KR102495823B1 - Artificial neuron device using threshold switch - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 인공 뉴런 소자는, 입력 단자와 제 1 노드 사이에 연결되는 임계 스위치; 및 상기 제 1 노드와 접지 단자 사이에 연결되는 부하 저항을 포함하되, 상기 입력 단자로 시간에 따라 일정한 레벨의 입력 전압이 인가되는 경우에, 상기 부하 저항에 스파이크 전류(spike current)가 흐르고, 상기 입력 단자로 인가되는 입력 전압의 레벨이 증가되는 경우에, 상기 부하 저항에 흐르는 스파이크 전류의 스파이크 빈도가 증가하는 구간이 발생한다.An artificial neuron element according to an embodiment of the present invention includes a threshold switch connected between an input terminal and a first node; and a load resistance connected between the first node and a ground terminal, wherein when an input voltage of a constant level is applied to the input terminal over time, a spike current flows through the load resistance, When the level of the input voltage applied to the input terminal increases, a period in which the spike frequency of the spike current flowing through the load resistor increases occurs.

Description

임계 스위치를 이용한 인공 뉴런 소자 {ARTIFICIAL NEURON DEVICE USING THRESHOLD SWITCH}Artificial neuron device using threshold switch {ARTIFICIAL NEURON DEVICE USING THRESHOLD SWITCH}

본 발명은 인공 신경 회로에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 임계 스위치를 포함하는 인공 뉴런 소자에 관한 것이다.The present invention relates to an artificial neural circuit, and more particularly, to an artificial neuron device including a threshold switch.

뉴런(neuron)은 생체 속에서 정보 처리를 위해 특별한 분화를 이룬 신경 세포이다. 뉴런은 본체인 세포체(soma), 축색(axon), 그리고 수상돌기(dendrite) 세 부분으로 이루어진다. 축색은 세포체로부터의 신호를 다른 뉴런에 전달하는 섬유(nerve fibers)이다. 수상돌기는 다른 뉴런으로부터의 신호를 받아들이는 섬유이다. 즉, 다른 뉴런의 축색의 말단이 수상돌기에 연결되어 있다. 이 연결 부분을 시냅스(synapse)라 부른다.Neurons are nerve cells specially differentiated for information processing in living organisms. A neuron consists of three main parts: a soma, an axon, and a dendrite. Axons are nerve fibers that carry signals from the cell body to other neurons. Dendrites are fibers that receive signals from other neurons. That is, the end of the axon of another neuron is connected to the dendrite. This connection is called a synapse.

하나의 뉴런은 평균해서 수천 개, 많게는 수 만개의 축색으로부터 신호를 받고 있다. 따라서 하나의 뉴런이 다수의 축색과 결합하기 위해서는 그 뉴런의 수상돌기를 복잡하게 만들어 축색과 결합 가능한 장소를 넓힐 필요가 있다. 세포체는 많은 입력 신호에 대해 계산을 실행하며, 그 답은 축색을 통해 다른 뉴런에 전달된다. 이러한 신경 회로망에서 어떠한 계산(혹은 정보 처리)을 할 것인가는 수상돌기의 연결 부분, 즉 시냅스에 분산되어 저장되어 있다.On average, a single neuron receives signals from thousands and even tens of thousands of axons. Therefore, in order for one neuron to combine with multiple axons, it is necessary to complicate the dendrites of the neuron and expand the places where it can combine with the axons. The cell body performs calculations on a number of input signals, and the answers are relayed to other neurons via the axon. What kind of calculation (or information processing) to be performed in this neural network is distributed and stored in the connection part of the dendrites, that is, the synapse.

일반적으로 뉴런 내부의 전위(potential)는 외부에 비하여 낮다. 그러나 외부로부터 입력 신호가 도달하면, 내부 막전위가 점차 높아진다. 높아진 막전위가 특정 전위 즉, 역치 또는 임계(threshold)에 도달하면, 뉴런은 펄스 형태의 전류를 발생시키고 막전위는 다시 낮아진다. 이때 뉴런은 발화(fire)했다고 하며, 이것은 전기적 신호로서 다른 뉴런에 전달된다.In general, the potential inside a neuron is lower than that outside. However, when an input signal arrives from the outside, the internal membrane potential gradually increases. When the elevated membrane potential reaches a specific potential, that is, a threshold or threshold, the neuron generates a current in the form of a pulse and the membrane potential is lowered again. At this time, the neuron is said to have fired, and this is transmitted to other neurons as an electrical signal.

인공 신경 회로는(artificial neural circuit)는 생물학적 신경계(biological nerve system)와 유사한 동작을 수행하는 회로이다. 인공 신경 회로는 문자 인식, 이미지 인식, 음성 인식, 얼굴 인식과 같은 다양한 분야에서 사용될 수 있다. 인공 신경 회로는 초고밀도집적회로(Very large scale integrated circuit; VLSI)와 같은 기술을 이용하여 회로적으로 어느 정도로 구현될 수 있다. 그러나 종래의 방법을 이용하여 생물학적 신경계의 복잡한 특성과 행동을 회로적으로 구현하기가 쉽지 않다. 또한, 종래의 방법으로 구현하기 위해서는 인공 신경 회로의 면적이 넓어지고, 회로적으로 구현하더라도 전력을 많이 소모하는 문제점이 있다.An artificial neural circuit is a circuit that performs an operation similar to that of a biological nerve system. Artificial neural circuits can be used in various fields such as text recognition, image recognition, voice recognition, and face recognition. Artificial neural circuits can be implemented to some degree in terms of circuits using technologies such as very large scale integrated circuits (VLSI). However, it is not easy to implement complex characteristics and behaviors of the biological nervous system in a circuit using conventional methods. In addition, in order to implement by the conventional method, the area of the artificial neural circuit is widened, and there is a problem in that a lot of power is consumed even if implemented as a circuit.

본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로써, 본 발명의 목적은 생물학적 뉴런의 특성과 행동을 만족하는 동시에, 높은 집적도와 적은 전력 소모를 가능케 하는 매우 단순한 구조의 인공 뉴런 소자를 제공하는 데 있다. The present invention is to solve the above-described technical problems, and an object of the present invention is to provide an artificial neuron device having a very simple structure that satisfies the characteristics and behaviors of biological neurons and enables high integration and low power consumption. there is.

본 발명의 실시 예에 따른 인공 뉴런 소자는, 입력 단자와 제 1 노드 사이에 연결되는 임계 스위치; 및 상기 제 1 노드와 접지 단자 사이에 연결되는 부하 저항을 포함하되, 상기 입력 단자로 시간에 따라 일정한 레벨의 입력 전압이 인가되는 경우에, 상기 부하 저항에 스파이크 전류(spike current)가 흐르고, 상기 입력 단자로 인가되는 입력 전압의 레벨이 증가되는 경우에, 상기 부하 저항에 흐르는 스파이크 전류의 스파이크 빈도가 증가하는 구간이 발생한다.An artificial neuron element according to an embodiment of the present invention includes a threshold switch connected between an input terminal and a first node; and a load resistance connected between the first node and a ground terminal, wherein when an input voltage of a constant level is applied to the input terminal over time, a spike current flows through the load resistance, When the level of the input voltage applied to the input terminal increases, a period in which the spike frequency of the spike current flowing through the load resistor increases occurs.

예로서, 상기 임계 스위치는 오보닉 임계 스위치(OTS)일 수 있다. 상기 임계 스위치는 상부 전극, TS 재료, 그리고 하부 전극을 포함하고,상기 TS 재료는 Nb, Ta, V 중에서 적어도 하나를 포함하는 산화물일 수 있다. 또한, 상기 TS 재료는 Se, Te 중에서 적어도 하나와 Si, Ge, As 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 임계 스위치는 문턱 전압(Vth), 홀딩 전압(Vh), 그리고 이전 저항 상태에 따라, 온 저항 상태 또는 오프 저항 상태를 갖는다.As an example, the threshold switch may be an ovonic threshold switch (OTS). The threshold switch includes an upper electrode, a TS material, and a lower electrode, and the TS material may be an oxide containing at least one of Nb, Ta, and V. In addition, the TS material may include at least one of Se and Te and at least one of Si, Ge, and As. The threshold switch has an on-resistance state or an off-resistance state according to a threshold voltage (Vth), a holding voltage (Vh), and a previous resistance state.

본 발명의 실시 예에 따르면, 인공 뉴런 소자는 생물학적 뉴런의 Integrate-and-Fire 기능과 rate coding 능력을 잘 보여주기 때문에, 인공 신경망 소자, large-scale brain-inspired 컴퓨팅 시스템, 인공 지능(AI) 시스템 등에 널리 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 인공 뉴런 소자는 임계 스위치(TS)와 저항 소자만으로 설계됨으로, 종래의 Si-MOSFET에 기반을 둔 인공 뉴런 소자에 비해, 전력 소모를 획기적으로 줄일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, an artificial neural network device, a large-scale brain-inspired computing system, and an artificial intelligence (AI) system because the artificial neuron device shows well the Integrate-and-Fire function and rate coding ability of biological neurons. etc. can be widely used. In addition, since the artificial neuron device according to an embodiment of the present invention is designed with only a threshold switch (TS) and a resistance device, power consumption can be drastically reduced compared to artificial neuron devices based on conventional Si-MOSFETs.

도 1은 생물학적 뉴런(biological neuron)의 자극(stimulus)과 반응(response)을 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 인공 뉴런 소자(artificial neuron device)를 보여주는 회로도이다.
도 3은 도 2에 도시된 인공 뉴런 소자의 임계 스위치(TS ; thresholod switch)의 전압-전류 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 4는 도 2에 도시된 임계 스위치(TS)의 구조를 예시적으로 보여주는 모형도이다.
도 5 및 도 6은 도 2에 도시된 임계 스위치의 부하 저항 의존성(Rload-dependence)을 예시적으로 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 도 2에 도시된 인공 뉴런 소자의 rate coding ability을 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 도 2에 도시된 인공 뉴런 소자를 포함하는 인공 신경 칩을 보여주는 블록도이다.
도 9는 도 8에 도시된 인공 신경 칩을 포함하는 사용자 장치를 보여주는 블록도이다.
1 is a graph showing stimulation and response of biological neurons.
2 is a circuit diagram showing an artificial neuron device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a voltage-current change of a threshold switch (TS) of the artificial neuron device shown in FIG. 2 as an example.
FIG. 4 is a schematic diagram showing the structure of the threshold switch TS shown in FIG. 2 as an example.
5 and 6 are graphs for exemplarily explaining the load resistance dependence (Rload-dependence) of the threshold switch shown in FIG. 2 .
FIG. 7 is a graph for explaining the rate coding ability of the artificial neuron device shown in FIG. 2 .
FIG. 8 is a block diagram showing an artificial neural chip including the artificial neuron device shown in FIG. 2 .
FIG. 9 is a block diagram showing a user device including the artificial neural chip shown in FIG. 8 .

이하에서, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로, 본 발명의 실시 예들이 명확하고 상세하게 기재될 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described clearly and in detail to the extent that those skilled in the art can easily practice the present invention.

도 1은 생물학적 뉴런(biological neuron)의 자극(stimulus)과 반응(response)을 보여주는 그래프이다. 도 1에서는 예로서 메뚜기의 시신경에 존재하는 뉴런에서 발현되는 자극과 반응을 보여주고 있다. 도 1을 참조하면, 생물학적 뉴런은 자극에 대해 일정한 반응 패턴 경향성을 보인다. 생물학적 뉴런에 시간적으로 일정한 자극(stimulus)을 인가하면, 막전위(Vmem; membrane potential)가 증가한다. 막전위가 증가하다가 역치(threshold)를 넘어서면, 뉴런은 스파이크 전류(Is; spike current)를 발생시킨다. 도 1에서 반응(response)은 여러 자극의 세기에 대한 스파이크 전류(Is)의 변화를 보여주고 있다.1 is a graph showing stimulation and response of biological neurons. Figure 1 shows stimuli and responses expressed in neurons present in the optic nerve of locusts as an example. Referring to FIG. 1 , biological neurons tend to show certain response patterns to stimuli. When a temporally constant stimulus is applied to a biological neuron, a membrane potential (Vmem) increases. When the membrane potential increases and exceeds a threshold, neurons generate a spike current (Is). In Figure 1, the response (response) shows the change of the spike current (Is) for the intensity of several stimuli.

예를 들면, 생물학적 뉴런에 일정 레벨의 a자극을 인가하면, t1 시점까지 막전위(Vmem)가 증가하다가 t1 시점에서 스파이크 전류(Is)가 발생한다. 이러한 신경의 반응 패턴을 Integrate-and-Fire라고 한다. 생물학적 뉴런은 일반적으로 Integrate-and-Fire 기능(I&F function)을 갖는다. For example, when a certain level of stimulation a is applied to a biological neuron, the membrane potential (Vmem) increases until time t1, and then a spike current Is is generated at time t1. This neural response pattern is called Integrate-and-Fire. Biological neurons generally have an Integrate-and-Fire function (I&F function).

생물학적 뉴런은 자극의 세기가 증가할수록 스파이크율(spike rate)이 점점 증가하는 특성을 보인다. 여기에서, 스파이크율(spike rate)은 발화율(firing rate)이라고도 한다. 도 1을 참조하면, 자극의 세기가 a, b, c, d로 커짐에 따라, 생물학적 뉴런에 발생하는 스파이크 수가 증가함을 알 수 있다. 예를 들면, a자극에 대해서는 1개의 스파이크(spike)가 발생하지만, b자극에 대해서는 4개의 스파이크가 발생하고, c자극과 d자극에 대해서는 더 많은 스파이크가 발생함을 알 수 있다. 자극의 세기가 증가함에 따라 스파이크율이 커지는 생물학적 신경의 반응을 레이트 코딩(rate coding)이라고 한다. 생물학적 뉴런은 일반적으로 레이트 코딩 능력(rate coding ability)을 갖는다.Biological neurons show a characteristic in which a spike rate gradually increases as the intensity of stimulation increases. Here, the spike rate is also referred to as the firing rate. Referring to FIG. 1 , it can be seen that the number of spikes generated in biological neurons increases as the intensity of stimulation increases to a, b, c, and d. For example, it can be seen that 1 spike occurs for the a stimulus, 4 spikes occur for the b stimulus, and more spikes occur for the c and d stimuli. A response of a biological nerve in which the spike rate increases as the intensity of stimulation increases is called rate coding. Biological neurons generally have rate coding ability.

이러한 생물학적 뉴런의 특징들은 복잡하고 섬세하기 때문에, 생물학적 뉴런의 특성들을 모두 만족하는 인공 뉴런 소자(artificial neuron device)를 구현하거나 이것을 포함하는 인공 신경망 칩(artificial neuron network chip)을 만드는 것은 쉽지 않다. 그러나 이하에서 설명되는 인공 뉴런 소자는 위에서 설명한 생물학적 뉴런의 여러 특성들을 만족할 수 있다.Since the characteristics of these biological neurons are complex and delicate, it is not easy to implement an artificial neuron device that satisfies all the characteristics of biological neurons or to manufacture an artificial neuron network chip including the same. However, the artificial neuron device described below may satisfy various characteristics of the biological neuron described above.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 인공 뉴런 소자(artificial neuron device)를 보여주는 회로도이다. 도 2에 도시된 인공 뉴런 소자(100)는 도 1에 도시된 생물학적 뉴런의 자극과 반응 특성을 잘 보여준다. 따라서 본 발명의 인공 뉴런 소자(100)는 large-scale brain-inspired 컴퓨팅 시스템이나 인공 지능(AI) 시스템 등에 사용될 수 있다.2 is a circuit diagram showing an artificial neuron device according to an embodiment of the present invention. The artificial neuron device 100 shown in FIG. 2 well shows the stimulation and response characteristics of the biological neuron shown in FIG. 1 . Therefore, the artificial neuron device 100 of the present invention can be used in a large-scale brain-inspired computing system or an artificial intelligence (AI) system.

도 2를 참조하면, 인공 뉴런 소자(100)는 임계 스위치(110, thresholod switch)와 부하 저항(120)을 포함하여 구현될 수 있다. 임계 스위치(110)는 입력 단자와 N 노드 사이에 연결된다. 입력 단자는 입력 전압(Vin)을 입력 받는다. 부하 저항(120)은 N 노드와 접지 단자 사이에 연결된다. 여기에서, 부하 저항(120)은 능동 저항 소자(예를 들면, 전계효과 트랜지스터(FET; Field Effect Transistor))나 수동 저항 소자(예를 들면, 저항기)로 구현될 수 있다. 부항 저항(120)이 능동 저항 소자로 구현될 경우에 게이트 전압의 값에 따라 저항값을 조절할 수 있다. 또한, 부하 저항(120)은 임계 스위치(110, TS)에서 바라본 외부 장치의 등가 저항일 수 있다. 그리고 부하 저항(120)에 흐르는 전류(I)는 출력 전류일 수 있다.Referring to FIG. 2 , the artificial neuron device 100 may be implemented by including a threshold switch 110 and a load resistor 120 . Threshold switch 110 is connected between the input terminal and the N node. The input terminal receives the input voltage (Vin). A load resistor 120 is connected between the N node and the ground terminal. Here, the load resistor 120 may be implemented as an active resistive element (eg, a field effect transistor (FET)) or a passive resistive element (eg, a resistor). When the cupping resistor 120 is implemented as an active resistor, the resistance value may be adjusted according to the value of the gate voltage. Also, the load resistance 120 may be an equivalent resistance of an external device viewed from the threshold switch 110 (TS). Also, the current I flowing through the load resistor 120 may be an output current.

입력 단자와 접지 단자 사이의 전압(Vin)은 임계 스위치(110, TS)에 걸리는 전압(VTS)과 부하 저항(120)에 걸리는 전압(Vload)의 합으로 표현될 수 있다. 즉, Vin=VTS+Vload이다. 여기에서, Vload=I*Rload이다. 임계 스위치(110, TS)의 저항을 RTS라고 하면, VTS=I*RTS이다. The voltage (Vin) between the input terminal and the ground terminal may be expressed as the sum of the voltage (V TS ) across the threshold switch 110 ( TS ) and the voltage (V load ) across the load resistor 120 . That is, Vin=V TS +V load . Here, V load =I*R load . If the resistance of the threshold switch 110 (TS) is R TS , then V TS =I*R TS .

여기에서, RTS는 TS에 인가되는 바이어스 전압(bias voltage)이나 이전의 상태(previous state) 등에 따라 변하는 가변 저항(variable resistor)의 저항값이라고 정의할 수 있다. RTS는 이래와 같은 수학식 1로 표현될 수 있다.Here, R TS may be defined as a resistance value of a variable resistor that changes according to a bias voltage applied to TS or a previous state. R TS can be expressed by Equation 1 as follows.

Figure 112020054508671-pat00001
Figure 112020054508671-pat00001

수학식 1을 참조하면, RTS는 Vth와 VH에 따라 저항 상태가 변함을 알 수 있다. 여기에서, Vth는 TS의 문턱 전압(threshold voltage)이고 VH는 홀딩 전압(holding voltage)이다. VTS가 Vth보다 높으면 TS는 온 저항 상태(Ron)에 있다. VTS가 VH보다 낮으면 TS는 오프 저항 상태(Roff)에 있다.Referring to Equation 1, it can be seen that the resistance state of R TS changes according to Vth and V H . Here, Vth is the threshold voltage of TS and V H is the holding voltage. When V TS is higher than Vth, TS is in the on-resistance state (Ron). When V TS is lower than V H , TS is in an off resistance state (Roff).

한편, RTS는 이전 저항 상태에 따라 저항 상태가 변할 수 있다. VTS가 VH보다 높고 Vth보다 낮은 경우(VH<VTS<Vth)에는 이전 저항 상태를 유지한다. 즉, TS의 이전 저항 상태가 온 저항 상태(Ron)이면 온 저항 상태를 유지하고, 오프 저항 상태(Roff)이면 오프 저항 상태를 유지한다. 수학식 1에 표현된 TS 저항(RTS)은 TS의 물질적인 특성과 그것의 전압-전류 변화에 기인한다. TS의 전압-전류 변화는 도 3을 참조하여 좀 더 자세하게 설명하기로 한다.Meanwhile, the resistance state of R TS may change according to the previous resistance state. When V TS is higher than V H and lower than Vth (V H < V TS < Vth), the previous resistance state is maintained. That is, if the previous resistance state of the TS is the on-resistance state (Ron), the on-resistance state is maintained, and if the previous resistance state of the TS is the off-resistance state (Roff), the off-resistance state is maintained. The TS resistance (R TS ) expressed in Equation 1 is due to the material characteristics of TS and its voltage-current change. The voltage-current change of the TS will be described in more detail with reference to FIG. 3 .

도 3은 도 2에 도시된 인공 뉴런 소자의 임계 스위치(TS ; thresholod switch)의 전압-전류 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다. 도 3에서, 가로축은 TS에 가해지는 전압(VTS) 이고, 세로축은 TS에 흐르는 전류(ITS)를 나타낸다.FIG. 3 is a graph showing a voltage-current change of a threshold switch (TS) of the artificial neuron element shown in FIG. 2 exemplarily. In FIG. 3 , the horizontal axis represents the voltage (V TS ) applied to the TS, and the vertical axis represents the current (I TS ) flowing through the TS.

도 3을 참조하면, TS 전압(VTS)이 문턱 전압(Vth)보다 낮은 경우에는 TS는 부도체 상태에 있다. TS에 전류가 흐르지 않는다. 도 3의 예에서, TS 전압(VTS)이 약 5V가 되기 전까지는, TS에는 전류가 흐리지 않는다. TS는 부도체 상태, 즉 오프 저항 상태(Roff)에 있다. VTS가 문턱 전압(Vth, 약 5V)에 도달하면, TS는 도전성 상태에 있다. TS에 흐르는 전류가 급격하게 증가한다. TS는 ITS가 급격하게 증가하는 도전체 상태, 즉 온 저항 상태(Ron)로 바뀐다.Referring to FIG. 3 , when the TS voltage (V TS ) is lower than the threshold voltage (Vth), TS is in a non-conductive state. No current flows through TS. In the example of FIG. 3 , no current flows through the TS until the TS voltage (V TS ) reaches about 5V. TS is in an insulator state, that is, in an off resistance state (Roff). When V TS reaches the threshold voltage (Vth, about 5V), TS is in a conductive state. The current flowing through the TS increases rapidly. TS changes to a conductive state in which I TS rapidly increases, that is, an on-resistance state (Ron).

이러한 온 저항 상태(Ron)에서, VTS가 낮아 지면 ITS는 선형적으로 감소하기 시작한다. ITS가 감소하다가 홀딩 전류(Ih; holding current)에 도달하면, TS는 다시 오프 저항 상태(Roff)로 바뀐다. 즉, VTS가 홀딩 전압(VH, 약1V)이 되면, TS는 다시 부도체 상태, 즉 오프 저항 상태(Roff)로 바뀐다. 이와 같이 TS는 VTS 전압에 따라 오프 저항 상태(Roff)에서 온 저항 상태(Ron)로 바뀌거나, 반대로 온 저항 상태(Ron)에서 오프 저항 상태(Roff)로 바뀐다.In this on-resistance state (Ron), when V TS is lowered, I TS starts to decrease linearly. When I TS decreases and reaches a holding current (Ih), TS changes to an off resistance state (Roff) again. That is, when V TS becomes the holding voltage (V H , about 1V), TS changes back to a non-conductive state, that is, to an off-resistance state (Roff). In this way, TS changes from an off resistance state Roff to an on resistance state Ron, or vice versa, from an on resistance state Ron to an off resistance state Roff according to the voltage V TS .

도 3의 그래프를 참조하면, 도 2의 임계 스위치(TS, 110)의 저항 상태에 따라 다음과 같은 관계식이 성립할 수 있다.Referring to the graph of FIG. 3 , the following relational expression may be established according to the resistance state of the threshold switch TS 110 of FIG. 2 .

(1) TS가 오프 저장 상태(Roff)이면, RTS >> Rload 이므로 VTS >>Vload 이다. (1) If TS is off-storage state (Roff), then R TS >> R load , so V TS >>V load .

(2) TS가 온 저항 상태(Ron)로 되면, RTS << Rload 이므로 VTS << Vload이다. (2) When TS is in the on-resistance state (Ron), R TS << R load , so V TS << V load .

(3) TS가 온 저항 상태에서, VTS < VH 이면, TS는 오실레이션(oscillation)의 한 사이클을 수행하고 오프 상태로 돌아간다.(3) When TS is in the on resistance state and V TS < V H , TS performs one cycle of oscillation and returns to the off state.

만약 위의 (2)와 (3)의 관계를 충분히 만족하는 부하 저항(Rload)이라면, 임계 스위치(TS, 110)는 오실레이터로서의 역할을 수행할 수 있다. If the load resistance (R load ) sufficiently satisfies the relationship of (2) and (3) above, the threshold switch (TS, 110) may serve as an oscillator.

도 4는 도 2에 도시된 임계 스위치(TS)의 구조를 예시적으로 보여주는 모형도이다. 도 4를 참조하면, TS는 상부 전극(TE), 임계 스위치 재료(TS), 그리고 하부 전극(BE)으로 구성된 크로스 포인트 구조를 가질 수 있다.FIG. 4 is a schematic diagram showing the structure of the threshold switch TS shown in FIG. 2 as an example. Referring to FIG. 4 , the TS may have a cross-point structure including an upper electrode TE, a threshold switch material TS, and a lower electrode BE.

상부 및 하부 전극(TE, BE)으로는 전도성 재료 또는 반도체 재료가 사용될 수 있다. 도 3과 같은 전류-전압 특성을 보이는 임계 스위치(TS)의 재료에는 특별한 조성을 가지는 Ge-Se-Te 화합물, Si-Se-Te 화합물, Si-As-Te-G-P 화합물, Nb-Ta-O 화합물, Mo-W-O 화합물 등이 사용될 수 있다. 예를 들면, TS 재료는 Nb, Ta, V 중에서 적어도 하나를 포함하는 산화물(예, Nb2O5)이거나, Se, Te 중에서 적어도 하나와 Si, Ge, As 중에서 적어도 하나를 포함하는 화합물(예, Ge60Se40)일 수 있다. 또한, TS 재료는 오보닉 임계 스위치(OTS; ovonic threshold switch)일 수 있다.A conductive material or a semiconductor material may be used as the upper and lower electrodes TE and BE. The materials of the threshold switch (TS) showing current-voltage characteristics as shown in FIG. 3 include a Ge-Se-Te compound, a Si-Se-Te compound, a Si-As-Te-GP compound, and a Nb-Ta-O compound having a special composition. , Mo-WO compounds and the like can be used. For example, the TS material is an oxide containing at least one of Nb, Ta, and V (eg, Nb 2 O 5 ), or a compound containing at least one of Se and Te and at least one of Si, Ge, and As (eg, Nb 2 O 5 ). , Ge 60 Se 40 ). Also, the TS material may be an ovonic threshold switch (OTS).

TS의 상부 및 하부 전극(TE, BE)과 임계 스위치 재료는 사진식각기술(photolithography)과 리프트 오프(lift -off) 기술로 제조될 수 있다. 하부 전극, TS 재료, 그리고 상부 전극은 RF 마그네트론 스퍼터링 기술(RF magnetron-sputtering techni que)로 증착되고, 각각 약100nm의 박막 두께를 가질 수 있다.The upper and lower electrodes (TE, BE) of the TS and the threshold switch material may be manufactured by photolithography and lift-off technology. The lower electrode, the TS material, and the upper electrode are deposited by RF magnetron-sputtering technology, and each may have a thin film thickness of about 100 nm.

도 5 및 도 6은 도 2에 도시된 임계 스위치의 부하 저항 의존성(Rload-dependence)을 예시적으로 설명하기 위한 그래프이다. 도 5 및 도 6은 도 2의 부하 저항(Rlaod)의 변화에 따른 VTS와 ITS의 변화를 보여준다. 도 5는 부하 저항(Rload)이 1KΩ, 2KΩ, 5.6KΩ, 그리고 10KΩ인 경우에 30μ 동안 측정한 실험 결과 그래프이다. 도 6은 부하 저항(Rload)이 23.67KΩ과 51KΩ인 경우에 100μ 동안 측정한 실험 결과 그래프이다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 부하 저항(Rload)의 크기가 증가함에 따라 전류의 스파이크값은 점점 줄어들고, 스파이크 사이의 간격은 증가함을 알 수 있다.5 and 6 are graphs for exemplarily explaining the load resistance dependence (Rload-dependence) of the threshold switch shown in FIG. 2 . 5 and 6 show changes in V TS and I TS according to a change in the load resistance (R laod ) of FIG. 2 . 5 is a graph of experimental results measured for 30 μ when the load resistance (R load ) is 1KΩ, 2KΩ, 5.6KΩ, and 10KΩ. 6 is a graph of experimental results measured for 100μ when the load resistance (R load ) is 23.67KΩ and 51KΩ. Referring to FIGS. 5 and 6 , it can be seen that as the magnitude of the load resistance R load increases, the current spike value gradually decreases and the interval between spikes increases.

계속해서 도 5 및 도 6을 참조하면, 도 2에 도시된 임계 스위치가 Integrate-and-Fire 기능을 수행함을 알 수 있다. 즉, 입력 단자에 스퀘어 펄스(square pulse)로 DC 전압이 인가되면, 임계 스위치(TS, 110)는 생물학적 뉴런의 막전위 및 스파이크 전류와 유사한 특성을 갖늦다. 임계 스위치(TS, 110)의 Integrate-and-Fire 기능은 다음과 같은 매커니즘을 통해 일어날 수 있다.Continuously referring to FIGS. 5 and 6 , it can be seen that the threshold switch shown in FIG. 2 performs an Integrate-and-Fire function. That is, when a square pulse DC voltage is applied to the input terminal, the threshold switch TS 110 has characteristics similar to the membrane potential and spike current of a biological neuron. The Integrate-and-Fire function of the threshold switch (TS, 110) may occur through the following mechanism.

VTS가 Vth에 도달하면 TS가 온 저항 상태(Ron)로 바뀌고, ITS가 급격하게 증가한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 인공 뉴런 소자(100)는 약 5μs에서 첫번째 스파이크 전류(Is; spike current)가 발생한다. 첫 번째 스파이크 전류가 발생한 후에, VTS는 홀딩 전압(VH)으로 떨어지고, TS는 오프 저항 상태(Roff)로 바뀐다. 인공 뉴런 소자(100)는 약 35μs까지 30μs 동안 이러한 동작을 반복하면서, 스파이크 전류(Is)를 반복적으로 발생할 수 있다. When V TS reaches Vth, TS turns into an on-resistance state (Ron), and I TS increases rapidly. As shown in FIG. 5, the artificial neuron device 100 generates a first spike current (Is) at about 5 μs. After the first spike current occurs, V TS drops to the holding voltage (V H ), and TS turns into an off resistance state (Roff). The artificial neuron device 100 may repeatedly generate a spike current Is while repeating this operation for 30 μs up to about 35 μs.

본 발명의 실시 예에 따른 인공 뉴런 소자(100)에서, VTS는 생물학적 뉴런(biological neuron)의 막전위(membrane potential)에 대응하고, ITS는 스파이크 전류에 대응할 수 있다. 인공 뉴런 소자(100)는 생물학적 뉴런(biologic al neuron)과 유사하게, VTS가 증가하다가 TS가 문턱 전압(Vth)에 도달하면 스파이크 전류를 발생할 수 있다. 즉, 인공 뉴런 소자(100)는 생물학적 뉴런에서 보이는 Integrate-and-Fire 기능을 수행할 수 있다. In the artificial neuron device 100 according to an embodiment of the present invention, V TS may correspond to a membrane potential of a biological neuron, and I TS may correspond to a spike current. Similar to a biological neuron, the artificial neuron device 100 may generate a spike current when V TS increases and TS reaches the threshold voltage Vth. That is, the artificial neuron device 100 can perform the integral-and-fire function seen in biological neurons.

도 7은 도 2에 도시된 인공 뉴런 소자의 rate coding ability을 설명하기 위한 그래프이다. 도 7은 인공 뉴런 소자(100)의 입력 전압(Vin)의 변화에 따른 스파이크 전류의 변화를 보여준다.FIG. 7 is a graph for explaining the rate coding ability of the artificial neuron device shown in FIG. 2 . 7 shows a change in spike current according to a change in the input voltage Vin of the artificial neuron device 100 .

도 7에서, 각각의 입력 전압(Vin)에 대한 시간(time)에 따른 ITS의 변화를 살펴보면, 입력 전압(Vin)이 4.2V에서 6.0V까지 0.2V씩 증가할 때 스파이크 빈도가 증가함을 알 수 있다. 여기에서, 입력 전압(Vin)의 증가는 도 1a에서 생물학적 뉴런의 자극의 세기가 a, b, c, d로 증가하는 것에 대응할 수 있다. 인공 뉴런 소자(100)의 입력 전압(Vin)이 0.2V씩 증가할 때마다 ITS의 스파이크 빈도의 증가는 도 1a에서 생물학적 뉴런에서 자극의 세기가 증가할수록 스파이크율(spike rate)이 증가하는 것에 대응할 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 인공 뉴런 소자(100)에서도 생물학적 뉴런의 rate coding 능력이 발생함을 알 수 있다.In FIG. 7, looking at the change of I TS with time for each input voltage Vin, the spike frequency increases when the input voltage Vin increases by 0.2V from 4.2V to 6.0V. Able to know. Here, the increase in the input voltage Vin may correspond to the increase in the intensity of stimulation of the biological neuron as a, b, c, and d in FIG. 1A. The increase in the spike frequency of I TS whenever the input voltage (Vin) of the artificial neuron device 100 increases by 0.2V is consistent with the increase in the spike rate as the intensity of stimulation increases in the biological neuron in FIG. 1a. can respond That is, it can be seen that the rate coding ability of biological neurons also occurs in the artificial neuron device 100 shown in FIG. 2 .

본 발명의 실시 예에 따른 인공 뉴런 소자(100)는 도 1a 내지 도 1c에 나타나는 생물학적 뉴런의 Integrate-and-Fire 기능과 rate coding 능력을 보여준다. 이러한 이유로, 본 발명의 인공 뉴런 소자(100)는 인공 신경망 소자, large-scale brain-inspired 컴퓨팅 시스템이나 인공 지능(AI) 시스템 등에 널리 사용될 수 있다.The artificial neuron device 100 according to an embodiment of the present invention shows the Integrate-and-Fire function and rate coding capability of biological neurons shown in FIGS. 1A to 1C. For this reason, the artificial neuron device 100 of the present invention can be widely used in an artificial neural network device, a large-scale brain-inspired computing system or an artificial intelligence (AI) system.

도 8은 도 2에 도시된 인공 뉴런 소자를 포함하는 인공 신경 칩을 보여주는 블록도이다. 도 8을 참조하면, 인공 신경 칩(1000)은 제 1 인공 뉴런 소자(1110), 제 2 인공 뉴런 소자(1120), 그리고 인공 시냅스(1200)를 포함한다. 도 8에서는 인공 신경 칩(1000)이 간단하게 도시되어 있으나, 제 1 인공 뉴런 소자(1110)로부터 수평으로 연장하는 로우 라인(RL; row line) 및 제 2 인공 뉴런 소자(1120)로부터 수직으로 연장하는 컬럼 라인(CL; column line)의 교차점에 인공 시냅스(1200)가 배치될 수 있다.FIG. 8 is a block diagram showing an artificial neural chip including the artificial neuron device shown in FIG. 2 . Referring to FIG. 8 , an artificial neural chip 1000 includes a first artificial neuron element 1110, a second artificial neuron element 1120, and an artificial synapse 1200. Although the artificial neural chip 1000 is simply shown in FIG. 8 , row lines (RL) extending horizontally from the first artificial neuron element 1110 and vertically extending from the second artificial neuron element 1120 An artificial synapse 1200 may be disposed at an intersection of a column line (CL) to be formed.

제 1 인공 뉴런 소자(1110)는 로우 라인(RL)을 통하여 인공 시냅스(1200)로 전기적 신호를 전송할 수 있다. 제 2 인공 뉴런 소자(1120)는 컬럼 라인(CL)을 통하여 인공 시냅스(1200)로부터 전기적 신호를 수신할 수 있다. 반대로, 전기적 신호는 인공 시냅스(1200)를 경유하여 제 2 인공 뉴런 소자(1120)에서 제 1 인공 뉴런 소자(1110)로 전달될 수도 있다. The first artificial neuron element 1110 may transmit an electrical signal to the artificial synapse 1200 through the row line RL. The second artificial neuron element 1120 may receive an electrical signal from the artificial synapse 1200 through the column line CL. Conversely, the electrical signal may be transferred from the second artificial neuron element 1120 to the first artificial neuron element 1110 via the artificial synapse 1200 .

인공 시냅스(1200)는 가변 저항층(variable resistive layer)과 2개의 전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 인공 시냅스(1200)는 제 1 인공 뉴런 소자(1110)와 전기적으로 연결된 제 1 전극 및 제 2 인공 뉴런 소자(1120)와 전기적으로 연결된 제 2 전극을 포함할 수 있다. 인공 시냅스(1120)의 가변 저항층은 멀티 저항 레벨을 가질 수 있다. 인공 시냅스(1200)의 가변 저항층은 전이 금속 산화물들(transition metal oxides) 또는 페로브스카이트(perovskite)계 물질들과 같은 금속 산화물들, 칼코지나이드(chalcogenide)계 물질 등과 같은 상변화 물질, 강유전 물질, 또는 강자성 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 인공 시냅스(1200)는 제 1 및 제 2 인공 뉴런 소자(1110, 1120)로부터 입력되는 전기적 신호의 입력 횟수, 시간 차, 및/또는 전압 차 등에 의하여 부도체 상태 또는 전도성 상태로 변화될 수 있다.The artificial synapse 1200 may include a variable resistive layer and two electrodes. For example, the artificial synapse 1200 may include a first electrode electrically connected to the first artificial neuron element 1110 and a second electrode electrically connected to the second artificial neuron element 1120 . The variable resistance layer of the artificial synapse 1120 may have multiple resistance levels. The variable resistance layer of the artificial synapse 1200 includes metal oxides such as transition metal oxides or perovskite-based materials, phase change materials such as chalcogenide-based materials, It may include at least one of a ferroelectric material and a ferromagnetic material. The artificial synapse 1200 may be changed into an insulator state or a conduction state according to the number of inputs of electrical signals inputted from the first and second artificial neuron elements 1110 and 1120, time difference, and/or voltage difference.

도 9는 도 8에 도시된 인공 신경 칩을 포함하는 사용자 장치를 보여주는 블록도이다. 도 9를 참조하면, 사용자 장치(2000)는 인공 신경 칩(2100), 제어 유닛(2200), 그리고 전원 유닛(2300)을 포함한다. 인공 신경 칩(2100)을 포함한 사용자 장치(2000)는 음성 인식이나 인공 지능 등과 같은 다양한 응용 분야에 사용될 수 있다. 제어 유닛(2200)은 인공 신경 칩(2100)의 동작 제어를 위한 프로세스부, 신호 처리를 위한 신호 처리부, 그리고 데이터를 저장하거나 알고리즘을 구동하기 위한 메모리부를 포함할 수 있다. 전원 유닛(2300)은 인공 신경 칩(2100)과 제어 유닛(2200)의 동작에 필요한 전원을 제공할 수 있다.FIG. 9 is a block diagram showing a user device including the artificial neural chip shown in FIG. 8 . Referring to FIG. 9 , a user device 2000 includes an artificial neural chip 2100, a control unit 2200, and a power unit 2300. The user device 2000 including the artificial neural chip 2100 may be used in various application fields such as voice recognition or artificial intelligence. The control unit 2200 may include a processing unit for controlling the operation of the artificial neural chip 2100, a signal processing unit for signal processing, and a memory unit for storing data or driving an algorithm. The power unit 2300 may provide power necessary for the operation of the artificial nerve chip 2100 and the control unit 2200 .

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 인공 뉴런 소자(100)는 생물학적 뉴런의 Integrate-and-Fire 기능과 rate coding 능력을 잘 보여주기 때문에, 인공 신경망 소자, large-scale brain-inspired 컴퓨팅 시스템, 인공 지능(AI) 시스템 등에 널리 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 인공 뉴런 소자(100)는 TS와 저항 소자만으로 설계됨으로, 종래의 Si-MOSFET에 기반을 둔 인공 뉴런 소자에 비해, 전력 소모를 획기적으로 줄일 수 있다. As described above, since the artificial neuron device 100 according to an embodiment of the present invention shows the Integrate-and-Fire function and rate coding ability of biological neurons well, an artificial neural network device, large-scale brain-inspired computing It can be widely used in systems, artificial intelligence (AI) systems, etc. In addition, since the artificial neuron device 100 according to an embodiment of the present invention is designed with only a TS and a resistance device, power consumption can be drastically reduced compared to artificial neuron devices based on conventional Si-MOSFETs.

100: 인공 뉴런 소자
1000: 인공 신경 칩
1110, 1120: 인공 뉴런 소자
1200: 인공 시냅스
2000: 사용자 장치
2100: 인공 신경 칩
2200: 제어 유닛
2300: 전원 유닛
100: artificial neuron element
1000: artificial neural chip
1110, 1120: artificial neuron element
1200: artificial synapse
2000: user device
2100: artificial neural chip
2200: control unit
2300: power unit

Claims (7)

입력 단자와 제 1 노드 사이에 연결되는 임계 스위치; 및
상기 제 1 노드와 접지 단자 사이에 연결되는 부하 저항을 포함하되,
상기 입력 단자로 시간에 따라 일정한 레벨의 입력 전압이 인가되는 경우에 상기 부하 저항에 스파이크 전류(spike current)가 흐르고, 상기 입력 단자로 인가되는 입력 전압의 레벨이 증가되는 경우에 상기 부하 저항에 흐르는 스파이크 전류의 스파이크 빈도가 증가하는 구간이 발생하고,
상기 임계 스위치의 오프 저항 상태의 저항은 상기 부하 저항보다 크고,
상기 부하 저항은 상기 임계 스위치의 온 저항 상태의 저항보다 크고,
상기 임계 스위치는 상부 전극, TS 재료, 그리고 하부 전극을 포함하는 인공 뉴런 소자.
a threshold switch connected between the input terminal and the first node; and
Including a load resistor connected between the first node and a ground terminal,
When a constant level of input voltage is applied to the input terminal over time, a spike current flows through the load resistor, and when the level of the input voltage applied to the input terminal increases, a spike current flows through the load resistor. A period in which the spike frequency of the spike current increases,
The resistance of the off resistance state of the threshold switch is greater than the load resistance,
The load resistance is greater than the resistance of the on-resistance state of the threshold switch,
The artificial neuron device of claim 1 , wherein the threshold switch includes an upper electrode, a TS material, and a lower electrode.
제 1 항에 있어서,
상기 임계 스위치는 전압이 인가되지 않은 상태에서 저항이 높은 상기 오프 저항 상태를 가지며,
상기 임계스위치는 상기 오프 저항 상태에서 문턱 스위칭 전압 이상의 전압을 인가하면 저항이 작은 상기 온 저항 상태가 되며,
상기 임계 스위치의 온 저항 상태에서 상기 임계 스위치에 걸리는 전압이 홀딩 전압보다 작으면, 상기 임계 스위치는 적어도 한 싸이클의 오실레이션을 수행하여, 상기 오프 저항 상태로 돌아가고,
상기 문턱 스위칭 전압은 상기 홀딩 전압보다 더 크고,
상기 임계 스위치는 오보닉 임계 스위치(OTS)인 것을 특징으로 하는 인공 뉴런 소자.
According to claim 1,
The threshold switch has the off resistance state in which resistance is high in a state where no voltage is applied,
The threshold switch is in the on-resistance state with a small resistance when a voltage higher than the threshold switching voltage is applied in the off-resistance state,
When the voltage applied to the threshold switch is less than the holding voltage in the on-resistance state of the threshold switch, the threshold switch performs at least one cycle of oscillation to return to the off-resistance state;
The threshold switching voltage is greater than the holding voltage,
The artificial neuron device, characterized in that the threshold switch is an ovonic threshold switch (OTS).
제 1 항에 있어서,
상기 TS 재료는 Nb, Ta, V 중에서 적어도 하나를 포함하는 산화물인 인공 뉴런 소자.
According to claim 1,
The artificial neuron element of claim 1, wherein the TS material is an oxide containing at least one of Nb, Ta, and V.
제 1 항에 있어서,
상기 TS 재료는 Se, Te 중에서 적어도 하나와 Si, Ge, As 중에서 적어도 하나를 포함하는 화합물인 인공 뉴런 소자.
According to claim 1,
The artificial neuron element of claim 1, wherein the TS material is a compound containing at least one of Se and Te and at least one of Si, Ge and As.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 부하 저항은 능동 저항 소자로 구현되는 인공 뉴런 소자.
According to claim 1,
The load resistance is an artificial neuron device implemented as an active resistance device.
제 1 항에 있어서,
상기 부하 저항은 수동 저항 소자로 구현되는 인공 뉴런 소자.
According to claim 1,
The load resistor is an artificial neuron device implemented as a passive resistance device.
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