KR102296316B1 - Nonvolatile memory device and operating method of the same - Google Patents
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Abstract
비휘발성 메모리 소자는, 저항변화 층(resistance switching layer), 저항변화 층의 상부 또는 하부에 위치하는 게이트(Gate), 저항변화 층과 게이트 사이에 형성된 게이트 산화물 층(Gate Oxide Layer), 및 저항변화 층 상에 형성되고, 서로 이격되는 소스(Source) 및 드레인(Drain)을 포함할 수 있다.
저항변화 층의 저항 값은, 저항변화 층의 상부를 통해 조사되는 빛의 조도(illumination) 에 기초하여 변화되고, 변화된 저항 값으로 유지될 수 있다.A nonvolatile memory device includes a resistance switching layer, a gate positioned above or below the resistance change layer, a gate oxide layer formed between the resistance change layer and the gate, and a resistance change layer. It is formed on the layer and may include a source (Source) and a drain (Drain) spaced apart from each other.
The resistance value of the resistance change layer may be changed based on illumination of light irradiated through the upper portion of the resistance change layer, and may be maintained at the changed resistance value.
Description
본 개시는 비휘발성 메모리 소자 및 이의 동작 방법에 관한다.The present disclosure relates to a non-volatile memory device and a method of operating the same.
반도체 메모리 장치로서 비휘발성 메모리 소자는 전원이 끊어진 상태에서도 정보를 유지하고 있어 전원이 공급되면 다시 저장된 정보를 사용할 수 있다. 비휘발성 메모리 소자는 휴대폰, 디지털 카메라, 휴대용 정보 단말기(PDA), 이동식 컴퓨터 장치, 고정식 컴퓨터 장치 및 기타 장치에서 사용될 수 있다. As a semiconductor memory device, a nonvolatile memory device retains information even when power is cut off, so that the stored information can be used again when power is supplied. Non-volatile memory devices may be used in cell phones, digital cameras, portable digital assistants (PDAs), mobile computer devices, stationary computer devices, and other devices.
최근에는 차세대 뉴로모픽 컴퓨팅(Neuromorphic Computing) 플랫폼 혹은 뉴럴 네트워크(Neural Network)를 형성하는 칩에 비휘발성 메모리 소자를 사용하는 연구가 진행 중이다.Recently, research using a nonvolatile memory device in a next-generation neuromorphic computing platform or a chip forming a neural network is in progress.
특히, 광전도성(photoconductivity; PC)을 갖는 비휘발성 메모리 소자에 대한 연구가 요구되는 실정이다.In particular, research on a nonvolatile memory device having photoconductivity (PC) is required.
비휘발성 메모리 소자 및 이의 동작 방법을 제공하는데 있다. 또한, 상기 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는 데 있다. 해결하려는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.To provide a non-volatile memory device and a method of operating the same. Another object of the present invention is to provide a computer-readable recording medium in which a program for executing the method in a computer is recorded. The technical problem to be solved is not limited to the technical problems as described above, and other technical problems may exist.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 개시의 제1 측면은, 비휘발성 메모리 소자에 있어서, 저항변화 층(resistance switching layer); 상기 저항변화 층의 상부 또는 하부에 위치하는 게이트(Gate); 상기 저항변화 층과 상기 게이트 사이에 형성된 게이트 산화물 층(Gate Oxide Layer); 및 상기 저항변화 층 상에 형성되고, 서로 이격되는 소스(Source) 및 드레인(Drain);을 포함하고, 상기 저항변화 층의 저항 값은, 상기 저항변화 층의 상부를 통해 조사되는 빛의 조도(illumination)에 기초하여 변화되고 상기 변화된 저항 값으로 유지되는 것인, 비휘발성 메모리 소자를 제공할 수 있다.As a technical means for achieving the above technical problem, a first aspect of the present disclosure is a nonvolatile memory device, comprising: a resistance switching layer; a gate positioned above or below the resistance change layer; a gate oxide layer formed between the resistance change layer and the gate; and a source and a drain that are formed on the resistance change layer and are spaced apart from each other, wherein the resistance value of the resistance change layer is the illuminance ( illumination) and maintained at the changed resistance value.
또한, 상기 게이트는, 상기 저항변화 층의 상부에 위치하고, 상기 조사되는 빛이 통과할 수 있는 투명 전도성 전극(Transparent Conducting Electrode; TCE) 게이트인 것인, 비휘발성 메모리 소자를 제공할 수 있다.In addition, the gate may be a transparent conductive electrode (TCE) gate positioned on the resistance change layer and through which the irradiated light may pass, a nonvolatile memory device may be provided.
또한, 상기 저항변화 층은, 2D 물질로 형성되고, 상기 2D 물질은 TMD(Transition Metal Dichalcogenide), Phosphorene(Black Phosphorus) 및 Graphene으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인, 비휘발성 메모리 소자를 제공할 수 있다.In addition, the resistance change layer is formed of a 2D material, and the 2D material includes at least one selected from the group consisting of Transition Metal Dichalcogenide (TMD), Phosphorene (Black Phosphorus), and Graphene. can provide
또한, 상기 저항변화 층은, 단층 또는 다층으로 형성되는 것인, 비휘발성 메모리 소자를 제공할 수 있다.Also, the resistance change layer may be formed of a single layer or a multilayer, and a nonvolatile memory device may be provided.
또한, 상기 저항변화 층은, 3D 물질로 형성되고, 상기 3D 물질은 Germanane, Silicene, Ⅲ-V 및 IGZO으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인, 비휘발성 메모리 소자를 제공할 수 있다.In addition, the resistance change layer may be formed of a 3D material, and the 3D material may include at least one selected from the group consisting of Germanane, Silicene, III-V, and IGZO.
또한, 상기 게이트 산화물 층은 다층으로 형성되고, 상기 다층에는 전하 트래핑 층(charge trapping layer)이 포함되는 것인, 비휘발성 메모리 소자를 제공할 수 있다.In addition, the nonvolatile memory device may be provided in which the gate oxide layer is formed in multiple layers, and the multilayer includes a charge trapping layer.
또한, 상기 게이트에 오프-전압(off-voltage)이 인가된 상태에서, 상기 저항변화 층의 상부를 통해 조사되는 빛의 조도가 클수록 상기 저항변화 층의 저항 값이 감소하는 것인, 비휘발성 메모리 소자를 제공할 수 있다.In addition, in a state in which an off-voltage is applied to the gate, as the illuminance of light irradiated through the upper portion of the resistance change layer increases, the resistance value of the resistance change layer decreases. devices can be provided.
또한, 상기 게이트의 전압에 온-전압(on-voltage)을 인가하면 상기 저항변화 층의 저항 값이 리셋(reset)되는 것인, 비휘발성 메모리 소자를 제공할 수 있다.In addition, it is possible to provide a nonvolatile memory device in which the resistance value of the resistance change layer is reset when an on-voltage is applied to the voltage of the gate.
본 개시의 제 2 측면은, 복수의 비휘발성 메모리 소자들을 포함하는 크로스바 어레이(crossbar array)를 이용하여 소정의 동작을 수행하는 방법에 있어서, 상기 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각의 게이트에 오프-전압을 인가하는 단계; 상기 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각의 저항변화 층의 저항 값을 변화시키기 위해, 복수의 엘리먼트들 각각에 대응하는 조도의 빛을 상기 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각에 조사하는 단계; 및 상기 크로스바 어레이의 적어도 하나의 로우(row)에 게이트 오프-전압을 인가하고 상기 크로스바 어레이의 컬럼(column) 별로 소스 전류를 획득함으로써, 상기 소정의 동작을 수행하는 단계;를 포함하는, 방법을 제공할 수 있다.A second aspect of the present disclosure provides a method of performing a predetermined operation using a crossbar array including a plurality of non-volatile memory devices, wherein the gate of each of the plurality of non-volatile memory devices is turned off- applying a voltage; irradiating light of an illuminance corresponding to each of the plurality of elements to each of the plurality of non-volatile memory elements to change the resistance value of the resistance change layer of each of the plurality of non-volatile memory elements; and performing the predetermined operation by applying a gate-off-voltage to at least one row of the crossbar array and acquiring a source current for each column of the crossbar array. can provide
또한, 상기 조사하는 단계는, 이미지에 포함된 복수의 픽셀들 각각에 대응하는 조도의 빛을 상기 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각에 조사하는 단계;를 포함하고, 상기 소정의 동작을 수행하는 단계는, 상기 크로스바 어레이의 로우 별로 게이트 오프-전압을 인가하고 상기 크로스바 어레이의 컬럼 별로 소스 전류를 획득함으로써, 상기 이미지를 획득하는 단계;를 포함하는, 방법을 제공할 수 있다.The irradiating may include irradiating light of an illuminance corresponding to each of the plurality of pixels included in the image to each of the plurality of non-volatile memory devices, and performing the predetermined operation. may provide a method, including: acquiring the image by applying a gate-off voltage to each row of the crossbar array and acquiring a source current for each column of the crossbar array.
또한, 상기 조사하는 단계는, 상기 비휘발성 메모리 소자들 위에 복수의 컬러 필터들을 순차적으로 배치하고, 이미지에 포함된 복수의 픽셀들 각각에 대응하는 조도의 빛을 상기 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각에 조사하는 단계;를 포함하고, 상기 소정의 동작을 수행하는 단계는, 상기 크로스바 어레이의 로우 별로 게이트 오프-전압을 인가하고, 상기 크로스바 어레이의 컬럼 별로 소스 전류를 획득함으로써, 상기 복수의 컬러 필터들 각각에 대응하는 중간 이미지들을 획득하는 단계; 및 상기 중간 이미지들을 합성하여 컬러 이미지를 획득하는 단계;를 포함하는, 방법을 제공할 수 있다.In addition, the irradiating may include sequentially disposing a plurality of color filters on the non-volatile memory devices, and applying light of an illuminance corresponding to each of a plurality of pixels included in an image to each of the plurality of non-volatile memory devices. and irradiating to; and performing the predetermined operation includes applying a gate-off voltage to each row of the crossbar array and acquiring a source current for each column of the crossbar array, so that the plurality of color filters obtaining intermediate images corresponding to each of the ; and obtaining a color image by synthesizing the intermediate images.
또한, 상기 조사하는 단계는, 뉴럴 네트워크의 특정 레이어 포함된 복수의 웨이트들 각각에 대응하는 조도의 빛을 상기 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각에 조사하는 단계;를 포함하고, 상기 소정의 동작을 수행하는 단계는, 상기 크로스바 어레이의 적어도 하나의 로우에 게이트 오프-전압을 인가하고 상기 크로스바 어레이의 컬럼 별로 소스 전류를 획득함으로써, 상기 특정 레이어의 컨벌루션 연산을 수행하는 단계;를 포함하는, 방법을 제공할 수 있다.In addition, the irradiating includes irradiating light of an illuminance corresponding to each of a plurality of weights included in a specific layer of a neural network to each of the plurality of non-volatile memory devices; The performing step includes: performing a convolution operation of the specific layer by applying a gate-off-voltage to at least one row of the crossbar array and acquiring a source current for each column of the crossbar array; can provide
또한, 상기 조사하는 단계는, 이미지 상에서 소정의 스트라이드(stride) 간격만큼 윈도우(window)를 시프트(shift)하며, 상기 크로스바 어레이의 컬럼 별로 상기 윈도우에 포함된 복수의 엘리먼트들에 대응하는 조도의 빛을 조사하는 단계;를 포함하는, 방법을 제공할 수 있다.Also, in the irradiating step, a window is shifted by a predetermined stride interval on the image, and light having an illuminance corresponding to a plurality of elements included in the window for each column of the crossbar array. It can provide a method, including the step of irradiating;
본 개시의 제 3 측면은, 복수의 비휘발성 메모리 소자들을 포함하는 크로스바 어레이를 이용하여 이미지를 인식하는 방법에 있어서, 상기 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각의 게이트에 오프-전압을 인가하는 단계; 이미지 상에서 소정의 스트라이드 간격만큼 윈도우를 시프트하며, 상기 크로스바 어레이의 컬럼 별로 상기 윈도우에 포함된 상기 이미지의 복수의 픽셀들 각각에 대응하는 조도의 빛을 조사하는 단계; 상기 크로스바 어레이의 적어도 하나의 로우에 게이트 오프-전압을 인가하고 상기 크로스바 어레이의 컬럼 별로 제1 소스 전류를 획득함으로써, 풀링(pooling) 연산을 수행하는 단계; 상기 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각의 게이트에 온-전압을 인가하여 상기 크로스바 어레이를 리셋한 후, 오프-전압을 인가하는 단계; 뉴럴 네트워크의 특정 레이어 포함된 복수의 웨이트들 각각에 대응하는 조도의 빛을 상기 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각에 조사하는 단계; 상기 크로스바 어레이의 적어도 하나의 로우에 상기 제1 소스 전류에 대응하는 전압을 드레인 전압으로 인가하고, 상기 크로스바 어레이의 컬럼 별로 제2 소스 전류를 획득함으로써, 풀리-커넥티드(Fully-Connected) 컨벌루션 연산을 수행하는 단계; 및 상기 제2 소스 전류에 기초하여 상기 이미지를 인식하는 단계;를 포함하는, 비휘발성 메모리 장치를 제공할 수 있다..A third aspect of the present disclosure provides a method of recognizing an image using a crossbar array including a plurality of non-volatile memory devices, the method comprising: applying an off-voltage to gates of each of the plurality of non-volatile memory devices; shifting a window by a predetermined stride interval on an image and irradiating light of an illuminance corresponding to each of a plurality of pixels of the image included in the window for each column of the crossbar array; performing a pooling operation by applying a gate-off-voltage to at least one row of the crossbar array and acquiring a first source current for each column of the crossbar array; resetting the crossbar array by applying an on-voltage to the gates of each of the plurality of nonvolatile memory devices, and then applying an off-voltage; irradiating light of an illuminance corresponding to each of a plurality of weights included in a specific layer of a neural network to each of the plurality of non-volatile memory devices; Fully-connected convolution operation by applying a voltage corresponding to the first source current as a drain voltage to at least one row of the crossbar array and obtaining a second source current for each column of the crossbar array performing the steps; and recognizing the image based on the second source current.
또한, 본 개시의 제 4 측면은, 제 2 측면의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공할 수 있다.In addition, a fourth aspect of the present disclosure may provide a computer-readable recording medium in which a program for executing the method of the second aspect is recorded on a computer.
전술한 본 개시의 과제 해결 수단에 의하면, 복수의 비휘발성 메모리 소자들을 포함하는 크로스바 어레이는, 광전도성 특성을 가질 수 있고, 이러한 특성을 이용하여 본 개시에 따른 크로스바 어레이를 이미지 저장/획득 과정에 활용할 수 있다.According to the above-described problem solving means of the present disclosure, a crossbar array including a plurality of non-volatile memory elements may have a photoconductive characteristic, and the crossbar array according to the present disclosure is used in an image storage/acquisition process by using this characteristic. can be utilized
또한, 전술한 본 개시의 과제 해결 수단에 의하면, 크로스바 어레이는 벡터 행렬 연산을 수행할 수 있고, 이러한 특성을 이용하여 본 개시에 따른 크로스바 어레이를 뉴럴 네트워크의 학습 및 추론 과정에 활용할 수 있다.In addition, according to the above-described problem solving means of the present disclosure, the crossbar array can perform vector matrix operation, and the crossbar array according to the present disclosure can be utilized for learning and reasoning of a neural network by using this characteristic.
또한, 전술한 본 개시의 과제 해결 수단에 의하면, 이미징 모드(이미지 저장/획득)에서 활용된 크로스바 어레이는 리셋된 후 인식 모드(뉴럴 네트워크 학습/추론)에서 활용될 수 있다. 이로써 하나의 크로스바 어레이를 이용하여 이미징 모드 및 인식 모드를 수행할 수 있다.In addition, according to the above-described problem solving means of the present disclosure, the crossbar array utilized in the imaging mode (image storage/acquisition) may be utilized in the recognition mode (neural network learning/inference) after being reset. Accordingly, the imaging mode and the recognition mode can be performed using one crossbar array.
도 1a 내지 1b는 일 실시예에 따른 복수의 비휘발성 메모리 소자들을 포함하는 크로스바 어레이의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 뉴럴 네트워크의 아키텍처를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 뉴럴 네트워크에서 입력 피처맵 및 출력 피처맵의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4b는 일 실시예에 따른 벡터-행렬 곱셈과 크로스바 어레이에서 수행되는 연산을 비교하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 크로스바 어레이에서 컨벌루션 연산이 수행되는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 서브 피처맵과 크로스바 어레이가 매칭되는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7b는 일 실시예에 따른 포토 트랜지스터 및 메모리 특성을 갖는 비휘발성 메모리 소자를 도시한 측면도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 저항 값이 빛을 조사하기 전후에 따라 달라지는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a 내지 도 9b는 일 실시예에 따른 복수의 비휘발성 메모리 소자들을 포함하는 크로스바 어레이를 이용하여 이미지를 저장하고, 저장된 이미지를 획득하는 과정을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 복수의 비휘발성 메모리 소자들을 포함하는 크로스바 어레이를 이용하여 뉴럴 네트워크의 풀링 연산을 수행하는 과정을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 복수의 비휘발성 메모리 소자들을 포함하는 크로스바 어레이를 이용하여 뉴럴 네트워크의 컨벌루션 연산을 수행하는 과정을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 12는 일 실시예에 따른 크로스바 어레이를 이용하여 소정의 동작을 수행하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 13은 일 실시예에 따른 메모리 시스템을 나타내는 블록도이다.1A to 1B are diagrams for explaining a method of operating a crossbar array including a plurality of nonvolatile memory devices according to an exemplary embodiment.
2 is a diagram for explaining an architecture of a neural network according to an embodiment.
3 is a diagram for describing a relationship between an input feature map and an output feature map in a neural network according to an embodiment.
4A to 4B are diagrams for comparing vector-matrix multiplication and an operation performed in a crossbar array according to an exemplary embodiment.
5 is a diagram for explaining an example in which a convolution operation is performed in a crossbar array according to an embodiment.
6 is a diagram for explaining an example in which a sub-feature map and a crossbar array are matched according to an embodiment.
7A to 7B are side views illustrating a phototransistor and a nonvolatile memory device having memory characteristics according to an exemplary embodiment.
8 is a diagram for explaining a phenomenon in which a resistance value of a nonvolatile memory device varies according to before and after light is irradiated, according to an exemplary embodiment.
9A to 9B are exemplary diagrams for explaining a process of storing an image and acquiring the stored image using a crossbar array including a plurality of non-volatile memory devices, according to an exemplary embodiment.
10 is an exemplary diagram for explaining a process of performing a pulling operation of a neural network using a crossbar array including a plurality of nonvolatile memory devices according to an embodiment.
11 is an exemplary diagram for explaining a process of performing a convolution operation of a neural network using a crossbar array including a plurality of nonvolatile memory devices according to an embodiment.
12 is a flowchart illustrating a method of performing a predetermined operation using a crossbar array according to an exemplary embodiment.
13 is a block diagram illustrating a memory system according to an exemplary embodiment.
본 명세서에서 다양한 곳에 등장하는 "일부 실시예에서" 또는 "일 실시예에서" 등의 어구는 반드시 모두 동일한 실시예를 가리키는 것은 아니다.The appearances of the phrases "in some embodiments" or "in one embodiment" in various places in this specification are not necessarily all referring to the same embodiment.
본 개시의 일부 실시예는 기능적인 블록 구성들 및 다양한 처리 단계들로 나타내어질 수 있다. 이러한 기능 블록들의 일부 또는 전부는, 특정 기능들을 실행하는 다양한 개수의 하드웨어 및/또는 소프트웨어 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 개시의 기능 블록들은 하나 이상의 마이크로프로세서들에 의해 구현되거나, 소정의 기능을 위한 회로 구성들에 의해 구현될 수 있다. 또한, 예를 들어, 본 개시의 기능 블록들은 다양한 프로그래밍 또는 스크립팅 언어로 구현될 수 있다. 기능 블록들은 하나 이상의 프로세서들에서 실행되는 알고리즘으로 구현될 수 있다. 또한, 본 개시는 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다. “매커니즘”, “요소”, “수단” 및 “구성”등과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다.Some embodiments of the present disclosure may be represented by functional block configurations and various processing steps. Some or all of these functional blocks may be implemented in various numbers of hardware and/or software configurations that perform specific functions. For example, the functional blocks of the present disclosure may be implemented by one or more microprocessors, or by circuit configurations for a given function. Also, for example, the functional blocks of the present disclosure may be implemented in various programming or scripting languages. The functional blocks may be implemented as an algorithm running on one or more processors. Also, the present disclosure may employ prior art for electronic configuration, signal processing, and/or data processing, and the like. Terms such as “mechanism”, “element”, “means” and “configuration” may be used broadly and are not limited to mechanical and physical components.
또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 연결 선 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것일 뿐이다. 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가된 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들에 의해 구성 요소들 간의 연결이 나타내어질 수 있다. In addition, the connecting lines or connecting members between the components shown in the drawings only exemplify functional connections and/or physical or circuit connections. In an actual device, a connection between components may be represented by various functional connections, physical connections, or circuit connections that are replaceable or added.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 개시를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1a 내지 1b는 일 실시예에 따른 복수의 비휘발성 메모리 소자들을 포함하는 크로스바 어레이의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.1A to 1B are diagrams for explaining a method of operating a crossbar array including a plurality of nonvolatile memory devices according to an exemplary embodiment.
도 1a를 참조하면, 크로스바 어레이는 복수의 프리 시냅틱 뉴런(presynaptic neuron, 10), 복수의 포스트 시냅틱 뉴런(postsynaptic neuron, 20), 및 복수의 프리 시냅틱 뉴런(10)과 복수의 포스트 시냅틱 뉴런(20) 사이의 각각의 연결을 제공하는 시냅스(30)를 포함할 수 있다. 시냅스(30)는 비휘발성 메모리 소자를 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 1A , the crossbar array includes a plurality of presynaptic neurons (10), a plurality of postsynaptic neurons (20), and a plurality of presynaptic neurons (10) and a plurality of postsynaptic neurons (20). ) may include a
일 실시예에서 크로스바 어레이는, 4개의 프리 시냅틱 뉴런(10), 4개의 포스트 시냅틱 뉴런(20) 및 16개의 시냅스(30)를 포함하고 있으나, 이들 개수는 다양하게 변형될 수 있다. 프리 시냅틱 뉴런(10)의 개수가 N개(여기서, N은 2 이상의 자연수임)이고, 포스트 시냅틱 뉴런(20)의 개수가 M개(여기서, M은 2 이상의 자연수이고, N과 같거나 다를 수 있음)인 경우, N*M개의 시냅스(30)가 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. In an embodiment, the crossbar array includes four
구체적으로, 복수의 프리 시냅틱 뉴런(10) 각각과 연결되고 제1 방향(예를 들어, 가로 방향)으로 연장하는 배선(12)과, 복수의 포스트 시냅틱 뉴런(20) 각각과 연결되고 제1 방향과 교차하는 제2 방향(예를 들어, 세로 방향)으로 연장하는 배선(22)이 제공될 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위하여, 제1 방향으로 연장하는 배선(12)을 로우 배선(row line)이라 하고, 제2 방향으로 연장하는 배선(22)을 컬럼 배선(column line)이라 하기로 한다. 복수의 시냅스(30)는 로우 배선(12)과 컬럼 배선(22)의 교차점마다 배치되어 대응하는 로우 배선(12)과 대응하는 컬럼 배선(22)을 서로 연결시킬 수 있다.Specifically, a
프리 시냅틱 뉴런(10)은 신호 예컨대, 특정 데이터에 해당하는 신호를 생성하여 로우 배선(12)으로 보내는 역할을 수행하고, 포스트 시냅틱 뉴런(20)은 시냅스(30)를 거친 시냅틱 신호를 컬럼 배선(22)을 통하여 수신하고 처리하는 역할을 수행할 수 있다. 프리 시냅틱 뉴런(10)은 액손(axon)에 대응하고, 포스트 시냅틱 뉴런(20)은 뉴런(neuron)에 대응할 수 있다. 그러나, 프리 시냅틱 뉴런인지 포스트 시냅틱 뉴런인지 여부는 다른 뉴런과의 상대적인 관계에 의해 결정될 수 있다. 예컨대, 프리 시냅틱 뉴런(10)이 다른 뉴런과의 관계에서 시냅틱 신호를 수신하는 경우 포스트 시냅틱 뉴런으로 기능할 수 있다. 유사하게, 포스트 시냅틱 뉴런(20)이 다른 뉴런과의 관계에서 신호를 보내는 경우 프리 시냅틱 뉴런으로 기능할 수 있다. 프리 시냅틱 뉴런(10) 및 포스트 시냅틱 뉴런(20)은 CMOS 등 다양한 회로로 구현될 수 있다.The
프리 시냅틱 뉴런(10)과 포스트 시냅틱 뉴런(20) 사이의 연결은 시냅스(30)를 통하여 이루어질 수 있다. 여기서, 시냅스(30)는 양단에 인가되는 전기적 펄스 예컨대, 전압 또는 전류에 따라 전기적 전도도(electrical conductance) 혹은 웨이트(weight)가 변하는 소자이다.A connection between the
시냅스(30)는 예컨대, 가변 저항 소자를 포함할 수 있다. 가변 저항 소자는 양단에 인가되는 전압 또는 전류에 따라 서로 다른 저항 상태 사이에서 스위칭할 수 있는 소자로서, 복수의 저항 상태를 가질 수 있는 다양한 물질 예컨대, 전이 금속 산화물, 페로브스카이트(perovskite)계 물질 등과 같은 금속 산화물, 칼코게나이드(chalcogenide)계 물질 등과 같은 상변화 물질, 강유전 물질, 강자성 물질 등을 포함하는 단일막 구조 또는 다중막 구조를 가질 수 있다. 가변 저항 소자 및/또는 시냅스(30)가 고저항 상태에서 저저항 상태로 변하는 동작을 셋(set) 동작이라 하고, 저저항 상태에서 고저항 상태로 변하는 동작을 리셋(reset) 동작이라 할 수 있다.The
단, 시냅스(30)는, RRAM, PRAM, FRAM, MRAM 등의 메모리 장치에 이용되는 가변 저항 소자와 달리, 셋 동작과 리셋 동작에서 급격한(abrupt) 저항 변화가 없고, 입력되는 전기적 펄스의 개수에 따라 전도도가 점진적으로 변화하는 아날로그 거동(analog behavior)을 보이는 등, 메모리에서의 가변 저항 소자와 구별되는 여러가지 특성을 갖도록 구현될 수 있다. However, in the
위와 같은 크로스바 어레이의 동작을 도 1b를 참조하여 설명하면 아래와 같다. 설명의 편의를 위하여 로우 배선(12)을 위쪽에서부터 순서대로 제1 로우 배선(12A), 제2 로우 배선(12B), 제3 로우 배선(12C) 및 제4 로우 배선(12D)이라 칭할 수 있고, 컬럼 배선(22)을 좌측에서부터 순서대로 제1 컬럼 배선(22A), 제2 컬럼 배선(22B), 제3 컬럼 배선(22C) 및 제4 컬럼 배선(22D)이라 칭할 수 있다.An operation of the above crossbar array will be described with reference to FIG. 1B as follows. For convenience of description, the
도 1b를 참조하면, 최초 상태에서, 시냅스(30) 전부는 전도도가 상대적으로 낮은 상태 즉, 고저항 상태에 있을 수 있다. 복수의 시냅스(30)의 적어도 일부가 저저항 상태인 경우, 이들을 고저항 상태로 만드는 초기화 동작이 추가로 필요할 수 있다. 복수의 시냅스(30) 각각은 저항 및/또는 전도도 변화에 요구되는 소정의 임계값을 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 각 시냅스(30)의 양단에 소정 임계값보다 작은 크기의 전압 또는 전류가 인가되면 시냅스(30)의 전도도는 변하지 않고, 시냅스(30)에 소정 임계값보다 큰 전압 또는 전류가 인가되면 시냅스(30)의 전도도는 변화할 수 있다.Referring to Figure 1b, in the initial state, all of the
이 상태에서, 특정 데이터를 특정 컬럼 배선(22)의 결과로 출력하는 동작을 수행하기 위하여, 특정 데이터에 해당하는 입력 신호가 로우 배선(12)으로 들어올 수 있다. 이때, 입력 신호는 로우 배선(12) 각각에 대한 전기적 펄스의 인가로 나타날 수 있다. 예컨대, 로우 배선(12)으로 '0011'의 데이터에 해당하는 입력 신호가 들어오는 경우, '0'에 대응하는 로우 배선(12) 예컨대, 제1 및 제2 로우 배선(12A, 12B)에는 전기적 펄스가 인가되지 않고, '1'에 대응하는 로우 배선(12) 예컨대, 제3 및 제4 로우 배선(12C, 12D)에만 전기적 펄스가 인가될 수 있다. 이때, 컬럼 배선(22)은 출력을 위하여 적절한 전압 또는 전류로 구동될 수 있다.In this state, in order to perform an operation of outputting specific data as a result of the
일례로서, 특정 데이터를 출력할 컬럼 배선(22)이 이미 정하여진 경우, 이 컬럼 배선(22)은 '1'에 대응하는 로우 배선(12)과의 교차점에 위치하는 시냅스(30)가 셋 동작시 요구되는 전압(이하, 셋 전압) 이상의 크기를 갖는 전압을 인가받도록 구동되고, 나머지 컬럼 배선(22)은 나머지 시냅스(30)가 셋 전압보다 작은 크기의 전압을 인가받도록 구동될 수 있다. 예컨대, 셋 전압의 크기가 Vset이고, '0011'의 데이터를 출력할 컬럼 배선(22)이 제3 컬럼 배선(22C)으로 정하여진 경우, 제3 컬럼 배선(22C)과 제3 및 제4 로우 배선(12C, 12D)과의 교차점에 위치하는 제1 및 제2 시냅스(30A, 30B)가 Vset 이상의 전압을 인가 받도록, 제3 및 제4 로우 배선(12C, 12D)에 인가되는 전기적 펄스의 크기는 Vset 이상일 수 있고 제3 컬럼 배선(22C)에 인가되는 전압은 0V일 수 있다. 그에 따라 제1 및 제2 시냅스(30A, 30B)는 저저항 상태가 될 수 있다. 저저항 상태의 제1 및 제2 시냅스(30A, 30B)의 전도도는 전기적 펄스의 개수가 증가할수록 점진적으로 증가할 수 있다. 인가되는 전기적 펄스의 크기 및 폭은 실질적으로 일정할 수 있다. 제1 및 제2 시냅스(30A, 30B)를 제외한 나머지 시냅스(30)는 Vset 보다 작은 전압을 인가받도록, 나머지 컬럼 배선 즉, 제1, 제2 및 제4 컬럼 배선(22A, 22B, 22D)에 인가되는 전압은 0V와 Vset 사이의 값 예컨대, 1/2Vset의 값을 가질 수 있다. 그에 따라, 제1 및 제2 시냅스(30A, 30B)를 제외한 나머지 시냅스(30)의 저항 상태는 변화하지 않을 수 있다. 이러한 경우의 전류 또는 전자의 흐름은 점선 화살표로 나타내었다.As an example, when the
다른 일례로서, 특정 데이터를 출력할 컬럼 배선(22)이 정하여져 있지 않을 수도 있다. 이러한 경우, 특정 데이터에 해당하는 전기적 펄스를 로우 배선(12)으로 인가하면서 컬럼 배선(22) 각각에 흐르는 전류를 측정하여 가장 먼저 소정 임계 전류에 도달하는 컬럼 배선(22) 예컨대, 제3 컬럼 배선(22C)이 이 특정 데이터를 출력한 컬럼 배선(22)이 될 수 있다.As another example, the
이상으로 설명한 방식에 의하여, 서로 다른 데이터가 서로 다른 컬럼 배선(22)에 각각 출력될 수 있다.According to the method described above, different data may be respectively output to
도 2는 일 실시예에 따른 뉴럴 네트워크의 아키텍처를 설명하기 위한 도면이다.2 is a diagram for explaining an architecture of a neural network according to an embodiment.
도 2를 참고하면, 뉴럴 네트워크(2)는 딥 뉴럴 네트워크(Deep Neural Network, DNN) 또는 n-계층 뉴럴 네트워크(n-layers neural networks)의 아키텍처일 수 있다. DNN 또는 n-계층 뉴럴 네트워크는 컨벌루션 뉴럴 네트워크(Convolutional Neural Networks, CNN), 리커런트 뉴럴 네트워크(Recurrent Neural Networks, RNN), Deep Belief Networks, Restricted Boltzman Machines 등에 해당될 수 있다. 예를 들어, 뉴럴 네트워크(2)는 컨벌루션 뉴럴 네트워크(CNN)로 구현될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 도 2에서는 뉴럴 네트워크(2)의 예시에 해당하는 컨벌루션 뉴럴 네트워크에서 일부의 컨벌루션 레이어가 도시되었지만, 컨벌루션 뉴럴 네트워크는 도시된 컨벌루션 레이어 외에도, 풀링 레이어(pooling layer), 풀리 커넥티드(fully connected) 레이어 등을 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2 , the
뉴럴 네트워크(2)는 입력 이미지, 피처맵들(feature maps) 및 출력을 포함하는 복수 레이어들을 갖는 아키텍처로 구현될 수 있다. 뉴럴 네트워크(2)에서 입력 이미지는 웨이트(weight)라 불리는 필터와의 컨벌루션 연산이 수행되고, 그 결과 피처맵들이 출력된다. 이때 생성된 출력 피처맵들은 입력 피처맵들로서 다시 웨이트와의 컨벌루션 연산이 수행되고, 새로운 피처맵들이 출력된다. 이와 같은 컨벌루션 연산이 반복적으로 수행된 결과, 최종적으로는 뉴럴 네트워크(2)를 통한 입력 이미지의 특징들에 대한 인식 결과가 출력될 수 있다.The
예를 들어, 도 2의 뉴럴 네트워크(2)에 24x24 픽셀 크기의 이미지가 입력된 경우, 입력 이미지는 웨이트와의 컨벌루션 연산을 통해 20x20 크기를 갖는 4채널의 피처맵들로 출력될 수 있다. 이후에도, 20x20 피처맵들은 웨이트와의 반복적인 컨벌루션 연산을 통해 크기가 줄어들면서, 최종적으로는 1x1 크기의 특징들이 출력될 수 있다. 뉴럴 네트워크(2)는 여러 레이어들에서 컨벌루션 연산 및 서브샘플링(또는 풀링) 연산을 반복적으로 수행함으로써 입력 이미지로부터 이미지 전체를 대표할 수 있는 강인한 특징들을 필터링하여 출력하고, 출력된 최종 특징들을 통해 입력 이미지의 인식 결과를 도출할 수 있다.For example, when an image having a size of 24x24 pixels is input to the
도 3은 일 실시예에 따른 뉴럴 네트워크에서 입력 피처맵 및 출력 피처맵의 관계를 설명하기 위한 도면이다.3 is a diagram for describing a relationship between an input feature map and an output feature map in a neural network according to an embodiment.
도 3을 참조하면, 뉴럴 네트워크의 어느 레이어(3)에서, 제 1 피처맵(FM1)은 입력 피처맵에 해당될 수 있고, 제 2 피처맵(FM2)은 출력 피처맵에 해당될 수 있다. 피처맵은 입력 데이터의 다양한 특징들이 표현된 데이터 세트를 의미할 수 있다. 피처맵들(FM1, FM2)은 2차원 매트릭스의 엘리먼트들을 갖거나 또는 3차원 매트릭스의 엘리먼트들을 가질 수 있고, 각각의 엘리먼트에는 픽셀 값이 정의될 수 있다. 피처맵들(FM1, FM2)은 너비(W)(또는 칼럼이라고 함), 높이(H)(또는 로우라고 함) 및 깊이(D)를 가진다. 이때, 깊이(D)는 채널들의 개수에 해당될 수 있다.Referring to FIG. 3 , in a
제 1 피처맵(FM1) 및 웨이트에 대한 컨벌루션 연산이 수행될 수 있고, 그 결과 제 2 피처맵(FM2)이 생성될 수 있다. 웨이트는 제 1 피처맵(FM1)과 컨벌루션 연산을 수행함으로써 제 1 피처맵(FM1)의 특징들을 필터링한다. 웨이트는 제 1 피처맵(FM1)을 슬라이딩 윈도우 방식으로 시프트하면서 제 1 피처맵(FM1)의 윈도우들(또는 타일이라고도 함)과 컨벌루션 연산을 수행한다. 각 시프트 동안, 웨이트는 제 1 피처맵(FM1) 내 중첩된 윈도우의 픽셀 값들 각각과 곱해지고 더해질 수 있다. 제 1 피처맵(FM1)과 웨이트가 컨벌루션됨에 따라, 제 2 피처맵(FM2)의 하나의 채널이 생성될 수 있다. 도 2에는 하나의 웨이트가 도시되었으나, 실제로는 복수의 웨이트들이 제 1 피처맵(FM1)과 각각 컨벌루션되어, 복수의 채널들의 제 2 피처맵(FM2)이 생성될 수 있다.A convolution operation may be performed on the first feature map FM1 and the weight, and as a result, the second feature map FM2 may be generated. The weight filters features of the first feature map FM1 by performing a convolution operation with the first feature map FM1. The weight performs a convolution operation with windows (also referred to as tiles) of the first feature map FM1 while shifting the first feature map FM1 in a sliding window manner. During each shift, the weight may be multiplied and added to each of the pixel values of the overlapped window in the first feature map FM1 . As the first feature map FM1 and the weight are convolved, one channel of the second feature map FM2 may be generated. Although one weight is illustrated in FIG. 2 , in reality, a plurality of weights may be respectively convolved with the first feature map FM1 to generate a second feature map FM2 of a plurality of channels.
한편, 제 2 피처맵(FM2)은 다음 레이어의 입력 피처맵에 해당될 수 있다. 예를 들어, 제 2 피처맵(FM2)은 풀링(또는 서브샘플링) 레이어의 입력 피처맵이 될 수 있다.Meanwhile, the second feature map FM2 may correspond to an input feature map of a next layer. For example, the second feature map FM2 may be an input feature map of a pooling (or subsampling) layer.
도 2 및 도 3에서는 설명의 편의를 위하여 뉴럴 네트워크(2)의 개략적인 아키텍처에 대해서만 도시되어 있다. 하지만, 뉴럴 네트워크(2)는 도시된 바와 달리, 보다 많거나 적은 개수의 레이어들, 피처맵들, 웨이트들 등으로 구현될 수 있고, 그 크기들 또한 다양하게 변형될 수 있음을 당해 기술분야의 통상의 기술자라면 이해할 수 있다.2 and 3 show only the schematic architecture of the
도 4a 내지 도 4b는 일 실시예에 따른 벡터-행렬 곱셈과 크로스바 어레이에서 수행되는 연산을 비교하기 위한 도면이다.4A to 4B are diagrams for comparing vector-matrix multiplication and an operation performed in a crossbar array according to an exemplary embodiment.
먼저 도 4a를 참조하면, 입력 피처맵과 웨이트 간의 컨벌루션 연산은 벡터-행렬 곱셈(vector-matrix multiplication)을 이용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 입력 피처맵의 픽셀 데이터는 행렬 X(410)로 표현될 수 있고, 웨이트 값들은 행렬 W(411)로 표현될 수 있다. 출력 피처맵의 픽셀 데이터는, 행렬 X(410)와 행렬 W(411) 간의 곱셈 연산 결과 값인 행렬 Y(412)로 표현될 수 있다. First, referring to FIG. 4A , a convolution operation between an input feature map and a weight may be performed using vector-matrix multiplication. For example, pixel data of the input feature map may be represented by a
도 4b를 참조하면, 크로스바 어레이의 비휘발성 메모리 소자를 이용하여 벡터 곱셈 연산이 수행될 수 있다. 도 4a와 비교하여 설명하면, 입력 피처맵의 픽셀 데이터는 비휘발성 메모리 소자의 입력 값으로 수신될 수 있으며, 입력 값은 전압(420)일 수 있다. 또한, 웨이트 값들은 비휘발성 메모리 소자의 시냅스 즉, 메모리 셀에 저장될 수 있으며, 메모리 셀에 저장된 웨이트 값들은 컨덕턴스(421)일 수 있다. 따라서, 비휘발성 메모리 소자의 출력 값은, 전압(420) 및 컨덕턴스(421) 간의 곱셈 연산 결과 값인 전류(422)로 표현될 수 있다.Referring to FIG. 4B , a vector multiplication operation may be performed using a nonvolatile memory device of a crossbar array. Referring to FIG. 4A , pixel data of the input feature map may be received as an input value of the nonvolatile memory device, and the input value may be a
도 5는 일 실시예에 따른 크로스바 어레이에서 컨벌루션 연산이 수행되는 예시를 설명하기 위한 도면이다.5 is a diagram for explaining an example in which a convolution operation is performed in a crossbar array according to an embodiment.
크로스바 어레이(500)는 입력 피처맵(510)의 픽셀 데이터를 수신할 수 있다. 크로스바 어레이(500)는 복수의 비휘발성 메모리 소자들을 포함할 수 있다.The
일 실시예에서 크로스바 어레이(500)가 NxM 크기의 행렬인 경우(N 및 M은 2 이상의 자연수임), 입력 피처맵(510)의 픽셀 데이터 개수는 크로스바 어레이(500)의 열(M)의 개수보다 작거나 같을 수 있다. 입력 피처맵(510)의 픽셀 데이터는 부동 소수점 포맷 또는 고정 소수점 포맷의 파라미터일 수 있다. 한편, 다른 실시예에서 입력 피처맵(510)의 픽셀 데이터 개수는 크로스바 어레이(500)의 열(M) 수보다 클 수 있으며, 이에 대해서는 도 6에서 상세히 설명하기로 한다. In an embodiment, when the
DAC(Digital Analog Converter)(520)는 디지털 신호 형태의 픽셀 데이터를 수신하여 아날로그 신호 형태의 전압으로 변환할 수 있다. 입력 피처맵(510)의 픽셀 데이터는 1비트, 4비트 및 8비트 해상도(resolution) 등 다양한 비트 해상도 값을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 크로스바 어레이(500)는 DAC(520)를 이용하여 픽셀 데이터를 전압으로 변환한 후, 전압(501)을 크로스바 어레이(500)의 입력 값으로 수신할 수 있다.The digital analog converter (DAC) 520 may receive pixel data in the form of a digital signal and convert it into a voltage in the form of an analog signal. Pixel data of the
또한, 크로스바 어레이(500)에 포함된 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각에는 학습된 웨이트 값들이 저장될 수 있다. 웨이트 값들은 비휘발성 메모리 소자의 메모리 셀에 저장될 수 있으며 메모리 셀에 저장된 웨이트 값들은 컨덕턴스(502)일 수 있다. 이 때, 크로스바 어레이(500)는 전압(501)과 컨덕턴스(502) 간의 벡터 곱셈 연산을 수행함으로써 출력 값을 산출할 수 있으며, 출력 값은 전류(503)로 표현될 수 있다. 즉, 크로스바 어레이(500)는 복수의 비휘발성 메모리 소자들을 이용하여 입력 피처맵과 웨이트 간의 컨벌루션 연산 결과와 동일한 결과 값을 출력할 수 있다.In addition, learned weight values may be stored in each of the plurality of nonvolatile memory devices included in the
크로스바 어레이(500)에서 출력된 전류(503)는 아날로그 신호이므로, 전류(503)를 다른 크로스바 어레이(550)의 입력 데이터로 사용하기 위해 ADC(Analog Digital Converter)(530)를 이용할 수 있다. 크로스바 어레이(500)에서 출력된 전류(503)는 ADC(530)에 디지털 신호로 변환될 수 있다. 일 실시예에서 ADC(530)를 이용함으로써, 입력 피처맵(510)의 픽셀 데이터와 동일한 비트 해상도를 갖도록 전류(503)가 디지털 신호로 변환될 수 있다. 예를 들어, 입력 피처맵(510)의 픽셀 데이터가 1비트 해상도인 경우, ADC(530)에 의해 전류(503) 역시 1비트 해상도의 디지털 신호로 변환될 수 있다.Since the current 503 output from the
활성화 유닛(540)은 ADC(530)에서 변환된 디지털 신호에 활성화 함수를 적용할 수 있다. 활성화 함수로는 Sigmoid 함수, Tanh 함수 및 ReLU(Rectified Linear Unit) 함수를 이용할 수 있으나, 디지털 신호에 적용할 수 있는 활성화 함수는 이에 제한되지 않는다.The
활성화 함수가 적용된 디지털 신호는 다른 크로스바 어레이(550)의 입력 값으로 이용될 수 있다. 활성화 함수가 적용된 디지털 신호가 다른 크로스바 어레이(550)의 입력 값으로 이용되는 경우, 다른 크로스바 어레이(550)에서 상술한 과정이 동일하게 적용될 수 있다.The digital signal to which the activation function is applied may be used as an input value of another
도 6은 일 실시예에 따른 서브 피처맵과 크로스바 어레이가 매칭되는 예시를 설명하기 위한 도면이다.6 is a diagram for explaining an example in which a sub-feature map and a crossbar array are matched according to an embodiment.
학습 및 추론에 이용되는 입력 피처맵(610)은 다양한 크기를 가질 수 있는데, 크로스바 어레이(600)의 크기는 제한적이므로 단일 입력 피처맵(610)의 픽셀 데이터 개수가 크로스바 어레이(600)에서 수신할 수 있는 입력 값의 개수보다 많을 수 있다.The
도 6을 참조하면, 입력 피처맵(610)의 크기는 8x8이고, 크로스바 어레이(600)의 크기는 16x16이다. 이 경우, 8x8 입력 피처맵(610)의 픽셀 데이터 개수는 64개(=8x8)이므로 크로스바 어레이(600)에서 수신할 수 있는 입력 값의 개수 16보다 더 큰 값을 갖는다.Referring to FIG. 6 , the size of the
입력 피처맵(610)의 픽셀 데이터 개수가 크로스바 어레이(600)의 입력 값의 개수 즉, 로우(m)의 개수보다 많은 경우, 입력 피처맵(610)은 서브 피처맵(611)으로 분할될 수 있다. 크로스바 어레이(600)의 크기 정보에 기초하여, 입력 피처맵(610)이 서브 피처맵(611)으로 분할될 수 있다. When the number of pixel data of the
구체적으로, 입력 피처맵(610)의 크기가 8x8이고 크로스바 어레이(600)의 크기가 16x16인 경우, 서브 피처맵들 각각의 픽셀 데이터 개수가 16개가 되도록 입력 피처맵(610)이 4개의 서브 피처맵들로 분할될 수 있다. 분할된 서브 피처맵들 각각은 크로스바 어레이(600)에 매칭될 수 있다. Specifically, when the size of the
예를 들어, 크로스바 어레이(600)는 서브 피처맵(610)의 'aa'를 첫 번째 입력 값 'V1'으로 수신할 수 있고, 서브 피처맵(610)의 'ab'를 두 번째 입력 값 'V2'로 수신할 수 있으며, 서브 피처맵(610)의 'dd'를 열여섯 번째 입력 값 'V16'으로 수신할 수 있다.For example, the
한편, 도 5에서 상술한 바와 같이, 서브 피처맵(610)의 픽셀 데이터들은 디지털 신호(예를 들어, 1비트, 4비트 등)일 수 있으며, 서브 피처맵(610)의 픽셀 데이터들은 DAC(Digital Analog Converter)를 통과하여 아날로그 전압 신호(V1 내지 V16) 로 변환된 후 크로스바 어레이(600)에 입력될 수 있다.Meanwhile, as described above in FIG. 5 , the pixel data of the
또한, 크로스바 어레이(600)에서 출력된 전류(I1 내지 I16)는 아날로그 신호일 수 있으며, 전류(I1 내지 I16)는 ADC(Analog Digital Converter)를 통과하여 디지털 신호로 변환될 수 있다. Also, the currents I 1 to I 16 output from the
도 7a 내지 도 7b는 일 실시예에 따른 포토 트랜지스터 및 메모리 특성을 갖는 비휘발성 메모리 소자를 도시한 측면도이다.7A to 7B are side views illustrating a phototransistor and a nonvolatile memory device having memory characteristics according to an exemplary embodiment.
비휘발성 메모리 소자(710, 720)는 저항변화 층(715, 725)을 포함할 수 있다. 저항변화 층(715, 725)의 상부 또는 하부에는 게이트(Gate)(713, 723)가 위치할 수 있다. 저항변화 층(715, 725)과 게이트(713, 723) 사이에는 게이트 산화물 층(Gate Oxide Layer)(714, 724)이 형성될 수 있다. 또한, 소스(Source)(711, 721) 및 드레인(Drain)(712, 722)은 저항변화 층(715, 725) 상에 형성되고, 서로 이격될 수 있다.The
이하에서, 저항변화 층(715, 725)에 빛이 조사될 때, 게이트(713, 723)에는 오프-전압(off-voltage)이 인가되는 것으로 전제하고, 이에 대한 자세한 설명은 도 8에서 후술하기로 한다.Hereinafter, when light is irradiated to the resistance change layers 715 and 725, it is assumed that an off-voltage is applied to the
저항변화 층(715, 725)의 저항 값은, 저항변화 층(715, 725)에 조사되는 빛의 조도(illumination)에 기초하여 변화될 수 있고, 변화된 저항 값으로 유지될 수 있다. The resistance values of the resistance change layers 715 and 725 may be changed based on the illumination of the light irradiated to the resistance change layers 715 and 725 and may be maintained at the changed resistance values.
구체적으로, 저항변화 층(715, 725)에 빛이 조사됨에 따라 저항변화 층(715, 725) 내부의 결함(defect)에 전하(전자(electron) 또는 정공(hole))가 트래핑될 수 있다. 저항변화 층(715, 725) 내부의 결함에 전하가 트래핑됨으로써, 저항변화 층(715, 725)의 저항 값이 변화되고, 이후 저항변화 층(715, 725)에 빛이 더 이상 조사되지 않더라도 저항변화 층(715, 725)의 저항 값은 변화된 값으로 유지될 수 있다.Specifically, as light is irradiated to the
저항변화 층(715, 725)에 조사되는 빛의 조도가 클수록, 저항변화 층(715, 725)의 저항 값이 감소 폭이 증가할 수 있다. 구체적으로, 저항변화 층(715, 725)에 조사되는 빛의 조도가 증가할수록 저항변화 층(715, 725) 내부의 결함에 트래핑되는 전하가 증가할 수 있다. 저항변화 층(715, 725) 내부에 트래핑되는 전하가 증가하면 저항변화 층(715, 725)의 저항 값은 감소할 수 있다.As the illuminance of the light irradiated to the
일 실시예에서, 저항변화 층(715, 725)에 조사되는 빛은 가시광선 영역의 빛일 수 있다. 저항변화 층(715, 725)은 후술하는 물질로 형성됨으로써, UV(ultra violet)와 같은 고에너지의 빛이 아닌 가시광선 영역의 빛이 저항변화 층(715, 725)에 조사되더라도, 저항변화 층(715, 725)의 저항 값이 변화될 수 있다.In an embodiment, the light irradiated to the resistance change layers 715 and 725 may be light in the visible ray region. The resistance change layers 715 and 725 are formed of a material to be described later, so that even when light in the visible region, not high energy light such as UV (ultra violet), is irradiated to the resistance change layers 715 and 725, the resistance change layer The resistance value of (715, 725) can be changed.
일 실시예에서, 저항변화 층(715, 725)은 2D(2 Dimension) 물질로 형성될 수 있다. 저항변화 층(715, 725)은 단층의 2D 물질 또는 다층의 2D 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 저항변화 층(715, 725)은 TMD(Transition Metal Dichalcogenide), Phosphorene(Black Phosphorus) 및 Grephene으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나로 형성될 수 있다. TMD는, 예를 들어, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, TaS2, TaSe2, TiS2, TiSe2, ZrS2, ZrSe2, HfS2, HfSe2, SnS2, SnSe2, GeS2, GeSe2, GaS2, GaSe2, GaSe, GaTe, InSe, In2Se3, Bi2S3, Bi2Se3 및 Bi2Te3으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.In an embodiment, the
다른 실시예에서, 저항변화 층(715, 725)은 3D(3 Dimension) 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 저항변화 층(715, 725)은 Germanane, Silicene, Ⅲ-V 및 IGZO으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.In another embodiment, the
일 실시예에서, 게이트 산화물 층(714, 724)은 단층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 게이트 산화물 층(714, 724)은 단층의 알루미늄 옥사이드(Aluminum Oxide)로 형성될 수 있다.In one embodiment, the gate oxide layers 714 and 724 may be formed as a single layer. For example, the gate oxide layers 714 and 724 may be formed of a single layer of aluminum oxide.
다른 실시예에서, 게이트 산화물 층(714, 724)은 다층으로 형성될 수 있다. 다층의 게이트 산화물 층(714, 724)은 전하 트래핑 층(charge trapping layer)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 다층의 게이트 산화물 층(714, 724)은 2개의 알루미늄 옥사이드 층들 사이에 전하 트래핑 층이 포함된 형태일 수 있다. 전하 트래핑 층은 하프늄 옥사이드(Hafnium Oxide) 또는 실리콘 나이트라이드(Silicon Nitride)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In other embodiments, the gate oxide layers 714 and 724 may be formed in multiple layers. The multi-layered gate oxide layers 714 and 724 may include a charge trapping layer. For example, the multi-layered gate oxide layers 714 and 724 may include a charge trapping layer between two aluminum oxide layers. The charge trapping layer may include, but is not limited to, hafnium oxide or silicon nitride.
도 7a를 참조하면, 백-게이트(Back-Gate)(713)를 이용한 비활성 메모리 소자(710)가 도시된다. 백-게이트(713)는 저항변화 층(715)의 하부에 위치할 수 있다. 예를 들어, 백-게이트(713)는 실리콘 온 인슐레이터(Silicon On Insulator, SOI) 기판과 같은 임의의 적절한 기술로 구현될 수 있다.Referring to FIG. 7A , an
게이트 산화물 층(714)은, 저항변화 층(715)의 하부에 위치하고, 저항변화 층(715)과 백-게이트(713) 사이에 위치할 수 있다.The
도 7b를 참조하면, 투명 전도성 전극(Transparent Conducting Electrode; TCE) 게이트(723)를 이용한 비활성 메모리 소자(720)가 도시된다. TCE 게이트(723)는 저항변화 층(725)의 상부에 위치할 수 있다. Referring to FIG. 7B , an
빛이 저항변화 층(725)의 상부를 통해 저항변화 층(725)에 조사됨에 따라, 빛이 저항변화 층(725) 이전에 TCE 게이트(723)에 닿게 된다. 비활성 메모리 소자(720)는 빛이 통과할 수 있는 TCE 게이트(723)를 이용함으로써, 빛은 저항변화 층(725)의 상부를 통해 저항변화 층(725)에 닿을 수 있다.As light is irradiated to the
게이트 산화물 층(724)은, 저항변화 층(725)의 상부에 위치하고, 저항변화 층(725)과 TCE 게이트(723) 사이에 위치할 수 있다. The
도 8은 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 저항 값이 빛을 조사하기 전후에 따라 달라지는 현상을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 8 is a diagram for explaining a phenomenon in which a resistance value of a nonvolatile memory device varies depending on before and after light is irradiated, according to an exemplary embodiment.
비휘발성 메모리 소자는 저항변화 층을 포함할 수 있다. 저항변화 층의 상부 또는 하부에는 게이트가 위치할 수 있다. 저항변화 층과 게이트 사이에는 게이트 산화물 층이 형성될 수 있다. 또한, 소스 및 드레인은 저항변화 층 상에 형성되고, 서로 이격될 수 있다.The nonvolatile memory device may include a resistance change layer. A gate may be positioned above or below the resistance change layer. A gate oxide layer may be formed between the resistance change layer and the gate. In addition, the source and the drain may be formed on the resistance change layer and spaced apart from each other.
비휘발성 메모리 소자의 게이트에 오프-전압이 인가된 때, 비휘발성 메모리 소자가 포토 트랜지스터 및 메모리 특성을 갖는 소자로 동작할 수 있다. 이하에서는 비휘발성 메모리 소자가 nmos인 것으로 전제하나, 비휘발성 메모리 소자는 다양한 형태의 FET(Field Effect Transistor)로 구현될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다.When an off-voltage is applied to the gate of the nonvolatile memory device, the nonvolatile memory device may operate as a phototransistor and a device having memory characteristics. Hereinafter, it is assumed that the nonvolatile memory device is nmos, but it is apparent to those skilled in the art that the nonvolatile memory device can be implemented with various types of field effect transistors (FETs).
제1 그래프(810)는, 비휘발성 메모리 소자에 빛이 조사되기 전, 게이트 전압(VG)에 따른 비휘발성 메모리 소자의 소스로부터 검출되는 전류(IS)를 나타내는 그래프이다.Claim a graph showing a
제2 그래프(820)는, 비휘발성 메모리 소자에 빛이 조사된 후, 게이트 전압(VG)에 따른 비휘발성 메모리 소자의 소스로부터 검출되는 전류(IS)를 나타내는 그래프이다.Claim a graph showing a current (I S) which is detected from the source of non-volatile memory device according to the
제1 그래프(810) 및 제2 그래프(820)에서, 비휘발성 메모리 소자의 드레인에는 소정의 전압(VD)이 인가되고 있음을 전제로 한다.In the
비휘발성 메모리 소자의 저항변화 층 내부의 결함(defect)에 전하가 트래핑됨으로써, 비휘발성 메모리 소자의 게이트 전압(VG)이 오프-전압인 경우에도 소스로부터 일정한 값의 전류(IS)가 검출될 수 있다. By trapping a charge in a defect inside the resistance change layer of the nonvolatile memory device, a current (IS ) of a constant value is detected from the source even when the gate voltage (V G ) of the nonvolatile memory device is off-voltage. can be
비휘발성 메모리 소자의 저항변화 층에 빛이 조사됨에 따라 결함(defect)에 더 많은 전하가 트래핑됨으로써 저항변화 층의 저항 값이 감소할 수 있다. 이후 저항변화 층에 빛이 더 이상 조사되지 않더라도 저항변화 층의 저항 값은 감소된 값으로 유지될 수 있다.As light is irradiated to the resistive layer of the nonvolatile memory device, more charges are trapped in the defect, thereby reducing the resistance value of the resistive layer. After that, even if light is no longer irradiated to the resistance change layer, the resistance value of the resistance change layer may be maintained at a reduced value.
제1 그래프(810)를 참조하면, 비휘발성 메모리 소자의 게이트에 오프-전압이 인가된 때 소스로부터 검출되는 전류는 I1이다. Referring to the
비휘발성 메모리 소자에 빛이 조사된 후를 나타내는 제2 그래프(820)를 참조하면, 비휘발성 메모리 소자의 게이트에 오프-전압이 인가된 때 소스로부터 검출되는 전류가 I1에서 I2로 증가할 수 있다. 비휘발성 메모리 소자의 저항변화 층에 빛이 조사됨에 따라 저항변화 층의 저항 값이 감소되었고, 이에 따라 비휘발성 메모리 소자의 소스로부터 검출되는 전류는 증가할 수 있다. 이후, 비휘발성 메모리 소자의 저항변화 층에 빛이 더 이상 조사되지 않더라도, 저항변화 층의 저항 값은 변화된 값으로 유지될 수 있으며, 비휘발성 메모리 소자의 게이트에 오프-전압이 인가된 때 소스로부터 검출되는 전류 역시 I2로 유지될 수 있다.Referring to the
일 실시예에서, 비휘발성 메모리 소자의 저항변화 층에 조사되는 빛의 조도가 증가할수록, 저항변화 층 내부에 트래핑되는 전하가 증가하여, 저항변화 층의 저항 값은 감소할 수 있다. 그 결과 비휘발성 메모리 소자의 소스로부터 검출되는 전류는 I2보다 더 증가할 수 있다. In an embodiment, as the illuminance of light irradiated to the resistance change layer of the nonvolatile memory device increases, charges trapped inside the resistance change layer increase, and thus the resistance value of the resistance change layer may decrease. As a result, the current detected from the source of the nonvolatile memory device may increase more than I 2 .
한편, 비휘발성 메모리 소자의 게이트에 임계값 이상의 온-전압(on-voltage)이 인가되면, 비휘발성 메모리 소자의 저항변화 층의 저항 값이 리셋(rest)될 수 있다. 예를 들어, 저항변화 층의 저항 값을 리셋하기 위해 게이트에는 7V의 전압이 10초 동안 인가될 수 있다.Meanwhile, when an on-voltage greater than or equal to a threshold value is applied to the gate of the nonvolatile memory device, the resistance value of the resistance change layer of the nonvolatile memory device may be reset. For example, a voltage of 7V may be applied to the gate for 10 seconds to reset the resistance value of the resistance change layer.
구체적으로, 비휘발성 메모리 소자의 저항변화 층에 빛이 조사됨에 따라, 게이트의 오프-전압 하에서 소스 전류가 I1에서 I2로 증가한 경우, 비휘발성 메모리 소자의 게이트에 임계값 이상의 온-전압이 되면, 소스 전류는 I2에서 I1으로 다시 감소할 수 있다.Specifically, when the source current increases from I 1 to I 2 under the off-voltage of the gate as light is irradiated to the resistance change layer of the nonvolatile memory device, an on-voltage greater than or equal to the threshold value is applied to the gate of the nonvolatile memory device. , the source current can decrease back from I 2 to I 1 .
도 9a 내지 도 9b는 일 실시예에 따른 복수의 비휘발성 메모리 소자들을 포함하는 크로스바 어레이를 이용하여 이미지를 저장하고, 저장된 이미지를 획득하는 과정을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.9A to 9B are exemplary views for explaining a process of storing an image using a crossbar array including a plurality of non-volatile memory devices and acquiring the stored image, according to an exemplary embodiment.
도 9a 내지 도 9b에서는 이미지(910)가 4x4 크기를 갖고, 크로스바 어레이(Crossbar Array)(900)가 4x4 크기를 갖는 것으로 전제하였으나, 이미지(910) 및 크로스바 어레이(900)의 크기가 다양하게 변형될 수 있음을 당해 기술분야의 통상의 기술자라면 이해할 수 있다.9A to 9B, it is assumed that the
크로스바 어레이(900)는 복수의 비휘발성 메모리 소자들을 포함할 수 있다. 도 9a 내지 도 9b에서 비휘발성 메모리 소자는, 크로스바 어레이(900)의 로우(row) 및 컬럼(column)이 교차하는 시냅스의 위치 (a, b)로 표현된다.The
도 9a를 참조하면, 복수의 비휘발성 메모리 소자들을 포함하는 크로스바 어레이(900)를 이용하여 이미지를 저장할 수 있다.Referring to FIG. 9A , an image may be stored using a
크로스바 어레이(900)를 이용하여 이미지를 저장하기 위해, 복수의 비휘발성 메모리 소자들의 게이트에 오프-전압이 인가되고, 드레인에는 드레인 전압(VD)이 인가될 수 있다.In order to store an image using the
복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각의 저항변화 층의 저항 값을 변화시키기 위해, 이미지(910)에 대응하는 조도의 빛이 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각에 조사될 수 있다.In order to change the resistance value of the resistance change layer of each of the plurality of non-volatile memory devices, light of an illuminance corresponding to the
구체적으로, 이미지(910)에 포함된 복수의 픽셀들(P11 내지 P14, P21 내지 P24, P31 내지 P34, P41 내지 P44) 각각에 대응하는 조도의 빛이 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각에 조사될 수 있다. 예를 들어, 이미지(910)의 P11에 대응하는 조도의 빛이 비휘발성 메모리 소자 (1,1)에 조사되고, 이미지(910)의 P21에 대응하는 조도의 빛이 비휘발성 메모리 소자 (2,1)에 조사되고, 이미지(910)의 P32에 대응하는 조도의 빛이 비휘발성 메모리 소자 (3,2)에 조사되며, 이미지(910)의 P44에 대응하는 조도의 빛이 비휘발성 메모리 소자 (4,4)에 조사될 수 있다. Specifically, light of an illuminance corresponding to each of the plurality of pixels P 11 to P 14 , P 21 to P 24 , P 31 to P 34 , and P 41 to P 44 included in the image 910 emits a plurality of ratios. Each of the volatile memory devices may be irradiated. For example, light having an illuminance corresponding to P 11 of the
이미지(910)에 포함된 복수의 픽셀들 각각의 밝기는 서로 상이할 수 있고, 이에 따라 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각에 조사되는 빛의 조도 역시 서로 상이할 수 있다. 그 결과, 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각의 저항변화 층의 저항 값이 변화되는 정도는 서로 상이할 수 있다. 복수의 비휘발성 메모리 소자들에 빛이 더 이상 조사되지 않더라도, 저항변화 층의 저항 값은 변화된 값으로 유지될 수 있다. The brightness of each of the plurality of pixels included in the
즉, 이미지(910)에 포함된 복수의 픽셀들 각각의 밝기에 따라 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각의 저항 값이 변화되고, 빛이 더 이상 조사되지 않더라도 복수의 비휘발성 메모리 소자들의 저항 값은 변화된 값으로 유지되므로, 이미지(910)가 크로스바 어레이(900)에 저장될 수 있다.That is, the resistance value of each of the plurality of non-volatile memory devices is changed according to the brightness of each of the plurality of pixels included in the
한편, 크로스바 어레이(900)에 표시된 R11 내지 R14, R21 내지 R24, R31 내지 R34, R41 내지 R44는, 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각의 저항 값을 나타낸다. Meanwhile, R 11 to R 14 , R 21 to R 24 , R 31 to R 34 , and R 41 to R 44 displayed on the
도 9b를 참조하면, 복수의 비휘발성 메모리 소자들을 포함하는 크로스바 어레이(900)를 이용하여 저장된 이미지를 획득할 수 있다.Referring to FIG. 9B , a stored image may be acquired using a
크로스바 어레이(900)에 저장된 이미지를 획득하기 위해, 크로스바 어레이(900)의 로우 별로 게이트 오프-전압이 인가될 수 있다. 도 9b의 크로스바 어레이(900)에서, 게이트 오프-전압이 인가된 비휘발성 메모리 소자는 원으로 표시된다. In order to obtain an image stored in the
구체적으로, 이미지(910)의 제1 행에 포함되는 픽셀들 P11 내지 P14을 획득하기 위해, 크로스바 어레이(900)의 제1 로우(901a)에는 게이트 오프-전압이 인가될 수 있다. 이 때, 제2 로우 내지 제4 로우(901b 내지 901d)에는 게이트 온-전압이 인가될 수 있다. Specifically, to obtain pixels P 11 to P 14 included in the first row of the
크로스바 어레이(900)의 컬럼 별로 획득되는 소스 전류 IS11 내지 IS14 각각은, 비휘발성 메모리 소자 (1,1) 내지 (1,4)의 저항 값 R11 내지 R14에 따라 결정될 수 있다. 한편, 비휘발성 메모리 소자의 저항 값 R11 내지 R14는, 이미지(910)의 제1 행에 포함되는 픽셀들 P11 내지 P14에 대응하는 빛의 조도에 따라 결정된 값이다. 따라서, 크로스바 어레이(900)의 컬럼 별로 획득되는 소스 전류 IS11 내지 IS14를 이용하여 이미지(910)의 제1 행에 포함되는 픽셀들 P11 내지 P14을 획득할 수 있다. Each of the source currents I S11 to I S14 obtained for each column of the
마찬가지 방식으로, 크로스바 어레이(900)의 제2 로우 내지 제4 로우(901b 내지 901d) 각각에 게이트 오프-전압을 인가하고 나머지 로우에 게이트 온-전압을 인가함으로써, 이미지(910)의 제2 행 내지 제4행에 포함되는 픽셀들을 순차적으로 획득할 수 있다. In a similar manner, by applying a gate off-voltage to each of the second to
일 실시예에서, 크로스바 어레이(900) 위에 컬러 필터들을 순차적으로 배치함으로써, 크로스바 어레이(900)로부터 컬러 이미지를 획득할 수 있다.In an embodiment, a color image may be obtained from the
예를 들어, Red, Green, Blue 3개의 컬러 필터들을 이용하여 크로스바 어레이(900)로부터 컬러 이미지를 획득할 수 있다. For example, a color image may be obtained from the
구체적으로, 먼저, 크로스바 어레이(900) 위에 Red 컬러 필터를 배치한 후, 컬러 이미지에 포함된 복수의 픽셀들 각각에 대응하는 조도의 빛을 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각에 조사할 수 있다. 크로스바 어레이(900)의 로우 별로 게이트 오프-전압을 인가하고, 크로스바 어레이(900)의 컬럼 별로 소스 전류를 획득함으로써, Red 이미지를 획득할 수 있다.Specifically, first, after disposing a red color filter on the
크로스바 어레이(900)에 게이트 온-전압을 인가하여 리셋한 후, Green 컬러 필터 및 Blue 컬러 필터를 이용하여 상술한 동작을 반복하여 수행함으로써, Green 이미지 및 Blue 이미지를 획득할 수 있다. Red 이미지, Green 이미지 및 Blue 이미지가 획득된 후, 세 개의 이미지들을 합성함으로써 최종적으로 컬러 이미지를 획득할 수 있다.After resetting by applying a gate-on voltage to the
본 개시에 따른 복수의 비휘발성 메모리 소자들을 포함하는 크로스바 어레이(900)는, 광전도성(photoconductivity; PC) 특성을 가질 수 있고, 이러한 특성으로 인해 이미징 모드(이미지를 저장/획득)에서 활용될 수 있다.The
도 10은 일 실시예에 따른 복수의 비휘발성 메모리 소자들을 포함하는 크로스바 어레이를 이용하여 뉴럴 네트워크의 풀링 연산을 수행하는 과정을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.10 is an exemplary diagram for explaining a process of performing a pulling operation of a neural network using a crossbar array including a plurality of nonvolatile memory devices according to an embodiment.
도 10에서는 이미지(1010)가 8x8 크기를 갖고, 크로스바 어레이(1000)가 16x16 크기를 갖는 것으로 전제하였으나, 이미지(1010) 및 크로스바 어레이(1000)의 크기가 다양하게 변형될 수 있음을 당해 기술분야의 통상의 기술자라면 이해할 수 있다. 예를 들어, 이미지(1010)는 숫자 '1' 내지 '9' 중 어느 하나를 나타내는 이미지일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In FIG. 10 , it is assumed that the
일 실시예에서, 이미지(1010) 상에서 소정의 스트라이드(stride) 간격만큼 윈도우(window)(1011)가 시프트될 수 있다. 윈도우(1011)의 크기는 크로스바 어레이(1000)의 크기에 기초하여 결정될 수 있다. 일 실시예에서 윈도우(1011)의 크기는 크로스바 어레이(1000)의 로우 개수에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 크로스바 어레이(1000)의 로우 개수가 16개인 경우, 윈도우(1011)의 크기는 4x4일 수 있다.In one embodiment, the
이하에서는 윈도우(1011)가 '1 스트라이드' 간격만큼 시프트되며, 윈도우(1011)의 크기는 4x4인 것으로 전제한다.Hereinafter, it is assumed that the
이미지(1010) 상의 각 위치에서 윈도우(1011)에는 복수의 픽셀들이 포함될 수 있다. 예를 들어, 윈도우(1011)는 제1 위치에서 P11 내지 P14, P21 내지 P24, P31 내지 P34 및 P41 내지 P44의 픽셀들을 포함할 수 있다. 또한, 윈도우(1011)는 제1 위치에서 오른쪽으로 1만큼 시프트한 제2 위치에서, P12 내지 P15, P22 내지 P25, P32 내지 P35 및 P42 내지 P45의 픽셀들을 포함할 수 있다.A plurality of pixels may be included in the
크로스바 어레이(1000)의 컬럼 별로, 윈도우(1011)에 포함된 복수의 픽셀들에 대응하는 조도의 빛이 조사될 수 있다. 예를 들어, 제1 위치의 윈도우(1011)에 포함된 복수의 픽셀들(P11 내지 P14, P21 내지 P24, P31 내지 P34 및 P41 내지 P44)에 대응하는 조도의 빛이 크로스바 어레이(1000)의 제1 컬럼(1002a)에 조사될 수 있다. 즉, 제1 위치의 윈도우(1011)에 포함된 16개의 픽셀들 각각에 대응하는 조도의 빛이, 제1 컬럼(1002a)에 포함된 16개의 비휘발성 메모리 소자들 각각에 조사될 수 있다. For each column of the
마찬가지 방식으로, 제n 위치의 윈도우(1011)에 포함된 복수의 픽셀들에 대응하는 조도의 빛이, 크로스바 어레이(1000)의 제n 컬럼에 조사될 수 있다.In the same manner, light having an illuminance corresponding to the plurality of pixels included in the
크로스바 어레이(1000)의 제1 로우 내지 제16 로우(1001a 내지 1001p)에 게이트 오프-전압이 인가될 수 있다. 또한, 크로스바 어레이(1000)의 제1 로우 내지 제16 로우(1001a 내지 1001p)에 드레인 전압(V0 내지 V15)이 인가될 수 있다. 드레인 전압(V0 내지 V15)은 풀링(pooling) 연산에 이용되는 마스크(mask)일 수 있다.A gate-off voltage may be applied to the first to sixteenth
크로스바 어레이(1000)의 컬럼 별로 소스 전류를 획득함으로써, 풀링(pooling) 연산이 수행될 수 있다. 구체적으로, 제1 컬럼(1002a)으로부터 획득된 제1-1 소스 전류(IS11)는 제1 위치의 윈도우(1011)에 포함된 복수의 픽셀들(P11 내지 P14, P21 내지 P24, P31 내지 P34 및 P41 내지 P44)에 대한 풀링 결과일 수 있다. By acquiring a source current for each column of the
마찬가지 방식으로, 제2 컬럼 내지 제5 컬럼(1002b 내지 1002e)으로부터 획득된 제1-2 소스 전류 내지 제1-5 소스 전류(IS12 내지 IS15)는 제1 위치 내지 제5 위치의 윈도우(1011)에 포함된 복수의 픽셀들에 대한 풀링 결과일 수 있다.In the same manner, the 1-2th source currents to the 1-5th source currents I S12 to I S15 obtained from the second column to the
한편, 이미지(1010) 상에서 윈도우(1011)는 총 25곳에 위치할 수 있으므로, 상술한 방식을 통해 제1 위치 내지 제25 위치의 윈도우(1011)에 포함된 복수의 픽셀들에 대한 풀링 결과를 획득함으로써, 뉴럴 네트워크의 풀링 연산이 완료될 수 있다.Meanwhile, since the
본 개시에 따른 복수의 비휘발성 메모리 소자들을 포함하는 크로스바 어레이(1000)는 벡터 행렬 연산(예를 들어, 풀링 연산)을 수행할 수 있고, 이러한 특성을 이용하여 크로스바 어레이(1000)는 인-메모리(in-memory) 컴퓨팅에 활용될 수 있다.The
도 11은 일 실시예에 따른 복수의 비휘발성 메모리 소자들을 포함하는 크로스바 어레이를 이용하여 뉴럴 네트워크의 컨벌루션 연산을 수행하는 과정을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.11 is an exemplary diagram for explaining a process of performing a convolution operation of a neural network using a crossbar array including a plurality of nonvolatile memory devices according to an embodiment.
크로스바 어레이(1000)에는 뉴럴 네트워크의 특정 레이어어 포함된 복수의 웨이트들이 저장될 수 있다. 크로스바 어레이(1000)의 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각에, 특정 레이어 포함된 복수의 웨이트들 각각에 대응하는 조도의 빛이 조사됨으로써, 크로스바 어레이(1000)에 복수의 웨이트들이 저장될 수 있다. 구체적인 방법은 도 9a의 내용과 중복되는 바 여기서는 생략하기로 한다.A plurality of weights included in a specific layer of a neural network may be stored in the
일 실시예에서, 크로스바 어레이(1000)를 이용하여 풀리-커넥티드 컨벌루션 연산을 수행할 수 있다. 도 11에서는 도 10의 이미지(1010)를 인식하기 위한, 풀리-커넥티드 컨벌루션 연산이 수행된다. 예를 들어, 크로스바 어레이(1000)를 이용하여, 이미지(1010)가 숫자 1 내지 9 중에서 어느 숫자에 해당되는지를 결정하기 위한 풀리-커넥티드 컨벌루션 연산이 수행될 수 있다.In an embodiment, a fully-connected convolution operation may be performed using the
먼저, 풀리-커넥티드 컨벌루션 연산을 수행하기 위해, 크로스바 어레이(1000)는 리셋될 수 있다.First, in order to perform a fully-connected convolution operation, the
크로스바 어레이(1000)의 드레인 전압은 풀리-커넥티드 레이어의 입력 값에 대응될 수 있다. 크로스바 어레이(1000)로부터 획득한 제1 위치 내지 제5 위치의 윈도우(1011)에 대응하는 제1-1 소스 전류 내지 제1-5 소스 전류(IS11 내지 IS15)는, 풀리-커넥티드 레이어의 입력 값에 대응될 수 있다. A drain voltage of the
구체적으로, 제1-1 소스 전류 내지 제1-5 소스 전류(IS11 내지 IS15)는 제1 드레인 전압 내지 제5 드레인 전압(VD11 내지 VD15)으로 변환될 수 있다. 또한, 제1 드레인 전압 내지 제5 드레인 전압(VD11 내지 VD15) 각각은, 제1 로우 내지 제5 로우(1001a 내지 1001e)에 인가될 수 있다. Specifically, the 1-1th source currents to the 1-5th source currents I S11 to I S15 may be converted into the first drain voltages to the fifth drain voltages V D11 to V D15 . Also, each of the first to fifth drain voltages V D11 to V D15 may be applied to the first to
크로스바 어레이(1000)의 컬럼 별로 소스 전류를 획득함으로써, 이미지(1010)가 인식될 수 있다. 구체적으로, 제1 컬럼(1002a)으로부터 획득된 제2-1 소스 전류(I11)는 이미지(1010)가 숫자 '1'에 해당될 확률을 나타낸다. 또한, 제2 컬럼 내지 제9 컬럼(1002b 내지 1002i)으로부터 획득된 제2-2 소스 전류 내지 제2-9 소스 전류(I12 내지 I19) 각각은, 이미지(1010)가 숫자 '2' 내지 '9'에 해당될 확률을 나타낸다.By acquiring the source current for each column of the
한편, 이미지(1010) 상에서 윈도우(1011)는 총 25곳에 위치할 수 있는데, 크로스바 어레이(1000)로부터 획득한 제2-1 소스 전류 내지 제2-9 소스 전류(I11 내지 I19)는, 제1 위치 내지 제5 위치의 윈도우(1011)에 대한 풀리-커넥티드 연산 결과에 불과하다. 즉, 이미지(1010) 상의 나머지 위치의 윈도우(1011)에 대한 풀리-커넥티드 연산 결과를 획득함으로써, 이미지(1010)를 최종적으로 인식할 수 있다. On the other hand, the
상술한 과정을 반복함으로써, 제1 위치 내지 제25 위치의 윈도우(1011)에 대응하는 25개의 소스 전류에 기초하여, 크로스바 어레이(1000)로부터 제1 컬럼 내지 제9 컬럼(1002a 내지 1002i)에 대한 제2-1 소스 전류 내지 제2-9 소스 전류(I11 내지 I19)가 획득될 수 있다.By repeating the above-described process, the first to
크로스바 어레이(1000)의 1 컬럼 내지 제9 컬럼(1002a 내지 1002i)으로부터 획득된, 제2-1 소스 전류 내지 제2-9 소스 전류(I11 내지 I19)는 이미지(1010)가 숫자 '1' 내지 '9'에 해당될 확률을 나타낼 수 있다. 이미지(1010)는 최종적으로, 숫자 '1' 내지 '9' 중에서, 가장 큰 확률 값을 갖는 숫자로 인식될 수 있다. 예를 들어, 제2-1 소스 전류(I11)의 값이 가장 클 경우, 이미지(1010)는 최종적으로 숫자 '1'로 인식될 수 있다. The 2-1 source currents to the 2-9th source currents I 11 to I 19 obtained from the first to
한편, 뉴럴 네트워크의 특정 레이어 포함된 복수의 웨이트들은, 뉴럴 네트워크의 학습이 진행됨에 따라 업데이트될 수 있다. 웨이트들이 업데이트된 경우, 크로스바 어레이(1000)를 리셋한 후, 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각에 업데이트된 웨이트들 각각에 대응하는 조도의 빛을 조사함으로써, 크로스바 어레이(1000)에 업데이트된 웨이트들이 저장될 수 있다. 크로스바 어레이(1000)는 뉴럴 네트워크의 학습 및 추론 과정에 광범위하게 활용될 수 있다.Meanwhile, a plurality of weights included in a specific layer of the neural network may be updated as learning of the neural network progresses. When the weights are updated, after resetting the
본 개시에 따른 복수의 비휘발성 메모리 소자들을 포함하는 크로스바 어레이(1000)는 벡터 행렬 연산을 수행할 수 있고, 이러한 특성을 이용하여 크로스바 어레이(1000)는 이미지 인식(image recognition)을 위한 학습 및 추론 과정에 활용될 수 있다.The
일 실시예에서, 이미징 모드(이미지 저장/획득)에서 활용된 크로스바 어레이는 리셋된 후 인식 모드(뉴럴 네트워크 학습/추론)에서 활용될 수 있고, 이로써 하나의 크로스바 어레이는 이미징 모드 및 인식 모드 모두에 활용될 수 있다.In one embodiment, a crossbar array utilized in imaging mode (image storage/acquisition) may be utilized in recognition mode (neural network learning/inference) after being reset, whereby one crossbar array is used in both imaging mode and recognition mode can be utilized.
도 12는 일 실시예에 따른 크로스바 어레이를 이용하여 소정의 동작을 수행하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 12에 도시된, 소정의 동작을 수행하는 방법, 앞서 설명된 도면들에서 설명된 실시예들에 관련되므로, 이하 생략된 내용이라 할지라도, 앞서 도면들에서 설명된 내용들은 도 12의 방법에도 적용될 수 있다.12 is a flowchart illustrating a method of performing a predetermined operation using a crossbar array according to an exemplary embodiment. 12, the method of performing a predetermined operation, as it relates to the embodiments described in the above-described drawings, even if omitted below, the contents described in the drawings are also in the method of FIG. can be applied.
이하에서 설명될 크로스바 어레이는 복수의 비휘발성 메모리 소자들을 포함할 수 있다. 비휘발성 메모리 소자는 저항변화 층을 포함할 수 있다. 저항변화 층의 상부 또는 하부에는 게이트가 위치할 수 있다. 저항변화 층과 게이트 사이에는 게이트 산화물 층이 형성될 수 있다. 또한, 소스 및 드레인은 저항변화 층 상에 형성되고, 서로 이격될 수 있다.A crossbar array to be described below may include a plurality of nonvolatile memory devices. The nonvolatile memory device may include a resistance change layer. A gate may be positioned above or below the resistance change layer. A gate oxide layer may be formed between the resistance change layer and the gate. In addition, the source and the drain may be formed on the resistance change layer and spaced apart from each other.
도 12를 참조하면, 단계 1210에서 프로세서는 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각의 게이트에 오프-전압을 인가할 수 있다. Referring to FIG. 12 , in
비휘발성 메모리 소자의 게이트에 오프-전압이 인가된 때, 비휘발성 메모리 소자가 포토 트랜지스터 및 메모리 특성을 갖는 소자로 동작할 수 있다. 게이트 오프-전압은 -6V일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.When an off-voltage is applied to the gate of the nonvolatile memory device, the nonvolatile memory device may operate as a phototransistor and a device having memory characteristics. The gate off-voltage may be -6V, but is not limited thereto.
한편, 비휘발성 메모리 소자의 게이트에 온-전압이 인가되면, 비휘발성 메모리 소자는 리셋될 수 있다.Meanwhile, when an on-voltage is applied to the gate of the nonvolatile memory device, the nonvolatile memory device may be reset.
단계 1220에서 프로세서는 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각의 저항변화 층의 저항 값을 변화시키기 위해, 복수의 엘리먼트들 각각에 대응하는 조도의 빛을 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각에 조사할 수 있다.In
저항변화 층의 저항 값은, 저항변화 층에 조사되는 빛의 조도에 기초하여 변화될 수 있고, 변화된 저항 값으로 유지될 수 있다. 구체적으로, 저항변화 층에 빛이 조사됨에 따라 저항변화 층 내부의 결함(defect)에 전하가 트래핑됨으로써 저항변화 층의 저항 값이 변화되고, 이후 저항변화 층에 빛이 더 이상 조사되지 않더라도 저항변화 층의 저항 값은 변화된 값으로 유지될 수 있다.The resistance value of the resistance change layer may be changed based on the illuminance of light irradiated to the resistance change layer, and may be maintained at the changed resistance value. Specifically, as light is irradiated to the resistance change layer, the resistance value of the resistance change layer is changed by trapping electric charges on defects inside the resistance change layer, and then the resistance change even if the light is no longer irradiated to the resistance change layer. The resistance value of the layer may be maintained at a changed value.
저항변화 층에 조사되는 빛의 조도가 클수록, 저항변화 층의 저항 값이 감소 폭이 증가할 수 있다. 구체적으로, 저항변화 층에 조사되는 빛의 조도가 증가할수록 저항변화 층 내부의 결함에 트래핑되는 전하가 증가할 수 있다. 저항변화 층 내부에 트래핑되는 전하가 증가하면 저항변화 층의 저항 값은 감소할 수 있다.As the illuminance of the light irradiated to the resistance change layer increases, the decrease in the resistance value of the resistance change layer may increase. Specifically, as the illuminance of light irradiated to the resistance change layer increases, the charge trapped in the defect inside the resistance change layer may increase. If the charge trapped inside the resistive layer increases, the resistance value of the resistive layer may decrease.
일 실시예에서, 저항변화 층은 2D 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 저항변화 층은 TMD(Transition Metal Dichalcogenide), Phosphorene(Black Phosphorus) 및 Grephene으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나로 형성될 수 있다.In one embodiment, the resistive layer may be formed of a 2D material. For example, the resistance change layer may be formed of at least one selected from the group consisting of Transition Metal Dichalcogenide (TMD), Phosphorene (Black Phosphorus), and Grephene.
또한, 저항변화 층은 3D 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 저항변화 층은 Germanane, Silicene, Ⅲ-V 및 IGZO으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.Also, the resistive layer may be formed of a 3D material. For example, the resistance change layer may include at least one selected from the group consisting of Germanane, Silicene, III-V, and IGZO.
단계 1230에서 프로세서는 크로스바 어레이의 적어도 하나의 로우에 게이트 오프-전압을 인가하고 크로스바 어레이의 컬럼 별로 소스 전류를 획득함으로써, 소정의 동작을 수행할 수 있다.In
일 실시예에서, 프로세서는 크로스바 어레이를 이용하여 이미지를 획득할 수 있다. 이 경우, 복수의 엘리먼트들은 이미지에 포함된 복수의 픽셀들일 수 있다.In one embodiment, the processor may acquire the image using the crossbar array. In this case, the plurality of elements may be a plurality of pixels included in the image.
이미지에 포함된 복수의 픽셀들 각각에 대응하는 조도의 빛이, 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각에 조사될 수 있다. 프로세서는 크로스바 어레이의 로우 별로 게이트 오프-전압을 인가하고, 크로스바 어레이의 컬럼 별로 소스 전류를 획득함으로써, 이미지를 획득할 수 있다.Light having an illuminance corresponding to each of the plurality of pixels included in the image may be irradiated to each of the plurality of nonvolatile memory devices. The processor may acquire an image by applying a gate-off voltage for each row of the crossbar array and acquiring a source current for each column of the crossbar array.
또한, 크로스바 어레이 위에 컬러 필터들을 순차적으로 배치함으로써, 크로스바 어레이로부터 컬러 이미지를 획득할 수 있다.Also, by sequentially arranging color filters on the crossbar array, a color image can be obtained from the crossbar array.
일 실시예에서, 프로세서는 크로스바 어레이를 이용하여 뉴럴 네트워크의 연산을 수행할 수 있다. 이 경우, 복수의 엘리먼트들은 뉴럴 네트워크의 특정 레이어에 포함된 복수의 웨이트들일 수 있다.In an embodiment, the processor may perform an operation of the neural network using the crossbar array. In this case, the plurality of elements may be a plurality of weights included in a specific layer of the neural network.
뉴럴 네트워크의 특정 레이어 포함된 복수의 웨이트들 각각에 대응하는 조도의 빛이, 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각에 조사될 수 있다. 프로세서는 크로스바 어레이의 적어도 하나의 로우에 게이트 오프-전압을 인가하고, 크로스바 어레이의 컬럼 별로 소스 전류를 획득함으로써, 뉴럴 네트워크의 연산을 수행할 수 있다. 예를 들어, 뉴럴 네트워크의 연산은, 풀링 연산, 컨벌루션 연산 및 풀리-커넥티드 컨벌루션 연산을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Light having an illuminance corresponding to each of a plurality of weights included in a specific layer of the neural network may be irradiated to each of the plurality of nonvolatile memory devices. The processor may perform a neural network operation by applying a gate-off-voltage to at least one row of the crossbar array and acquiring a source current for each column of the crossbar array. For example, the operation of the neural network may include, but is not limited to, a pooling operation, a convolution operation, and a fully-connected convolution operation.
본 개시에서는 크로스바 어레이를 이용하여 이미지를 저장하거나, 크로스바 어레이로부터 저장된 이미지를 획득할 수 있다. 또한, 본 개시에서는 크로스바 어레이를 이용하여 뉴럴 네트워크의 연산을 수행함으로써, 이미지를 인식할 수 있다.In the present disclosure, an image may be stored using a crossbar array or a stored image may be acquired from the crossbar array. In addition, in the present disclosure, an image may be recognized by performing a neural network operation using a crossbar array.
도 13은 일 실시예에 따른 메모리 시스템을 나타내는 블록도이다. 13 is a block diagram illustrating a memory system according to an exemplary embodiment.
도 13을 참조하면, 메모리 시스템(1300)은 프로세서(1310) 및 적어도 하나의 크로스바 어레이(1320)를 포함할 수 있다. 프로세서(1310)는 크로스바 어레이(1320)에 대한 제어 동작을 수행하며, 일 예로서 프로세서(1310)는 크로스바 어레이(1320)에 어드레스(ADD) 및 커맨드(CMD)를 제공함으로써, 크로스바 어레이(1320)에 대한 데이터 저장, 독출 및 소거(erase) 동작을 수행할 수 있다. 또한, 저장 및 독출을 위한 데이터가 프로세서(1310)와 크로스바 어레이(1320) 사이에서 송수신될 수 있다. Referring to FIG. 13 , the memory system 1300 may include a
크로스바 어레이(1321)는, 복수의 로우(row)와 복수의 컬럼(column)이 교차하는 영역들에 배치되는 복수의 비휘발성 메모리 소자들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서 비휘발성 메모리 소자는 저항변화 층을 포함할 수 있다. 저항변화 층의 상부 또는 하부에는 게이트가 위치할 수 있다. 저항변화 층과 게이트 사이에는 게이트 산화물 층이 형성될 수 있다. 또한, 소스 및 드레인은 저항변화 층 상에 형성되고, 서로 이격될 수 있다.The crossbar array 1321 may include a plurality of nonvolatile memory devices disposed in regions where a plurality of rows and a plurality of columns intersect. In an embodiment, the non-volatile memory device may include a resistance change layer. A gate may be positioned above or below the resistance change layer. A gate oxide layer may be formed between the resistance change layer and the gate. In addition, the source and the drain may be formed on the resistance change layer and spaced apart from each other.
프로세서(1310)는 저장/독출 제어부(1311), 전압 제어부(1312) 및 데이터 판별부(1313)를 포함할 수 있다. 그러나, 프로세서(1310)에 포함되는 구성은 예시에 불과할 뿐, 일부 구성이 제외되거나, 다른 구성이 더 추가될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다.The
저장/독출 제어부(1311)는 크로스바 어레이(1321)에 대한 데이터 저장, 독출 및 소거 동작을 수행하기 위한 어드레스(ADD) 및 커맨드(CMD)를 생성할 수 있다. 또한, 전압 제어부(1312)는 크로스바 어레이(1320) 내에서 이용되는 적어도 하나의 전압 레벨을 제어하기 전압 제어신호를 생성할 수 있다. 일예로서, 전압 제어부(1312)는 크로스바 어레이(1321)로부터 데이터를 독출하거나 크로스바 어레이(1321)에 데이터를 저장하기 위해, 크로스바 어레이(1321)의 로우에 인가되는 전압 레벨을 제어하기 위한 전압 제어신호를 생성할 수 있다. The store/
한편, 데이터 판별부(1313)는 크로스바 어레이(1320)로부터 독출된 데이터에 대한 판별 동작을 수행할 수 있다. 예컨대, 데이터 판별부(1313)는 크로스바 어레이(1321)로부터 독출된 데이터를 판별하여, 크로스바 어레이(1321)에 포함된 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각이, 온 상태 또는 오프 상태에 해당하는지 판별할 수 있다. 일 동작예로서, 데이터 판별부(1313)는 크로스바 어레이(1321)에 데이터가 저장되면, 소정의 독출 전압을 이용하여 크로스바 어레이(1321)에 포함된 복수의 비휘발성 메모리 소자들의 데이터의 상태를 판별함으로써, 비휘발성 메모리 소자들에 대해 정상적으로 데이터 저장이 완료되었는지 여부를 판별할 수 있다. Meanwhile, the
본 실시예들은 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈과 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.The present embodiments may also be implemented in the form of a recording medium including instructions executable by a computer, such as a program module executed by a computer. Computer-readable media can be any available media that can be accessed by a computer and includes both volatile and nonvolatile media, removable and non-removable media. In addition, computer-readable media may include both computer storage media and communication media. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data. Communication media typically includes computer readable instructions, data structures, other data in modulated data signals, such as program modules, or other transport mechanisms, and includes any information delivery media.
또한, 본 명세서에서, "부"는 프로세서 또는 회로와 같은 하드웨어 구성(hardware component), 및/또는 프로세서와 같은 하드웨어 구성에 의해 실행되는 소프트웨어 구성(software component)일 수 있다.Also, in this specification, "unit" may be a hardware component such as a processor or circuit, and/or a software component executed by a hardware component such as a processor.
전술한 본 명세서의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 명세서의 내용이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The description of the present specification described above is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the content of this specification belongs will understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be able Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a dispersed form, and likewise components described as distributed may be implemented in a combined form.
본 실시예의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present embodiment is indicated by the following claims rather than the detailed description, and it should be construed as including all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents.
Claims (15)
저항변화 층(resistance switching layer);
상기 저항변화 층의 상부 또는 하부에 위치하는 게이트(Gate);
상기 저항변화 층과 상기 게이트 사이에 형성된 게이트 산화물 층(Gate Oxide Layer); 및
상기 저항변화 층 상에 형성되고, 서로 이격되는 소스(Source) 및 드레인(Drain); 및
최상부에 순차적으로 배치되는 복수의 컬러 필터들;
를을 포함하고,
상기 저항변화 층의 저항 값은, 상기 저항변화 층의 상부를 통해 조사되는 빛의 조도(illumination)에 기초하여 변화되고 상기 변화된 저항 값으로 유지되는 것인, 비휘발성 메모리 소자.A non-volatile memory device comprising:
a resistance switching layer;
a gate positioned above or below the resistance change layer;
a gate oxide layer formed between the resistance change layer and the gate; and
a source and a drain formed on the resistance change layer and spaced apart from each other; and
a plurality of color filters sequentially disposed on top;
including,
The resistance value of the resistance change layer is changed based on illumination of light irradiated through an upper portion of the resistance change layer and is maintained at the changed resistance value.
상기 게이트는,
상기 저항변화 층의 상부에 위치하고, 상기 조사되는 빛이 통과할 수 있는 투명 전도성 전극(Transparent Conducting Electrode; TCE) 게이트인 것인, 비휘발성 메모리 소자.The method of claim 1,
The gate is
A non-volatile memory device that is positioned on the resistance change layer and is a transparent conducting electrode (TCE) gate through which the irradiated light can pass.
상기 저항변화 층은,
2D 물질로 형성되고, 상기 2D 물질은 TMD(Transition Metal Dichalcogenide), Phosphorene(Black Phosphorus) 및 Graphene으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인, 비휘발성 메모리 소자.The method of claim 1,
The resistance change layer,
It is formed of a 2D material, wherein the 2D material includes at least one selected from the group consisting of transition metal dichalcogenide (TMD), phosphorene (black phosphorus), and graphene.
상기 저항변화 층은, 단층 또는 다층으로 형성되는 것인, 비휘발성 메모리 소자.4. The method of claim 3,
The resistance change layer is a non-volatile memory device that is formed of a single layer or a multi-layer.
상기 저항변화 층은,
3D 물질로 형성되고, 상기 3D 물질은 Germanane, Silicene, Ⅲ-V 및 IGZO으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인, 비휘발성 메모리 소자.The method of claim 1,
The resistance change layer,
It is formed of a 3D material, wherein the 3D material includes at least one selected from the group consisting of Germanane, Silicene, III-V and IGZO.
상기 게이트 산화물 층은 다층으로 형성되고, 상기 다층에는 전하 트래핑 층(charge trapping layer)이 포함되는 것인, 비휘발성 메모리 소자.The method of claim 1,
The nonvolatile memory device of claim 1 , wherein the gate oxide layer is formed in multiple layers, and the multiple layers include a charge trapping layer.
상기 게이트에 오프-전압(off-voltage)이 인가된 상태에서, 상기 저항변화 층의 상부를 통해 조사되는 빛의 조도가 클수록 상기 저항변화 층의 저항 값이 감소하는 것인, 비휘발성 메모리 소자.The method of claim 1,
In a state in which an off-voltage is applied to the gate, the resistance value of the resistance change layer decreases as the illuminance of light irradiated through the upper portion of the resistance change layer increases.
상기 게이트의 전압에 온-전압(on-voltage)을 인가하면 상기 저항변화 층의 저항 값이 리셋(reset)되는 것인, 비휘발성 메모리 소자.The method of claim 1,
and a resistance value of the resistance change layer is reset when an on-voltage is applied to the voltage of the gate.
상기 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각의 게이트에 오프-전압을 인가하는 단계;
상기 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각의 저항변화 층의 저항 값을 변화시키기 위해, 복수의 엘리먼트들 각각에 대응하는 조도의 빛을 상기 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각에 조사하는 단계; 및
상기 크로스바 어레이의 적어도 하나의 로우(row)에 게이트 오프-전압을 인가하고 상기 크로스바 어레이의 컬럼(column) 별로 소스 전류를 획득함으로써, 상기 소정의 동작을 수행하는 단계;
를 포함하고,
상기 조사하는 단계는,
이미지 상에서 소정의 스트라이드(stride) 간격만큼 윈도우(window)를 시프트(shift)하며, 상기 크로스바 어레이의 컬럼 별로 상기 윈도우에 포함된 복수의 엘리먼트들에 대응하는 조도의 빛을 조사하는 단계;
를 포함하는, 방법.A method of performing a predetermined operation using a crossbar array including a plurality of non-volatile memory devices, the method comprising:
applying an off-voltage to the gates of each of the plurality of nonvolatile memory devices;
irradiating light of an illuminance corresponding to each of the plurality of elements to each of the plurality of non-volatile memory elements to change the resistance value of the resistance change layer of each of the plurality of non-volatile memory elements; and
performing the predetermined operation by applying a gate-off voltage to at least one row of the crossbar array and acquiring a source current for each column of the crossbar array;
including,
The investigation step is
shifting a window by a predetermined stride interval on an image, and irradiating light of an illuminance corresponding to a plurality of elements included in the window for each column of the crossbar array;
A method comprising
상기 조사하는 단계는,
이미지에 포함된 복수의 픽셀들 각각에 대응하는 조도의 빛을 상기 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각에 조사하는 단계;
를 포함하고,
상기 소정의 동작을 수행하는 단계는,
상기 크로스바 어레이의 로우 별로 게이트 오프-전압을 인가하고 상기 크로스바 어레이의 컬럼 별로 소스 전류를 획득함으로써, 상기 이미지를 획득하는 단계;
를 포함하는, 방법.10. The method of claim 9,
The investigation step is
irradiating light of an illuminance corresponding to each of a plurality of pixels included in an image to each of the plurality of non-volatile memory devices;
including,
The step of performing the predetermined operation comprises:
acquiring the image by applying a gate-off voltage to each row of the crossbar array and acquiring a source current for each column of the crossbar array;
A method comprising
상기 조사하는 단계는,
상기 비휘발성 메모리 소자들 위에 복수의 컬러 필터들을 순차적으로 배치하고, 이미지에 포함된 복수의 픽셀들 각각에 대응하는 조도의 빛을 상기 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각에 조사하는 단계;
를 포함하고,
상기 소정의 동작을 수행하는 단계는,
상기 크로스바 어레이의 로우 별로 게이트 오프-전압을 인가하고, 상기 크로스바 어레이의 컬럼 별로 소스 전류를 획득함으로써, 상기 복수의 컬러 필터들 각각에 대응하는 중간 이미지들을 획득하는 단계; 및
상기 중간 이미지들을 합성하여 컬러 이미지를 획득하는 단계;
를 포함하는, 방법.10. The method of claim 9,
The investigation step is
sequentially arranging a plurality of color filters on the non-volatile memory devices, and irradiating light of an illuminance corresponding to each of a plurality of pixels included in an image to each of the plurality of non-volatile memory devices;
including,
The step of performing the predetermined operation comprises:
acquiring intermediate images corresponding to each of the plurality of color filters by applying a gate-off voltage to each row of the crossbar array and acquiring a source current for each column of the crossbar array; and
obtaining a color image by synthesizing the intermediate images;
A method comprising
상기 조사하는 단계는,
뉴럴 네트워크의 특정 레이어 포함된 복수의 웨이트들 각각에 대응하는 조도의 빛을 상기 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각에 조사하는 단계;
를 포함하고,
상기 소정의 동작을 수행하는 단계는,
상기 크로스바 어레이의 적어도 하나의 로우에 게이트 오프-전압을 인가하고 상기 크로스바 어레이의 컬럼 별로 소스 전류를 획득함으로써, 상기 특정 레이어의 벡터 행렬 연산을 수행하는 단계;
를 포함하는, 방법.10. The method of claim 9,
The investigation step is
irradiating light of an illuminance corresponding to each of a plurality of weights included in a specific layer of a neural network to each of the plurality of non-volatile memory devices;
including,
The step of performing the predetermined operation comprises:
performing a vector matrix operation of the specific layer by applying a gate-off-voltage to at least one row of the crossbar array and acquiring a source current for each column of the crossbar array;
A method comprising
상기 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각의 게이트에 오프-전압을 인가하는 단계;
이미지 상에서 소정의 스트라이드 간격만큼 윈도우를 시프트하며, 상기 크로스바 어레이의 컬럼 별로 상기 윈도우에 포함된 상기 이미지의 복수의 픽셀들 각각에 대응하는 조도의 빛을 조사하는 단계;
상기 크로스바 어레이의 적어도 하나의 로우에 게이트 오프-전압을 인가하고 상기 크로스바 어레이의 컬럼 별로 제1 소스 전류를 획득함으로써, 풀링(pooling) 연산을 수행하는 단계;
상기 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각의 게이트에 온-전압을 인가하여 상기 크로스바 어레이를 리셋한 후, 오프-전압을 인가하는 단계;
뉴럴 네트워크의 특정 레이어 포함된 복수의 웨이트들 각각에 대응하는 조도의 빛을 상기 복수의 비휘발성 메모리 소자들 각각에 조사하는 단계;
상기 크로스바 어레이의 적어도 하나의 로우에 상기 제1 소스 전류에 대응하는 전압을 드레인 전압으로 인가하고, 상기 크로스바 어레이의 컬럼 별로 제2 소스 전류를 획득함으로써, 풀리-커넥티드(Fully-Connected) 컨벌루션 연산을 수행하는 단계; 및
상기 제2 소스 전류에 기초하여 상기 이미지를 인식하는 단계;
를 포함하는, 비휘발성 메모리 장치.A method of recognizing an image using a crossbar array including a plurality of non-volatile memory devices, the method comprising:
applying an off-voltage to the gates of each of the plurality of nonvolatile memory devices;
shifting a window by a predetermined stride interval on an image and irradiating light of an illuminance corresponding to each of a plurality of pixels of the image included in the window for each column of the crossbar array;
performing a pooling operation by applying a gate-off-voltage to at least one row of the crossbar array and acquiring a first source current for each column of the crossbar array;
resetting the crossbar array by applying an on-voltage to the gates of each of the plurality of nonvolatile memory devices, and then applying an off-voltage;
irradiating light of an illuminance corresponding to each of a plurality of weights included in a specific layer of a neural network to each of the plurality of non-volatile memory devices;
Fully-connected convolution operation by applying a voltage corresponding to the first source current as a drain voltage to at least one row of the crossbar array and obtaining a second source current for each column of the crossbar array performing the steps; and
recognizing the image based on the second source current;
A non-volatile memory device comprising:
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