KR20190114212A - Single Column Memristor Crossbar and CMOS Activation Function Circuit for Binarized Neural Networks - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a single column memristor crossbar and a CMOS activation function circuit for a binary value based neural network which calculate positive and negative values of a neural network all together using a single column which is capable of reducing power consumption and an area of the crossbar by half. The single column memristor crossbar comprises: a single column memristor array making row lines and column lines form intersecting points, having memristor devices connected between the column lines and row lines at the intersecting points, and programmed in a high resistance state (HRS) or a low resistance state (LRS) to be analyzed with binary snap connections (g_(0,0),g_(1,1),···,g_(n,m)) by applying voltage or current pulses; an input circuit end multiplying input pulses (x_0,x_1,x_2,···,x_n), supplied to the row lines of the single column memristor, by g_b conductance; a current subtracter subtracting the multiplication between the input pulses (x_0,x_1,x_2,···,x_n) and the g_b conductance, obtained by the input circuit end, from each column of the single column memristor; and a current-voltage converter converting output current of each column into output voltage and outputting final outputs (y_0,y_1,···,y_m) using the converted output voltage as an input of an activation function circuit.

Description

이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로{Single Column Memristor Crossbar and CMOS Activation Function Circuit for Binarized Neural Networks}Single Column Memristor Crossbar and CMOS Activation Function Circuit for Binarized Neural Networks

본 발명은 이진값 기반 신경회로망 구성에 관한 것으로, 구체적으로 단일 칼럼을 이용해서 신경회로망의 양의 값과 음의 값을 모두 함께 계산하여 크로스바의 전력소비와 면적을 절반으로 감소시킬 수 있도록 한 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로에 관한 것이다.The present invention relates to a binary value-based neural network configuration. Specifically, a binary that calculates both the positive and negative values of a neural network together using a single column to reduce the power consumption and area of the crossbar by half. A single column memristor crossbar and a CMOS activation function circuit for value based neural networks.

전자제품이 발달한 이래, 저항기, 인덕터, 그리고 커패시터와 같은 세가지 유형의 회로부품만이 존재해왔다.Since the development of electronics, there have been only three types of circuit components: resistors, inductors, and capacitors.

그러나 1972년 UC 버클리대 연구원인 레온 추아(Leon Chua)는 4번째 유형의 부품이 존재할 수 있음을 이론화했다. 바로 전류의 흐름을 측정할 수 있는 멤리스터가 그것이다.But in 1972, UC Berkeley researcher Leon Chua theorized that a fourth type of component could exist. It is a memristor that can measure the flow of current.

멤리스터(memristor)는 메모리(memory)와 레지스터(registor)의 합성어로써, 얼마나 많은 양의 전류가 멤리스터를 통과했는지를 "기억"할 수 있다.A memristor is a compound word of memory and a register that can "remember" how much current has passed through the memristor.

또한, 통과한 전류의 양을 교류시킴으로써 멤리스터는 독특한 특성을 가지는 단일소자 회로부품이 될 수 있다.In addition, by alternating the amount of current passing through, the memristor can be a single element circuit component having unique characteristics.

멤리스터의 가장 두드러진 특징으로는 전류가 오프된 상태에서도 전자상태를 저장할 수 있는 점이고, 이것이 오늘날의 플래시 메모리를 대체할 수 있는 차세대 소자로 주목받는 이유이다.The most prominent feature of memristors is the ability to store electronic states even when the current is off, which is why they are attracting attention as the next-generation devices that can replace today's flash memory.

멤리스터는 플래시 메모리에 비해 이론적으로 값이 더 싸고 훨씬 더 빠르며, 보다 높은 메모리 밀도를 가능케한다. 또한 램(RAM)칩을 대체할 수 있기 때문에 컴퓨터를 오프한 후 다시 온시켰을때, 전에 작업하던 것을 정확하게 기억해 내어 즉시 하던 작업으로 돌아갈 수 있다.Memristors are theoretically cheaper, much faster than flash memory, and enable higher memory densities. It also replaces RAM chips, so when you turn off your computer and turn it back on, you can remember exactly what you were working on and go back to work immediately.

이와 같은 멤리스터의 크로스바 어레이는 비휘발성 고체 상태 메모리, 프로그램 가능 로직, 신호 처리, 제어 시스템, 패턴 인식 및 다른 애플리케이션을 포함하는 다양한 애플리케이션에 사용될 수 있다.Such memristor crossbar arrays can be used in a variety of applications, including nonvolatile solid state memory, programmable logic, signal processing, control systems, pattern recognition and other applications.

또한, 멤리스터의 비선형 전하 자속 관계는 인간 뇌와 같은 신경 생물학적 시스템의 시냅스 묘사에 사용될 수 있으며, 또한, 이 비선형 관계에 더하여, 멤리스터 크로스바 어레이는 멤리스터 크로스바 구조가 매우 조밀하고 뇌의 구조와 같은 3차원이기 때문에, 뇌와 같은 구조를 실현하기에 적합하다.In addition, the memristor's nonlinear charge flux relationship can be used to describe synapses in neurobiological systems such as the human brain, and in addition to this nonlinear relationship, the memristor crossbar array has a very compact memristor crossbar structure and Since it is the same three-dimensional, it is suitable for realizing a brain-like structure.

도 1은 이진 시냅스 가중치가 +1과 -1인 이진 신경망 회로(BNN)의 개념도이고, 도 2는 이진 신경망 회로(BNN)를 구현하기 위한 맴리스터 크로스바 구성도이다.1 is a conceptual diagram of a binary neural network circuit (BNN) having binary synaptic weights of +1 and -1, and FIG. 2 is a configuration diagram of a memristor crossbar for implementing a binary neural network circuit (BNN).

이진값 기반 신경회로망은 실수 연산 기반의 신경회로망에서 요구되는 복잡한 실수 연산을 피할 수 있기 때문에 최근에 많은 관심을 받고 있다.Binary value-based neural networks have received a lot of attention recently because they can avoid the complex real computations required by real-based neural networks.

멤리스터는 아날로그 값도 저장할 수 있지만 고저항과 저저항으로 이진값도 저장할 수가 있어 신경회로망 구현에 적용될 수 있다.Memristors can store analog values, but they can also store binary values with high and low resistance, which can be applied to neural network implementation.

도 3은 종래 기술의 이진 신경망 회로(BNN)를 구현하기 위한 이중 컬럼 구조의 맴리스터 크로스바 구성도이다.3 is a diagram illustrating a double column structured memristor crossbar for implementing a conventional binary neural network (BNN).

이와 같은 종래 기술의 이진 신경망 회로(BNN)를 구현하기 위한 이중 컬럼 구조의 맴리스터 크로스바는 2개의 칼럼을 이용해서 양의 값과 음의 값을 각각 따로 계산하는 구조이기 때문에 크로스바의 전력소비와 면적 측면에서 비효율적이다.The double column structured memristor crossbar for implementing the conventional binary neural network (BNN) as described above calculates the positive and negative values separately using two columns. Inefficient in terms of

따라서, 이진 신경망 회로(BNN) 구현에 적합한 새로운 구조의 멤리스터 크로스바에 관한 기술의 개발이 요구되고 있다.Therefore, there is a need for development of a technique for a memristor crossbar having a new structure suitable for implementing a binary neural network (BNN).

한국등록특허번호 10-1282884호Korean Patent Registration No. 10-1282884 한국공개특허번호 10-2017-0108627호Korean Laid-Open Patent No. 10-2017-0108627 한국공개특허번호 10-2017-0074234호Korean Laid-Open Patent No. 10-2017-0074234

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 이진 신경망 회로(BNN) 및 이를 구현하는 멤리스터 크로스바의 문제를 해결하기 위한 것으로, 단일 칼럼을 이용해서 신경회로망의 양의 값과 음의 값을 모두 함께 계산하여 크로스바의 전력소비와 면적을 절반으로 감소시킬 수 있도록 한 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the problem of the prior art binary neural network (BNN) and the memristor crossbar to implement the same, crossbar by calculating both the positive and negative values of the neural network using a single column together The aim is to provide a single-column memristor crossbar and CMOS activation function circuit for binary-based neural networks that can reduce power consumption and area by half.

본 발명은 활성화 함수 회로를 CMOS 회로로 구현함으로써 이진값 기반 신경회로망 전체를 멤리스터와 CMOS의 하이브리드 시스템으로 구현이 가능하도록 한 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention provides a single-column memristor crossbar and a CMOS activation function circuit for a binary value-based neural network that enables the entire binary value-based neural network to be implemented as a hybrid system of memristors and CMOS by implementing the activation function circuit as a CMOS circuit. The purpose is to provide.

본 발명은 멤리스터 어레이에 저항을 추가하지 않고 저항 대신에 MOSFET 트랜지스터를 사용하여 작은 면적으로 구현이 가능하고, 활성화 함수를 구현할 수 있는 CMOS 회로를 포함하여 신경망 회로 전체를 CMOS-멤리스터 혼합회로로 구현할 수 있도록 한 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention can be implemented in a small area by using a MOSFET transistor instead of a resistor without adding a resistor to the memristor array, and includes the entire neural network circuit as a CMOS-memistor mixed circuit including a CMOS circuit capable of implementing an activation function. The objective is to provide a single column memristor crossbar and CMOS active function circuit for a binary-based neural network that can be implemented.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로는 로우(Row) 라인들과 컬럼(Column) 라인들이 교차 지점들을 형성하고, 교차 지점에서 컬럼 라인과 로우 라인 사이에 연결된 멤리스터 디바이스들을 갖고, 전압 또는 전류 펄스를 적용하여 고저항 상태(High Resistance State, HRS) 또는 저저항 상태(Low Resistance State, LRS)로 프로그래밍되어 이진 시냅스 연결(g0,0, g1,1,..,gn,m)로 해석되도록 하는 단일 컬럼 멤리스터 어레이;단일 컬럼 멤리스터 어레이의 로우(Row) 라인들에 공급되는 입력 펄스(x0, x1, x2,...xn)와 gb 컨덕턴스를 곱하는 입력 회로단;입력 회로단에서 구해진 입력 펄스(x0, x1, x2,...xn)와 gb 컨덕턴스를 곱을 단일 컬럼 멤리스터 어레이의 각 컬럼에 감산하는 전류 감산기;각각의 컬럼의 출력 전류(I0,I1,..,Ij,Im)를 출력 전압으로 변환하여 활성화 함수 회로의 입력으로 사용하여 최종 출력(y0, y1,.., ym)을 출력하는 전류-전압 변환기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a single column memristor crossbar and a CMOS activation function circuit for a binary value-based neural network according to the present invention form row and column lines with intersection points and intersection points. Has memristor devices connected between the column line and the low line, and is programmed to a high resistance state (HRS) or low resistance state (LRS) by applying a voltage or current pulse to the binary synaptic connection ( a single column memristor array that is interpreted as g 0,0 , g 1,1 , .., g n, m ); input pulses (x 0 , x supplied to the row lines of the single column memristor array) 1 , x 2 , ... x n ) and the input circuit stage to multiply the g b conductance; multiply the input pulse (x 0 , x 1 , x 2 , ... x n ) and g b conductance obtained from the input circuit stage. Subtracted to each column in a single column memristor array Flow subtractor; each output current of the column (I 0, I 1, .. , I j, I m) for converting the output voltage using the input of the activation function circuit final output (y 0, y 1, .. , y m ) outputs a current-voltage converter.

여기서, 입력 펄스(x0, x1, x2,...xn)는 시냅스 연결에 의해 출력 뉴런인 최종 출력(y0, y1,.., ym)에 연결된 입력 뉴런인 것을 특징으로 한다.Here, the input pulse (x 0 , x 1 , x 2 , ... x n ) is an input neuron connected to the final output (y 0 , y 1 , .., y m ) which is an output neuron by synaptic connection. It is done.

그리고 단일 멤리스터 컬럼을 사용하여 +1과 -1 값을 모두 계산하기 위해 gb를 이용하여 전류 Ib를 생성하고, 컬럼에서 입력 펄스에 의해 적용된 gb 컬럼은 Ib 전류를

Figure pat00001
만큼 생성하는 것을 특징으로 한다.We then generate a current I b using g b to compute both +1 and -1 values using a single memristor column, and the g b column applied by the input pulses in the column produces I b current.
Figure pat00001
It is characterized by generating as much.

그리고 생성된 Ib는 각 컬럼에 복사되고, 동시에 모든 크로스바 컬럼들로부터 감산될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.The generated I b is copied to each column, and can be subtracted from all crossbar columns at the same time.

그리고 Ib 감산 및 각 컬럼 전류가 전압으로 변환되는 활성화 함수 f를 결합하여 j번째 뉴런 yj를,The jth neuron yj is combined by combining I b subtraction and the activation function f, where each column current is converted into a voltage.

Figure pat00002
으로 나타내는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00002
It is characterized by.

그리고 gb가 (gLRS + gHRS)/2에 의해 주어지면, gi,j-gb의 시냅스 연결은 +(gLRS - gHRS)/2 또는 -(gLRS - gHRS)/2가 되고, 여기서 gi,j는 gLRS 또는 gHRS이고,And if g b is given by (g LRS + g HRS ) / 2, then the synaptic linkage of g i, j -g b is + (g LRS -g HRS ) / 2 or- (g LRS -g HRS ) / 2 Where g i, j is g LRS or g HRS ,

+(gLRS - gHRS)/2 와 -(gLRS - gHRS)/2의 이 두 값은 이진 시냅스로 해석되는 것을 특징으로 한다.These two values of + (g LRS -g HRS ) / 2 and- (g LRS -g HRS ) / 2 are characterized as being interpreted as binary synapses.

그리고 전류 감산기는 연산 증폭기(OP0)를 포함하고, 연산 증폭기(OP0)의 출력단과 각 칼럼 사이에 구성되어 모든 멤리스터 컬럼으로부터 Ib 전류를 감산하는 저항 역할을 하는 NMOSFET(M1)를 포함하고, NMOSFET(M1)의 게이트단에는 채널 저항을 제어하기위한 바이어스 전압(Vc)이 인가되는 것을 특징으로 한다.The current subtractor includes an operational amplifier OP 0 , and is configured between the output terminal of the operational amplifier OP 0 and each column to provide an NMOSFET M 1 , which serves as a resistor for subtracting I b currents from all memristor columns. And a bias voltage V c for controlling the channel resistance is applied to the gate terminal of the NMOSFET M 1 .

그리고 전류-전압 변환기는, 정류형 선형 장치(Rectified Linear Unit; ReLU) 또는 시그모이드(Sigmoid)의 활성화 함수 회로를 갖고, 각각의 컬럼의 출력 전류(I0,I1,..,Ij,Im)를 활성화 함수에 따라 최종 출력(y0, y1,.., ym)을 출력하고, 최종 출력(y0, y1,.., ym)은 입력 펄스에 따라 매 사이클마다 변하는 것을 특징으로 한다.And the current-to-voltage converter has an activation function circuit of a rectified linear unit (ReLU) or sigmoid, and the output current (I 0 , I 1 , .., I j ) of each column , along a I m) to the activation function final output (y 0, y 1, .. , y m) and an output, the final output (y 0, y 1, .. , y m) are each cycle in accordance with the input pulse It is characterized by a change every time.

그리고 ReLU 회로는 히든 뉴런에 사용되고 시그모이드(Sigmoid)회로는 출력 뉴런에 사용되는 것을 특징으로 한다.The ReLU circuit is used for hidden neurons, and the sigmoid circuit is used for output neurons.

그리고 정류형 선형 장치(Rectified Linear Unit; ReLU) 또는 시그모이드(Sigmoid)의 활성화 함수 회로는, Ij 전류를 -Ij*R1 전압으로 변환하는 제 1 연산증폭기(OP1)와, 반전 버퍼로 사용되어 -Ij*R1을 +Ij*R1로 반전시키는 제 2 연산증폭기(OP2)와, 리미터 역할을 하여 출력 yj 전압이 VDD보다 높거나 GND보다 낮으면 출력 전압은 각각 VDD 또는 GND로 제한하는 제 2 연산증폭기(OP3)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, an activation function circuit of a rectified linear unit (ReLU) or a sigmoid includes a first operational amplifier OP 1 for converting I j current into -I j * R 1 voltage and an inversion buffer. And a second operational amplifier (OP 2 ) that inverts -I j * R1 to + I j * R1, and acts as a limiter so that if the output y j voltage is above VDD or below GND, the output voltage is either VDD or And a second operational amplifier OP 3 limited to GND.

그리고 시그모이드(Sigmoid) 활성화 함수 회로는, 반전 단자(-)에 저항(R2)을 통하여 Vbias가 인가되어 시그모이드의 전달 곡선은 ReLU의 전달 곡선을 -Vbias/R2 만큼 이동시켜 얻게되는 것을 특징으로 한다.In the sigmoid activation function circuit, V bias is applied to the inverting terminal (-) through the resistor (R 2 ) so that the transfer curve of the sigmoid moves the transfer curve of the ReLU by -V bias / R 2 . It is characterized by obtained by.

이와 같은 본 발명에 따른 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로는 다음과 같은 효과를 갖는다.Such a single column memristor crossbar and a CMOS activation function circuit for a binary value based neural network according to the present invention have the following effects.

첫째, 단일 칼럼을 이용해서 신경회로망의 양의 값과 음의 값을 모두 함께 계산하여 크로스바의 전력소비와 면적을 절반으로 감소시킬 수 있다.First, we can reduce both the power consumption and the area of the crossbar by calculating both the positive and negative values of the neural network using a single column.

둘째, 활성화 함수 회로를 CMOS 회로로 구현함으로써 이진값 기반 신경회로망 전체를 멤리스터와 CMOS의 하이브리드 시스템으로 구현이 가능하도록 한다.Second, by implementing the activation function circuit as a CMOS circuit, the entire binary value-based neural network can be implemented as a hybrid system of memristor and CMOS.

셋째, 멤리스터 어레이에 저항을 추가하지 않고 저항 대신에 MOSFET 트랜지스터를 사용하여 작은 면적으로 구현이 가능하다.Third, a small area can be achieved by using MOSFET transistors instead of resistors without adding resistors to the memristor array.

넷째, 활성화 함수를 구현할 수 있는 CMOS 회로를 포함하여 신경망 회로 전체를 CMOS-멤리스터 혼합회로로 구현할 수 있도록 하여 신경망 회로에 적합한 새로운 구조의 멤리스터 크로스바 구조를 제공한다.Fourth, the entire neural network can be implemented as a CMOS-memistor mixed circuit including a CMOS circuit capable of implementing an activation function, thereby providing a new memristor crossbar structure suitable for neural network circuits.

도 1은 이진 시냅스 가중치가 +1과 -1인 이진 신경망 회로(BNN)의 개념도
도 2는 이진 신경망 회로(BNN)를 구현하기 위한 맴리스터 크로스바 구성도
도 3은 종래 기술의 이진 신경망 회로(BNN)를 구현하기 위한 이중 컬럼 구조의 맴리스터 크로스바 구성도
도 4는 본 발명에 따른 이진 신경망 회로(BNN)를 구현하기 위한 단일 컬럼 구조의 맴리스터 크로스바 구성도
도 5a는 본 발명에 따른 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로의 상세 구성도
도 5b는 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로의 동작 파형도
도 6a는 ReLU 활성화 회로 및 입출력 특성을 나타낸 구성도
도 6b는 시그모이드(Sigmoid) 활성화 회로 및 입출력 특성을 나타낸 구성도
1 is a conceptual diagram of a binary neural network (BNN) with binary synaptic weights of +1 and -1
2 is a diagram illustrating a memristor crossbar for implementing a binary neural network (BNN).
3 is a diagram illustrating a double column structured memristor crossbar for implementing a conventional binary neural network (BNN).
4 is a block diagram of a memristor crossbar of a single column structure for implementing a binary neural network (BNN) according to the present invention.
5A is a detailed block diagram of a single column memristor crossbar and a CMOS activation function circuit for a binary value based neural network according to the present invention.
5B is an operational waveform diagram of a single column memristor crossbar and a CMOS activation function circuit.
6A is a block diagram showing a ReLU activation circuit and input / output characteristics
6B is a schematic diagram showing a sigmoid activation circuit and input / output characteristics

이하, 본 발명에 따른 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of a single column memristor crossbar and a CMOS activation function circuit for a binary value based neural network according to the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Features and advantages of a single column memristor crossbar and a CMOS activation function circuit for a binary value based neural network according to the present invention will become apparent from the detailed description of each embodiment below.

도 4는 본 발명에 따른 이진 신경망 회로(BNN)를 구현하기 위한 단일 컬럼 구조의 맴리스터 크로스바 구성도이다.Figure 4 is a block diagram of a single column structure for implementing a binary neural network (BNN) according to the present invention.

그리고 도 5a는 본 발명에 따른 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로의 상세 구성도이고, 도 5b는 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로의 동작 파형도이다.5A is a detailed configuration diagram of a single column memristor crossbar and a CMOS activation function circuit for a binary value based neural network, and FIG. 5B is an operation waveform diagram of a single column memristor crossbar and a CMOS activation function circuit.

본 발명에 따른 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로는 단일 칼럼을 이용해서 신경회로망의 양의 값과 음의 값을 모두 함께 계산하여 크로스바의 전력소비와 면적을 절반으로 감소시킬 수 있도록 한 것이다.The single column memristor crossbar and CMOS activation function circuit for binary-based neural networks according to the present invention calculates both the positive and negative values of the neural network together using a single column to halve the power consumption and area of the crossbar. To reduce it.

본 발명은 활성화 함수 회로를 CMOS 회로로 구현함으로써 이진값 기반 신경회로망 전체를 멤리스터와 CMOS의 하이브리드 시스템으로 구현이 가능하도록 하는 구성을 포함할 수 있다.The present invention may include a configuration that enables the entire binary-based neural network to be implemented as a hybrid system of memristor and CMOS by implementing the activation function circuit as a CMOS circuit.

본 발명은 멤리스터 어레이에 저항을 추가하지 않고 저항 대신에 MOSFET 트랜지스터를 사용하여 작은 면적으로 구현이 가능하고, 활성화 함수를 구현할 수 있는 CMOS 회로를 포함하여 신경망 회로 전체를 CMOS-멤리스터 혼합회로로 구현할 수 있도록 하는 구성을 포함할 수 있다.The present invention can be implemented in a small area by using a MOSFET transistor instead of a resistor without adding a resistor to the memristor array, and includes the entire neural network circuit as a CMOS-meister circuit including a CMOS circuit capable of implementing an activation function. It can include a configuration that can be implemented.

멤리스터 어레이는 전압 또는 전류 펄스를 적용하여 고저항 상태(High Resistance State, HRS) 또는 저저항 상태(Low Resistance State, LRS)로 프로그래밍할 수 있고, 이를 이용하여 신경회로망 구현에 적용될 수 있다.The memristor array may be programmed to a high resistance state (HRS) or a low resistance state (LRS) by applying a voltage or current pulse, and may be applied to a neural network implementation.

도 4를 참고하여 본 발명에 따른 이진 신경망 회로(BNN)를 구현하기 위한 단일 컬럼 구조의 맴리스터 크로스바 구성을 설명하면 다음과 같다.Referring to Figure 4 will be described the configuration of a single column structure of the memristor crossbar for implementing a binary neural network (BNN) according to the present invention.

도 4는 단일 칼럼을 이용해서 신경회로망의 양의 값과 음의 값을 모두 함께 계산하여 크로스바의 전력소비와 면적을 절반으로 감소시킬 수 있도록 한 구조를 나타낸 것이다.4 shows a structure in which the power consumption and the area of the crossbar can be reduced by half by calculating both the positive value and the negative value of the neural network using a single column.

단일 컬럼이 +1과 -1의 이진 시냅스 연결을 계산하는데 사용된다.A single column is used to calculate the binary synaptic connections of +1 and -1.

따라서, (+)와 (-)의 두 개의 컬럼이 각각 양성 및 음성 시냅스 연결을 계산하는 데 사용되는 도 3의 구조보다 면적 및 전력소비 측면에서 더 효율적이다.Thus, two columns of (+) and (-) are more efficient in terms of area and power consumption than the structure of FIG. 3 used to calculate positive and negative synaptic connections, respectively.

여기서, x0, x1, x2 등은 시냅스 연결에 의해 y0, y1, y2 등의 뉴런에 연결된 입력 뉴런이다.Here, x 0 , x 1 , x 2, and the like are input neurons connected to neurons such as y 0 , y 1 , and y 2 by synaptic connections.

그리고 g0,0는 x0와 y0 사이의 이진 시냅스 연결을 의미하고, 단일 멤리스터 컬럼을 사용하여 +1과 -1 값을 모두 계산하기 위해 gb를 이용하여 전류 Ib를 생성한다.G 0 , 0 is the binary synaptic connection between x 0 and y 0 , and the current I b is generated using g b to calculate both +1 and -1 values using a single memristor column.

도 4의 Ib를 보면, 점선으로 표시된 첫 번째 컬럼에서 입력 펄스에 의해 적용된 gb 컬럼은 Ib 전류를

Figure pat00003
만큼 생성한다. Referring to I b of FIG. 4, the column g b applied by the input pulse in the first column indicated by the dotted line shows the I b current.
Figure pat00003
Generate as many.

그 후, Ib는 각 컬럼에 복사되고, 동시에 모든 크로스바 컬럼들로부터 감산될 수 있도록 한다.I b is then copied into each column and allowed to be subtracted from all crossbar columns at the same time.

그리고 f 블록은 활성화 함수 f에 따라 각 컬럼 전류가 전압으로 변환되는 활성화 함수 회로를 의미한다.The f block denotes an activation function circuit in which each column current is converted into a voltage according to the activation function f.

도 3의 이중 컬럼 구조의 맴리스터 크로스바 구조에서는 Ib 생성기와 감산기가 사용되지만, 본 발명에 따른 도 4의 단일 컬럼 구조의 맴리스터 크로스바 구조에서는 활성화 함수 회로를 사용한다.The revolving Lister crossbar structure of the double column structure of Figure 3 I b generator and a subtracter is used, but, in the revolving Lister crossbar structure of single-column structure of Figure 4 according to the present invention uses an activation function circuit.

또한, 도 3에서와 같은 수동 저항(passive resistors)을 사용하지 않고 CMOS 회로를 이용하여 Ib 생성기와 Ib 감산기를 구성한다.In addition, an I b generator and an I b subtractor are configured using a CMOS circuit without using passive resistors as shown in FIG. 3.

본 발명에 따른 Ib 생성기, Ib 감산기 및 활성화 함수 회로의 상세한 구조는 도 5a에서와 같다.The detailed structure of the I b generator, I b subtractor and activation function circuit according to the present invention is as in FIG. 5A.

Ib 감산 및 f 활성화 함수를 결합하여 다음과 같은 식으로 j번째 뉴런 yj를 나타낼 수 있다.By combining I b subtraction and f activation, we can represent the j th neuron yj in the following way:

Figure pat00004
Figure pat00004

수학식 1로부터 gb가 (gLRS + gHRS)/2에 의해 주어지면, gi,j-gb의 시냅스 연결은 +(gLRS - gHRS)/2 또는 -(gLRS - gHRS)/2가 될 수 있다.Given g b from (1), given by (g LRS + g HRS ) / 2, the synaptic linkage of g i, j -g b is + (g LRS -g HRS ) / 2 or- (g LRS -g HRS ) / 2.

여기서 gi,j는 gLRS 또는 gHRS이다.Where g i, j is g LRS or g HRS .

+(gLRS - gHRS)/2 와 -(gLRS - gHRS)/2의 이 두 값은 도 3에서와 같이 이진 시냅스로 해석된다.These two values of + (g LRS -g HRS ) / 2 and- (g LRS -g HRS ) / 2 are interpreted as binary synapses as in FIG.

이와 같은 본 발명에 따른 도 4의 멤리스터 기반 BNN의 단일 컬럼 구조는 도 3의 이중 컬럼 구조보다 두 가지 명백한 이점을 갖는다.Such a single column structure of the memristor-based BNN of FIG. 4 according to the present invention has two obvious advantages over the double column structure of FIG. 3.

첫째, 멤브레인 프로그래밍 시간은 도 4에서 크로스바 컬럼의 수가 도 3의 컬럼의 수의 절반이기 때문에 반으로 줄일 수 있다.First, the membrane programming time can be halved because the number of crossbar columns in FIG. 4 is half the number of columns in FIG.

또한, 멤리스터 배열의 면적은 첫 번째 이점과 동일한 이유 때문에 이중 열 구조와 비교하여 절반이 될 수 있다.Also, the area of the memristor array can be halved compared to the double column structure for the same reasons as the first advantage.

도 5a는 본 발명에 따른 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로의 상세 구성도이다.5A is a detailed block diagram of a single column memristor crossbar and a CMOS activation function circuit for a binary value based neural network according to the present invention.

도 5a에서와 같이, 로우(Row) 라인들과 컬럼(Column) 라인들이 교차 지점들을 형성하고, 교차 지점에서 컬럼 라인과 로우 라인 사이에 연결된 멤리스터 디바이스들을 갖고, 전압 또는 전류 펄스를 적용하여 고저항 상태(High Resistance State, HRS) 또는 저저항 상태(Low Resistance State, LRS)로 프로그래밍되는 단일 컬럼 멤리스터 어레이(50)와, 단일 컬럼 멤리스터 어레이(50)의 로우(Row) 라인들에 공급되는 입력 펄스(x0, x1, x2,...xn)와 gb 컨덕턴스를 곱하는 입력 회로단(60)과, 입력 회로단(60)에서 구해진 입력 펄스(x0, x1, x2,...xn)와 gb 컨덕턴스를 곱을 단일 컬럼 멤리스터 어레이(50)의 각 컬럼에 감산하는 전류 감산기(70)와, 각각의컬럼의 출력 전류를 출력 전압으로 변환하여 활성화 함수 회로의 입력으로 사용하여 최종 출력(y0, y1,.., ym)을 출력하는 전류-전압 변환기(80)를 포함한다.As in FIG. 5A, the Row lines and the Column lines form intersections, have memristor devices connected between the column line and the row line at the intersection and apply a voltage or current pulse to Supply to the single column memristor array 50 and the low lines of the single column memristor array 50 that are programmed to a high resistance state (HRS) or a low resistance state (LRS). The input circuit stage 60 that multiplies the input pulses (x 0 , x 1 , x 2 , ... x n ) and g b conductance, and the input pulses (x 0 , x 1 , a current subtractor 70 that subtracts the product of x 2 , ... x n ) and g b conductance into each column of the single column memristor array 50, and converts the output current of each column into an output voltage to activate the function. using the input circuit of the final output (y 0, y 1, .. , y m) the output current-I And a converter (80).

멤리스터의 HRS와 LRS는 다른 층의 뉴런 사이의 이진 시냅스 연결을 계산하는데 이용될 수 있다.Memristor HRS and LRS can be used to calculate binary synaptic connections between neurons of different layers.

x0, x1, x2,...xn는 입력 펄스를 멤리스터 크로스바에 전달하는 입력 뉴런이며, 바이너리 시냅스 가중치는 교차점에 저장된다.x 0 , x 1 , x 2 , ... x n are the input neurons that deliver the input pulses to the memristor crossbars, and the binary synaptic weights are stored at the intersections.

y0, y1,.., ym 등은 히든 뉴런을 나타낸다.y 0 , y 1 , .., y m and the like represent hidden neurons.

그리고 gb는 다이오드 연결된 NMOSFET, Mb로 간단히 구현될 수 있다.And g b can be simply implemented as a diode-connected NMOSFET, M b .

NMOSFET 크기를 조정함으로써 도 5a의 Mb의 채널 컨덕턴스를 도 4의 gb와 동일하게 조정할 수 있다. x0, x1, x2 등으로부터의 입력 펄스는 해당하는 gb에 적용되어 Ib를 생성한다.By adjusting the NMOSFET size, the channel conductance of M b in FIG. 5A can be adjusted to be the same as g b in FIG. 4. x 0, input pulse from the x 1, x 2, etc. is applied to the g b, which generates a I b.

Ib 전류는 각 컬럼에 복사되고 도 5a와 같이 모든 멤리스터 컬럼에서 감산된다.I b current is copied to each column and subtracted from all memristor columns as shown in FIG. 5A.

그리고 g0,0는 x0와 y0 사이의 이진 시냅스 연결이고, g1,1은 x1과 y1 사이의 이진 연결을 나타낸 것이다.And g 0,0 represents a binary synaptic connection between x 0 and y 0 , and g 1,1 represents a binary connection between x 1 and y 1 .

OP0는 Ib 생성기 및 감산기의 연산 증폭기이고, M1은 모든 멤리스터 컬럼으로부터 Ib 전류를 감산하는 저항 역할을 하고, Vc는 M1의 채널 저항을 제어하기위한 바이어스 전압을 의미한다.OP 0 is the op amp of the I b generator and subtractor, M 1 serves as a resistor to subtract the I b current from all memristor columns, and V c refers to a bias voltage for controlling the channel resistance of M 1 .

도 5a에서 f로 표시된 블록은 전류 - 전압 변환기를 의미하며, 컬럼 전류 Ij는 활성화 함수 f에 따라 yj 전압으로 변환된다.The block denoted by f in FIG. 5A means a current-to-voltage converter, and the column current I j is converted into the y j voltage according to the activation function f.

여기서 사용되는 활성화 함수는 정류형 선형 장치(Rectified Linear Unit; ReLU) 또는 시그모이드(Sigmoid)이다.The activation function used here is a rectified linear unit (ReLU) or sigmoid.

도 5b는 도 5a의 본 발명에 따른 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로의 동작 파형도이다.5B is an operational waveform diagram of a single column memristor crossbar and CMOS activation function circuit for the binary value based neural network of FIG. 5A.

첫 번째 사이클에서 x0, x1, x2, x3은 각각 1, 1, 0, 1의 입력 펄스를 크로스바에 전달하고, 이 경우 y0 컬럼에 각각 LRS, LRS, HRS 및 LRS가 저장되면 I0 전류가 모든 컬럼 중에서 가장 커질 수 있다.In the first cycle, x 0 , x 1 , x 2 , and x 3 deliver input pulses of 1, 1, 0, 1 to the crossbar, in which case LRS, LRS, HRS and LRS are stored in the y 0 column, respectively. The I 0 current can be the largest of all columns.

I0 전류는 f 블록으로 들어가고 여기에서 활성화 함수에 따라 y0 전압으로 변환된다.The I 0 current enters the f block where it is converted to the y 0 voltage according to the activation function.

활성화 함수가 ReLU라고 가정하면 변환된 y0 전압은 도 5b에서와 같다.Assuming that the activation function is ReLU, the converted y 0 voltage is as in FIG. 5B.

y0 전압은 도 5b와 같이 입력 펄스에 따라 매 사이클마다 변할 수 있다.The voltage y 0 may change every cycle according to the input pulse as shown in FIG. 5B.

도 6a는 ReLU 활성화 회로 및 입출력 특성을 나타낸 구성도이고, 도 6b는 시그모이드(Sigmoid) 활성화 회로 및 입출력 특성을 나타낸 구성도이다.FIG. 6A is a diagram illustrating a ReLU activation circuit and input / output characteristics, and FIG. 6B is a diagram illustrating a sigmoid activation circuit and input / output characteristics.

ReLU는 히든 뉴런에 사용되고 시그모이드(Sigmoid)는 출력 뉴런에 사용된다.ReLU is used for hidden neurons and sigmoids for output neurons.

ReLU 회로에서 OP1은 Ij 전류를 -Ij*R1 전압으로 변환하고, OP2는 반전 버퍼이고 -Ij*R1은 +Ij*R1로 반전된다.In the ReLU circuit, OP 1 converts I j current to -I j * R1 voltage, OP 2 is an invert buffer and -I j * R1 is inverted to + I j * R1.

OP3는 리미터 역할을 하고, 출력 yj 전압이 VDD보다 높거나 GND보다 낮으면 출력 전압은 각각 VDD 또는 GND로 제한된다.OP 3 acts as a limiter and if the output y j voltage is above VDD or below GND, the output voltage is limited to VDD or GND, respectively.

ReLU 회로의 전달 곡선은 도 6a에서와 같다.The transfer curve of the ReLU circuit is as in FIG. 6A.

시그모이드 회로는 도 6b에서와 같고, 여기에 R2와 Vbias는 시그모이드 회로에 추가된다. 이와 같이 하는 것에 의해 시그모이드의 전달 곡선은 ReLU의 전달 곡선을 -Vbias/R2 만큼 이동시켜 얻게된다.The sigmoid circuit is as in FIG. 6B, where R 2 and V bias are added to the sigmoid circuit. By doing this, the transfer curve of sigmoid is obtained by shifting the transfer curve of ReLU by -V bias / R 2 .

이와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로는 아날로그 신경망 회로(analog neural network)보다는 이진값 기반 신경회로망 또는 ternary neural network를 위한 어레이 구조를 갖는다.A single column memristor crossbar and a CMOS activation function circuit for a binary value based neural network according to the present invention having such a structure has an array structure for a binary value based neural network or a ternary neural network rather than an analog neural network. Have

본 발명은 멤리스터 어레이에 저항을 추가하는 방법이 아닌 저항 대신에 MOSFET 트랜지스터를 사용하여 작은 면적에서 구현이 가능하도록 한 것이다.The present invention enables the implementation in a small area by using a MOSFET transistor instead of a resistor, not a method of adding a resistor to a memristor array.

특히, 활성화 함수를 구현할 수 있는 CMOS 회로를 포함하여 신경망 회로 전체를 CMOS-멤리스터 혼합회로로 구현할 수 있도록 한 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로를 제공할 수 있도록 한 것이다.In particular, to provide a single-column memristor crossbar and CMOS activation function circuits for binary-based neural networks that allow the entire neural network to be implemented as a CMOS-memristor mixed circuit, including CMOS circuits that can implement activation functions. It is.

이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be understood that the present invention is implemented in a modified form without departing from the essential features of the present invention as described above.

그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.Therefore, the described embodiments should be considered in descriptive sense only and not for purposes of limitation, and the scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope are included in the present invention. It should be interpreted.

50. 단일 컬럼 멤리스터 어레이 60. 입력 회로단
70. 전류 감산기 80. 전류-전압 변환기
50. Single Column Memristor Array 60. Input Circuit
70. Current subtractor 80. Current-to-voltage converter

Claims (11)

로우(Row) 라인들과 컬럼(Column) 라인들이 교차 지점들을 형성하고, 교차 지점에서 컬럼 라인과 로우 라인 사이에 연결된 멤리스터 디바이스들을 갖고, 전압 또는 전류 펄스를 적용하여 고저항 상태(High Resistance State, HRS) 또는 저저항 상태(Low Resistance State, LRS)로 프로그래밍되어 이진 시냅스 연결(g0,0, g1,1,..,gn,m)로 해석되도록 하는 단일 컬럼 멤리스터 어레이;
단일 컬럼 멤리스터 어레이의 로우(Row) 라인들에 공급되는 입력 펄스(x0, x1, x2,...xn)와 gb 컨덕턴스를 곱하는 입력 회로단;
입력 회로단에서 구해진 입력 펄스(x0, x1, x2,...xn)와 gb 컨덕턴스를 곱을 단일 컬럼 멤리스터 어레이의 각 컬럼에 감산하는 전류 감산기;
각각의 컬럼의 출력 전류(I0,I1,..,Ij,Im)를 출력 전압으로 변환하여 활성화 함수 회로의 입력으로 사용하여 최종 출력(y0, y1,.., ym)을 출력하는 전류-전압 변환기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로.
Row lines and column lines form intersections, have memristor devices connected between column and row lines at the intersection, and a high resistance state by applying a voltage or current pulse Single column memristor array programmed to a low resistance state (LRS) or to be interpreted as a binary synaptic connection (g 0,0 , g 1 , 1 , .., g n, m );
An input circuit stage that multiplies the input pulses (x 0 , x 1 , x 2 , ... x n ) and g b conductances supplied to the row lines of the single column memristor array;
A current subtractor which subtracts the product of the input pulses (x 0 , x 1 , x 2 ,... X n ) and g b conductance obtained at the input circuit stage to each column of the single column memristor array;
The output current (I 0 , I 1 , .., I j , I m ) of each column is converted to an output voltage and used as the input of the activation function circuit to the final output (y 0 , y 1 , .., y m A single-column memristor crossbar and a CMOS activation function circuit for a binary value-based neural network.
제 1 항에 있어서, 입력 펄스(x0, x1, x2,...xn)는 시냅스 연결에 의해 출력 뉴런인 최종 출력(y0, y1,.., ym)에 연결된 입력 뉴런인 것을 특징으로 하는 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로.2. The input of claim 1, wherein the input pulses (x 0 , x 1 , x 2 , ... x n ) are connected by an synaptic connection to a final output (y 0 , y 1 , .., y m ) that is an output neuron. A single column memristor crossbar and CMOS activation function circuit for a binary value based neural network, characterized in that it is a neuron. 제 1 항에 있어서, 단일 멤리스터 컬럼을 사용하여 +1과 -1 값을 모두 계산하기 위해 gb를 이용하여 전류 Ib를 생성하고,
컬럼에서 입력 펄스에 의해 적용된 gb 컬럼은 Ib 전류를
Figure pat00005
만큼 생성하는 것을 특징으로 하는 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로.
The method of claim 1, wherein generating a current I b with a g b to use a single memristor column to calculate both the +1 and -1 values,
The g b column applied by the input pulses in the column gives the I b current
Figure pat00005
A single column memristor crossbar and CMOS activation function circuit for a binary-based neural network, characterized in that it generates.
제 3 항에 있어서, 생성된 Ib는 각 컬럼에 복사되고, 동시에 모든 크로스바 컬럼들로부터 감산될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로.4. The single column memristor crossbar and CMOS activation function circuit for binary-based neural networks of claim 3, wherein the generated I b is copied to each column and subtracted from all crossbar columns at the same time. 제 3 항에 있어서, Ib 감산 및 각 컬럼 전류가 전압으로 변환되는 활성화 함수 f를 결합하여 j번째 뉴런 yj를,
Figure pat00006
으로 나타내는 것을 특징으로 하는 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로.
4. The j-th neuron yj of claim 3, wherein the combination of I b subtraction and the activation function f, in which each column current is converted to voltage,
Figure pat00006
A single column memristor crossbar and a CMOS activation function circuit for a binary value-based neural network.
제 5 항에 있어서, gb가 (gLRS + gHRS)/2에 의해 주어지면, gi,j-gb의 시냅스 연결은 +(gLRS - gHRS)/2 또는 -(gLRS - gHRS)/2가 되고,
여기서 gi,j는 gLRS 또는 gHRS이고,
+(gLRS - gHRS)/2 와 -(gLRS - gHRS)/2의 이 두 값은 이진 시냅스로 해석되는 것을 특징으로 하는 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로.
6. The method of claim 5, g b is (g + g LRS HRS) / 2 is given by the synaptic connections of g i, j -g b is + (g LRS - g HRS) / 2 or - (g LRS - g HRS ) / 2
Where g i, j is g LRS or g HRS ,
These two values, + (g LRS -g HRS ) / 2 and- (g LRS -g HRS ) / 2, are interpreted as binary synapses, enabling single-column memristor crossbars and CMOS activation for binary-based neural networks. Function circuit.
제 1 항에 있어서, 전류 감산기는 연산 증폭기(OP0)를 포함하고,
연산 증폭기(OP0)의 출력단과 각 칼럼 사이에 구성되어 모든 멤리스터 컬럼으로부터 Ib 전류를 감산하는 저항 역할을 하는 NMOSFET(M1)를 포함하고,
NMOSFET(M1)의 게이트단에는 채널 저항을 제어하기위한 바이어스 전압(Vc)이 인가되는 것을 특징으로 하는 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로.
The method of claim 1, wherein the current subtractor comprises an operational amplifier OP 0 ,
An NMOSFET (M 1 ) configured between the output terminal of the operational amplifier (OP 0 ) and each column to serve as a resistor for subtracting I b currents from all memristor columns,
A single-column memristor crossbar and CMOS activation function circuit for binary-based neural networks, characterized in that a bias voltage (V c ) is applied to the gate of the NMOSFET (M 1 ) to control channel resistance.
제 1 항에 있어서, 전류-전압 변환기는,
정류형 선형 장치(Rectified Linear Unit; ReLU) 또는 시그모이드(Sigmoid)의 활성화 함수 회로를 갖고,
각각의 컬럼의 출력 전류(I0,I1,..,Ij,Im)를 활성화 함수에 따라 최종 출력(y0, y1,.., ym)을 출력하고,
최종 출력(y0, y1,.., ym)은 입력 펄스에 따라 매 사이클마다 변하는 것을 특징으로 하는 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로.
The method of claim 1, wherein the current-voltage converter,
Has an activation function circuit of a rectified linear unit (ReLU) or sigmoid,
Output the output current (I 0 , I 1 , .., I j , I m ) of each column to the final output (y 0 , y 1 , .., y m ) according to the activation function,
Single column memristor crossbar and CMOS activation function circuit for binary-based neural networks, wherein the final output (y 0 , y 1 , .., y m ) changes every cycle in response to an input pulse.
제 8 항에 있어서, ReLU 회로는 히든 뉴런에 사용되고 시그모이드(Sigmoid)회로는 출력 뉴런에 사용되는 것을 특징으로 하는 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로.10. The single column memristor crossbar and CMOS activation function circuit of claim 8 wherein the ReLU circuit is used for hidden neurons and the sigmoid circuit is used for output neurons. 제 8 항에 있어서, 정류형 선형 장치(Rectified Linear Unit; ReLU) 또는 시그모이드(Sigmoid)의 활성화 함수 회로는,
Ij 전류를 -Ij*R1 전압으로 변환하는 제 1 연산증폭기(OP1)와,
반전 버퍼로 사용되어 -Ij*R1을 +Ij*R1로 반전시키는 제 2 연산증폭기(OP2)와,
리미터 역할을 하여 출력 yj 전압이 VDD보다 높거나 GND보다 낮으면 출력 전압은 각각 VDD 또는 GND로 제한하는 제 2 연산증폭기(OP3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로.
The circuit of claim 8, wherein an activation function circuit of a rectified linear unit (ReLU) or a sigmoid includes:
A first operational amplifier (OP 1 ) for converting I j current into a voltage -I j * R 1 ,
A second operational amplifier (OP 2 ) used as an inversion buffer to invert -I j * R1 to + I j * R1,
Acting as a limiter, if the output y j voltage is above VDD or below GND, the output voltage includes a second operational amplifier OP 3 that limits to VDD or GND, respectively. Column memristor crossbar and CMOS activation function circuit.
제 10 항에 있어서, 시그모이드(Sigmoid) 활성화 함수 회로는,
반전 단자(-)에 저항(R2)을 통하여 Vbias가 인가되어 시그모이드의 전달 곡선은 ReLU의 전달 곡선을 -Vbias/R2 만큼 이동시켜 얻게되는 것을 특징으로 하는 이진값 기반 신경회로망을 위한 단일 컬럼 멤리스터 크로스바 및 CMOS 활성화 함수 회로.
The circuit of claim 10, wherein the sigmoid activation function circuit is
Binary value-based neural network, characterized in that the V bias is applied to the inverting terminal (-) through the resistor (R 2 ) so that the transfer curve of the sigmoid is obtained by moving the transfer curve of the ReLU by -V bias / R 2 . Single Column Memristor Crossbar and CMOS Activation Function Circuit.
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