KR102224320B1 - 신경 모방 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 뉴런 회로를 이용한 신경 모방 시스템에 관한 것이다. 상기 신경 모방 시스템은, 시냅스 어레이로부터 입력되는 신호들에 따라 발화 신호를 출력하도록 구성된 하나 또는 둘 이상의 뉴런 회로들; 각 뉴런 회로들에 대한 항상성 회로들, 및 상기 뉴런 회로들로부터 출력되는 발화 신호를 이용하여, 상기 뉴런 회로들에 대한 제어 신호를 생성하여 제공하도록 구성된 중앙 제어 장치;를 구비한다. 상기 뉴런 회로는, 뉴런 모방 소자 및 상기 뉴런 모방 소자의 발화 신호를 출력하는 출력 회로를 포함한다. 상기 중앙 제어 장치는, 발화된 뉴런 회로의 뉴런 모방 소자에는 초기화 신호를 생성하여 제공하고 발화되지 않는 뉴런 회로의 뉴런 모방 소자에는 측면 억제 신호를 생성하여 제공한다. 상기 항상성 회로는 발화 기능이 우세한 뉴런에 의해 다른 뉴런들이 억제되는 것을 완화시키게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 신경 모방 시스템은 뉴런의 항상성 (homoeostasis) 기능과 초기화 (reset) 및 측면 억제 (lateral inhibition) 기능을 구현할 수 있게 된다.

Description

신경 모방 시스템{Neuromorphic system}
본 발명은 신경 모방(neuromorphic) 기술에서, 저전력 및 고집적으로 뉴런(neuron)을 모방할 수 있는 뉴런 모방 소자를 포함하는 뉴런 회로를 이용하여 뉴런의 항상성 (homoeostasis) 기능과 초기화 (reset) 및 측면 억제 (lateral inhibition) 기능을 구현할 수 있도록 구성된 신경 모방 시스템에 관한 것이다.
최근 폰 노이만 아키텍처 기반의 집적회로에서 전력 소모가 크게 증가하고 발열 문제가 심각해지면서 동물의 신경계를 모방하려는 시도가 많이 시도되고 있다. 특히, 동물의 신경계를 모방한 기술에서는 전력 소모를 크게 줄이면서, 인지 기능이 가능하고 학습이 가능함으로써 인식 기능과 판단 기능을 개선할 수 있게 되었다. 이에 따라 기존의 폰 노이만 방식의 집적회로의 기능을 대체하거나 크게 개선할 수 있는 기회가 생겼다. 따라서, 이에 대한 관심이 증가하고 연구의 필요성이 크게 대두되었다.
뉴런의 기본 기능은 임계치 이상의 자극을 받았을 경우 전기적 스파이크를 발생시켜 다른 세포에 정보를 전달하는 것이다. 이렇게 발생하는 전기 신호를 활동전위(活動電位:action potential)라고 한다. 뉴런은 크게 세 가지 부분으로 나눌 수 있다. 핵이 있는 세포 부분이 신경세포체이며, 다른 세포에서 신호를 받는 부분이 수상돌기(樹狀突起:dendrite), 그리고 다른 세포에 신호를 주는 부분이 축삭돌기(軸索突起:axon)이다. 돌기 사이에 신호를 전달하는 부분을 시냅스(synapse)라고 한다. 뉴런은 다른 신경세포나 자극수용세포에서 자극을 받아 다른 신경세포 또는 샘세포로 자극을 전달하는데, 이러한 자극의 상호교환은 시냅스에서 일어난다. 1개의 신경세포(뉴런)는 다수의 시냅스를 통하여 자극을 받아 흥분을 통합한 후 신경세포체에 가까운 축삭 돌기로 전기적 스파이크를 전달하여 시냅스에 도달하게 한다.
이와 같이, 뉴런의 흥분이 시냅스를 거쳐 다른 신경세포에 전해지는 것을 흥분 전달이라고 한다. 시냅스에서의 흥분전달은 신경섬유로부터 세포체 또는 수상돌기 방향으로만 전해지고, 역방향으로는 전달되지 않으므로, 전체로서 한 방향으로만 흥분을 전달하게 된다. 또한, 시냅스는 단지 흥분을 전달하는 중계 장소일 뿐만 아니라 거기에 도착하는 흥분의 시간적/공간적 변화에 따라 가중을 일으키거나, 또는 억제를 일으켜 신경계의 고차적인 통합작용을 가능하게 하고 있다.
한편, 시냅스는 흥분을 전달하는 것 이외에 다른 신경세포로부터의 흥분의 전달을 억제하는 작용을 가진 것도 있다. 이런 것을 억제성 시냅스라고 한다. 어떤 신경섬유를 따라 전달되어 온 흥분이 억제성 시냅스에 도달하면 거기에서 억제성 전달물질이 분비된다. 이 물질은 시냅스에 접하는 신경세포의 세포막에 작용하여 그 세포의 흥분(활동전위의 발생)을 억제하는 작용이 있다. 그 때문에 억제성 전달물질이 작용하고 있는 동안, 다른 시냅스에 도달한 흥분은 전달되지 않게 된다. 이와 같이, 뉴런은 하나 또는 둘 이상의 신경 세포로부터 전달된 흥분을 시냅스를 통해 다음 신경 세포로 전달하는 흥분 전달 기능을 수행하거나, 다수 개의 신경 세포로부터 전달된 흥분들을 통합하여 다음 신경 세포로 전달하는 흥분 통합/전달 기능을 수행하거나, 다른 신경세포로부터의 흥분의 전달을 억제하는 흥분 억제 기능을 수행하게 된다.
종래 기술의 CMOS기반 뉴런회로의 경우, integrate 기능을 담당하는 커패시터, 특정 역치 값 이상의 신호가 인가되면 fire하는 comparator와 딜레이 및 안정성 확보를 위한 부가 회로들로 구성되어 있다. 따라서, 종래 기술의 CMOS 기반의 뉴런 회로는 integrate 커패시터의 큰 사이즈로 인해 전체적인 면적이 크게 늘어나고, 소자 수 증가에 따라 면적이 증가하고 전력 소모 또한 증가하는 문제를 가지고 있다. 이러한 구조적 한계로 인해 뉴로모픽 시스템의 구성이 복잡해지고 정밀도에 제한이 가해지는 등 다양한 단점을 가지게 된다.
따라서 본 발명에서는 뉴런 모방 소자를 이용한 뉴런 회로를 고안하고, 뉴런의 항상성 (homoeostasis), 초기화 (reset) 및 측면 억제 (lateral inhibition) 기능을 구현할 수 있는 상기 뉴런 회로를 기반으로 한 신경 모방 시스템을 제안하고자 한다.
국제특허공개공보 PCT/US2008/011274
Neuromorphic silicon neuron circuits (Front. Neurosci., vol. 5, pp77 (2011))
전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 기존의 뉴런 회로가 갖는 큰 면적과 높은 전력 소모 등의 문제점을 해결하면서, 뉴런의 항상성 (homoeostasis), 초기화 (reset) 및 측면 억제 (lateral inhibition) 기능을 구현할 수 있도록 구성된 신경 모방 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 신경 모방 시스템은, 시냅스 어레이로부터 입력되는 신호들에 따라 발화 신호를 출력하도록 구성된 하나 또는 둘 이상의 뉴런 회로들; 및 상기 뉴런 회로들로부터 출력되는 발화 신호를 이용하여, 상기 뉴런 회로들에 대한 제어 신호를 생성하여 제공하도록 구성된 중앙 제어 장치;를 구비하고,
상기 뉴런 회로는, 시냅스 어레이로부터 입력되는 신호에 따라 전하가 축적되고, 축적된 전하에 의한 전위가 역치값에 도달하면 전류가 갑자기 흐르도록 구성된 뉴런 모방 소자; 상기 뉴런 모방 소자의 일단과 연결되어 뉴런 모방 소자의 출력 신호에 따라 발화 신호를 출력하는 출력 회로; 상기 뉴런 모방 소자의 일단과 출력 회로의 사이에 위치하여 뉴런 모방 소자와 출력 회로의 전기적 연결을 제어하도록 구성된 제1 스위치 소자; 를 구비한다.
전술한 특징에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 상기 뉴런 모방 소자는, 기판 상에 구비된 수평 또는 수직으로 얇은 구조를 갖는 제1 반도체 영역; 상기 제1 반도체 영역에 구비된 제1, 제2, 제3, 제4 도핑 영역; 상기 도핑영역에서 적어도 제2 및 제3 도핑영역은 상기 기판 상에서 일정 거리 이격되어 구비되도록 하는 제1 절연막; 제2 또는 제3 도핑 영역의 일 측면에 위치하되, 제2 및 제3 도핑 영역과 전기적으로 절연된 제1 게이트 전극; 상기 제2 또는 제3 도핑 영역의 일 측면과 상기 제1 게이트 전극 사이에 적어도 구비된 제1 게이트 절연막 스택;을 구비하고, 상기 뉴런 회로는 시냅스 어레이로부터 상기 뉴런 모방 소자의 제1 게이트 전극으로 입력되는 신호에 따라 상기 중앙 제어 회로로 발화 신호를 출력하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 상기 뉴런 모방 소자의 제1 게이트 전극은 전류 미러 (current mirror) 회로를 통해 시냅스 어레이와 연결되며,
상기 뉴런 모방 소자는 시냅스 어레이로부터 인가되는 신호에 따라 제1 게이트 절연막 스택에 전하를 저장하거나 제거함으로써, 뉴런의 통합 (integrate) 기능을 구현한 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 상기 중앙 제어 장치(Global Self-controller)는, 하나의 뉴런 회로로부터 발화 신호(Fire signal)가 입력되면, 발화된 뉴런 회로에는 뉴런 모방 소자에 대한 초기화 신호(Reset signal)를 생성하여 제공하고, 발화되지 않은 뉴런 회로에는 뉴런 모방 소자에 대한 측면 억제 신호(Lateral Inhibition signal)을 생성하여 제공하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 상기 중앙 제어 장치(Global Self-controller)는, 하나의 뉴런 회로로부터 발화 신호(Fire signal)가 입력되면, 뉴런 회로들에 포함된 상기 제1 스위치 소자들에 대한 턴오프(Turn-Off) 신호를 생성하여 뉴런 회로들로 제공하여 제1 스위치 소자들을 끄고 뉴런 모방 소자에 전류가 흐르지 않도록 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 상기 뉴런 회로는, 상기 뉴런 모방 소자에 병렬로 연결되고 출력 회로의 출력 신호에 의해 구동되도록 구성된 제2 스위치 소자; 및 출력 회로와 연결된 되먹임 회로;를 더 구비하고,
상기 제2 스위치 소자는 출력 회로로부터 출력된 발화 신호에 의해 턴온되도록 구성하여, 뉴런 회로의 발화 기능을 향상시키는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 신경 모방 시스템은 각 뉴런 회로들에 대응되도록 구비된 하나 또는 둘 이상의 항상성 (homeostasis) 회로들을 더 구비하고, 상기 항상성 (homeostasis) 회로의 입력단은 뉴런 회로의 출력 회로의 출력단과 연결되고, 상기 항상성 (homeostasis) 회로의 출력단은 뉴런 모방 소자의 제2 게이트 전극과 연결되어 있는 것을 특징으로 하며,
상기 항상성 회로는 상기 출력 회로의 출력단의 신호에 따라 상기 뉴런 모방 소자의 제2 게이트 전극에 인가되는 전압을 제어하여, 상기 뉴런 모방 소자의 발화 (fire) 문턱 전압을 조절하고 뉴런 회로의 발화 주기를 조절함으로써, 뉴런의 항상성 기능을 구현하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 상기 항상성 (homeostasis) 회로는, 뉴런 회로의 출력단에 연결된 개별 전류 미러 (current mirror) 회로; 중앙 제어 장치에 연결된 모든 뉴런 회로들에 공통으로 연결된 공통 전류 미러 (current mirror) 회로; 및 전하를 저장할 수 있는 소자로서, 상기 개별 전류 미러 회로 및 상기 공통 전류 미러 회로에 흐르는 전류들에 의해 전하가 축적되도록 구성되고, 뉴런 회로의 뉴런 모방 소자의 제2 게이트 전극에 연결되는 전하 저장 장치;를 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 상기 항상성 (homeostasis) 회로는, 뉴런 회로가 발화되면, 발화 신호가 개별 전류 미러에 전달되고 발화된 뉴런 회로에 연결된 상기 전하 저장 장치에 전하를 축적하여 상기 발화한 뉴런 회로의 문턱 전압을 올리는 것을 특징으로 하며,
발화 신호가 공통 전류 미러에 전달되고 발화되지 않은 뉴런 회로에 연결된 전하 저장 장치에 축적된 전하를 방출하여 상기 발화되지 않은 뉴런 회로의 문턱 전압을 낮추는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 상기 중앙 제어 장치는, 하나 또는 둘 이상의 뉴런 회로들 중 하나로부터 발화 신호가 입력되면, 초기화 펄스를 생성하여 출력하는 중앙 제어 모듈; 및 상기 초기화 펄스 및 뉴런 회로들로부터 입력되는 발화 신호에 따라, 각 뉴런 회로들을 제어하는 신호들을 생성하여 대응되는 뉴런 회로들로 출력하는 하나 또는 둘 이상의 개별 제어 모듈; 을 구비하여, 상기 중앙 제어 장치는 각 뉴런 회로들로부터 입력되는 발화 신호를 이용하여 각 뉴런 회로들에 대한 제어 신호를 생성하여 뉴런 회로들로 제공하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 상기 중앙 제어 모듈은, 입력된 발화 신호의 펄스 폭을 확장시켜 출력하는 확장된 펄스 발생 회로; 확장된 펄스 폭을 갖는 발화 신호의 크기를 증대시켜 초기화 펄스를 생성하여 상기 개별 제어 모듈들로 출력하는 전압 쉬프트 회로; 및 상기 확장된 펄스 폭을 갖는 발화 신호를 이용하여 제1 스위치 소자에 대한 턴 오프 신호를 생성하여 각 뉴런 회로들로 출력하는 SW1 구동 모듈; 을 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 상기 개별 제어 모듈은, 뉴런 회로로부터 발화 신호가 입력되면, 초기화 신호를 선택하기 위하여 필요한 사전 설정된 선택 신호를 생성하여 출력하는 스위치 컨트롤러; 상기 스위치 컨트롤러 및 상기 중앙 제어 모듈로부터 입력되는 신호들에 따라 초기화 신호 및 측면 억제 신호 중 하나를 선택하여 뉴런 회로의 뉴런 모방 소자로 출력하는 LI/Reset 신호 선택 스위치; 를 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 상기 LI/Reset 신호 선택 스위치는, 상기 스위치 컨트롤러로부터 선택 신호가 입력되고 상기 중앙 제어 모듈로부터 초기화 펄스가 입력되면 초기화 신호를 선택하여 출력하고, 상기 스위치 컨트롤러로부터 선택 신호가 입력되지 않으면 측면 억제 신호를 선택하여 출력하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 상기 출력 회로는, 입력 신호를 반전시켜 출력하는 반전 회로(Inverter), 및 입력 전류를 전압으로 변환시켜 출력하는 전류-전압 변환 회로(Current-Voltage Converter) 중 하나로 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 뉴런 회로는 메모리 기능을 갖는 전하 저장층과 positive feedback 기능을 가진 뉴런 모방 소자를 기반으로 함으로써, 고집적 및 저전력 신경 모방 시스템을 구현할 수 있다.
또한, 상기 뉴런 회로에 포함된 뉴런 모방 소자는 뉴런 회로 및 시스템에 이용되는 일반적인 n형 및 p형 MOSFET과 같은 기판에 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 신경 모방 시스템의 뉴런 회로는 뉴런 모방 소자에 스위치와 출력 회로를 연결시킴으로써, 뉴런 모방 소자의 발화를 향상시키게 된다.
또한, 본 발명에 따른 신경 모방 시스템은 항상성 회로를 더 구비함으로써, 뉴런 회로의 발화 주기에 따라 게이트 전극에 인가되는 전압을 조절하여 뉴런의 항상성 기능을 구현할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따른 신경 모방 시스템은 항상성 회로를 더 구비함으로써, 발화 기능이 우세한 뉴런에 의해 다른 뉴런들이 억제되는 것을 완화시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 신경 모방 시스템은 중앙 제어 장치(Global Self-controller)를 구비하고, 상기 중앙 제어 장치를 통해 뉴런 회로에서 초기화 (reset) 및 측면 억제 (lateral inhibition) 동작을 유기적으로 동작시키기 위해 포함되어야 하는 회로들을 공통적으로 공유하도록 함으로서, 체계적인 동작과 면적에서의 효율성을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 신경 모방 시스템은 각 뉴런 회로의 발화 (fire) 여부에 따라 각 뉴런 회로에 대하여 초기화 (reset) 및 측면 억제 (lateral inhibition) 동작 중 하나를 선택적으로 수행하게 된다. 또한, 본 발명에 따른 신경 모방 시스템은 외부의 추가적인 제어 장치 없이 중앙 제어 장치를 통해 각 뉴런 회로의 동작에 필요한 신호를 발생시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 신경 모방 시스템은 외부 시냅스의 메모리 동작에 필요한 신호를 만들어 내는데 있어서, 확장된 펄스 발생 회로 및 전압 시프트 회로가 포함될 경우, 중앙 제어 장치 (Global Self-controller)를 활용할 수 있기 때문에 확장성이 우수하다.
도 1a는 바람직한 제1 실시예에 따른 뉴런 회로에 사용되는 뉴런 모방 소자의 일 실시형태를 도시한 사시도이며, 도 1b는 도 1a의 뉴런 모방 소자의 C-C' 방향에 대한 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 뉴런 모방 소자를 포함하는 뉴런 회로에 대한 회로도이며, 도 2b, 도 2c 및 도 2d는 제1 실시예에 따른 뉴런 회로에 대한 회로도로서, 뉴런 모방 소자에 대한 다양한 실시 형태들을 도시한 것이다.
도 3는 본 발명의 제2 실시예에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 뉴런 회로를 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 뉴런 회로를 도시한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 뉴런 회로의 동작 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6는 본 발명의 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 뉴런의 항상성 기능을 구현하기 위한 항상성 회로를 도시한 회로도이다.
도 7는 본 발명의 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 도 6의 항상성 회로에 대한 동작 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8는 본 발명에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 뉴런 회로와 크로스바 형태의 외부 시냅스 어레이가 연결된 구조도이다.
도 9는 본 발명에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 회로의 유기적인 동작에 관여하는 신호의 흐름을 나타낸 뉴런 회로의 단일 층에 대한 구조를 도시한 블록도이다.
도 10는 본 발명에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 뉴런단일 층을 구성하는 뉴런 회로들이 공유하는 중앙 제어 장치 (Global Self-controller)의 구조를 도시한 블록도이다.
도 11는 본 발명에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 확장된 펄스 발생 회로 및 전압 시프트 회로를 포함하는 중앙 제어 장치 (Global Self-controller)를 도시한 회로도이다.
도 12는 본 발명에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 선택적으로 신호를 받아들이기 위해 뉴런 회로에서 필요한 스위치 컨트롤러(Switch controller)의 회로도이다.
도 13는 본 발명에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 각 뉴런 회로에 외부 시냅스로부터 입력 신호로서 들어오는 전류와 뉴런 회로의 출력을 시간에 따라 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 각 뉴런 회로의 출력에 따라 초기화 (reset) 및 측면 억제 (lateral inhibition) 동작에 필요한 신호가 각 뉴런 모방 소자에 선택적으로 부여되는 동작 특성을 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 각 뉴런 회로의 출력에 따른 뉴런 모방 소자의 입력 단자 전압을 시간에 따라 나타내는 그래프이다.
본 발명에서는 시냅스 어레이와 더불어 효과적으로 집적할 수 있고 저전력 및 고집적의 뉴런 모방 소자를 이용한 뉴런 회로, 및 이를 이용한 신경 모방 시스템을 제공한다. 특히, 본 발명에 따른 뉴런 회로에 포함된 뉴런 모방 소자는 전하 저장층에 프로그램(program) 또는 이레이져(erase) 동작에 따라 일반적인 뉴런이 가지는 통합 (integrate) 기능을 가지게 된다. 그 결과, 본 발명에 따른 뉴런 회로는 면적 측면에서 매우 효과적으로 신경 모방 시스템을 구축할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 뉴런 회로에 사용되는 뉴런 모방 소자는 통합 기능을 가질 뿐 만 아니라, 뉴런 모방 소자가 문턱 전압 값에 도달하면 순식간에 다음 시냅스 및 뉴런 회로로 신호를 전달하는 발화 (fire) 기능을 뉴런 모방 소자 내에서 전자와 정공의 positive feedback 동작을 통해 작은 면적에서 구현이 가능하도록 한다.
개념적으로, 본 발명의 뉴런 회로는 상기 뉴런 모방 소자에 출력 회로 및 스위치를 연결하여 구성하게 되며, 상기 출력 회로 및 스위치를 구성하기 위해 n형 및 p형 MOSFET가 사용된다. 이들 MOSFET은 벌크 기판이나 SOI 기판에 구현될 수 있고, 아울러 상기 뉴런 모방 소자도 같은 기판에 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 뉴런 회로는 n형 및 p형 MOSFET으로 구성된 항상성 회로와 연결되어 있어, 발화한 뉴런의 문턱전압을 높아지고 인접한 뉴런들의 문턱 전압은 낮아지게 조절함으로써 뉴런의 항상성 기능을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 뉴런 회로 기반 신경 모방 시스템을 구현하는데 있어서, 단일 뉴런 층의 각 뉴런들을 유기적으로 동작시키기 위해 중앙 제어 장치 (Global Self-controller)가 존재한다. 상기 신경 모방 시스템 자체적으로 하나 이상의 뉴런 회로에 필요한 신호를 발생시키는 것을 특징으로 한다. 단일 뉴런 층의 뉴런들은 중앙 제어 장치 (Global Self-controller)를 공유하며 뉴런 동작에 필요한 초기화 (reset) 및 측면 억제 (lateral inhibition) 신호들을 생성하고 이를 각 뉴런에 선택적으로 할당할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 뉴런 회로에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 뉴런 회로에 사용되는 뉴런 모방 소자의 일실시형태를 도시한 사시도 및 C-C' 방향의 단면도이다. 이하, 도 1a 및 도 1b를 참조하여, 상기 뉴런 모방 소자의 구조를 구체적으로 설명한다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 상기 뉴런 모방 소자는, 절연막(100), 기판(10), 기판 상에 반도체 물질로 형성되되, 수직 또는 수평의 얇은 담장 모양(wall-shape)으로 형성된 제1 반도체 영역(110), 제1 반도체 영역에 순차적으로 형성된 제1, 제2, 제3 및 제4 도핑영역(111, 112, 113, 114), 제2 도핑 영역의 양 측면에 각각 위치하는 제1 및 제2 게이트 전극(SG1, SG2)(120, 121), 제1 게이트 전극과 제2 도핑 영역 사이에 구비된 제1 게이트 절연막 스택(130), 제2 게이트 전극과 제2 도핑 영역 사이에 구비된 제2 게이트 절연막 스택(140)을 구비한다. 제1 및 제2 게이트 절연막 스택은 적어도 하나 이상의 전하 저장층을 구비함으로써, 문턱 전압을 조절하거나 메모리 기능을 제공할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
도 2a는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 신경 모방 시스템의 뉴런 회로를 도시한 회로도이며, 도 2b, 도 2c 및 도 2d는 제1 실시예에 따른 회로에 있어서, 뉴런 모방 소자의 변형된 구조들을 포함한 회로도들이다.
본 발명에 따른 신경 모방 시스템의 뉴런 회로는 상기 뉴런 모방 소자와 일반적인 n-MOSFET 및 p-MOSFET로 구성되어 있으며, 상기 n-MOSFET 및 p-MOS FET는 뉴런 모방 소자의 제조 공정상에서 같이 형성되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 제1 실시예에 따른 신경 모방 시스템의 뉴런 회로의 구조에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 신경 모방 시스템은 뉴런 회로, 중앙 제어 장치 및 항상성 회로를 구비한다.
도 2a를 참조하면, 뉴런 회로(20)는 뉴런 모방 소자(200), 제1 스위칭 소자(210), 및 출력 회로(220)를 구비한다. 상기 제1 스위칭 소자(210)는 n-MOSFET(N1)으로 구성될 수 있다. 상기 뉴런 회로(20)는 중앙 제어 장치(Global Self-Controller;30)로 발화 신호를 출력하고 이에 따라 중앙 제어 장치로부터 제어 신호들을 제공받게 된다. 상기 제어 신호는 뉴런 모방 소자에 대한 초기화 신호 또는 측면 억제 신호, 및 상기 제1 스위칭 소자에 대한 구동 신호를 포함한다.
상기 뉴런 모방 소자의 제1 게이트 전극(G1)은 시냅스 어레이의 출력단과 연결되어, 시냅스 어레이로부터 신호가 인가된다. 상기 뉴런 모방 소자의 일단은 출력 회로가 연결되되, 상기 제1 스위칭 소자가 상기 뉴런 모방 소자의 일단과 출력 회로의 사이에 배치되어, 뉴런 모방 소자와 출력 회로의 사이의 전기적 연결을 제어하게 된다.
상기 출력 회로(220)는 뉴런 모방 소자에서 발생하는 전류 신호를 중앙 제어 장치에 전달하는 기능을 하는 회로로서, 뉴런 모방 소자의 출력 신호를 반전시켜 출력하는 반전 회로(inverter)로 구성되거나 뉴런 모방 소자의 출력 전류를 전압으로 변환시켜 출력하는 전류-전압 변환회로(current-voltage converter)로 구성될 수 있다. 상기 반전 회로로는 트랜지스터, 다이오드 또는 저항으로 구성될 수 있으며, 전류-전압 변환 회로도 트랜지스터, 다이오드 또는 저항으로 구성될 수 있다.
다만, 본 명세서에서는, 설명의 편의상, 상기 출력 회로가 반전 회로인 경우에 대하여 예시적으로 설명한다. 따라서, 본 발명에 따른 상기 출력 회로의 일 예는 반전 회로로서, 이 경우 뉴런 모방 소자의 일단에 연결된 X 지점의 신호를 반전시켜 중앙 제어 장치로 제공하게 된다.
상기 중앙 제어 장치(30)는 상기 출력 회로의 발화 신호가 입력되고, 출력 출력의 발화 신호에 따라 상기 발화된 뉴런 회로의 뉴런 모방 소자에 대한 초기화 신호를 생성하여 제공하며 상기 발화된 뉴런 회로의 스위칭 소자에 대한 턴오프 신호를 생성하여 제공한다.
상기 뉴런 모방 소자는 n-MOSFET (N1)의 드레인과 전기적으로 연결되어 있으며, n-MOSFET의 소스와 p-MOSFET의 드레인은 출력 회로(220)의 입력 단인 X 노드를 공유한다. 뉴런 모방 소자의 제1 게이트 전극(G1)에 시냅스(Synapse Array)로부터 신호들이 인가되고 뉴런 모방 소자의 제1 게이트 절연막 스택에 전하가 축적되어 뉴런 모방 소자에 전류가 흐르게 되면, 출력 회로의 입력 단인 X 노드의 전위가 내려가게 되고 출력 단인 OUT 노드의 전위가 올라가게 되어 중앙 제어 장치 (Global Self-controller)로 신호를 전달하게 된다. 중앙 제어 장치 (Global Self-controller)는 다음 시냅스 및 인접한 다른 뉴런에 학습을 위한 출력 신호를 전달하고 발화한 뉴런 모방 소자의 제1 게이트 절연막에 축적된 전하를 방출하는 초기화 신호(reset signal)를 전달하게 된다. 이때, 뉴런 모방 소자의 제4 반도체 영역에 연결된 스위치(N1)을 off 시켜 뉴런 모방 소자의 초기화 동작 중 전류가 흐르지 않도록 제어한다.
또한, 도 2b는 제1 실시예에 따른 뉴런 회로에 있어서, 변형된 뉴런 모방 소자를 포함한 회로도이다. 도 2b의 회로는 제1 실시예의 뉴런 회로와 유사하나, 다만 제3 게이트 전극(G3)이 제2 게이트 전극(G2)의 측면에 구비된 뉴런 모방 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다. 도 2b에 따른 뉴런 회로의 동작은 제1 실시예의 뉴런 회로와 마찬가지로 제1 게이트 전극(G1)으로 시냅스 신호가 전달되고 제1 게이트 절연막에 전하가 축적되어 뉴런 모방 소자에 전류가 흐르게 되며, 제3 게이트 전극에 인가되는 전압을 이용하여 뉴런 모방 소자의 문턱 전압을 조절할 수 있다.
또한, 도 2c는 제1 실시예에 따른 뉴런 회로에 있어서, 변형된 뉴런 모방 소자의 다른 실시 형태를 포함한 회로도이다. 도 2c의 뉴런 회로는 제1 실시예의 뉴런 회로와 유사하나, 다만 제3 게이트 전극(G3), 제4 게이트 전극(G4) 및 제5 게이트 전극(G5)이 제2 게이트 전극(G2) 측면에 구비된 뉴런 모방 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다. 도 2c에 따른 뉴런 회로의 동작은 제1 실시예의 뉴런 회로와 마찬가지로 제1 게이트 전극으로 시냅스 신호가 전달되고 제1 게이트 절연막에 전하가 축적되어 뉴런 모방 소자에 전류가 흐르게 되며, 제3 게이트 전극(G3), 제4 게이트전극(G4) 및 제5 게이트전극(G5)에 인가되는 전압을 이용하여 뉴런 모방 소자의 문턱 전압을 조절할 수 있다.
또한, 도 2d는 제1 실시예에 따른 뉴런 회로에 있어서, 변형된 뉴런 모방 소자의 또 다른 실시 형태를 포함한 회로도이다. 도 2d의 뉴런 회로는 제1 실시예의 뉴런 회로와 유사하나, 다만 제1 게이트 전극 및 제2 게이트전극이 제2 반도체 영역(S2) 측면에 구비된 뉴런 모방 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다. 도 2d에 도시된 뉴런 회로의 동작은 제1 실시예의 뉴런 회로에서 제1 게이트전극에 인가되는 시냅스 신호의 반대 극성을 가지는 신호가 전달되며, 반대 극성의 전하가 제1 게이트 절연막에 축적되어 문턱 전압을 넘으면 뉴런 모방 소자에 전류가 흐르게 된다. 또한, 발화한 뉴런 회로에 제1 실시예의 초기화 신호(Reset signal)의 반대 극성을 가지는 신호를 인가하여 축적된 전하를 방출한다.
도 3는 본 발명의 제2 실시예에 따른 뉴런 회로에 대한 회로도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 뉴런 회로(22)는, 제1 실시예에 따른 뉴런 회로와 유사하나, 다만 되먹임 회로(INV2)(230)와 제2 스위치(N2)(240)가 추가된 것을 특징으로 한다.
상기 되먹임 회로(230)는 출력 회로(220)의 출력 단자와 p-MOSFET(P1)의 게이트의 사이에 연결되어, 출력 회로의 신호를 p-MOSFET의 게이트 단자로 제공한다. 상기 되먹임 회로(230)는 입력 신호를 반전시켜 출력하는 반전 회로(Inverter)로 구성될 수 있으며, 상기 반전 회로는 트랜지스터, 다이오드 또는 저항 등으로 구성될 수 있다.
상기 제2 스위치(N2; 240)는 n-MOSFET으로 구성되어 소스 및 드레인은 뉴런 모방 소자의 양단에 연결되며, 게이트 단자는 출력 회로의 출력 단자와 연결된다.
이하, 제2 실시예에 따른 뉴런 회로의 동작을 설명한다.
뉴런 모방 소자에 전류가 흘러 노드 X의 전위가 낮아지면 출력 회로(INV1)로 인해 출력단의 전위가 올라가게 되고, 이에 따라 상기 제2 스위치(N2)도 전류가 흐르게 되어 Boosting path를 형성하게 되고, 그 결과 노드 X는 더욱 빨리 전위가 낮아지면서 빠른 속도로 발화하게 된다. 되먹임 회로 (230)에 의해 p-MOSFET로 신호가 전달되어 P1이 턴온되고 제1 스위치(N1)의 턴오프됨에 따라 노드 X의 전위는 다시 VDD로 올라가게 되고 뉴런 모방 소자는 초기화가 된다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 뉴런 회로에 대한 회로도이다. 도 4를 참조하면, 제3 실시예에 따른 뉴런 회로(24)는, 제2 실시예의 뉴런 회로와 유사하나, 다만 제2 스위치(N2; 240)와 직렬로 연결된 제3 스위치(N3; 250)을 더 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 제3 스위치(N3; 250)는 n-MOSFET으로 구성되는 것이 바람직하며, 소스 및 드레인이 각각 뉴런 모방 소자의 제4 반도체 영역(S4) 및 제2 스위치(240)의 소스에 연결되고 게이트가 되먹임 회로(230)의 출력단과 연결된다.
이하, 제3 실시예에 따른 뉴런 회로의 동작을 설명한다. 뉴런 모방 소자에 전류가 흘러 노드 X의 전위가 낮아지면 출력 회로(INV1)로 인해 출력 단의 전위가 올라가게 되고, 이에 따라 상기 제2 스위치(N2)도 전류가 흐르게 되어 Boosting path를 형성하게 되고, 그 결과 노드 X는 더욱 빨리 전위가 낮아지면서 빠른 속도로 발화하게 된다. 되먹임 회로에 의해 P1이 턴온되고 동시에 제3 스위치((N3) 턴오프되어 순간적으로 제2 스위치(N2)로 전류가 흐르는 것을 방해한다. 중앙제어장치로부터 출력된 신호에 의해 제1 스위치(N1)가 턴오프되며 노드 X의 전위는 안정적으로 다시 VDD로 올라가게 되고 뉴런 모방 소자는 초기화가 된다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 뉴런 회로의 동작 특성을 시간에 대한 전압 그래프로 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 뉴런 회로에 있어서, (a)는 시냅스 어레이로부터 지속적으로 출력되는 신호 펄스로서, 뉴런 모방 소자의 제1 게이트 전극으로 입력되는 신호(Vin)다. (b)는 뉴런 회로의 출력 회로의 출력 전압(Vout)이다. 뉴런 모방 소자의 제1 게이트 전극(G1)에 시냅스 어레이로부터 신호 펄스(Vin)가 지속적으로 입력되고 전하가 축적되어 사전 설정된 역치값을 초과하면, 뉴런 모방 소자의 제1 게이트 전극의 전압이 상승하게 되어 Positive Feedback 소자로 동작되어 뉴런 모방 소자에 전류가 흐르게 되고, X의 전위가 감소하게 되고 이에 따라 출력 회로의 전압(Vout)이 상승되어 (b)와 같이 발화하게 된다. (c)는 중앙 제어 회로에서 뉴런 모방 소자의 제1 게이트 전극으로 제공되는 초기화 신호(Vreset)이며, (d)는 중앙 제어 회로에서 제1 스위치 소자로 제공하는 구동 신호(N1 control pulse)이다. 출력 회로로부터 출력된 발화 신호(Fire signal)는 중앙 제어 회로로 제공되고, 발화 신호를 수신한 중앙 제어 회로는 (c)와 같이 발화된 뉴런 모방 소자로 초기화 신호(reset signal)를 제공하고 (d)와 같이 스위칭 소자(N1)의 게이트 단자로 턴오프(Turn-off) 신호를 제공한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 뉴런 회로는 뉴런의 통합 (integrate) 기능과 발화 (fire) 기능을 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 신경 모방 시스템은 항상성 회로를 더 구비하는 것이 바람직하다. 도 6은 전술한 제1 실시예에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 뉴런의 항상성 기능 구현을 위한 항상성(homeostasis) 회로에 대한 회로도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 신경 모방 시스템의 항상성 회로(40)는 n-MOSFET과 p-MOSFET으로 구성된 개별 커런트 미러(400), 공통 커런트 미러 (current mirror) (410)및 전하 저장 장치(420)를 구비한다. 개별 커런트 미러(400)는 뉴런 회로의 출력 회로의 출력단과 연결되고, 상기 개별 커런트 미러의 제2 전류(I2)는 전하 저장 장치(420)로 입력된다. 상기 전하 저장 장치는 뉴런 회로의 뉴런 모방 소자의 제2 게이트 전극(G2)에 연결됨으로써, 전하 저장 장치의 전압은 뉴런 모방 소자의 제2 게이트 전극에 Vread 전압으로 제공하게 된다.
공통 커런트 미러(410)는 신경 모방 시스템의 모든 뉴런 회로들에 공통으로 연결되고 상기 공통 커런트 미러의 제1 전류(I1)는 전하 저장 장치(420)로 입력된다.
상기 전하 저장 장치(420)는 전하를 저장할 수 있는 축전기(Capacitor), 전하 저장층을 구비하는 트랜지스터 또는 다이오드, 전하 저장 기능을 갖는 트랜지스터 또는 다이오드 등으로 구성될 수 있다.
상기 전하 저장 장치는 개별 커런트 미러의 제2 전류(I2)와 공통 커런트 미러의 제1 전류(I1)의 차이에 의해 생성되는 전하가 축적된다. 따라서, 뉴런 회로의 뉴런 모방 소자가 발화하여 출력 회로 의 출력단으로 발화(Fire) 신호가 전달되고 개별 커런트 미러(400)를 통하여 전하 저장 장치(420)에 전하가 쌓이게 되고, 그 결과 뉴런 모방 소자의 제2 게이트 전극(G2)에 연결된 전하 저장 장치에 의해 상기 발화한 뉴런 모방 소자의 문턱 전압을 커지게 조절하게 된다. 이와 유사한 동작을 이용하여 인접한 뉴런이 발화한 경우 공통 커런트 미러를 통하여 인접한 혹은 모든 뉴런 모방 소자들의 문턱 전압을 전체적으로 낮아지게 조절함으로써, 뉴런의 발화 주기 (firing rate)를 조절하여 생물학적 뉴런의 항상성(homeostasis) 기능을 구현할 수 있다.
도 7는 본 발명에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 전술한 항상성 회로의 동작 특성을 시간에 대한 전압 그래프로 나타낸 것이다.
도 7을 참조하면, N1, N2, N3, N4, N5는 각각 제1 뉴런 회로, 제2 뉴런 회로, 제3 뉴런 회로, 제4 뉴런 회로, 제5 뉴런 회로를 의미하며, Vout은 각 뉴런 회로의 출력 회로의 출력 신호를 의미하며, VG2는 뉴런 회로의 뉴런 모방 소자의 제2 게이트 전극에 인가되는 전압으로서, 항상성 회로에 의해 제공되는 Vread 전압이 된다.
Vout,N1은 제1 뉴런 회로의 출력 신호이며, Vout,N2는 제2 뉴런 회로의 출력 신호이며, Vout,N3는 제3 뉴런 회로의 출력 신호이며, Vout,N4는 제4 뉴런 회로의 출력 신호이며, Vout,N5는 제5 뉴런 회로의 출력 신호이며, VG2,N1은 항상성 회로에 의해 제1 뉴런 회로의 뉴런 모방 소자의 제2 게이트 전극으로 인가되는 전압이다. 도 7에서, (e)에 도시된 제1 뉴런 회로의 발화 신호에 따라 항상성 회로가 제1 뉴런 회로의 뉴런 모방 소자로 (f)에 도시된 전압(VG2,N1)을 제공하게 된다. VG2,N1는 제1 뉴런 회로가 발화될 때마다 큰 폭으로 감소하게 되고, 인접한 다른 뉴런 회로가 발화될 때마다 작은 폭으로 증가됨으로써, 뉴런 모방 소자의 제2 게이트 전극의 문턱 전압을 조절하게 된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 뉴런 회로는 항상성 회로에 의해, 단일 층에 존재하는 뉴런 회로들의 발화 주기에 따라 각 뉴런 모방 소자의 제2 게이트 전극에 인가되는 전압의 크기를 조절함으로써 문턱 전압을 조절하는 기능을 구현할 수 있다.
도 8는 본 발명에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 다수 개의 뉴런 회로와 크로스바 형태의 외부 시냅스 어레이가 연결된 구조도이다. 크로스바 형태란 외부 시냅스 어레이의 면적 효율성을 증가시키기 위한 격자 구조를 의미한다. 시냅스들은 메모리 기능을 가진 각각의 독립적인 소자로 구성되며, 뉴런 회로들은 뉴런 모방 소자와 이를 동작시키기 위한 소자들로 구성된다. 시냅스 소자들은 필요한 신호를 수신하고, 뉴런 모방 소자는 시냅스 소자의 출력으로서 전류들의 총합을 입력으로 받는다.
도 8의 중앙 제어 장치 (Global Self-controller; 30)는 단일 뉴런 층을 구성하는 각 뉴런 회로들을 유기적으로 동작시키기 위해 존재한다. 상기 중앙 제어 장치는 외부의 추가적인 제어 장치 없이 시스템 자체적으로 각 뉴런 회로에 필요한 신호를 발생시키는 것을 특징으로 한다. 단일 뉴런 층의 뉴런 회로들은 중앙 제어 장치 (Global Self-controller)를 공유하며, 상기 중앙 제어 장치는 뉴런 동작에 필요한 다양한 신호들을 생성하고 이를 각 뉴런 회로에 선택적으로 할당하는 역할을 한다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 도 8에 도시된 단일 뉴런 층을 구성하는 뉴런 회로들(20), 항상성 회로들(40) 및 중앙 제어 장치(30)의 유기적인 동작에 관여하는 신호의 흐름을 나타낸 개념도이다. 중앙 제어 장치 (Global Self-controller)(30)는 뉴런 회로의 발화 (fire) 기능으로 출력된 발화 신호를 사용하여 각 뉴런 회로의 동작에 필요한 다양한 신호들을 생성하고, 각 뉴런 회로들을 제어하게 된다. 중앙 제어 장치 (Global Self-controller)에서 생성된 다양한 신호들(S1, S2, S3)을 각 뉴런 회로들에 선택적으로 제공하기 위해, 각 뉴런 회로에 대응되는 스위치 컨트롤러(Switch controller)가 특정 목적으로 스위치를 조정한다.
도 9를 참조하면, 중앙 제어 장치 (Global Self-controller)를 포함하는 신경 모방 시스템의 전체적인 구조는 단일 뉴런 층을 구성하는 뉴런 회로의 수와 필요한 신호의 복잡성이 증가함에 따라, 뉴런 회로들의 체계적인 작동과 면적면에서의 효율성을 제공한다.
도 10는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 신경 모방 시스템에 있어서, 중앙 제어 장치(Global Self-controller)의 구조를 도시한 블록도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 중앙 제어 장치 (Global Self-controller)(30)는 중앙 제어 모듈(310) 및 각 뉴런 회로에 대응되는 개별 제어 모듈(320)을 구비한다. 중앙 제어 모듈(310)은 뉴런 회로들로부터 발화 신호가 입력되면 사전 설정된 펄스 폭과 크기를 갖는 초기화 펄스(S1)를 생성하여 모든 뉴런 회로들의 개별 제어 모듈로 제공하며, 뉴런 회로들의 제1 스위치를 턴오프시키기 위한 펄스(S2)를 생성하여 모든 뉴런 회로들의 제1 스위치들로 제공한다. 뉴런 회로들의 제1 스위치를 턴 오프시킴으로써, 뉴런 회로의 발화에 의해 뉴런 모방 소자들이 초기화 동작하거나 측면 억제 동작을 하는 시간동안 뉴런 모방 소자에 전류가 흐르지 않게 제어할 수 있게 된다.
개별 제어 모듈(320)은 스위치 컨트롤러(322) 및 LI(Lateral Inhibition)/Reset 신호 선택 스위치(324)를 구비한다.
발화 (fire) 기능을 한 뉴런 회로에 대응되는 스위치 컨트롤러(Switch controller)는 초기화 신호 선택을 위한 소정의 선택 신호를 생성하여 LI/Reset 신호 선택 스위치(324)로 제공한다. 한편, 발화 (fire) 기능을 하지 않은 뉴런 회로에 대응되는 스위치 컨트롤러 (Switch controller)에서는 출력이 기존 상태로 유지된다.
상기 스위치(324)는, 발화 기능을 한 뉴런 회로의 스위치 컨트롤러(322)로부터 선택 신호가 입력되고 중앙 제어 모듈(310)로부터 초기화 펄스(S1)가 입력되면, 뉴런 모방 소자의 초기화 (reset)에 필요한 초기화 신호(Reset signal)를 선택하여 뉴런 회로로 출력하게 된다.
반면, 상기 스위치(324)는, 발화 (fire) 기능을 하지 않은 뉴런에 포함된 스위치 컨트롤러 (Switch controller)에서는 출력이 기존 상태로 유지되고 선택 신호가 입력되지 않으면, 이에 따라 상기 스위치(324)는 측면 억제 (lateral inhibition) 동작에 필요한 측면 억제 신호를 선택하여 뉴런 회로로 출력하게 된다.
전술한 바와 같이, 상기 개별 제어 모듈로부터 출력되는 신호에 따라, 발화 기능을 한 뉴런 회로는 초기화(reset) 동작을 수행하게 되고, 발화 기능을 하지 못한 뉴런 회로는 측면 억제 (lateral inhibition) 동작을 수행하게 된다.
한편, 초기화 (reset) 동작과 측면 억제 (lateral inhibition) 동작에 필요한 초기화 신호 및 측면 억제 신호의 유형은 뉴런 모방 소자의 동작 특성에 따라서 다르게 설계될 수 있다. 중앙 제어 장치 (Global Self-controller)에서는 보장된 신호의 길이와 크기를 발생시키기 위해 발화 (fire) 기능을 한 뉴런 회로에서 나오는 출력인 발화 신호를 이용하여 모든 신호들을 생성한다. 상기 발화 신호는 짧은 스파이크 신호이므로, 중앙 제어 장치 (Global Self-controller)의 중앙 제어 모듈(310)은 확장된 펄스 발생 회로(312) 및 전압 시프트 회로(314)를 포함한다. 확장된 펄스 발생 회로(312)는 발화 신호의 펄스 폭을 확장시켜 출력하며, 전압 쉬프트 회로(314)는 발화 신호의 펄스의 크기를 증대시켜 출력하게 된다.
한편, 상기 중앙 제어 모듈(310)은 SW1 구동 모듈(316)을 더 구비하고, 상기 SW1 구동 모듈(316)은, 뉴런 회로들로부터 발화 신호가 입력되지 않으면 제1 스위치 소자들을 턴 온(Turn-On) 시킬 수 있는 구동 신호를 뉴런 회로들로 출력하며, 임의의 뉴런 회로로부터 발화 신호가 입력되면, 모든 뉴런 회로들의 뉴런 모방 소자에 연결된 제1 스위치 소자를 턴 오프시키기 위한 구동 신호(S2)를 생성하여 뉴런 회로들로 제공한다.
도 11는 본 발명에 따른 중앙 제어 장치 (Global Self-controller)의 중앙 제어 모듈(310)에 대한 회로도이다. 확장된 펄스 발생 회로(312)에서 생성되는 펄스의 폭은 저항으로 작용하는 p-MOSFET (M1)의 폭/길이 비율과 capacitor (C1)의 전기 용량 값에 의해 결정된다. 전압 시프트 회로(314)의 설계 고려 사항은 일반적으로 n-MOSFET (M2, M3)의 폭/길이 비율이 p-MOSFET (M4, M5)의 것보다 작도록 보장하는 것이다. 이러한 전압 시프트 회로의 설계 조건은 전압 시프트 회로가 각 뉴런에 포함되는 경우 시스템에 많은 부담을 초래한다는 것을 의미한다.
도 12는 본 발명에 따른 중앙 제어 장치의 스위치 컨트롤러(Switch controller)를 도시한 회로도이다. 상기 스위치 컨트롤러(Switch controller)(322)는 중앙 제어 모듈의 확장된 펄스 발생 회로와 동일하다.
도 13. 도,14, 도 15는 전술한 본 발명의 실시예에 따른 뉴런 회로의 동작 특성을 시간에 따른 전압 및 전류로 나타낸 그래프이다.
도 13의 (a), (b) 및 (c)는 일례로 각 뉴런 회로(Neuron1, Neuron2, Neuron3)에 외부 시냅스로부터 전류가 입력 신호(Input)로서 들어오는 것을 시간에 따라 나타낸 것이며, 도 13의 (d)는 특정 시간에 뉴런 모방 소자에서 발화 (fire) 기능을 하였을 때 각 뉴런 회로의 출력 신호(Output signal: Vout)로서 짧은 스파이크 형태를 갖는다.
도 14 의 (a), (b) 및 (c)는 각 뉴런 회로(Neuron1, Neuron2, Neuron3)가 임계치를 넘어 발화 (fire) 기능을 하였을 때 초기화 (reset)와 측면 억제 (lateral inhibition) 동작에 필요한 신호가 각 뉴런 회로에 선택적으로 부여되는 동작을 시간에 따라 나타낸 그래프이다. 도 14 의 (a), (b) 및 (c)에 도시된 신호들은 도 14의 (d)에 표시된 각 뉴런 회로들의 발화 신호에 따라 각 뉴런 회로들에 인가되는 초기화 신호(Vreset)과 측면 억제 신호(Vlateral inhibition)이다. 상기에 전술한 각 뉴런 회로에 포함된 스위치들의 출력 신호와 일치한다.
도 15는 외부 시냅스로부터 받은 입력 신호와 중앙 제어 장치 (Global Self-controller)로부터 선택적으로 신호를 받은 뉴런 모방 소자의 입력 단자의 전압을 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 15 의 (a), (b) 및 (c)는 각 뉴런 회로(Neuron1, Neuron2, Neuron3)의 입력 단자인 뉴런 모방 소자들의 제1 게이트 전극의 전압들로써, 외부 시냅스로부터 인가된 입력 신호들과 중앙 제어 장치로부터 인가된 초기화 신호 또는 측면 억제 신호의 합으로 나타난다. 따라서, 각 뉴런 회로들이 발화 기능을 할 때마다, 각 뉴런 회로의 입력 단자의 전압들이 증가됨을 알 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 신경 모방 시스템은 점유 면적이 작아 집적도를 높일 수 있으며, 실리콘 기술 기반으로 신뢰성이 있으며, 신경모방 기술에서 구현해야 하는 다양한 기능의 구현이 가능하므로, 신경모방 기술 분야에 널리 사용될 수 있다.
20 : 뉴런 회로
200 : 뉴런 모방 소자
210 : 제1 스위치 소자
220 : 출력 회로
30 : 중앙 제어 장치
310 : 중앙 제어 모듈
312 : 확장된 펄스 발생 회로
314 : 전압 쉬프트 회로
316 : SW1 구동 회로
320 : 개별 제어 모듈
322 : 스위치 컨트롤러
324 : LI/Reset 신호 선택 스위치
40 : 항상성 회로
400 : 개별 커런트 미러 회로
410 : 공통 커런트 미러 회로
420 : 전하 저장 장치

Claims (14)

  1. 시냅스 어레이로부터 입력되는 신호들에 따라 발화 신호를 출력하도록 구성된 하나 또는 둘 이상의 뉴런 회로들; 및
    상기 뉴런 회로들로부터 출력되는 발화 신호를 이용하여, 상기 뉴런 회로들에 대한 제어 신호를 생성하여 제공하도록 구성된 중앙 제어 장치;를 구비하고,
    상기 뉴런 회로는,
    시냅스 어레이로부터 입력되는 신호에 따라 전하가 축적되고, 축적된 전하에 의한 전위가 역치값에 도달하면 전류가 갑자기 흐르도록 구성된 뉴런 모방 소자;
    상기 뉴런 모방 소자의 일단과 연결되어 뉴런 모방 소자의 출력 신호에 따라 발화 신호를 출력하는 출력 회로; 및
    상기 뉴런 모방 소자의 일단과 출력 회로의 사이에 위치하여 뉴런 모방 소자와 출력 회로의 전기적 연결을 제어하도록 구성된 제1 스위치 소자; 를 구비하고,
    상기 뉴런 모방 소자는,
    기판 상에 구비된 수평 또는 수직으로 얇은 구조를 갖는 제1 반도체 영역;
    상기 제1 반도체 영역에 구비된 제1, 제2, 제3, 제4 도핑 영역;
    상기 도핑영역에서 적어도 제2 및 제3 도핑영역이 상기 기판 상에서 일정 거리 이격되어 구비되도록 하는 제1 절연막;
    제2 또는 제3 도핑 영역의 일 측면에 위치하되, 제2 및 제3 도핑 영역과 전기적으로 절연된 제1 게이트 전극;
    상기 제2 또는 제3 도핑 영역의 일 측면과 상기 제1 게이트 전극 사이에 적어도 구비된 제1 게이트 절연막 스택;을 구비하고,
    상기 뉴런 회로는 시냅스 어레이로부터 상기 뉴런 모방 소자의 제1 게이트 전극으로 입력되는 신호에 따라 상기 중앙 제어 회로로 발화 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 신경 모방 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 뉴런 모방 소자의 제1 게이트 전극은 전류 미러 (current mirror) 회로를 통해 시냅스 어레이와 연결되며,
    상기 뉴런 모방 소자는 시냅스 어레이로부터 인가되는 신호에 따라 제1 게이트 절연막 스택에 전하를 저장하거나 제거함으로써, 뉴런의 통합 (integrate) 기능을 구현한 것을 특징으로 하는 신경 모방 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 중앙 제어 장치(Global Self-controller)는,
    하나의 뉴런 회로로부터 발화 신호(Fire signal)가 입력되면,
    발화된 뉴런 회로에는 뉴런 모방 소자에 대한 초기화 신호(Reset signal)를 생성하여 제공하고,
    발화되지 않은 뉴런 회로에는 뉴런 모방 소자에 대한 측면 억제 신호(Lateral Inhibition signal)을 생성하여 제공하는 것을 특징으로 하는 신경 모방 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 중앙 제어 장치(Global Self-controller)는,
    하나의 뉴런 회로로부터 발화 신호(Fire signal)가 입력되면,
    뉴런 회로들에 포함된 상기 제1 스위치 소자들에 대한 턴오프(Turn-Off) 신호를 생성하여 뉴런 회로들로 제공하여 제1 스위치 소자들을 끄고 뉴런 모방 소자에 전류가 흐르지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 신경 모방 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 뉴런 회로는,
    상기 뉴런 모방 소자에 병렬로 연결되고 출력 회로의 출력 신호에 의해 구동되도록 구성된 제2 스위치 소자; 및
    출력 회로와 연결된 되먹임 회로;를 더 구비하고,
    상기 제2 스위치 소자는 출력 회로로부터 출력된 발화 신호에 의해 턴온되도록 구성하여, 뉴런 회로의 발화 기능을 향상시키는 것을 특징으로 하는 신경 모방 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 신경 모방 시스템은 각 뉴런 회로들에 대응되도록 구비된 하나 또는 둘 이상의 항상성 (homeostasis) 회로들을 더 구비하고,
    상기 항상성 (homeostasis) 회로의 입력단은 뉴런 회로의 출력 회로의 출력단과 연결되고, 상기 항상성 (homeostasis) 회로의 출력단은 뉴런 모방 소자의 제2 게이트 전극과 연결되어 있는 것을 특징으로 하며,
    상기 항상성 회로는 상기 출력 회로의 출력단의 신호에 따라 상기 뉴런 모방 소자의 제2 게이트 전극에 인가되는 전압을 제어하여, 상기 뉴런 모방 소자의 발화 (fire) 문턱 전압을 조절하고 뉴런 회로의 발화 주기를 조절함으로써, 뉴런의 항상성 기능을 구현할 수 있는 것을 특징으로 하는 신경 모방 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 항상성 (homeostasis) 회로는
    뉴런 회로의 출력단에 연결된 개별 전류 미러 (current mirror) 회로;
    중앙 제어 장치에 연결된 모든 뉴런 회로들에 공통으로 연결된 공통 전류 미러 (current mirror) 회로; 및
    전하를 저장할 수 있는 소자로서, 상기 개별 전류 미러 회로 및 상기 공통 전류 미러 회로에 흐르는 전류들에 의해 전하가 축적되도록 구성되고, 뉴런 회로의 뉴런 모방 소자의 제2 게이트 전극에 연결되는 전하 저장 장치;를 구비하는 것을 특징으로 하는 신경 모방 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 항상성 (homeostasis) 회로는
    뉴런 회로가 발화되면,
    발화 신호가 개별 전류 미러에 전달되고 발화된 뉴런 회로에 연결된 상기 전하 저장 장치에 전하를 축적하여 상기 발화한 뉴런 회로의 문턱 전압을 올리는 것을 특징으로 하며,
    발화 신호가 공통 전류 미러에 전달되고 발화되지 않은 뉴런 회로에 연결된 전하 저장 장치에 축적된 전하를 방출하여 상기 발화되지 않은 뉴런 회로의 문턱 전압을 낮추는 것을 특징으로 하는 신경 모방 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 중앙 제어 장치는,
    하나 또는 둘 이상의 뉴런 회로들 중 하나로부터 발화 신호가 입력되면, 초기화 펄스를 생성하여 출력하는 중앙 제어 모듈; 및
    상기 초기화 펄스 및 뉴런 회로들로부터 입력되는 발화 신호에 따라, 각 뉴런 회로들을 제어하는 신호들을 생성하여 대응되는 뉴런 회로들로 출력하는 하나 또는 둘 이상의 개별 제어 모듈;
    을 구비하여, 상기 중앙 제어 장치는 각 뉴런 회로들로부터 입력되는 발화 신호를 이용하여 각 뉴런 회로들에 대한 제어 신호를 생성하여 뉴런 회로들로 제공하는 것을 특징으로 하는 신경 모방 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 중앙 제어 모듈은,
    입력된 발화 신호의 펄스 폭을 확장시켜 출력하는 확장된 펄스 발생 회로;
    확장된 펄스 폭을 갖는 발화 신호의 크기를 증대시켜 초기화 펄스를 생성하여 상기 개별 제어 모듈들로 출력하는 전압 쉬프트 회로; 및
    상기 확장된 펄스 폭을 갖는 발화 신호를 이용하여 제1 스위치 소자에 대한 턴 오프 신호를 생성하여 각 뉴런 회로들로 출력하는 SW1 구동 모듈;
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 신경 모방 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 개별 제어 모듈은,
    뉴런 회로로부터 발화 신호가 입력되면, 초기화 신호를 선택하기 위하여 필요한 사전 설정된 선택 신호를 생성하여 출력하는 스위치 컨트롤러;
    상기 스위치 컨트롤러 및 상기 중앙 제어 모듈로부터 입력되는 신호들에 따라 초기화 신호 및 측면 억제 신호 중 하나를 선택하여 뉴런 회로의 뉴런 모방 소자로 출력하는 LI/Reset 신호 선택 스위치;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 신경 모방 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 LI/Reset 신호 선택 스위치는,
    상기 스위치 컨트롤러로부터 선택 신호가 입력되고 상기 중앙 제어 모듈로부터 초기화 펄스가 입력되면 초기화 신호를 선택하여 출력하고,
    상기 스위치 컨트롤러로부터 선택 신호가 입력되지 않으면 측면 억제 신호를 선택하여 출력하는 것을 특징으로 하는 신경 모방 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 출력 회로는,
    입력 신호를 반전시켜 출력하는 반전 회로(Inverter), 및
    입력 전류를 전압으로 변환시켜 출력하는 전류-전압 변환 회로(Current-Voltage Converter) 중 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 신경 모방 시스템.
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