、バイ
アス入力端１３、ジョセフソン素子１４を２個用いた非
対称なしきい値特性を有する２接合量子干渉素子からな
るスイッチングエレメント１５、他のニューロン素子の
超伝導閉ループと磁気的に結合した出力線１６、ダウン
エッジトリガ回路３１、直流制御線３２から構成される
。本発明によるニューロン素子は多数のファンイン、フ
ァンアウトを取ることができるが、本実施例では簡単の
ためファンイン、ファンアウト数はそれぞれ５とした。
【００４０】５本の入力線１１はそれぞれ独自の相互イ
ンダクタンスで超伝導閉ループ１２と磁気的に結合して
いる。相互インダクタンスＭ１ 、Ｍ２ 、Ｍ３ 、Ｍ
４ 、Ｍ５ の値は、それぞれ４ｐＨ、１ＰＨ、５ｐＨ
、２ｐＨ、３ｐＨである。超伝導閉ループ１２全体のイ
ンダクタンスはスイッチングエレメント１５との結合イ
ンダクタンス３ｐＨおよびダウンエッジトリガ回路３１
との結合インダクタンス３ｐＨと配線部分のインダクタ
ンス２ｐＨを合わせて２３ｐＨとなる。また入力電流は
、全て０．６ｍＡとしＩ１ 、Ｉ３ 、Ｉ４ とＩ２
、Ｉ５ とでは、超伝導閉ループ１２との結合部に対し
て、流れる向きを逆にする。例えば、インダクタンスＭ
１ で超伝導閉ループ１２と結合した入力線に電流Ｉ１
が流れると、超伝導閉ループ１２にはＩ１ に起因す
る磁場を排除するために、（４／２３）・０．６＝０．
１０ｍＡの循環電流が流れる。加えて入力電流Ｉ２ 、
Ｉ３ 、Ｉ４が流れると全循環電流Ｉｃｉｒは、Ｉｃｉ
ｒ＝０．１０−０．０２６＋０．１３＋０．０５２＝０
．２６ｍＡとなる。ここで第２項の符号がマイナスなの
は、電流Ｉ２ の向きが他の電流と逆向きであるため誘
起される循環電流の向きが逆向きになるからである。こ
のため電流Ｉ１ 、Ｉ３ 、Ｉ４ は興奮性の信号とな
り、電流Ｉ２ 、Ｉ５ は抑圧性の信号となる。
ンダクタンスで超伝導閉ループ１２と磁気的に結合して
いる。相互インダクタンスＭ１ 、Ｍ２ 、Ｍ３ 、Ｍ
４ 、Ｍ５ の値は、それぞれ４ｐＨ、１ＰＨ、５ｐＨ
、２ｐＨ、３ｐＨである。超伝導閉ループ１２全体のイ
ンダクタンスはスイッチングエレメント１５との結合イ
ンダクタンス３ｐＨおよびダウンエッジトリガ回路３１
との結合インダクタンス３ｐＨと配線部分のインダクタ
ンス２ｐＨを合わせて２３ｐＨとなる。また入力電流は
、全て０．６ｍＡとしＩ１ 、Ｉ３ 、Ｉ４ とＩ２
、Ｉ５ とでは、超伝導閉ループ１２との結合部に対し
て、流れる向きを逆にする。例えば、インダクタンスＭ
１ で超伝導閉ループ１２と結合した入力線に電流Ｉ１
が流れると、超伝導閉ループ１２にはＩ１ に起因す
る磁場を排除するために、（４／２３）・０．６＝０．
１０ｍＡの循環電流が流れる。加えて入力電流Ｉ２ 、
Ｉ３ 、Ｉ４が流れると全循環電流Ｉｃｉｒは、Ｉｃｉ
ｒ＝０．１０−０．０２６＋０．１３＋０．０５２＝０
．２６ｍＡとなる。ここで第２項の符号がマイナスなの
は、電流Ｉ２ の向きが他の電流と逆向きであるため誘
起される循環電流の向きが逆向きになるからである。こ
のため電流Ｉ１ 、Ｉ３ 、Ｉ４ は興奮性の信号とな
り、電流Ｉ２ 、Ｉ５ は抑圧性の信号となる。
【００４１】バイアス入力端１３からバイアス電流を０
．６ｍＡ流すと、出力線１６側のブランチはスイッチン
グエレメント１５を含むブランチに比べてインダクタン
スが大きいため、バイアス電流は全てスイッチングエレ
メント１５を含むブランチの方に流れる。スイッチング
エレメント１５は、ジョセフソン素子１４の臨界電流値
がそれぞれ０．４０ｍＡ、インダクタンスが１．７ｐＨ
の非対称２接合量子干渉計である。このスイッチングエ
レメント１５に上記値のバイアス電流を流した場合、超
伝導閉ループ１２に循環電流Ｉｃｉｒが図３に示した向
きに０．２ｍＡ以上流れるとスイッチングエレメントは
電圧状態にスイッチし、バイアス電流０．６ｍＡが出力
線１６のブランチに流れる。前記例のようにＩ１、Ｉ２
、Ｉ３ 、Ｉ４ が入力されると、循環電流は０．２
６ｍＡとなり、出力線１６に出力電流が現れるが、例え
ば入力がＩ１ 、Ｉ２ 、Ｉ３ 、Ｉ５ では、循環電
流は０．１３ｍＡとなり、出力電流は現れない。つまり
流れる入力電流の組み合わせによって出力線１６に電流
が現れるかどうかが決定される。
．６ｍＡ流すと、出力線１６側のブランチはスイッチン
グエレメント１５を含むブランチに比べてインダクタン
スが大きいため、バイアス電流は全てスイッチングエレ
メント１５を含むブランチの方に流れる。スイッチング
エレメント１５は、ジョセフソン素子１４の臨界電流値
がそれぞれ０．４０ｍＡ、インダクタンスが１．７ｐＨ
の非対称２接合量子干渉計である。このスイッチングエ
レメント１５に上記値のバイアス電流を流した場合、超
伝導閉ループ１２に循環電流Ｉｃｉｒが図３に示した向
きに０．２ｍＡ以上流れるとスイッチングエレメントは
電圧状態にスイッチし、バイアス電流０．６ｍＡが出力
線１６のブランチに流れる。前記例のようにＩ１、Ｉ２
、Ｉ３ 、Ｉ４ が入力されると、循環電流は０．２
６ｍＡとなり、出力線１６に出力電流が現れるが、例え
ば入力がＩ１ 、Ｉ２ 、Ｉ３ 、Ｉ５ では、循環電
流は０．１３ｍＡとなり、出力電流は現れない。つまり
流れる入力電流の組み合わせによって出力線１６に電流
が現れるかどうかが決定される。
【００４２】出力線１６に流れる電流は他のニューロン
素子の入力電流となる。出力線１６に流れる電流値は出
力線１６のインダクタンス値によらないこと、および出
力線１６は超伝導線であるため電流が減衰しないことか
ら出力線１６と磁気結合する他ニューロン素子の数つま
りファンアウト数に本質的な制限はない。また入力も超
伝導閉ループ１２と磁気的な結合を行うだけなので、フ
ァンイン数にも本質的な制限はない。
素子の入力電流となる。出力線１６に流れる電流値は出
力線１６のインダクタンス値によらないこと、および出
力線１６は超伝導線であるため電流が減衰しないことか
ら出力線１６と磁気結合する他ニューロン素子の数つま
りファンアウト数に本質的な制限はない。また入力も超
伝導閉ループ１２と磁気的な結合を行うだけなので、フ
ァンイン数にも本質的な制限はない。
【００４３】図３のダウンエッジトリガ回路３１の具体
例を図４に示す。図４（ａ）はダウンエッジトリガ回路
の回路図、（ｂ）はそのスイッチングエレメントである
２接合量子干渉計３３のしきい値特性である。２接合量
子干渉計３３のパラメータは、ジョセフソン素子の臨界
電流値が０．４ｍＡ、インダクタンスが１．７ｐＨであ
る。図４（ａ）に示すダウンエッジトリガ回路おいては
出力線１６が２接合量子干渉計にゲート電流Ｉｇを供給
しており、一方伝導閉ループ１２と直流制御線３２が制
御電流Ｉｃを供給している。入力線１１から供給される
入力電流がゼロの状態では、超伝導閉ループ１２に循環
電流は流れずスイッチングエレメント１５はスイッチし
ない、したがって出力線１６に電流が流れないため、ダ
ウンエッジトリガ回路に流れる電流は直流制御線３２に
流れる直流電流０．３ｍＡだけとなり、動作点は図４（
ｂ）の動作点３４にある。入力電流が流れ超伝導閉ルー
プ１２に流れる循環電流が増えてくると、超伝導閉ルー
プ１２に流れる電流は直流制御線３２に流れる電流と逆
向きであるため、図４（ｂ）の動作点は動作点３４から
Ｉｃ軸上マイナス方向にシフトする。超伝導閉ループ１
２に流れる電流がさらに増えスイッチングエレメント１
５がスイッチすると、出力線１６に電流が流れるため、
動作点は動作点３５に移る。動作点３５はしきい値曲線
の内側であるため２接合量子干渉計３３はスイッチしな
い。ここで超伝導閉ループ１２に流れる電流は、入力Ｉ
１ 、Ｉ２ 、Ｉ３ 、Ｉ４ 、を想定し、０．２６ｍ
Ａとした。入力電流が減少し超伝導閉ループ１２を流れ
る循環電流が０．２ｍＡ以下になると動作点がしきい値
曲線の外側（例えば動作点３６）に出るため２接合量子
干渉計３３は電圧状態にスイッチする。この結果出力線
１６に流れていた電流は再びスイッチングエレメント１
５を含みブランチに流れ込む。
例を図４に示す。図４（ａ）はダウンエッジトリガ回路
の回路図、（ｂ）はそのスイッチングエレメントである
２接合量子干渉計３３のしきい値特性である。２接合量
子干渉計３３のパラメータは、ジョセフソン素子の臨界
電流値が０．４ｍＡ、インダクタンスが１．７ｐＨであ
る。図４（ａ）に示すダウンエッジトリガ回路おいては
出力線１６が２接合量子干渉計にゲート電流Ｉｇを供給
しており、一方伝導閉ループ１２と直流制御線３２が制
御電流Ｉｃを供給している。入力線１１から供給される
入力電流がゼロの状態では、超伝導閉ループ１２に循環
電流は流れずスイッチングエレメント１５はスイッチし
ない、したがって出力線１６に電流が流れないため、ダ
ウンエッジトリガ回路に流れる電流は直流制御線３２に
流れる直流電流０．３ｍＡだけとなり、動作点は図４（
ｂ）の動作点３４にある。入力電流が流れ超伝導閉ルー
プ１２に流れる循環電流が増えてくると、超伝導閉ルー
プ１２に流れる電流は直流制御線３２に流れる電流と逆
向きであるため、図４（ｂ）の動作点は動作点３４から
Ｉｃ軸上マイナス方向にシフトする。超伝導閉ループ１
２に流れる電流がさらに増えスイッチングエレメント１
５がスイッチすると、出力線１６に電流が流れるため、
動作点は動作点３５に移る。動作点３５はしきい値曲線
の内側であるため２接合量子干渉計３３はスイッチしな
い。ここで超伝導閉ループ１２に流れる電流は、入力Ｉ
１ 、Ｉ２ 、Ｉ３ 、Ｉ４ 、を想定し、０．２６ｍ
Ａとした。入力電流が減少し超伝導閉ループ１２を流れ
る循環電流が０．２ｍＡ以下になると動作点がしきい値
曲線の外側（例えば動作点３６）に出るため２接合量子
干渉計３３は電圧状態にスイッチする。この結果出力線
１６に流れていた電流は再びスイッチングエレメント１
５を含みブランチに流れ込む。
【００４４】スイッチングエレメント１５およびダウン
エッジトリガ回路３１はいずれも負荷が超伝導であるた
め、スイッチすると電流は全て負荷の方に流れてしまい
自動的にゼロ電圧状態にリセットする。この動作を確実
に行うため適当な値のダンピング抵抗を用いることもあ
る。
エッジトリガ回路３１はいずれも負荷が超伝導であるた
め、スイッチすると電流は全て負荷の方に流れてしまい
自動的にゼロ電圧状態にリセットする。この動作を確実
に行うため適当な値のダンピング抵抗を用いることもあ
る。
【００４５】一般に超伝導集積回路ではジョセフソン素
子が、バイアス電流がある一定値以下にならないとリセ
ットしないラッチ素子であるため、バイアス電流に交流
を用いる必要があり、全ての素子の動作はバイアス電流
に同期して行われる。本発明による超伝導ニューロン素
子は入力電流に応じてセット、リセットを行う一種のフ
リップフロップ回路であるため、それぞれの素子を非同
期に動かすことができる。この特性はニューロン素子を
用いてニューラルネットワークを構成する際に非常に有
効となる。
子が、バイアス電流がある一定値以下にならないとリセ
ットしないラッチ素子であるため、バイアス電流に交流
を用いる必要があり、全ての素子の動作はバイアス電流
に同期して行われる。本発明による超伝導ニューロン素
子は入力電流に応じてセット、リセットを行う一種のフ
リップフロップ回路であるため、それぞれの素子を非同
期に動かすことができる。この特性はニューロン素子を
用いてニューラルネットワークを構成する際に非常に有
効となる。
【００４６】以上説明したように本実施例で述べた回路
を用いれば、超伝導体独自の性質を用いてシナプス動作
、ニューロン動作を行うニューロン素子が構成できる。 しかも本ニューロン素子は、ファンイン、ファンアウト
数に本質的な制限がないため、ニューロン素子同士がお
互いに複数に結合した高度なニューラルネットワークが
形成できる。また半導体のニューロン素子に比べても回
路構成が簡単で部品数が少なくてすむため、高密度の集
積が可能である。さらに複数のニューロン素子を非同期
に動作させることができるためネットワーク化に際して
有利である。
を用いれば、超伝導体独自の性質を用いてシナプス動作
、ニューロン動作を行うニューロン素子が構成できる。 しかも本ニューロン素子は、ファンイン、ファンアウト
数に本質的な制限がないため、ニューロン素子同士がお
互いに複数に結合した高度なニューラルネットワークが
形成できる。また半導体のニューロン素子に比べても回
路構成が簡単で部品数が少なくてすむため、高密度の集
積が可能である。さらに複数のニューロン素子を非同期
に動作させることができるためネットワーク化に際して
有利である。
【００４７】本実施例ではスイッチングエレメント１５
として非対称なしきい値特性を有する２接合量子干渉計
を用いたが、これは利得が大きいためと反対方向の循環
電流でスイッチしないようにするためである。しかし場
合に応じて他のジョセフソン素子を含むスイッチングエ
レメントも用いることができる。またスイッチングエレ
メント１５とダウンエッジトリガ回路３１とがスイッチ
する循環電流値を同じにしたが異なる値を用いることも
できる。
として非対称なしきい値特性を有する２接合量子干渉計
を用いたが、これは利得が大きいためと反対方向の循環
電流でスイッチしないようにするためである。しかし場
合に応じて他のジョセフソン素子を含むスイッチングエ
レメントも用いることができる。またスイッチングエレ
メント１５とダウンエッジトリガ回路３１とがスイッチ
する循環電流値を同じにしたが異なる値を用いることも
できる。
【００４８】（実施例４）図５は第４の発明の実施例を
説明するための図である。以下図５を用いて第４の発明
の実施例の説明を行う。
説明するための図である。以下図５を用いて第４の発明
の実施例の説明を行う。
【００４９】本ニューロン素子は他ニューロン素子また
は外部からの入力線１１、超伝導閉ループ１２、バイア
ス入力端１３、ジョセフソン素子一個からなるスイッチ
ングエレメント１５、他のニューロン素子の超伝導閉ル
ープと磁気的に結合した出力線１６、出力線のリセット
ゲート１７、リセット信号線１８から構成される。本発
明によるニューロン素子は多数のファンイン、ファンア
ウトを取ることができるが、本実施例では簡単のためフ
ァンイン、ファンアウト数はそれぞれ５とした。
は外部からの入力線１１、超伝導閉ループ１２、バイア
ス入力端１３、ジョセフソン素子一個からなるスイッチ
ングエレメント１５、他のニューロン素子の超伝導閉ル
ープと磁気的に結合した出力線１６、出力線のリセット
ゲート１７、リセット信号線１８から構成される。本発
明によるニューロン素子は多数のファンイン、ファンア
ウトを取ることができるが、本実施例では簡単のためフ
ァンイン、ファンアウト数はそれぞれ５とした。
【００５０】５本の入力線１１はそれぞれ独自の相互イ
ンダクタンスで超伝導閉ループ１２と磁気的に結合して
いる。相互インダクタンスＭ１ 、Ｍ２ 、Ｍ３ 、Ｍ
４ 、Ｍ５ の値は、それぞれ４ｐＨ、１ＰＨ、５ｐＨ
、２ｐＨ、３ｐＨである。超伝導閉ループ１２全体のイ
ンダクタンス配線部分のインダクタンス３ｐＨを合わせ
て１８ｐＨとなる。また入力電流は、全て０．６ｍＡと
しＩ１ 、Ｉ３ 、Ｉ４とＩ２ 、Ｉ５ とでは、超伝
導閉ループ１２との結合部に対して、流れる向きを逆に
する。例えば、インダクタンスＭ１ で超伝導閉ループ
１２と結合した入力線に電流Ｉ１ が流れると、超伝導
閉ループ１２にはＩ１ によって誘起される磁場を排除
するために、（４／１８）・０．６＝０．１３ｍＡの循
環電流が流れる。加えて入力電流Ｉ２ 、Ｉ３ 、Ｉ４
が流れると全循環電流Ｉｃｉｒは、Ｉｃｉｒ＝０．１
３−０．０３＋０．１７＋０．０７＝０．３４ｍＡとな
る。ここで第２項の符号がマイナスなのは、電流Ｉ２
の向きが他の電流と逆向きであるため誘起される循環電
流の向きが逆向きになるからである。このため電流Ｉ１
、Ｉ３ 、Ｉ４ は興奮性の信号となり、電流Ｉ２
、Ｉ５ は抑圧性の信号となる。
ンダクタンスで超伝導閉ループ１２と磁気的に結合して
いる。相互インダクタンスＭ１ 、Ｍ２ 、Ｍ３ 、Ｍ
４ 、Ｍ５ の値は、それぞれ４ｐＨ、１ＰＨ、５ｐＨ
、２ｐＨ、３ｐＨである。超伝導閉ループ１２全体のイ
ンダクタンス配線部分のインダクタンス３ｐＨを合わせ
て１８ｐＨとなる。また入力電流は、全て０．６ｍＡと
しＩ１ 、Ｉ３ 、Ｉ４とＩ２ 、Ｉ５ とでは、超伝
導閉ループ１２との結合部に対して、流れる向きを逆に
する。例えば、インダクタンスＭ１ で超伝導閉ループ
１２と結合した入力線に電流Ｉ１ が流れると、超伝導
閉ループ１２にはＩ１ によって誘起される磁場を排除
するために、（４／１８）・０．６＝０．１３ｍＡの循
環電流が流れる。加えて入力電流Ｉ２ 、Ｉ３ 、Ｉ４
が流れると全循環電流Ｉｃｉｒは、Ｉｃｉｒ＝０．１
３−０．０３＋０．１７＋０．０７＝０．３４ｍＡとな
る。ここで第２項の符号がマイナスなのは、電流Ｉ２
の向きが他の電流と逆向きであるため誘起される循環電
流の向きが逆向きになるからである。このため電流Ｉ１
、Ｉ３ 、Ｉ４ は興奮性の信号となり、電流Ｉ２
、Ｉ５ は抑圧性の信号となる。
【００５１】バイアス入力端１３からバイアス電流を０
．６ｍＡ流すと、出力線１６側のブランチおよび入力線
１１と磁気結合した側のブランチのインダクタンスはス
イッチングエレメント１５を含むブランチにインダクタ
ンスに比べて著しく大きいため、バイアス電流はほとん
ど全てスイッチングエレメント１５を含むブランチの方
に流れる。スイッチングエレメント１５は、臨界電流値
が０．８ｍＡの１個のジョセフソン素子からなる。この
スイッチングエレメント１５に上記値のバイアス電流を
流した場合、超伝導閉ループ１２に循環電流Ｉｃｉｒが
図５に示した向きに０．２０ｍＡ以上流れると、バイア
ス電流と循環電流が足し合わされてスイッチングエレメ
ント１５に流れる電流がその臨界電流値を越えるため、
スイッチングエレメントは電圧状態にスイッチし、バイ
アス電流０．６ｍＡが出力線１６および入力線１１と磁
気結合したブランチに流れる。出力線１６側のブランチ
のインダクタンスは通常入力線１１と磁気結合したブラ
ンチのインダクタンスより大きい。出力線１６のインダ
クタンスを７４ｐＨとするとバイアス電流は出力線１６
側に０．１２ｍＡ、入力線１１と磁気結合した側０．４
８ｍＡ流れる。このときスイッチングエレメント１５が
電圧状態にスイッチしているため、超伝導閉ループ１２
は切れており、循環電流Ｉｃｉｒは流れていない。出力
ゲート５１として臨界電流値０．４ｍＡのジョセフソン
素子を用いると、前記入力線１１と磁気結合した側に流
れる電流０．４８ｍＡで出力ゲートがスイッチし、バイ
アス電流はすべて出力線１６側のブランチに流れ込む。 このようにして前記例のようにＩ１ 、Ｉ２ 、Ｉ３
、Ｉ４ が入力されると、循環電流は０．３４ｍＡとな
り、出力線１６に出力電流が現れるが、例えば入力がＩ
１ 、Ｉ２ 、Ｉ３ 、Ｉ５ では、循環電流は０．１
７ｍＡとなり、出力電流は現れない。つまり流れる入力
電流の組み合わせによって出力線１６に電流が現れるか
どうかが決定される。
．６ｍＡ流すと、出力線１６側のブランチおよび入力線
１１と磁気結合した側のブランチのインダクタンスはス
イッチングエレメント１５を含むブランチにインダクタ
ンスに比べて著しく大きいため、バイアス電流はほとん
ど全てスイッチングエレメント１５を含むブランチの方
に流れる。スイッチングエレメント１５は、臨界電流値
が０．８ｍＡの１個のジョセフソン素子からなる。この
スイッチングエレメント１５に上記値のバイアス電流を
流した場合、超伝導閉ループ１２に循環電流Ｉｃｉｒが
図５に示した向きに０．２０ｍＡ以上流れると、バイア
ス電流と循環電流が足し合わされてスイッチングエレメ
ント１５に流れる電流がその臨界電流値を越えるため、
スイッチングエレメントは電圧状態にスイッチし、バイ
アス電流０．６ｍＡが出力線１６および入力線１１と磁
気結合したブランチに流れる。出力線１６側のブランチ
のインダクタンスは通常入力線１１と磁気結合したブラ
ンチのインダクタンスより大きい。出力線１６のインダ
クタンスを７４ｐＨとするとバイアス電流は出力線１６
側に０．１２ｍＡ、入力線１１と磁気結合した側０．４
８ｍＡ流れる。このときスイッチングエレメント１５が
電圧状態にスイッチしているため、超伝導閉ループ１２
は切れており、循環電流Ｉｃｉｒは流れていない。出力
ゲート５１として臨界電流値０．４ｍＡのジョセフソン
素子を用いると、前記入力線１１と磁気結合した側に流
れる電流０．４８ｍＡで出力ゲートがスイッチし、バイ
アス電流はすべて出力線１６側のブランチに流れ込む。 このようにして前記例のようにＩ１ 、Ｉ２ 、Ｉ３
、Ｉ４ が入力されると、循環電流は０．３４ｍＡとな
り、出力線１６に出力電流が現れるが、例えば入力がＩ
１ 、Ｉ２ 、Ｉ３ 、Ｉ５ では、循環電流は０．１
７ｍＡとなり、出力電流は現れない。つまり流れる入力
電流の組み合わせによって出力線１６に電流が現れるか
どうかが決定される。
【００５２】出力線１６に流れる電流は他のニューロン
素子の入力電流となる。出力線１６に流れる電流値は出
力線１６のインダクタンス値によらないこと、および出
力線１６は超伝導線であるため電流が減衰しないことか
ら出力線１６と磁気結合する他ニューロン素子の数つま
りファンアウト数に本質的な制限はない。また入力も超
伝導閉ループ１２と磁気的な結合を行うだけなので、フ
ァンイン数にも本質的な制限はない。
素子の入力電流となる。出力線１６に流れる電流値は出
力線１６のインダクタンス値によらないこと、および出
力線１６は超伝導線であるため電流が減衰しないことか
ら出力線１６と磁気結合する他ニューロン素子の数つま
りファンアウト数に本質的な制限はない。また入力も超
伝導閉ループ１２と磁気的な結合を行うだけなので、フ
ァンイン数にも本質的な制限はない。
【００５３】出力線１６に電流が流れている場合、この
電流はバイアス電流が立ち下がった後も出力線１６とス
イッチングエレメント１５を含むパスからなる超伝導閉
ループに流れ続ける。この電流をリセットするためにリ
セット信号線１８に０．３ｍＡの電流を流し、リセット
ゲート１７を電圧状態にリセットする。リセットゲート
１７は２接合量子干渉計でジョセフソン素子の臨界電流
値０．４ｍＡ、インダクタンスは１．７ｐＨである。一
方スイッチングエレメント１５、出力ゲート５１の負荷
が超伝導線であり抵抗成分を含まないことから、すべて
のバイアス電流が出力線１６に流れ込むとともに超伝導
状態にもどるため、超伝導閉ループ１２は自動的にリセ
ットされる。
電流はバイアス電流が立ち下がった後も出力線１６とス
イッチングエレメント１５を含むパスからなる超伝導閉
ループに流れ続ける。この電流をリセットするためにリ
セット信号線１８に０．３ｍＡの電流を流し、リセット
ゲート１７を電圧状態にリセットする。リセットゲート
１７は２接合量子干渉計でジョセフソン素子の臨界電流
値０．４ｍＡ、インダクタンスは１．７ｐＨである。一
方スイッチングエレメント１５、出力ゲート５１の負荷
が超伝導線であり抵抗成分を含まないことから、すべて
のバイアス電流が出力線１６に流れ込むとともに超伝導
状態にもどるため、超伝導閉ループ１２は自動的にリセ
ットされる。
【００５４】以上説明したように本実施例で述べた回路
を用いれば、超伝導体独自の性質を用いてシナプス動作
、ニューロン動作を行うニューロン素子が構成できる。 しかも本ニューロン素子は、ファンイン、ファンアウト
数に本質的な制限がないため、ニューロン素子同士がお
互いに複雑に結合した高度なニューラルネットワークが
形成できる。また半導体のニューロン素子に比べても回
路構成が簡単で部品数が少なくてすむため、高密度の集
積の可能である。さらにスイッチングエレメント１５を
超伝導閉ループ１２中に含んでいるため、超伝導閉ルー
プ１２の全インダクタンスに占める各入力線１１との結
合インダクタンスの割合が大きくなり、入力電流の超伝
導閉ループ循環電流への変換効率が上がる。
を用いれば、超伝導体独自の性質を用いてシナプス動作
、ニューロン動作を行うニューロン素子が構成できる。 しかも本ニューロン素子は、ファンイン、ファンアウト
数に本質的な制限がないため、ニューロン素子同士がお
互いに複雑に結合した高度なニューラルネットワークが
形成できる。また半導体のニューロン素子に比べても回
路構成が簡単で部品数が少なくてすむため、高密度の集
積の可能である。さらにスイッチングエレメント１５を
超伝導閉ループ１２中に含んでいるため、超伝導閉ルー
プ１２の全インダクタンスに占める各入力線１１との結
合インダクタンスの割合が大きくなり、入力電流の超伝
導閉ループ循環電流への変換効率が上がる。
【００５５】本実施例ではスイッチングエレメント１５
として１個のジョセフソン素子を用いたが、場合に応じ
て他のジョセフソン素子を含むスイッチングエレメント
も用いることができる。
として１個のジョセフソン素子を用いたが、場合に応じ
て他のジョセフソン素子を含むスイッチングエレメント
も用いることができる。
【００５６】（実施例５）図６は第５の発明の実施例を
説明するための図である。以下図６を用いて第５の発明
の実施例の説明を行う。
説明するための図である。以下図６を用いて第５の発明
の実施例の説明を行う。
【００５７】本ニューロン素子は他ニューロン素子また
は外部からの入力線１１、超伝導閉ループ１２、バイア
ス入力端１３、ジョセフソン素子一個からなるスイッチ
ングエレメント１５、他のニューロン素子の超伝導閉ル
ープと磁気的に結合した出力線１６、リセット抵抗６１
から構成される。本発明によるニューロン素子は多数の
ファンイン、ファンアウトを取ることができるが、本実
施例では簡単のためファンイン、ファンアウト数はそれ
ぞれ５とした。
は外部からの入力線１１、超伝導閉ループ１２、バイア
ス入力端１３、ジョセフソン素子一個からなるスイッチ
ングエレメント１５、他のニューロン素子の超伝導閉ル
ープと磁気的に結合した出力線１６、リセット抵抗６１
から構成される。本発明によるニューロン素子は多数の
ファンイン、ファンアウトを取ることができるが、本実
施例では簡単のためファンイン、ファンアウト数はそれ
ぞれ５とした。
【００５８】５本の入力線１１はそれぞれ独自の相互イ
ンダクタンスで超伝導閉ループ１２と磁気的に結合して
いる。相互インダクタンスＭ１ 、Ｍ２ 、Ｍ３ 、Ｍ
４ 、Ｍ５ の値は、それぞれ４ｐＨ、１ＰＨ、５ｐＨ
、２ｐＨ、３ｐＨである。超伝導閉ループ１２全体のイ
ンダクタンス配線部分のインダクタンス３ｐＨを合わせ
て１８ｐＨとなる。また入力電流は、全て０．６ｍＡと
しＩ１ 、Ｉ３ 、Ｉ４とＩ２ 、Ｉ５ とでは、超伝
導閉ループ１２との結合部に対して、流れる向きを逆に
する。例えば、インダクタンスＭ１ で超伝導閉ループ
１２と結合した入力線に電流Ｉ１ が流れると、超伝導
閉ループ１２にはＩ１ によって誘起される磁場を排除
するために、（４／１８）・０．６＝０．１３ｍＡの循
環電流が流れる。加えて入力電流Ｉ２ 、Ｉ３ 、Ｉ４
が流れると全循環電流Ｉｃｉｒは、Ｉｃｉｒ＝０．１
３−０．０３＋０．１７＋０．０７＝０．３４ｍＡとな
る。ここで第２項の符号がマイナスなのは、電流Ｉ２
の向きが他の電流と逆向きであるため誘起される循環電
流の向きが逆向きになるからである。このため電流Ｉ１
、Ｉ３ 、Ｉ４ は興奮性の信号となり、電流Ｉ２
、Ｉ５ は抑圧性の信号となる。
ンダクタンスで超伝導閉ループ１２と磁気的に結合して
いる。相互インダクタンスＭ１ 、Ｍ２ 、Ｍ３ 、Ｍ
４ 、Ｍ５ の値は、それぞれ４ｐＨ、１ＰＨ、５ｐＨ
、２ｐＨ、３ｐＨである。超伝導閉ループ１２全体のイ
ンダクタンス配線部分のインダクタンス３ｐＨを合わせ
て１８ｐＨとなる。また入力電流は、全て０．６ｍＡと
しＩ１ 、Ｉ３ 、Ｉ４とＩ２ 、Ｉ５ とでは、超伝
導閉ループ１２との結合部に対して、流れる向きを逆に
する。例えば、インダクタンスＭ１ で超伝導閉ループ
１２と結合した入力線に電流Ｉ１ が流れると、超伝導
閉ループ１２にはＩ１ によって誘起される磁場を排除
するために、（４／１８）・０．６＝０．１３ｍＡの循
環電流が流れる。加えて入力電流Ｉ２ 、Ｉ３ 、Ｉ４
が流れると全循環電流Ｉｃｉｒは、Ｉｃｉｒ＝０．１
３−０．０３＋０．１７＋０．０７＝０．３４ｍＡとな
る。ここで第２項の符号がマイナスなのは、電流Ｉ２
の向きが他の電流と逆向きであるため誘起される循環電
流の向きが逆向きになるからである。このため電流Ｉ１
、Ｉ３ 、Ｉ４ は興奮性の信号となり、電流Ｉ２
、Ｉ５ は抑圧性の信号となる。
【００５９】バイアス入力端１３からバイアス電流０．
６４ｍＡ流すと、出力線１６側のブランチはリセット抵
抗６１を含んでおり、また入力線１１と磁気結合した側
のブランチのインダクタンスはスイッチングエレメント
１５を含むブランチにインダクタンスに比べて著しく大
きいため、バイアス電流はほとんど全てスイッチングエ
レメント１５を含むブランチの方に流れる。スイッチン
グエレメント１５は、臨界電流値が０．８５５ｍＡの１
個のジョセフソン素子からなる。このスイッチングエレ
メント１５に上記値のバイアス電流を流した場合、超伝
導閉ループ１２に循環電流Ｉｃｉｒが図５に示した向き
に０．２０ｍＡ以上流れると、バイアス電流と循環電流
が足し合わされてスイッチングエレメント１５に流れる
電流がその臨界電流値を越えるため、スイッチングエレ
メント１５は電圧状態にスイッチする。スイッチングエ
レメント１５がスイッチすると、臨界電流値の約５％に
相当する漏れ電流を除いて、バイアス電流０．６ｍＡが
入力線１１と磁気結合したブランチに流れ込む。このと
きスイッチングエレメント１５が電圧状態にスイッチし
ているため、超伝導閉ループ１２は切れており、循環電
流Ｉｃｉｒは流れていない。出力ゲート５１として臨界
電流値０．４ｍＡのジョセフソン素子を用いると、前記
入力線１１と磁気結合した側に流れ込む電流０．６ｍＡ
で出力ゲートがスイッチし、バイアス電流は臨界電流値
の約５％に相当する漏れ電流を除いて出力線１６側のブ
ランチに流れ込む。このようにして前記例のようにＩ１
、Ｉ２ 、Ｉ３ 、Ｉ４ が入力されると、循環電流
は０．３４ｍＡとなり、出力線１６に出力電流が現れる
が、例えば入力がＩ１ 、Ｉ２ 、Ｉ３ 、Ｉ５ では
、循環電流は０．１７ｍＡとなり、出力電流は現れない
。つまり流れる入力電流の組み合わせによって出力線１
６に電流が現れるかどうかが決定される。
６４ｍＡ流すと、出力線１６側のブランチはリセット抵
抗６１を含んでおり、また入力線１１と磁気結合した側
のブランチのインダクタンスはスイッチングエレメント
１５を含むブランチにインダクタンスに比べて著しく大
きいため、バイアス電流はほとんど全てスイッチングエ
レメント１５を含むブランチの方に流れる。スイッチン
グエレメント１５は、臨界電流値が０．８５５ｍＡの１
個のジョセフソン素子からなる。このスイッチングエレ
メント１５に上記値のバイアス電流を流した場合、超伝
導閉ループ１２に循環電流Ｉｃｉｒが図５に示した向き
に０．２０ｍＡ以上流れると、バイアス電流と循環電流
が足し合わされてスイッチングエレメント１５に流れる
電流がその臨界電流値を越えるため、スイッチングエレ
メント１５は電圧状態にスイッチする。スイッチングエ
レメント１５がスイッチすると、臨界電流値の約５％に
相当する漏れ電流を除いて、バイアス電流０．６ｍＡが
入力線１１と磁気結合したブランチに流れ込む。このと
きスイッチングエレメント１５が電圧状態にスイッチし
ているため、超伝導閉ループ１２は切れており、循環電
流Ｉｃｉｒは流れていない。出力ゲート５１として臨界
電流値０．４ｍＡのジョセフソン素子を用いると、前記
入力線１１と磁気結合した側に流れ込む電流０．６ｍＡ
で出力ゲートがスイッチし、バイアス電流は臨界電流値
の約５％に相当する漏れ電流を除いて出力線１６側のブ
ランチに流れ込む。このようにして前記例のようにＩ１
、Ｉ２ 、Ｉ３ 、Ｉ４ が入力されると、循環電流
は０．３４ｍＡとなり、出力線１６に出力電流が現れる
が、例えば入力がＩ１ 、Ｉ２ 、Ｉ３ 、Ｉ５ では
、循環電流は０．１７ｍＡとなり、出力電流は現れない
。つまり流れる入力電流の組み合わせによって出力線１
６に電流が現れるかどうかが決定される。
【００６０】出力線１６に流れる電流は他のニューロン
素子の入力電流となる。出力線１６に流れる電流値は出
力線１６のインダクタンス値によらないこと、および出
力線１６は超伝導線であるため電流が減衰しないことか
ら出力線１６と磁気結合する他ニューロン素子の数つま
りファンアウト数に本質的な制限はない。また入力も超
伝導閉ループ１２と磁気的な結合を行うだけなので、フ
ァンイン数にも本質的な制限はない。
素子の入力電流となる。出力線１６に流れる電流値は出
力線１６のインダクタンス値によらないこと、および出
力線１６は超伝導線であるため電流が減衰しないことか
ら出力線１６と磁気結合する他ニューロン素子の数つま
りファンアウト数に本質的な制限はない。また入力も超
伝導閉ループ１２と磁気的な結合を行うだけなので、フ
ァンイン数にも本質的な制限はない。
【００６１】本発明においては出力線１６中にリセット
抵抗６１が存在するため、出力線１６に流れる電流はバ
イアス電流が立ち下がるとともにリセット抵抗６１と出
力線のインダクタンス１６により決定される時定数で減
少する。リセット抵抗６１の値を４Ωとするとこの時定
数は１８ｐ秒となる。一方スイッチングエレメント１５
と出力ゲート５１はバイアス電流立ち下がりとともに超
伝導状態にリセットされるため超伝導閉ループ１２は自
動的にリセットされる。
抵抗６１が存在するため、出力線１６に流れる電流はバ
イアス電流が立ち下がるとともにリセット抵抗６１と出
力線のインダクタンス１６により決定される時定数で減
少する。リセット抵抗６１の値を４Ωとするとこの時定
数は１８ｐ秒となる。一方スイッチングエレメント１５
と出力ゲート５１はバイアス電流立ち下がりとともに超
伝導状態にリセットされるため超伝導閉ループ１２は自
動的にリセットされる。
【００６２】以上説明したように本実施例で述べた回路
を用いれば、超伝導体独自の性質を用いてシナプス動作
、ニューロン動作を行うニューロン素子が構成できる。 しかも本ニューロン素子は、ファンイン、ファンアウト
数に本質的な制限がないため、ニューロン素子同士がお
互いに複雑に結合した高度なニューラルネットワークが
形成できる。また半導体のニューロン素子に比べても回
路構成が簡単で部品数が少なくてすむため、高密度の集
積が可能である。さらにスイッチングエレメント１５を
超伝導閉ループ１２中に含んでいるため、超伝導閉ルー
プ１２の全インダクタンスに占める各入力線１１との結
合インダクタンスの割合が大きくなり、入力電流の超伝
導閉ループ循環電流への交換効率が上がる。その上リセ
ット抵抗６１が存在することから抵抗成分がまったくな
い場合に比べて回路のより安定した動作が期待できる。
を用いれば、超伝導体独自の性質を用いてシナプス動作
、ニューロン動作を行うニューロン素子が構成できる。 しかも本ニューロン素子は、ファンイン、ファンアウト
数に本質的な制限がないため、ニューロン素子同士がお
互いに複雑に結合した高度なニューラルネットワークが
形成できる。また半導体のニューロン素子に比べても回
路構成が簡単で部品数が少なくてすむため、高密度の集
積が可能である。さらにスイッチングエレメント１５を
超伝導閉ループ１２中に含んでいるため、超伝導閉ルー
プ１２の全インダクタンスに占める各入力線１１との結
合インダクタンスの割合が大きくなり、入力電流の超伝
導閉ループ循環電流への交換効率が上がる。その上リセ
ット抵抗６１が存在することから抵抗成分がまったくな
い場合に比べて回路のより安定した動作が期待できる。
【００６３】本実施例ではスイッチングエレメント１５
として１個のジョセフソン素子を用いたが、場合に応じ
て他のジョセフソン素子を含むスイッチングエレメント
も用いることができる。
として１個のジョセフソン素子を用いたが、場合に応じ
て他のジョセフソン素子を含むスイッチングエレメント
も用いることができる。
【００６４】
【発明の効果】本発明の第１の発明を用いれば、消費電
力が小さく３次元化が比較的容易な超伝導集積回路を用
いてファンイン、ファンアウト数が大きくニューロン素
子を構成することができる。また本発明の回路は半導体
を用いたニューロン素子より回路構成が簡単で部品数も
少なく、高密度の集積が可能であるという効果を有する
。
力が小さく３次元化が比較的容易な超伝導集積回路を用
いてファンイン、ファンアウト数が大きくニューロン素
子を構成することができる。また本発明の回路は半導体
を用いたニューロン素子より回路構成が簡単で部品数も
少なく、高密度の集積が可能であるという効果を有する
。
【００６５】第２の発明を用いれば前記第１の発明の効
果に加えて入力の重み付けを可変にできるという効果を
有する。第３の発明を用いれば前記第１の発明の効果に
加えて複数のニューロン素子を非同期に動作させること
ができるため、ネットワーク化に際して有利であるとい
う効果を有する。第４の発明を用いれば前記第１の発明
の効果に加えて入力電流の超伝導閉ループ循環電流への
変換効率をあげることができ、さらに回路構成がより簡
単になるという効果を有する。第５の発明を用いれば前
記第１の発明の効果に加えてより安定な動作が期待でき
設計が容易になると言う効果を有する。
果に加えて入力の重み付けを可変にできるという効果を
有する。第３の発明を用いれば前記第１の発明の効果に
加えて複数のニューロン素子を非同期に動作させること
ができるため、ネットワーク化に際して有利であるとい
う効果を有する。第４の発明を用いれば前記第１の発明
の効果に加えて入力電流の超伝導閉ループ循環電流への
変換効率をあげることができ、さらに回路構成がより簡
単になるという効果を有する。第５の発明を用いれば前
記第１の発明の効果に加えてより安定な動作が期待でき
設計が容易になると言う効果を有する。
【図１】本発明の第１の実施例を説明するための回路図
である。
である。
【図２】本発明の第２の実施例を説明するための回路図
である。
である。
【図３】本発明の第３の実施例を説明するための回路図
である。
である。
【図４】第３の実施例に用いるダウンエッジトリガ回路
の具体例を説明するための図であり（ａ）は回路図、（
ｂ）はしきい値特性図である。
の具体例を説明するための図であり（ａ）は回路図、（
ｂ）はしきい値特性図である。
【図５】本発明の第４の実施例を説明するための回路図
である。
である。
【図６】本発明の第５の実施例を説明するための回路図
である。
である。
【図７】従来のジョセフソン線路を用いたニューロン素
子の基本素子構造を示した図である。
子の基本素子構造を示した図である。
１１ 入力線
１２ 超伝導閉ループ
１３ バイアス入力端
１４ ジョセフソン素子
１５ スイッチングエレメント
１６ 出力線
１７ リセットゲート
１８ リセット信号線
２１ 他ニューロン素子の出力線
２２ 入力ゲート
２３ 入力電流供給端
３１ ダウンエッジトリガ回路
３２ 直流制御線
３３ ２接合量子干渉計
３４〜３６ 動作点
５１ 出力ゲート
６１ リセット抵抗
１０１ ジョセフソン線路Ａ
１０２ ジョセフソン線路Ｂ
１０３ ジョセフソン線路Ｃ
１０４ ジョセフソン線路Ｄ
１０５ 磁束量子停止部
１０６ 入力端
１０７ 出力端
１０８ 興奮性制御入力端
１０９ 抑圧性制御入力端
１１１ 下部電極
１１２ トンネルバリア
１１３ 上部電極
１１４ インダクタンス
１１５ 抵抗
Claims (5)
- 【請求項１】 ジョセフソン素子を用いたスイッチン
グエレメントと超伝導閉ループと他のニューロン素子と
磁気的に結合された出力線を含み、前記超伝導閉ループ
と一個または複数個の入力線が磁気的に結合しその結合
のインダクタンス値を制御することにより入力の重み付
けが行われかつ前期入力線を流れる電流の向きにより重
みの正負の符号が決定され、前記スイッチングエレメン
トと前記出力線がバイアス入力端に対して並列に接続さ
れ、前記超伝導閉ループと前記スイッチングエレメント
のスイッチが磁気的に結合されていることを特徴とする
超伝導ニューロン素子。 - 【請求項２】 ジョセフソン素子を用いたスイッチン
グエレメントと超伝導閉ループと他のニューロン素子と
磁気的に結合された出力線を含み、前記超伝導閉ループ
と一個または複数個の入力線が磁気的に結合し前記入力
線に流れる電流値を制御することにより入力の重み付け
が行われかつ前期入力線を流れる電流の向きにより重み
の正負の符号が決定され、前記スイッチングエレメント
と前記出力線がバイアス入力端に対して並列に接続され
、前記超伝導閉ループに流れる循環電流が一定のしきい
値以上になると前記スイッチングエレメントがスイッチ
することを特徴とする超伝導ニューロン素子。 - 【請求項３】 ジョセフソン素子を用いたスイッチン
グエレメントと超伝導閉ループと他のニューロン素子と
磁気的に結合した超伝導体からなる出力線を含み、前記
超伝導閉ループと一個または複数個の入力線が磁気的に
結合され、前記超伝導閉ループに流れる循環電流が一定
のしきい値以上になると前記スイッチングエレメントが
スイッチし、前記スイッチングエレメントが直流バイア
スで駆動され、前記スイッチングエレメントと前記出力
線が前記バイアス入力端に対して並列に接続され、前記
出力線中に前記超伝導閉ループに流れる循環電流がある
しきい値以下になるとスイッチするダウンエッジトリガ
回路が含まれることを特徴とする超伝導ニューロン素子
。 - 【請求項４】 ジョセフソン素子を用いたスイッチン
グエレメントと超伝導閉ループと他のニューロン素子と
磁気的に結合された出力線を含み、前記超伝導閉ループ
と一個または複数個の入力線が磁気的に結合され、前記
スイッチングエレメントと前記出力線がバイアス入力端
に対して並列に接続され、前記前記スイッチングエレメ
ントが前記超伝導閉ループの中に含まれることを特徴と
する超伝導ニューロン素子。 - 【請求項５】 ジョセフソン素子を用いたスイッチン
グエレエントと超伝導閉ループと他のニューロン素子と
磁気的に結合した出力線を含み、前記超伝導閉ループと
一個または複数個の入力線が磁気的に結合され、前記超
伝導閉ループに流れる循環電流が一定のしきい値以上に
なると前記スイッチングエレメントがスイッチし、前記
スイッチングエレメントと前記出力線が前記バイアス入
力端に対して並列に接続され、前記出力線中に抵抗成分
を含むことを特徴とする超伝導ニューロン素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3024224A JP2694778B2 (ja) | 1991-02-19 | 1991-02-19 | 超伝導ニューロン素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3024224A JP2694778B2 (ja) | 1991-02-19 | 1991-02-19 | 超伝導ニューロン素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04263379A true JPH04263379A (ja) | 1992-09-18 |
| JP2694778B2 JP2694778B2 (ja) | 1997-12-24 |
Family
ID=12132305
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3024224A Expired - Lifetime JP2694778B2 (ja) | 1991-02-19 | 1991-02-19 | 超伝導ニューロン素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2694778B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5343081A (en) * | 1991-08-23 | 1994-08-30 | Nec Corporation | Synapse circuit which utilizes ballistic electron beams in two-dimensional electron gas |
| JP2021530897A (ja) * | 2018-06-28 | 2021-11-11 | トブ エコノミ ヴェ テクノロジ ユニバーシテシ | ニューロン回路 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11556769B2 (en) * | 2019-04-29 | 2023-01-17 | Massachusetts Institute Of Technology | Superconducting parametric amplifier neural network |
-
1991
- 1991-02-19 JP JP3024224A patent/JP2694778B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5343081A (en) * | 1991-08-23 | 1994-08-30 | Nec Corporation | Synapse circuit which utilizes ballistic electron beams in two-dimensional electron gas |
| JP2021530897A (ja) * | 2018-06-28 | 2021-11-11 | トブ エコノミ ヴェ テクノロジ ユニバーシテシ | ニューロン回路 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2694778B2 (ja) | 1997-12-24 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
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