KR101918102B1 - Leaky integrate-and-fire neuron circuit based on floating-gate integrator and neuromorphic system including the same, method for controlling the neuron circuit - Google Patents

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Abstract

플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력소모 인공뉴런 회로는, 플로팅 게이트를 공유하는 제1 터널접합소자 및 제2 터널접합소자를 포함하며, 전하 이완현상을 이용하여 상기 플로팅 게이트의 전하를 조절하는 플로팅 게이트(floating-gate, FG) 적분기; 트랜지스터의 게이트 전압을 조절하여, 상기 플로팅 게이트 적분기로부터 출력되는 플로팅 게이트 전압을 증폭시키는 전압 증폭기; 상기 전압 증폭기의 출력 전압을 다시 증폭하여 스파이크(spike) 전압을 생성하는 전압 출력부; 및 상기 스파이크 전압이 게이트에 인가되어 상기 스파이크 전압의 극성을 반전시키며, 상기 제2 터널접합소자에 인가되어 상기 플로팅 게이트의 전하를 리셋시키는 극성 반전기를 포함한다. 이에 따라, 제어가 용이하고, 집적도가 우수한 인공뉴런 소자 제작이 가능하다.A highly integrated, low power consumption artificial neuron circuit using a floating gate integrator comprises a first tunnel junction element sharing a floating gate and a second tunnel junction element, the floating gate integrating a floating gate floating-gate, FG) integrator; A voltage amplifier for adjusting the gate voltage of the transistor to amplify the floating gate voltage output from the floating gate integrator; A voltage output unit for amplifying the output voltage of the voltage amplifier again to generate a spike voltage; And a polarity reverser for applying the spike voltage to the gate to invert the polarity of the spike voltage and to apply charge to the second tunnel junction element to reset the charge of the floating gate. Thus, it is possible to manufacture an artificial neuron element which is easy to control and has a high degree of integration.

Description

플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로 및 이를 포함하는 뉴로모르픽 시스템, 이의 제어 방법{LEAKY INTEGRATE-AND-FIRE NEURON CIRCUIT BASED ON FLOATING-GATE INTEGRATOR AND NEUROMORPHIC SYSTEM INCLUDING THE SAME, METHOD FOR CONTROLLING THE NEURON CIRCUIT}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a highly integrated low power consumption artificial neuron circuit using a floating gate integrator, a neuromorphic system including the same, a control method thereof, and a control method thereof. BACKGROUND ART CIRCUIT}

본 발명은 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로 및 뉴로모르픽 시스템, 이의 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인공 신경망 체계로 구성된 뉴로모르픽 체계 내 인공뉴런들 간의 신호전달의 언어인 활동 전위를 생성하는 역할을 하는 인공뉴런 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a highly integrated low power consumption artificial neuron circuit and a neuromorphic system using a floating gate integrator and a control method thereof and more particularly to a neuron morphic system using a floating gate integrator which is a language for signal transmission between artificial neurons in a neuro- To an artificial neuron element serving to generate an action potential.

뇌에는 수천억 개의 신경 세포(즉, 뉴런(neuron))가 존재하며, 서로 복잡한 신경망으로 구성되어 있다. 뉴런은 수천 개의 다른 뉴런과 신호를 주고 받는 시냅스(synapse)를 통해 학습, 기억 등 지적 능력을 발휘한다. 뉴런은 신경계의 구조적, 기능적 단위이며 정보 전달의 기본 단위이다. There are hundreds of billions of neurons (ie, neurons) in the brain, and they are composed of complex neural networks. Neurons exert their intellectual abilities such as learning and memory through synapses that send and receive signals with thousands of other neurons. Neurons are the structural and functional unit of the nervous system and the basic unit of information transmission.

시냅스는 뉴런 사이의 접합부를 가리키며 어느 하나의 뉴런의 축색 돌기와 다른 뉴런의 수상 돌기가 연결된 부위를 말한다. 다시 말해, 한 개의 뉴런은 수천 개의 다른 뉴런과 시냅스로 이루어져 있다. 생물 신경 시스템을 모사한 인공 신경계를 뉴런 수준에서 제작함으로써, 두뇌가 처리하는 정보처리 방식을 모사하거나, 새로운 형태의 정보처리 및 저장 기기를 저장할 수 있는 방식을 만들 수 있다.Synapse refers to the junction between neurons and refers to the site where the axons of one neuron are connected to the dendrites of other neurons. In other words, a neuron is made up of synapses with thousands of other neurons. By creating neurons at the level of the neurons that mimic biological neuronal systems, you can create a way to simulate the brain's processing of information and store new types of information processing and storage devices.

뉴로모픽 시스템은 생체 신경계의 동작을 모방한 반도체 회로로서 불특정한 환경에 스스로 적응할 수 있는 지능화된 시스템을 구현하는 데에 활용될 수 있다. The Nyomoplite system is a semiconductor circuit that imitates the action of the nervous system and can be used to implement an intelligent system that can adapt itself to an unspecified environment.

그런데, 종래 인공뉴런 소자의 스파이킹 동작 주파수는 축전지의 정전용량에 의해 주로 결정된다. 실제 뉴런과 유사한 인공뉴런 소자의 주파수를 구현하기 위해 수십 피코패럿에 이르는 거대한 정전용량이 필요하다. 또한, 필요한 정전용량 확보를 위해 면적이 매우 넓은 축전기가 필요하므로, 단위 인공뉴런 소자의 집적화에 어려움이 존재한다.However, the spiking operation frequency of the conventional artificial neuron device is mainly determined by the capacitance of the battery. To realize the frequency of an artificial neuron device similar to an actual neuron, a huge capacitance of tens of picofarads is required. In addition, since a capacitor having a very large area is required to secure the required capacitance, there is a difficulty in integrating the unit artificial neuron elements.

KR 10-2014-0144130 AKR 10-2014-0144130A KR 10-2016-0010477 AKR 10-2016-0010477 A US 2016-0110644 AUS 2016-0110644A

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 집적도가 우수한 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로를 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a highly integrated low power consumption artificial neuron circuit using a floating gate integrator having a high degree of integration.

본 발명의 다른 목적은 상기 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로를 포함하는 뉴로모르픽 시스템을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a neuromorphic system comprising a highly integrated low power consumption artificial neuron circuit using the floating gate integrator.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로의 제어 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a method of controlling a highly integrated low power consumption artificial neuron circuit using the floating gate integrator.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로는, 플로팅 게이트를 공유하는 제1 터널접합소자 및 제2 터널접합소자를 포함하며, 전하 이완현상을 이용하여 상기 플로팅 게이트의 전하를 조절하는 플로팅 게이트(floating-gate, FG) 적분기; 트랜지스터의 게이트 전압을 조절하여, 상기 플로팅 게이트 적분기로부터 출력되는 플로팅 게이트 전압을 증폭시키는 전압 증폭기; 상기 전압 증폭기의 출력 전압을 다시 증폭하여 스파이크(spike) 전압을 생성하는 전압 출력부; 및 상기 스파이크 전압이 게이트에 인가되어 상기 스파이크 전압의 극성을 반전시키며, 상기 제2 터널접합소자에 인가되어 상기 플로팅 게이트의 전하를 리셋시키는 극성 반전기를 포함한다.A highly integrated low power consumption artificial neuron circuit using a floating gate integrator according to one embodiment for realizing the object of the present invention includes a first tunnel junction element sharing a floating gate and a second tunnel junction element, A floating-gate (FG) integrator that adjusts the charge of the floating gate using a phenomenon; A voltage amplifier for adjusting the gate voltage of the transistor to amplify the floating gate voltage output from the floating gate integrator; A voltage output unit for amplifying the output voltage of the voltage amplifier again to generate a spike voltage; And a polarity reverser for applying the spike voltage to the gate to invert the polarity of the spike voltage and to apply charge to the second tunnel junction element to reset the charge of the floating gate.

본 발명의 실시예에서, 상기 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로는, 상기 제1 터널접합소자 및 상기 제2 터널접합소자의 터널링 현상을 이용하여, 상기 플로팅 게이트에 전하를 주입할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the highly integrated low power consumption artificial neuron circuit using the floating gate integrator can inject charge into the floating gate using the tunneling phenomenon of the first tunnel junction element and the second tunnel junction element have.

본 발명의 실시예에서, 상기 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로는, 상기 제1 터널접합소자의 터널링 장벽의 두께를 제어하여, 상기 플로팅 게이트의 전하 이완 시간을 조절할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the highly integrated low power consumption artificial neuron circuit using the floating gate integrator can control the thickness of the tunneling barrier of the first tunnel junction element to control the charge relaxation time of the floating gate.

본 발명의 실시예에서, 상기 제1 터널접합소자의 터널링 장벽의 두께가 두꺼워질수록, 상기 플로팅 게이트의 전하가 이완되는 시간이 줄어들 수 있다.In an embodiment of the present invention, the thicker the tunneling barrier of the first tunnel junction element, the less time the charge of the floating gate is relaxed.

본 발명의 실시예에서, 상기 플로팅 게이트 적분기는, 상기 플로팅 게이트 전극을 게이트 전극으로 사용하며, 채널 전기전도도를 제어하여 상기 전압 증폭기의 게이트의 입력 전압을 제어하는 트랜지스터를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the floating gate integrator may include a transistor that uses the floating gate electrode as a gate electrode, and controls a channel electrical conductivity to control an input voltage of a gate of the voltage amplifier.

본 발명의 실시예에서, 상기 전압 출력부로부터 출력되는 스파이크 전압은 100 Hz 미만의 활동 전위(action potential)를 가질 수 있다.In an embodiment of the present invention, the spike voltage output from the voltage output may have an action potential of less than 100 Hz.

본 발명의 실시예에서, 상기 전압 출력부는 포지티브 피드백(positive feedback) 캐패시터(Capacitor)를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the voltage output unit may include a positive feedback capacitor.

상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 뉴로모르픽 시스템은, 상기 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로들이 다수 개 연결되어 형성된다.The neuromorphic system according to an embodiment of the present invention for realizing another object of the present invention is formed by connecting a plurality of highly integrated low power consumption artificial neuron circuits using the floating gate integrator.

본 발명의 실시예에서, 상기 인공뉴런 회로들의 입력 전압은 동시에 입력될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the input voltages of the artificial neuron circuits may be input simultaneously.

본 발명의 실시예에서, 상기 인공뉴런 회로들의 입력 전압은 각각 임의로 입력될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the input voltages of the artificial neuron circuits may each be input arbitrarily.

상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 플로팅 게이트를 공유하는 제1 터널접합소자 및 제2 터널접합소자를 포함하는 플로팅 게이트(floating-gate, FG) 적분기; 상기 플로팅 게이트 적분기로부터 출력되는 플로팅 게이트 전압을 증폭시키는 전압 증폭기; 상기 전압 증폭기의 출력 전압을 다시 증폭하여 스파이크(spike) 전압을 생성하는 전압 출력부; 및 상기 스파이크 전압이 게이트에 인가되어 상기 스파이크 전압의 극성을 반전시키며, 상기 제2 터널접합소자에 인가되어 상기 플로팅 게이트의 전하를 리셋시키는 극성 반전기를 포함하는, 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로의 제어 방법은, 상기 제1 터널접합소자 및 상기 제2 터널접합소자의 터널링 현상을 이용하여, 상기 플로팅 게이트에 전하를 주입하는 단계; 상기 제1 터널접합소자의 전하 이완현상을 이용하여 상기 플로팅 게이트의 전하를 조절하는 단계; 및 상기 제1 터널접합소자의 터널링 장벽의 두께를 제어하여, 상기 플로팅 게이트의 전하 이완 시간을 조절하는 단계를 포함한다.A floating-gate (FG) integrator including a first tunnel junction element and a second tunnel junction element sharing a floating gate according to an embodiment of the present invention; A voltage amplifier for amplifying the floating gate voltage output from the floating gate integrator; A voltage output unit for amplifying the output voltage of the voltage amplifier again to generate a spike voltage; And a polarity reverser applied to the gate to reverse the polarity of the spike voltage and applied to the second tunnel junction element to reset the charge of the floating gate, wherein the floating gate integrator is a highly integrated low- A method of controlling a neuron circuit includes injecting a charge into the floating gate using a tunneling phenomenon of the first tunnel junction element and the second tunnel junction element; Adjusting a charge of the floating gate using a charge relaxation phenomenon of the first tunnel junction element; And controlling the thickness of the tunneling barrier of the first tunnel junction element to adjust the charge relaxation time of the floating gate.

본 발명의 실시예에서, 상기 제1 터널접합소자의 터널링 장벽의 두께가 두꺼워질수록, 상기 플로팅 게이트의 전하가 이완되는 시간이 줄어들 수 있다.In an embodiment of the present invention, the thicker the tunneling barrier of the first tunnel junction element, the less time the charge of the floating gate is relaxed.

본 발명의 실시예에서, 상기 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로의 제어 방법은, 상기 전압 증폭기가 포함하는 트랜지스터의 게이트 전압을 조절하여, 전압 진폭의 특성을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the control method of the highly integrated low power consumption artificial neuron circuit using the floating gate integrator further includes controlling the gate voltage of the transistor included in the voltage amplifier to control the characteristic of the voltage amplitude .

본 발명의 실시예에서, 상기 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로의 제어 방법에서, 상기 플로팅 게이트 적분기는 상기 플로팅 게이트 전극을 게이트 전극으로 사용하는 트랜지스터를 더 포함하며, 상기 트랜지스터의 채널 전기전도도를 제어하여 상기 전압 증폭기의 게이트의 입력 전압을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, in the method of controlling a highly integrated low power consumption artificial neuron circuit using the floating gate integrator, the floating gate integrator further comprises a transistor using the floating gate electrode as a gate electrode, And controlling the input voltage of the gate of the voltage amplifier by controlling the conductivity.

본 발명의 실시예에서, 상기 전압 출력부로부터 출력되는 스파이크 전압은 100 Hz 미만의 활동 전위(action potential)를 가질 수 있다.In an embodiment of the present invention, the spike voltage output from the voltage output may have an action potential of less than 100 Hz.

본 발명의 실시예에서, 상기 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로의 제어 방법에서, 상기 전압 출력부는 캐패시터(Capacitor)를 포함하여 포지티브 피드백(positive feedback)하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, in the method of controlling a highly integrated low power consumption artificial neuron circuit using the floating gate integrator, the voltage output unit may further include positive feedback including a capacitor.

이와 같은 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력소모 인공뉴런 회로에 따르면, 종래의 인공뉴런 소자 활동도 범위 설정을 위해 사용되던 축전지와 달리 적분기의 신호 이완시간과 적분기의 면적 사이 큰 상관관계가 없으므로 집적도가 우수한 인공뉴런 소자 제작이 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 인공뉴런 회로는 플로팅 게이트로 전하주입 동작 전압이 낮으므로, 기존 플래쉬 메모리와 달리 매우 높은 신뢰성을 확보할 수 있다. According to the highly integrated low power consumption artificial neuron circuit using the floating gate integrator, there is no significant correlation between the signal relaxation time of the integrator and the area of the integrator, unlike the battery used for setting the range of the conventional artificial neuron device activity range. It is possible to fabricate an artificial neuron device. In addition, since the artificial neuron circuit according to the present invention has a low charge injection operating voltage due to the floating gate, unlike conventional flash memories, very high reliability can be secured.

나아가, 본 발명에 따른 인공뉴런 회로에서 플로팅 게이트 전하 제어는 별도의 터널접합소자를 이용하여 구현되므로, 실제 신경망에서 이루어지는 공간 적분기능 구현을 위해 다수의 전하제어 터널접합소자를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 인공뉴런 회로에서는 2단계의 전압증폭을 통해 입력신호를 증폭하며, 증폭전압 극성 반전기를 이용하여 전하가 기록된 플로팅 게이트를 지울 수 있다.In addition, since the floating gate charge control in the artificial neuron circuit according to the present invention is implemented using a separate tunnel junction element, it is possible to include a plurality of charge control tunnel junction elements for realizing a spatial integration function in a real neural network. Further, in the artificial neuron circuit according to the present invention, the input signal is amplified through two-stage voltage amplification, and the floating gate on which the charge is recorded can be erased using the amplified voltage polarity reverser.

본 발명에 따른 인공뉴런 회로는 플로팅 게이트의 전하 이완시간은 전하제어용 터널접합소자의 터널링 장벽의 두께 및 에너지 장벽의 높이를 이용해 제어하므로, 플로팅 게이트의 면적이 전하 이완시간에 큰 영향을 미치지 않는다. 따라서, 높은 집적도의 인공뉴런 소자 회로제작이 가능하다.The artificial neuron circuit according to the present invention controls the charge relaxation time of the floating gate by using the thickness of the tunneling barrier and the height of the energy barrier of the charge control tunnel junction element so that the area of the floating gate does not greatly affect the charge relaxation time. Therefore, it is possible to fabricate an artificial neuron element circuit with a high degree of integration.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로이다.
도 2(a)는 본 발명에 따른 플로팅 게이트 적분기의 등가회로이고, 도 2(b)는 터널접합소자의 터널 장벽의 두께에 따른 전하 이완 시간을 보여주는 그래프이다.
도 3(a) 및 도 3(b)는 도 1의 극성 반전기의 특성을 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 인공뉴런 회로에 DC 전압이 입력된 경우 출력 특성을 보여주기 위한 그래프들이다.
도 5는 본 발명에 따른 인공뉴런 회로에 스파이킹 전압이 입력된 경우 출력 특성을 보여주기 위한 그래프들이다.
도 6은 본 발명에 따른 인공뉴런 회로의 파라미터에 따른 회로 특성을 보여주기 위한 그래프들이다.
도 7은 본 발명에 따른 인공뉴런 회로의 전력 소모를 보여주기 위한 그래프이다.
FIG. 1 is a highly integrated low power consumption artificial neuron circuit using a floating gate integrator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 (a) is an equivalent circuit of the floating gate integrator according to the present invention, and FIG. 2 (b) is a graph showing the charge relaxation time according to the thickness of the tunnel barrier of the tunnel junction element.
3 (a) and 3 (b) are graphs showing the characteristics of the polarity reversal of FIG.
4 is a graph illustrating output characteristics when a DC voltage is input to the artificial neuron circuit according to the present invention.
FIG. 5 is a graph illustrating an output characteristic when a spiking voltage is input to the artificial neuron circuit according to the present invention.
6 is a graph showing circuit characteristics according to parameters of the artificial neuron circuit according to the present invention.
7 is a graph showing power consumption of the artificial neuron circuit according to the present invention.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.The following detailed description of the invention refers to the accompanying drawings, which illustrate, by way of illustration, specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different, but need not be mutually exclusive. For example, certain features, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in connection with an embodiment. It is also to be understood that the position or arrangement of the individual components within each disclosed embodiment may be varied without departing from the spirit and scope of the invention. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is to be limited only by the appended claims, along with the full scope of equivalents to which such claims are entitled, if properly explained. In the drawings, like reference numerals refer to the same or similar functions throughout the several views.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로이다.FIG. 1 is a highly integrated low power consumption artificial neuron circuit using a floating gate integrator according to an embodiment of the present invention.

종래에 제안된 신호 적분을 위한 기술은 축전기와 저항(RC)의 딜레이 시간을 이용하여 활동 전위 간의 시간간격을 제어한다. 이 경우, 수십 피코패럿(pF)의 높은 정전용량이 요구되므로, 단위 인공뉴런 소자의 크기가 매우 크며, 다수의 연결을 가지는 인공뉴런 소자 구현을 위해서는 더욱 큰 정전용량이 요구되므로 집적화에 어려움이 있었다.The conventionally proposed technique for signal integration uses the delay time of the capacitor and resistor (RC) to control the time interval between action potentials. In this case, since a high capacitance of several tens of picofarads (pF) is required, the size of the unit artificial neuron element is very large and it is difficult to integrate the artificial neuron element because a larger electrostatic capacity is required for realizing an artificial neuron element having many connections .

본 발명에 따른 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로(10, 이하 인공뉴런 회로)는, 플로팅 게이트(floating-gate, 이하 FG) 적분기를 적용하므로, 적분기의 신호 이완 시간과 적분기의 면적 사이에 상관관계가 없게 된다. 이에 따라, 집적도가 우수한 인공뉴런 소자 제작이 가능하고, FG로 전하주입 동작 전압이 낮으므로 기존 플래쉬 메모리와 달리 매우 높은 신뢰성을 확보할 수 있다.Since the highly integrated low power consumption artificial neuron circuit 10 (hereinafter, artificial neuron circuit) using the floating gate integrator according to the present invention applies a floating-gate (hereinafter referred to as FG) integrator, the signal relaxation time of the integrator As shown in FIG. As a result, it is possible to fabricate an artificial neuron element having a high degree of integration, and since the charge injection operation voltage is low by FG, unlike the conventional flash memory, very high reliability can be secured.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 인공뉴런 회로(10)는 FG 적분기(100), 전압 증폭기(300), 전압 출력부(500) 및 극성 반전기(700)를 포함한다.1, an artificial neuron circuit 10 according to the present invention includes an FG integrator 100, a voltage amplifier 300, a voltage output unit 500, and a polarity inverter 700.

상기 인공뉴런 회로(10)는 12 개의 MOSFET(M2-M13)과 단일 FG 트랜지스터(M1+CFG) 및 커패시터(C1)로 구성된다. FG 트랜지스터는 양자 역학적 터널링(quantum mechanical tunneling)을 통해 FG에서 전하를 프로그래밍하기 위해 분리된 단자들(MT1 및 MT2)(터널접합소자)를 갖는다. 이러한 FG 트랜지스터는 시냅스 트랜지스터라고도 불린다.The artificial neuron circuit 10 is composed of twelve MOSFETs M2-M13, a single FG transistor M 1 + C FG and a capacitor C 1 . The FG transistor has separate terminals MT1 and MT2 (tunnel junction elements) for programming the charge in the FG through quantum mechanical tunneling. These FG transistors are also referred to as synaptic transistors.

상기 FG 트랜지스터에서, MT1과 MT2의 추가 단자는 FG 트랜지스터 M1에서 상대적으로 두꺼운 게이트 산화물 층(예를 들어, 2.5 nm)을 사용하면 MT1과 MT2의 터널 장벽을 통한 양자 역학적 터널링을 통해 FG의 전하를 제어할 수 있다. In the FG transistor, the additional terminal of MT1 and MT2, using a relatively thick gate oxide layer (e.g., 2.5 nm) in the FG transistor M1, provides the charge of FG through quantum mechanical tunneling through MT1 and MT2 tunnel barriers Can be controlled.

이를 통한 전하 이동, 다시 말해 FG 전하는 시냅스 트랜지스터를 따라 전극-장벽-FG-장벽-전극의 수직 터널 접합에서 제어된다. 회로 시뮬레이터에서, 터널 접합은 도 1과 같이 MOSFET의 소스, 드레인 및 바디 단자를 단락시킴으로써 구현될 수 있다. 또한, 시냅스 전(Presynaptic) 전류는 단락된 단자에 입사하며, 회로에서 사용되는 모든 유전체는 SiO2일 수 있다.Charge transfer therethrough, in other words FG charge, is controlled along the synapse transistor at the vertical tunnel junction of the electrode-barrier-FG-barrier-electrode. In the circuit simulator, the tunnel junction can be realized by shorting the source, drain and body terminals of the MOSFET as shown in Fig. Presynaptic currents also enter the shorted terminal, and all the dielectrics used in the circuit can be SiO 2 .

구체적으로, 상기 FG 적분기(100)는 터널접합소자에서 발생하는 시냅스 전 전류에 의해 FG에 전하가 주입되고 일시적으로 트랩된다. FG 전위(VFG)는 결과적으로 M1의 채널 컨덕턴스를 변화시킨다. 따라서, FG 전위(VFG)는 회로 집적을 매개 변수화한다. Specifically, the FG integrator 100 injects electric charge into the FG by the synapse current generated in the tunnel junction element, and is temporarily trapped. The FG potential (V FG ) consequently changes the channel conductance of M1. Thus, the FG potential (V FG ) parameterizes circuit integration.

주입된 전하는 시냅스 전 전류 주입 중에 시간이 지남에 따라 동시에 쇠퇴하여(decay), 인공 뉴런 신경 세포에서 거동의 기초를 이루는 누설적 적분을 의미한다. FG 전하의 이완 시간은 주로 터널 장벽의 두께(dtun _ox)와 면적 및 CFG의 커패시턴스에 의해 결정된다. The implanted charge decays simultaneously over time during synaptic current injection, which implies a leaky integral that underlies the behavior in artificial neuron neurons. Relaxation time of the FG charge is mainly determined by the capacitance, the thickness (d tun _ox) and of the area C and FG of the tunnel barrier.

M1의 두꺼운 게이트 산화물은 관심 있는 시간대의 전하 배출에 거의 개입하지 않는다. 비 휘발성 메모리 소자인 FG 트랜지스터와는 달리, 본 발명에서의 접근 방식은 충전/방전 역학의 능동적인 사용을 목표로 한다. The thick gate oxide of M1 scarcely interferes with the charge discharge at the time of interest. Unlike FG transistors, which are nonvolatile memory devices, the approach of the present invention aims at active use of charge / discharge dynamics.

따라서, 대략 수 초(sec)의 전하 유지 시간이 요구된다. 따라서, 회로 설계 및 프로그래밍 전압은 개조가 필요하다. 이 작업에서 FG 적분기의 여러 장치 매개 변수가 표 1에 나열되어 있다. 본 발명의 일 실시예에서 아래 표 1의 매개 변수를 회로 시뮬레이션에 사용하였다.Therefore, a charge holding time of about several seconds (sec) is required. Therefore, the circuit design and programming voltages need to be modified. The various device parameters of the FG integrator in this work are listed in Table 1. In one embodiment of the present invention, the parameters in Table 1 below were used for circuit simulation.

V dd + (V) V dd + (V) V dd - (V) V dd - (V) V g1 (V) V g1 (V) V g2 (V) V g2 (V) CFG (fF)C FG (f F) C1 (fF)C1 (fF) 0.5 0.5 -0.5-0.5 0.70.7 0.650.65 66 0.150.15

시냅스 트랜지스터는 다른 시냅스들을 통한 시냅스 전류의 동시적 적분을 나타내는 공간 적분을 가능하게 하는 다중 입력 터널 접합을 사용하는 이점이 있다.Synaptic transistors have the advantage of using multiple input tunnel junctions to enable spatial integration, which represents the simultaneous integration of synaptic currents through other synapses.

도 2(a)는 n 개의 동일한 입력 단자(MT11-MT1n)가 있는 FG 적분기를 보여준다. n=10의 경우, 0s에서 단일 단자의 입력 스파이크(incident spike)에 대한 시변 VFG가 시뮬레이션되었고, 다른 9 개의 단자들은 접지되었다. 비교를 위해, 동일한 시뮬레이션을 n=1에 대해 수행하였다. 입력 스파이크 진폭(Vin)과 폭(tsp)은 각각 0.5V와 10μs이다. 2 (a) shows an FG integrator with n identical input terminals MT1 1- MT1 n . For n = 10, the time-varying V FG for a single-terminal input spike at 0 s was simulated, and the other nine terminals were grounded. For comparison, the same simulation was performed for n = 1. The input spike amplitude (V in ) and width (t sp ) are 0.5 V and 10 μs, respectively.

도 2(b)는 n 및 dtun _ox에 의존하는 상이한 시간 상수, 즉 이완 시간을 가지며 감소하는 VFG를 나타내는 시뮬레이션 결과이다. 이완 시간은 VFG가 초기 VFG의 1/e에 도달하는데 필요한 시간으로 정의된다. 입력 단자의 수가 많을수록 각 단자는 전하 누설 경로로 작동하기 때문에 이완 시간이 짧아진다. Figure 2 (b) is a simulation result showing a V FG decreased have different time constants, that is, the relaxation time that depends on n and d _ox tun. Relaxation time is defined as the time required for V FG reaches 1 / e of the initial V FG. The larger the number of input terminals, the shorter the relaxation time because each terminal operates as a charge leakage path.

특히, n=1에 대한 이완시간 2.7s는 n=10에 대해 0.3s로 상당히 감소된다. 도 2(b)를 참조하면, 이러한 감소에 대한 해결 방법은 보다 긴 완화 시간을 제공하는 더 두꺼운 터널 장벽을 이용하는 것이다. In particular, the relaxation time 2.7 s for n = 1 is significantly reduced to 0.3 s for n = 10. Referring to Figure 2 (b), the solution to this reduction is to use a thicker tunnel barrier that provides a longer relaxation time.

하지만, 두꺼운 터널 장벽을 사용하면 스파이크가 도착할 때 전하 주입이 어려워지므로, 충분히 큰 초기 VFG의 확보에 어려움이 있다. 따라서, 전하 주입 속도론(charge injection kinetics)과 전하 완화(방출) 동역학을 조화시키는 터널 장벽 두께를 필요에 따라 선택할 수 있다.However, when a thick tunnel barrier is used, charge injection becomes difficult when a spike arrives, so that it is difficult to secure a sufficiently large initial V FG . Thus, the tunnel barrier thickness that matches the charge injection kinetics and charge relaxation (emission) kinetics can be selected as needed.

상기 전압 증폭기(300)는 비 반전 공통 소스 증폭기로서, MOSFET(M2-M5)을 포함하고, p-MOSFET 부하를 갖는 두 개의 반전 공통 소스단의 신호 증폭기(Amp1)를 형성한다. Amp1(Vamp_in)의 입력은 M1 채널의 전압 강하에 의해 제어되며, 이는 VFG에 의해 결정된다. 즉, VFG는 Amp1의 출력을 결정한다. The voltage amplifier 300 is a non-inverting common source amplifier, which includes MOSFETs M2-M5 and forms two inverting common source signal amplifiers Amp1 with a p-MOSFET load. The input of Amp1 (V amp_in ) is controlled by the voltage drop of the M1 channel, which is determined by V FG . That is, V FG determines the output of Amp1.

상기 전압 증폭기(300)의 출력은 전압 출력부(500), 즉 다음 앰프(Amp2)로 전달된다. Amp1의 각 스테이지의 전압 전달 특성(VTC)은 일정한 게이트 전압(Vg1 및 Vg2)에 의해 제어된다. 일정한 게이트 전압(Vg1 및 Vg2)은 출력 스파이크의 폭 및 스파이크 임계값을 설계할 때 중요한 요인이다.The output of the voltage amplifier 300 is transmitted to the voltage output unit 500, that is, the next amplifier Amp2. The voltage transfer characteristic VTC of each stage of Amp1 is controlled by the constant gate voltages Vg1 and Vg2 . Constant gate voltages (V g1 and V g2 ) are important factors in designing the width and spike threshold of the output spike.

Amp1(Vamp_out)에서 출력되는 신호는 Amp2로 들어가며, Vamp_out이 Amp2의 VTC에서 전환 영역을 초과하면 출력 단자(Vout)에서 직접 스파이크를 유도한다. 전환 영역은 두 개의 동일한 인버터(M6-M7 및 M8-M9)로 결정된다. Vout=Vamp_ out인 중간 전압은 스파이크를 위한 Amp2의 임계 전압으로 간주된다. The signals output from Amp1 (V amp_out) enters into Amp2, V amp_out this exceeds the transition area from the VTC of Amp2 induces direct spike at the output terminal (V out). The switching region is determined by two identical inverters (M6-M7 and M8-M9). The intermediate voltage V out = V out amp_ is considered to be a threshold voltage of Amp2 for spikes.

커패시터 C1은 Amp2에 대한 입력에 대해 포지티브 피드백(positive feedback)을 실현하므로, 상기 FG 적분기(100)를 리셋할 때까지 출력을 계속 높게 유지할 수 있다. 리셋은 극성 반전기(700)에 의해 달성되는 네거티브 피드백(negative feedback)에 의한 Vout에서의 스파이크 발생 이후 빠르게 연속적으로 발생한다.Capacitor C1 realizes positive feedback to the input to Amp2, so that the output can be kept high until resetting the FG integrator 100. [ The reset occurs rapidly and continuously after the spike at V out by the negative feedback achieved by the polarity inverter 700.

상기 FG 적분기(100)는 단일 스파이크를 완료하기 위해 리셋이 필요하다. 리셋은 전기장을 사용하여 FG의 전하를 비우는 것과 같다. 단자(MT2)에 음의 전압을 인가하면, 이전에 주입된 전하가 사라지게 된다. 따라서, 상기 인공뉴런 회로(10)는 Vout을 반전시키고, 이를 FG 적분기(100)에 중계하는 서브 회로가 필요하다. The FG integrator 100 needs a reset to complete a single spike. The reset is equivalent to using the electric field to clear the charge on the FG. When a negative voltage is applied to the terminal MT2, the previously injected charge disappears. Therefore, the artificial neuron circuit 10 needs a sub circuit that inverts V out and relays it to the FG integrator 100.

상기 극성 반전기(700)는 음의 Vdd(Vdd-)와 함께 Vout의 극성을 반전시켜 Vinv에서 음의 출력을 얻는다. 상기 극성 반전기(700)의 자세한 회로는 도 3(a)에 개별적으로 도시되어 있다. 시뮬레이션된 VTC는 Vdd -0.5V에서 도 3(b)에 도시되어 있다. 도 3(b)의 Vin은 도 1의 Vout과 대응한다. The polarity inverter 700 inverts the polarity of V out together with the negative V dd (V dd- ) to obtain a negative output at V inv . Detailed circuitry of the polarity inverter 700 is shown separately in Figure 3 (a). The simulated VTC is shown in Figure 3 (b) at V dd -0.5V. V in in FIG. 3 (b) corresponds to V out in FIG.

VTC는 중간 전압보다 큰 Vin에 대한 극성 반전을 증명한다. 음의 Vinv 펄스는 도 3(b)에서 볼 수 있듯이, 양의 Vin 펄스(진폭 0.5V 및 폭 25μs)에 대한 응답으로 극성 인버터에서 유도된다.The VTC demonstrates a polarity reversal for V in greater than the mid-voltage. Negative V inv The pulse is induced in the polarity inverter in response to a positive V in pulse (amplitude 0.5V and width 25μs), as can be seen in FIG. 3 (b).

이러한 음의 전압 펄스가 상기 FG 적분기(100)를 리셋하면, VFG는 결과적으로 0 아래로 떨어진다. 이 리셋 프로세스는 VFG가 충분히 낮아서 각 증폭기로의 입력이 증폭 임계값 아래로 떨어지게 할 때까지 계속된다.If such a negative voltage pulse resets the FG integrator 100, V FG will eventually drop below zero. This reset process continues until V FG is low enough that the input to each amplifier falls below the amplification threshold.

이하에서는 도 1의 상기 인공뉴런 회로(10)의 회로 동작을 좀 더 자세히 설명한다.Hereinafter, the circuit operation of the artificial neuron circuit 10 of FIG. 1 will be described in more detail.

먼저 DC 입력 모드(DC input mode)일 경우, 즉 제어된 신경 생리학 실험과 동등한 일정한 전압 하에서 FGLIF(floating-gate-based leaky integrate-and-fire) 뉴런 회로(n=1)의 스파이크 역학을 검증한다. MT1에 일정한 전압을 인가하면 FG 로 양전하 주입에 따라 VFG(적분)가 상승하며, 이는 전하 주입과 방출이 균형을 이룰 때까지 지속된다. First, we verify the spike dynamics of a floating-gate-based leaky integrate-and-fire (FGLIF) neuron circuit (n = 1) under DC input mode, ie at a constant voltage equivalent to a controlled neurophysiology experiment . When a constant voltage is applied to MT1, V FG (integration) rises due to positive charge injection to FG , which continues until charge injection and discharge are balanced.

따라서, VFG 증가율은 상기 특정 VFG 레벨에 가까울수록 크게 감소한다. 대조적으로, R-C 적분기는 C에서의 충전과 R을 통한 동시 방전을 통해 이러한 균형을 유지한다. Therefore, the V FG increase rate decreases greatly toward the specific V FG level. In contrast, the RC integrator maintains this balance through charging at C and simultaneous discharging through R.

도 4(a)는 Vin 0.26V 하에서 상기 인공뉴런 회로(10)가 출력 스파이크를 생성하는 중 시간에 따른 VFG의 변화를 보여준다. VFG는 처음에는 상승하기 때문에 M1의 채널 컨덕턴스도 증가한다. 결과적으로, 도 4(b)를 참조하면, Vamp_out은 Vamp_out이 Amp2(500)를 통해 높은 Vout에 대해 임계값(약 0.29V)에 도달할 때까지 증가한다. 높은 Vout은 C1을 통한 포지티브 피드백을 고려하여 일시적으로 유지된다. Fig. 4 (a) shows the change in V FG over time during which the artificial neuron circuit 10 generates an output spike under V in 0.26 V. Fig. Since V FG initially rises, the channel conductance of M1 also increases. As a result, Referring to Figure 4 (b), V amp_out is increased until it reaches a threshold value (about 0.29V) for a high V out V amp_out through Amp2 (500). The high Vout is temporarily maintained in view of the positive feedback through C1.

높은 Vout은 상기 극성 반전기(700)를 동시에 트리거하여 상기 FG 적분기(100)에 대한 네거티브 피드백을 활성화하며, 상기 FG 적분기(100)를 재설정한다(reset). 따라서, Vamp_out은 임계값 아래로 떨어지므로, 높은 Vout 및 네거티브 피드백이 종료된다. 이 절차는 단일 스파이크를 생성하고, ISI(interspike interval) 내의 다음 스파이크를 위해 반복된다. A high V out simultaneously triggers the polarity inverter 700 to activate the negative feedback to the FG integrator 100 and reset the FG integrator 100. Thus, since V amp_out falls below the threshold value, high V out and negative feedback end. This procedure generates a single spike and repeats for the next spike in ISI (interspike interval).

리셋 속도는 스파이크 폭을 결정한다. 리셋이 빠를수록 스파이크 폭이 좁아진다. 이 관계에 대해서는 약 25 μs의 출력 스파이크 폭과 약 23 Hz의 출력 활동도 aout(스파이크 주파수)를 통해 증명된다(도 4(c) 참조).The reset rate determines the spike width. The faster the reset, the narrower the spike width. This relationship is demonstrated by an output spike width of about 25 μs and an output activity a out (spike frequency) of about 23 Hz (see FIG. 4 (c)).

뉴런의 이득 함수는 뉴런의 정보를 부호화하며, 상이한 입력 활동도에 대해 구별 가능한 출력 활동도를 생성한다. FGLIF 뉴런의 이득 함수를 검증하기 위해, 서로 다른 일정한 전압에서 뉴런의 활성을 평가하였다(도 4(d)). The gain function of a neuron encodes the information of a neuron and produces a distinguishable output activity for different input activities. To verify the gain function of the FGLIF neurons, the activity of the neurons was evaluated at different constant voltages (Fig. 4 (d)).

그 결과, 입력 전압이 높을수록 ISI 내 FG 충전 속도가 크게 빨라지므로, ISI가 크게 감소한다. 따라서, 활동도은 입력 전압에 따라 크게 증가한다. 또한, 도 4(d)는 Amp2(500)의 임계값에 의해 결정되는 스파이크(spiking)에 대한 임계 입력(각각 Vg2 = 0.60, 0.65 및 0.70V에 대해 60, 100 및 190mV)을 나타낸다. 전압에 대한 지수적 변화는 전압에 따라 기하 급수적으로 변화하는 터널 전류에 의해 나타나는 것이다.As a result, the higher the input voltage, the faster the FG charge rate in ISI, so the ISI is greatly reduced. Therefore, the activity increases greatly with the input voltage. Figure 4 (d) also shows the threshold input for spiking determined by the threshold of Amp2 500 (60, 100 and 190 mV for V g2 = 0.60, 0.65 and 0.70 V, respectively). The exponential change in voltage is due to the tunnel current changing exponentially with the voltage.

이하에서는, 스파이킹 입력 모드(Spiking input mode)인 경우를 설명한다.Hereinafter, the case of the spiking input mode will be described.

스파이킹 입력 모드는 SNN(spiking neural network)에서 FGLIF 뉴런의 동작을 위한 실제 상황을 실현한다. 전체적으로, FGLIF 뉴런의 반응은 DC 입력 모드와 유사하지만 어느 정도 차이가 있다. 입력 스파이크 트레인(활동도: 100 Hz, 스파이크 진폭: 0.42 V, 스파이크 폭: 25 μs)에 대한 보조 회로 방식의 응답이 도 4와 동일한 순서로 도 5에 도시된다. 두 가지 모드의 주요 차이점은 적분법(integration)에 있다. The spiking input mode realizes the real situation for the operation of a FGLIF neuron in a spiking neural network (SNN). Overall, the response of FGLIF neurons is similar to the DC input mode, but with some differences. The response of the auxiliary circuit scheme to the input spike train (activity: 100 Hz, spike amplitude: 0.42 V, spike width: 25 μs) is shown in FIG. The main difference between the two modes is in integration.

도 5(a)를 참조하면, 입력 스파이크는 전자의 경우와 달리 VFG의 단계적(stepwise) 진화를 일으킨다. 그러나, 입력 유형에 관계없이 상기 FG 적분기(100)는 누설되는 적분을 성공적으로 수행한다. 직류 입력 모드와 유사하게, Vamp_in은 Amp1(300)을 통해 증폭되고(도 5(b)), Vamp_out이 Amp2(500)의 임계값을 초과하면 스파이크가 Vout에서 출력된다(도 5(c)). Referring to FIG. 5 (a), the input spike causes a stepwise evolution of V FG , unlike the former case. However, regardless of the input type, the FG integrator 100 successfully performs the leaky integration. Similar to the direct current input mode, V amp_in is amplified through Amp1 300 (FIG. 5 (b)) and when V amp_out exceeds the threshold of Amp2 500, a spike is output at V out c)).

마찬가지로, 출력 활동도는 도 5(d)와 같이, 입력 스파이크 진폭과 활동도에 따라 다르다. 입력 진폭 및/또는 활동도가 클수록 뉴런의 출력 스파이크 활동도가 높다. 즉, 시냅스 전 뉴런 사이의 정보 전달이 SNN에서 호출될 때, 시냅스 후 FGLIF 뉴런은 시냅스 이전 뉴런의 활동도에 따라 상이한 활동도를 출력한다.Similarly, the output activity depends on the input spike amplitude and activity, as shown in Figure 5 (d). The larger the input amplitude and / or activity, the higher the output spike activity of the neuron. That is, when information transfer between synaptic neurons is called at the SNN, post-synaptic FGLIF neurons output different activities depending on the activity of pre-synaptic neurons.

본 발명에 따른 인공뉴런 회로(10)는 회로 파라미터의 조정이 가능하다. 즉, 본 발명에서 제안된 회로는 이완 시간, 스파이크 임계값, 스파이크 폭 및 진폭과 같은 연결 동작을 조정하는 수단을 제공할 수 있다. The artificial neuron circuit (10) according to the present invention is capable of adjusting circuit parameters. That is, the circuit proposed in the present invention can provide a means for adjusting coupling operations such as relaxation time, spike threshold, spike width and amplitude.

앞서 설명한 터널 장벽 두께에 대한 이완 시간의 변화를, 생물학적으로 유사한 이완 시간계를 선호하여 보다 두꺼운 터널 장벽, 예를 들어 n=10 인 경우 1.5 nm가 선호된다. 최대 VFG의 결과적인 감소는 스파이크 폭을 증가시킴으로써 보상될 수 있다. 예를 들어, dtun _ox=1.5 nm의 경우, 더 넓은 스파이크(100 ?s)를 사용하면 시뮬레이션에 따라 최대 VFG가 약 1 배 증가할 수 있다.Changes in the relaxation time for the tunnel barrier thickness described above are favored for thicker tunnel barriers, eg 1.5 nm for n = 10, favoring a biologically similar relaxation time scale. The resulting decrease in maximum V FG can be compensated for by increasing the spike width. For example, d = tun _ox case of 1.5 nm, is The wider the spike (100? S) is up to V FG in accordance with the simulation can be increased by about one-fold.

또한, Amp1(300)의 부하의 게이트 전압 Vg1과 Vg2가 VTC를 변경한다. 예를 들어, 도 6(a)는 VTC의 현저한 변화가 보이는 동일한 Vg1(0.7V)에서의 3 가지 상이한 Vg2 값에 대한 Amp1(300)의 VTC를 도시한다. Vg1에 대해서도 도 6(b)와 같이 동일하다. 그러나 VTC는 단순히 Vg1에 의존한다. Vamp_out이 Amp2(500)의 임계값(도 6(a)에서 점선으로 표시됨)에 도달할 때에만 높은 Vout(스파이크)이 트리거된다면, 스파이크에 대한 Vamp_in은 Vg2에 의존하여 실질적으로 변화한다. Further, the gate voltages V g1 and V g2 of the load of Amp1 300 change the VTC. For example, Figure 6 (a) shows the VTC of Amp1 300 for three different V g2 values at the same V g1 (0.7 V) where a significant change in VTC is seen. V g1 is also the same as shown in Fig. 6 (b). However, the VTC simply depends on V g1 . If a high V out (spike) is triggered only when V amp_out reaches the threshold of Amp2 500 (indicated by the dashed line in FIG. 6 (a)), then V amp_in for the spike is substantially dependent on V g2 do.

도 6(a)에 도시 된 바와 같이, Vg2가 높을수록 스파이크를 위한 Vamp_in이 높아진다. 따라서, 스파이크는 높은 VFG를 필요로 한다. 보다 높은 VFG는 DC 입력 모드에서 주어진 입력 전압에서, 또는 스파이킹 입력 모드에서 주어진 입력 활동도(스파이크를 유발할만큼 충분히 높으면)에서 더 긴 적분 시간을 필요로 한다. 따라서, 출력 활동도 aout은 Vg2로 감소한다(도 6(c)).As shown in Fig. 6 (a), the higher the V g2 , the higher the V amp_in for the spike. Therefore, the spike requires a high V FG . The higher V FG requires a longer integration time at a given input voltage in the DC input mode, or a given input activity (high enough to cause a spike) in the spiking input mode. Thus, the output activity a out is reduced to V g2 (Fig. 6 (c)).

동일한 이유로 VFG가 높을수록 동일한 활동도를 출력하는데 더 높은 Vin이 필요하다. 결과적으로, 도 6(d)에서 확인되는 바와 같이 DC 입력 모드에서 스파이크의 임계값은 Vg2와 함께 증가한다. 따라서, 뉴런의 이득 함수는 Vg2를 미세 조정하여 쉽게 수정할 수 있다.For the same reason, the higher the V FG , the higher the V in required to output the same activity. As a result, the threshold value of the spike in the DC input mode increases with V g2 , as can be seen in Fig. 6 (d). Thus, the gain function of the neuron can be easily modified by fine tuning V g2 .

도 4(c) 및 도 5(b)에 도시된 바와 같이, C1을 통해 포지티브 피드백을 트리거하면 Amp2(500)의 임계값보다 Vamp_out이 높아진다. 오버 슈트(약 65mV)는 주로 C1 및 Vdd +의 커패시턴스에 의해 결정된다. 오버 슈트는 Vg2와는 독립적이다. 이후, Vamp_in은 극성 반전기(700)를 통해 FG 적분기(100)에 대한 네거티브 피드백의 시작 시 즉시 감소한다. Vamp_in은 결국 Amp2(500)의 임계값 아래로 떨어진다. 이 프로세스에 필요한 시간은 스파이크 폭과 같다. As shown in Fig. 4 (c) and Fig. 5 (b), when positive feedback is triggered via C1, V amp_out becomes higher than the threshold value of Amp2 500. The overshoot (about 65mV) is mainly determined by the capacitance of C1 and V dd + . The overshoot is independent of V g2 . V amp_in then decreases immediately upon the start of the negative feedback to the FG integrator 100 through the polarity inverter 700. V amp_in eventually drops below the threshold of Amp2 (500). The time required for this process is equal to the spike width.

도 6(a)의 Vamp_out-Vamp_in 관계는, Vg2가 높을수록 Vamp_in을 더 크게 감소시켜 Vamp_out을 임계값 아래로 끌어내리는 네거티브 피드백으로 만들어야 함을 나타낸다. ΔVamp_in은 도 6(e)에 도시된 바와 같이, 특히, 필요한 ΔVamp _in은 Vg2와 함께 증가하고, 따라서 더 높은 Vg2가 Vamp_out을 65 mV만큼 감소 시키는데, 즉 동일한 음의 Vinv로 FG 적분기(100)를 리셋하는데 더 오래 걸린다. The V amp_out- V amp_in relationship of FIG. 6 (a) indicates that the higher V g2 , the greater the V amp_in should be made larger and the negative feedback to pull V amp_out below the threshold. ΔV amp_in is the standard, in particular, the increase ΔV amp _in required with V g2, thus sikineunde higher V g2 is reduced to V amp_out by 65 mV, that is V inv of the same sound as shown in 6 (e) Fig. It takes longer to reset the FG integrator 100.

결과적으로, 도 6(f)에서 확인되는 바와 같이, Vg2가 높을수록 스파이크가 더 넓어진다. 또한, |Vdd -|가 높을수록 |Vinv|가 높아지고, FG 적분기(100)를 리셋하면, |Vdd -|를 갖는 시간이 단축되어 출력 스파이크의 폭이 좁아진다.As a result, as can be seen in Fig. 6 (f), the higher the V g2 , the wider the spike. Also, as | V dd - | increases, | V inv | increases, and resetting FG integrator 100 shortens the time with | V dd - |, narrowing the width of the output spike.

이하에서는 본 발명의 인공뉴런 회로(10)의 전력 소비를 설명한다.Hereinafter, the power consumption of the artificial neuron circuit 10 of the present invention will be described.

뉴로모르픽(neuromorphic) 기술의 원리에서는 낮은 전력 소모가 강하게 요구된다. 이를 위해, 입력 전압을 일정하게 유지하면서 다양한 출력 활동도를 유발하는 FGLIF 뉴런의 전력 소비를 평가하였다. 평균 소비 전력은 단일 스파이크 기간 동안 소비된 에너지를 평가하고, 이를 기간으로 나누어 다양한 출력 활동도에 대해 수집하였다. The principle of neuromorphic technology requires a low power consumption. To do this, we evaluated the power consumption of FGLIF neurons that caused varying output activity while keeping the input voltage constant. The average power consumption was assessed for the energy consumed during a single spike period and divided by the period to collect for various output activities.

결과는 도 7을 참조하면, 평균 전력 소비는 출력 활동도에 완만하게 비례한다. 특히, 본 발명에서 제안된 FGLIF 뉴런 회로는 전체 활동도 범위에서 30 pW 미만의 전력을 소비한다. 이는 주로 Amp1(300)과 Amp2(500)의 역치(subthreshold) 동작에 기인하며, 직렬의 채널을 통해 낮은 전류 흐름을 허용한다.The result, referring to FIG. 7, is that the average power consumption is moderately proportional to the output activity. In particular, the FGLIF neuron circuit proposed in the present invention consumes less than 30 pW of power over the entire activity range. This is mainly due to the subthreshold operation of Amp1 300 and Amp2 500 and allows low current flow through the series of channels.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention as defined by the following claims. You will understand.

본 발명은 인공뉴런 소자의 동작 원리인 적분-활동전위생성 기능을 구현하기 위한 고집적 적분기로 적용 가능하며, 인공시냅스의 상태변수 모사에 응용 가능하다. 또한, 학습을 통한 자가판단이 가능한 인공지능을 구현할 수 있는 반도체칩, 대규모 병렬계산을 통한 패턴인식 기능 등 다양한 분야에 유용하게 활용될 수 있다.The present invention can be applied to a highly integrated integrator for realizing the operation principle of an artificial neuron element, which is an integral-action potential generation function, and is applicable to simulation of state variables of artificial synapses. In addition, it can be used in various fields such as a semiconductor chip that can realize artificial intelligence capable of self-determination through learning, and a pattern recognition function through massively parallel computation.

10: 인공뉴런 회로
100: FG 적분기
300: 전압 증폭기
500: 전압 출력부
700: 극성 반전기
10: artificial neuron circuit
100: FG integrator
300: voltage amplifier
500: voltage output section
700: polarity reversal

Claims (16)

플로팅 게이트를 공유하는 제1 터널접합소자 및 제2 터널접합소자를 포함하며, 전하 이완현상을 이용하여 상기 플로팅 게이트의 전하를 조절하는 플로팅 게이트(floating-gate, FG) 적분기;
트랜지스터의 게이트 전압을 조절하여, 상기 플로팅 게이트 적분기로부터 출력되는 플로팅 게이트 전압을 증폭시키는 전압 증폭기;
상기 전압 증폭기의 출력 전압을 다시 증폭하여 스파이크(spike) 전압을 생성하는 전압 출력부; 및
상기 스파이크 전압이 게이트에 인가되어 상기 스파이크 전압의 극성을 반전시키며, 상기 제2 터널접합소자에 인가되어 상기 플로팅 게이트의 전하를 리셋시키는 극성 반전기를 포함하는, 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로.
A floating gate (FG) integrator comprising a first tunnel junction element sharing a floating gate and a second tunnel junction element, the charge trapping element adjusting charge of the floating gate using charge relaxation;
A voltage amplifier for adjusting the gate voltage of the transistor to amplify the floating gate voltage output from the floating gate integrator;
A voltage output unit for amplifying the output voltage of the voltage amplifier again to generate a spike voltage; And
And a polarity reverser applied to the gate to reverse the polarity of the spike voltage and applied to the second tunnel junction element to reset the charge of the floating gate. The high integration low power dissipation artificial neuron Circuit.
제1항에 있어서,
상기 제1 터널접합소자 및 상기 제2 터널접합소자의 터널링 현상을 이용하여, 상기 플로팅 게이트에 전하를 주입하는, 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로.
The method according to claim 1,
Wherein the tunneling phenomenon of the first tunnel junction element and the second tunnel junction element is used to inject charge into the floating gate.
제1항에 있어서,
상기 제1 터널접합소자의 터널링 장벽의 두께를 제어하여, 상기 플로팅 게이트의 전하 이완 시간을 조절하는, 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로.
The method according to claim 1,
A highly integrated low power dissipative artificial neuron circuit using a floating gate integrator to control the thickness of the tunneling barrier of the first tunnel junction element to adjust the charge relaxation time of the floating gate.
제3항에 있어서,
상기 제1 터널접합소자의 터널링 장벽의 두께가 두꺼워질수록, 상기 플로팅 게이트의 전하가 이완되는 시간이 줄어드는, 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로.
The method of claim 3,
Wherein the thicker the tunneling barrier of the first tunnel junction element, the less time the charge of the floating gate is relaxed.
제1항에 있어서, 상기 플로팅 게이트 적분기는,
상기 플로팅 게이트의 전극을 게이트 전극으로 사용하며, 채널 전기전도도를 제어하여 상기 전압 증폭기의 게이트의 입력 전압을 제어하는 트랜지스터를 포함하는, 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로.
2. The integrated circuit of claim 1, wherein the floating gate integrator comprises:
And a transistor for controlling an input voltage of a gate of the voltage amplifier by controlling the channel electrical conductivity using the electrode of the floating gate as a gate electrode.
제1항에 있어서,
상기 전압 출력부로부터 출력되는 스파이크 전압은 100 Hz 미만의 활동 전위(action potential)를 갖는, 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로.
The method according to claim 1,
Wherein the spike voltage output from the voltage output has an action potential of less than 100 Hz.
제1항에 있어서,
상기 전압 출력부는 포지티브 피드백(positive feedback) 캐패시터(Capacitor)를 포함하는, 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로.
The method according to claim 1,
Wherein the voltage output comprises a positive feedback capacitor. A highly integrated, low power, artificial neuron circuit using a floating gate integrator.
제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 따른 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로들이 다수 개 연결된, 뉴로모르픽 시스템.
A neuromorphic system having a plurality of highly integrated low power consumption artificial neuron circuits using the floating gate integrator according to any one of claims 1 to 7.
제8항에 있어서,
상기 인공뉴런 회로들의 입력 전압은 동시에 입력되는, 뉴로모르픽 시스템.
9. The method of claim 8,
Wherein the input voltages of the artificial neuron circuits are simultaneously input.
제8항에 있어서,
상기 인공뉴런 회로들의 입력 전압은 각각 임의로 입력되는, 뉴로모르픽 시스템.
9. The method of claim 8,
Wherein the input voltages of the artificial neuron circuits are each arbitrarily input.
플로팅 게이트를 공유하는 제1 터널접합소자 및 제2 터널접합소자를 포함하는 플로팅 게이트(floating-gate, FG) 적분기; 상기 플로팅 게이트 적분기로부터 출력되는 플로팅 게이트 전압을 증폭시키는 전압 증폭기; 상기 전압 증폭기의 출력 전압을 다시 증폭하여 스파이크(spike) 전압을 생성하는 전압 출력부; 및 상기 스파이크 전압이 게이트에 인가되어 상기 스파이크 전압의 극성을 반전시키며, 상기 제2 터널접합소자에 인가되어 상기 플로팅 게이트의 전하를 리셋시키는 극성 반전기를 포함하는, 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로의 제어 방법에 있어서,
상기 제1 터널접합소자 및 상기 제2 터널접합소자의 터널링 현상을 이용하여, 상기 플로팅 게이트에 전하를 주입하는 단계;
상기 제1 터널접합소자의 전하 이완현상을 이용하여 상기 플로팅 게이트의 전하를 조절하는 단계; 및
상기 제1 터널접합소자의 터널링 장벽의 두께를 제어하여, 상기 플로팅 게이트의 전하 이완 시간을 조절하는 단계를 포함하는, 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로의 제어 방법.
A floating gate (FG) integrator including a first tunnel junction element and a second tunnel junction element sharing a floating gate; A voltage amplifier for amplifying the floating gate voltage output from the floating gate integrator; A voltage output unit for amplifying the output voltage of the voltage amplifier again to generate a spike voltage; And a polarity reverser applied to the gate to reverse the polarity of the spike voltage and applied to the second tunnel junction element to reset the charge of the floating gate, wherein the floating gate integrator is a highly integrated low- A method for controlling a neuron circuit,
Injecting charge into the floating gate using a tunneling phenomenon of the first tunnel junction element and the second tunnel junction element;
Adjusting a charge of the floating gate using a charge relaxation phenomenon of the first tunnel junction element; And
Controlling the thickness of the tunneling barrier of the first tunnel junction element to adjust the charge relaxation time of the floating gate. ≪ Desc / Clms Page number 19 >
제11항에 있어서,
상기 제1 터널접합소자의 터널링 장벽의 두께가 두꺼워질수록, 상기 플로팅 게이트의 전하가 이완되는 시간이 줄어드는, 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로의 제어 방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the thickening of the tunneling barrier of the first tunnel junction element reduces the time that the charge of the floating gate is relaxed.
제11항에 있어서,
상기 전압 증폭기가 포함하는 트랜지스터의 게이트 전압을 조절하여, 전압 진폭의 특성을 제어하는 단계를 더 포함하는, 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로의 제어 방법.
12. The method of claim 11,
Controlling a gate voltage of a transistor included in the voltage amplifier to control a characteristic of a voltage amplitude. A method of controlling a highly integrated low power consumption artificial neuron circuit using a floating gate integrator.
제11항에 있어서,
상기 플로팅 게이트 적분기는 상기 플로팅 게이트의 전극을 게이트 전극으로 사용하는 트랜지스터를 더 포함하며, 상기 트랜지스터의 채널 전기전도도를 제어하여 상기 전압 증폭기의 게이트의 입력 전압을 제어하는 단계를 더 포함하는, 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로의 제어 방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the floating gate integrator further comprises a transistor using the electrode of the floating gate as a gate electrode to control the channel electrical conductivity of the transistor to control an input voltage of a gate of the voltage amplifier, Control Method of Highly Integrated Low Power Consumption Artificial Neuron Circuit Using Integrator.
제11항에 있어서,
상기 전압 출력부로부터 출력되는 스파이크 전압은 100 Hz 미만의 활동 전위(action potential)를 갖는, 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로의 제어 방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the spike voltage output from the voltage output section has an action potential of less than 100 Hz.
제11항에 있어서,
상기 전압 출력부는 캐패시터(Capacitor)를 포함하여 포지티브 피드백(positive feedback)하는 단계를 더 포함하는, 플로팅 게이트 적분기를 이용한 고집적 저전력 소모 인공뉴런 회로의 제어 방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the voltage output unit further comprises a positive feedback including a capacitor. 11. The method of claim 9, wherein the voltage output unit includes a capacitor.
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