KR20200100286A - An efficient neuromorphic circuit system of realizing negative weight - Google Patents

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    • G06N3/063Physical realisation, i.e. hardware implementation of neural networks, neurons or parts of neurons using electronic means

Abstract

The present invention relates to a neuromorphic circuit system capable of efficient negative weight realization which expresses a negative weight of a synapse. The neuromorphic circuit system capable of efficient negative weight realization comprises: a plurality of pre-neurons; a plurality of post-neurons; a plurality of synapses arranged on intersection points of a plurality of row lines extended from the pre-neurons in a row direction and a plurality of column lines corresponding to the post-neurons to form a synapse array; a shift circuit to add a shift weight to the input of the plurality of pre-neurons to sum the shift weight added to the input and output a summed result; a subtraction circuit to subtract the output of the shift circuit from the output of the plurality of column lines to output the subtracted output to the post-neurons. Each of the plurality of synapses has a weight shifted from the original weight to the shift weight, a negative weight is realized by using a weight shift in a neuromorphic system, and only one array unlike a conventional method of using two arrays is used to not only be efficient in terms of an arrangement space or power consumption, but to easily and efficiently manufacture hardware.

Description

효율적인 음수 가중치 구현이 가능한 뉴로모픽 회로 시스템 { An efficient neuromorphic circuit system of realizing negative weight }{An efficient neuromorphic circuit system of realizing negative weight}

본 발명은 뉴로모픽 시스템(neuromorphic system)을 시냅스의 크로스바 어레이 구조로 구현하는 시스템에서, 시냅스의 음수 가중치를 표현하는, 효율적인 음수 가중치 구현이 가능한 뉴로모픽 회로 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a neuromorphic circuit system capable of efficiently implementing negative weights, expressing negative weights of synapses, in a system implementing a neuromorphic system as a crossbar array structure of synapses.

또한, 본 발명은 추가적인 시냅스 어레이를 사용하지 않고도 음의 가중치(weight)를 구현할 수 있는 효율적인 시냅스(synapse)의 크로스바 어레이(crossbar-array) 구조를 제시하는, 효율적인 음수 가중치 구현이 가능한 뉴로모픽 회로 시스템에 관한 것이다.In addition, the present invention proposes an efficient synapse crossbar-array structure capable of implementing negative weights without using an additional synapse array, a neuromorphic circuit capable of implementing an efficient negative weight. It's about the system.

방대한 정보와 비정형 정보들을 우수하게 처리하기 위한 차세대 컴퓨팅 방식중 하나로서 뇌의 동작방식과 유사한 뉴로모픽 시스템(neuromorphic system)이 하나의 차세대 방식으로 각광받고 있다.As one of the next-generation computing methods for superior processing of vast amounts of information and unstructured information, a neuromorphic system similar to the way the brain works is in the spotlight as a next-generation method.

이러한 뉴로모픽 시스템(neuromorphic system)은 CPU, GPU, 아날로그 회로 등과 같은 다양한 하드웨어들을 이용하여 구현될 수 있다. 그 중, 많은 시냅스 장치(synapse device) 및 수동소자를 포함한 크로스바 어레이(crossbar-array) 구조의 하드웨어는 소자를 고집적 시킬 수 있을 뿐만 아니라 비용 측면에서도 매우 효율적이다. 따라서 이러한 구조의 하드웨어는 뉴로모픽 시스템(neuromorphic system)을 위한 하드웨어 구조로서 각광받고 있다.Such a neuromorphic system may be implemented using various hardware such as a CPU, a GPU, and an analog circuit. Among them, hardware having a crossbar-array structure including many synapse devices and passive devices not only enables high integration of devices, but is also very efficient in terms of cost. Therefore, hardware of this structure is in the spotlight as a hardware structure for a neuromorphic system.

하지만, 음수(-1~1)의 시냅스 가중치(synapse weight)를 표현할 수 있는 소프트웨어(software)와는 달리, 하드웨어의 경우 음수의 가중치(weight)를 단일 시냅스(synapse) 소자를 통해 표현하는 것은 불가능 하다. 이것은 실제 소자가 갖는 컨덕턴스(conductance)(가중치를 나타내는 소자)가 음수가 될 수 없음에 기인된다.However, unlike software that can express the synapse weight of negative numbers (-1 to 1), in the case of hardware, it is impossible to express the weight of negative numbers through a single synapse element. . This is due to the fact that the conductance (a device representing a weight) cannot be negative.

따라서, 종래 기술은 양의 극성과 음의 극성을 각각 갖는 두 개의 시냅스 어레이(synapse array)를 사용하여, 음수 가중치를 구현하고 있다.Accordingly, the prior art implements negative weights by using two synapse arrays each having a positive polarity and a negative polarity.

도 1에서 보는 바와 같이, 시냅스 가중치(synapse weight)는 2개의 시냅스 어레이로 일반적으로 구현된다. 2개의 시냅스 어레이 M+, M-는 각각 시냅스 가중치(synapse weight)의 양과 음의 극성을 나타낸다. 각 시냅스 어레이는 컨덕턴스(1/R)로 표현된다. 그리고 소정의 레벨의 전압(VIN,j)이 입력(input)으로서 2개의 시냅스 어레이 M+, M-에 공급하고 2개의 시냅스 어레이의 출력(출력 전류 또는 출력 전압)을 서로 감산시켜, 음수 가중치(negative weight)의 효과를 낼 수 있다.As shown in FIG. 1, the synapse weight is generally implemented as two synaptic arrays. The two synaptic arrays M+ and M- represent the positive and negative polarities of synapse weights, respectively. Each synaptic array is expressed as conductance (1/R). And a voltage of a predetermined level (V IN,j ) is supplied as input to the two synaptic arrays M+ and M-, and the outputs (output current or output voltage) of the two synaptic arrays are subtracted from each other, and a negative weight ( negative weight).

도 2는 2개의 시냅스 어레이 M+, M-로 구성되어 음수 가중치를 출력하는 회로를 나타내고 있다.2 shows a circuit configured with two synaptic arrays M+ and M- to output negative weights.

그러나 상기와 같은 종래기술의 음수 가중치의 회로 구성은 시스템 관점에서 추가적인 어레이로 인한 불필요한 전력과 면적이 소요된다. 따라서 뉴로모픽 시스템(neuromorphic system)이 저전력, 고집적 성능을 추구하는 것을 고려할 때, 종래기술의 구성은 뉴로모픽 시스템에 적용하기에는 부적합한 문제점을 가진다.However, the conventional negative-weighted circuit configuration as described above requires unnecessary power and area due to an additional array from the system point of view. Therefore, when considering that a neuromorphic system pursues low power and high integration performance, the configuration of the prior art has a problem that is not suitable for application to a neuromorphic system.

Truong, S. N., &Min, K. S. “New Memristor-Based Crossbar Array Architecture with 50-% Area Reduction and 48-% Power Saving for Matrix-Vector Multiplication of Analog Neuromorphic Computing”, Journal of semiconductor technology and science, 14 (3), 356-363 (2014) Truong, SN, &Min, KS “New Memristor-Based Crossbar Array Architecture with 50-% Area Reduction and 48-% Power Saving for Matrix-Vector Multiplication of Analog Neuromorphic Computing”, Journal of semiconductor technology and science, 14 (3), 356-363 (2014)

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 추가적인 시냅시스 어레이를 사용하지 않고도 음의 가중치(weight)를 구현할 수 있는 효율적인 시냅스(synapse)의 크로스바 어레이(crossbar-array) 구조를 제시하는, 효율적인 음수 가중치 구현이 가능한 뉴로모픽 회로 시스템을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to solve the above-described problems, and propose an efficient synapse crossbar-array structure capable of implementing negative weights without using an additional synaptic array. It is to provide a neuromorphic circuit system capable of efficiently implementing negative weights.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 효율적인 음수 가중치 구현이 가능한 뉴로모픽 회로 시스템에 관한 것으로서, 다수의 프리 뉴런; 다수의 포스트 뉴런; 상기 프리 뉴런의 각각에서 로우 방향으로 연장되는 다수의 로우 라인과, 상기 포스트 뉴런의 각각에 대응되는 다수의 컬럼 라인의 교차점들 상에서 배치되어, 시냅스 어레이를 형성하는 다수의 시냅스; 상기 다수의 프리 뉴런의 입력에 시프트 가중치를 가중하여 합산하고 합산된 결과를 출력하는 시프트 회로; 및, 상기 다수의 컬럼 라인 각각의 출력에서 상기 시프트 회로의 출력을 차감하여, 차감된 출력을 상기 포스트 뉴런 각각에 출력시키는 차감 회로를 포함하고, 상기 다수의 시냅스 각각은 원래 가중치에서 상기 시프트 가중치로 시프트한 가중치를 가지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention relates to a neuromorphic circuit system capable of implementing an efficient negative weight, comprising: a plurality of free neurons; Multiple post neurons; A plurality of synapses disposed on intersections of a plurality of row lines extending in a row direction from each of the free neurons and a plurality of column lines corresponding to each of the post neurons to form a synaptic array; A shift circuit that weights and adds shift weights to the inputs of the plurality of free neurons, and outputs the summed result; And a subtraction circuit for subtracting an output of the shift circuit from the output of each of the plurality of column lines and outputting the subtracted output to each of the post neurons, wherein each of the plurality of synapses is converted from an original weight to the shift weight. It is characterized by having a shifted weight.

또, 본 발명은 효율적인 음수 가중치 구현이 가능한 뉴로모픽 회로 시스템에 있어서, 상기 시프트 회로는 상기 시프트 가중치를 가지고 각각 프리 뉴런에 연결되는 다수의 시프트 가중치 소자와, 상기 다수의 시프트 가중치 소자들을 모두 연결하는 시프트 라인으로 구성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a neuromorphic circuit system capable of efficiently implementing negative weights, wherein the shift circuit has the shift weight and connects all of the plurality of shift weight elements and a plurality of shift weight elements connected to each free neuron. It characterized in that it is composed of a shift line.

또, 본 발명은 효율적인 음수 가중치 구현이 가능한 뉴로모픽 회로 시스템에 있어서, 상기 시프트 가중치 소자는 저항 소자로 구성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a neuromorphic circuit system capable of efficiently implementing negative weights, wherein the shift weighting element is formed of a resistance element.

또, 본 발명은 효율적인 음수 가중치 구현이 가능한 뉴로모픽 회로 시스템에 있어서, 상기 차감 회로에 부하 저항을 구비하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a neuromorphic circuit system capable of efficiently implementing negative weights, characterized in that the subtraction circuit has a load resistance.

또, 본 발명은 효율적인 음수 가중치 구현이 가능한 뉴로모픽 회로 시스템에 있어서, 상기 저항 소자의 저항 Rshift는 수식 1에 의한 저항으로 설정되는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is characterized in that in a neuromorphic circuit system capable of efficiently implementing negative weights, the resistance R shift of the resistance element is set to a resistance according to Equation 1.

[수식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

단, wshift는 시프트 가중치임.However, w shift is the shift weight.

또, 본 발명은 효율적인 음수 가중치 구현이 가능한 뉴로모픽 회로 시스템에 있어서, 상기 시프트 가중치는 상기 시냅스가 나타내는 가중치의 최대폭의 1/2의 값인 것을 특징으로 한다.In addition, in a neuromorphic circuit system capable of efficiently implementing negative weights, the present invention is characterized in that the shift weight is 1/2 of the maximum width of the weight indicated by the synapse.

또, 본 발명은 효율적인 음수 가중치 구현이 가능한 뉴로모픽 회로 시스템에 있어서, 상기 시프트 가중치 소자와 상기 시냅스는 동일한 소자로 구현되는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a neuromorphic circuit system capable of efficiently implementing negative weights, wherein the shift weighting element and the synapse are implemented by the same element.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 효율적인 음수 가중치 구현이 가능한 뉴로모픽 회로 시스템에 의하면, 뉴로모픽 시스템(neuromorphic system)에서 가중치 시프트(weight shift)를 이용하여 음수 가중치를 구현함으로써, 기존의 2개의 어레이(array)를 이용하는 방식과 달리 1개의 어레이(array)만을 사용하여 배치 공간 측면이나 전력 소모 측면에서 효율적일 뿐만 아니라 하드웨어를 용이하고 효율적으로 제작할 수 있는 효과가 얻어진다.As described above, according to the neuromorphic circuit system capable of efficiently implementing negative weights according to the present invention, by implementing negative weights using a weight shift in a neuromorphic system, the conventional 2 Unlike the method using two arrays, using only one array is not only efficient in terms of an arrangement space or power consumption, but also has an effect of easily and efficiently manufacturing hardware.

따라서, 본 발명은 고집적, 저전력 등의 동작특성이 요구되는 뉴로모픽 시스템(neuromorphic system)을 고려하면, 보다 효율적으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 뉴로모픽 시스템(neuromorphic system) 기반의 안면인식, 음성인식 등의 시스템이나, 뉴로모픽 시스템(neuromorphic system) 기반의 데이터 처리나 변환 등의 시스템에 적용될 수 있다.Accordingly, the present invention can be used more efficiently in consideration of a neuromorphic system requiring operation characteristics such as high integration and low power. For example, the present invention can be applied to systems such as facial recognition and speech recognition based on a neuromorphic system, or to systems such as data processing or transformation based on a neuromorphic system.

도 1은 종래기술에 따른 음수 가중치(weight)를 구현하기 위한 구성도.
도 2는 도 1의 음수 가중치 구현 시스템의 하드웨어 기반 세부 회로 구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 효율적인 음수 가중치 구현이 가능한 뉴로모픽 회로 시스템의 구성에 대한 블록도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 효율적인 음수 가중치 구현이 가능한 뉴로모픽 회로 시스템의 가중치 시프트의 동작 방식을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 효율적인 음수 가중치 구현이 가능한 뉴로모픽 회로 시스템에 대한 구현 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 시스템을 적용한 파이썬(python)과 종래 기술에 따른 피스파이스(pspice)의 실험결과를 나타낸 표.
1 is a block diagram for implementing a negative weight according to the prior art.
FIG. 2 is a hardware-based detailed circuit configuration diagram of the negative weight implementation system of FIG. 1.
3 is a block diagram of a configuration of a neuromorphic circuit system capable of implementing an efficient negative weight according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram for explaining an operation method of a weight shift of a neuromorphic circuit system capable of implementing an efficient negative weight according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating an implementation example of a neuromorphic circuit system capable of implementing an efficient negative weight according to an embodiment of the present invention.
6 is a table showing the experimental results of python to which the system according to the present invention is applied and pspice according to the prior art.

이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.Hereinafter, specific details for the implementation of the present invention will be described with reference to the drawings.

또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.In addition, in describing the present invention, the same parts are denoted by the same reference numerals, and repeated explanations thereof are omitted.

먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 효율적인 음수 가중치 구현이 가능한 뉴로모픽 회로 시스템의 구성에 대하여 도 3을 참조하여 설명한다.First, a configuration of a neuromorphic circuit system capable of implementing an efficient negative weight according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3.

도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 시스템(100)은 다수의 프리 뉴런들(10), 프리 뉴런들(10)로부터 로우 방향으로 연장하는 다수의 로우 라인들(R), 다수의 포스트 뉴런들(20), 다수의 포스트 뉴런들(20)로부터 컬럼 방향으로 연장하는 다수의 컬럼 라인들(C), 로우 라인들(R)과 컬럼 라인들(C)의 교차점들 상에 배치된 다수의 시냅스들(30), 각 프리 뉴런(10)에 연결된 시프트 가중치 소자(40), 및, 각 컬럼 라인(C)의 시냅스들의 출력에서 시프트 가중치된 값을 차감하는 차감 회로(50)로 구성된다.As shown in FIG. 3, the neuromorphic system 100 according to an embodiment of the present invention includes a plurality of free neurons 10 and a plurality of row lines extending in a row direction from the free neurons 10 ( R), a plurality of post neurons 20, a plurality of column lines (C) extending in the column direction from the plurality of post neurons 20, the intersection of the row lines (R) and the column lines (C) A subtraction circuit for subtracting the shift weighted value from the outputs of the synapses 30 of the plurality of synapses 30 arranged on the fields, the shift weighting element 40 connected to each free neuron 10, and the synapses of each column line C It consists of 50.

먼저, 프리 뉴런(10)은 학습 모드 또는 독출 모드에서 로우 라인(R)을 통하여 시냅스(30)로 전기적 신호를 전송할 수 있다. 프리 뉴런(10)은 N개의 뉴런으로 구성된다. 또한, 로우 라인(R)도 N개의 라인으로 구성된다.First, the free neuron 10 may transmit an electrical signal to the synapse 30 through the row line R in a learning mode or a read mode. The free neuron 10 is composed of N neurons. Also, the row line R is composed of N lines.

한편, 바람직하게는, 각 프리 뉴런 i는 입력값으로 입력전압 Vi가 입력될 수 있다(여기서, i = 1, 2, ..., N). 여기서 프리 뉴런 i로부터 연장되는 로우 라인(R)을 로우 라인 i라 지칭한다.Meanwhile, preferably, an input voltage V i may be input to each free neuron i as an input value (here, i = 1, 2, ..., N). Here, the row line R extending from the free neuron i is referred to as a row line i.

다음으로, 포스트 뉴런(20)은 학습 모드 또는 독출 모드에서 컬럼 라인(C)을 통하여 시냅스(30)로 전기적 신호를 전송하거나 또는 시냅스(30)로부터 전기적 신호를 수신할 수 있다. 포스트 뉴런(20)은 M개의 뉴런으로 구성된다.Next, the post neuron 20 may transmit an electrical signal to the synapse 30 or receive an electrical signal from the synapse 30 through the column line C in the learning mode or the read mode. The post neuron 20 is composed of M neurons.

또한, 컬럼 라인(C)은 포스트 뉴런(20)에 각각 대응되는 라인으로서, M개의 라인으로 구성된다. 포스트 뉴런 j로에 대응되는 컬럼 라인(C)을 컬럼 라인 j라 지칭한다. j = 1, 2, ..., M이다.Further, the column line C is a line corresponding to each of the post neurons 20 and is composed of M lines. The column line C corresponding to the post neuron j is referred to as a column line j. j = 1, 2, ..., M.

각 컬럼 라인 j는 로우 라인 1~N과 교차하는 지점에 구비된 시냅스 (1,j), (2,j), ..., (N,j)와 연결된다. 따라서 각 컬럼 라인 j의 출력 Ij은 컬럼 라인 j의 모든 시냅스들의 출력이 합산된 값이다.Each column line j is connected to the synapses (1,j), (2,j), ..., (N,j) provided at the points intersecting the row lines 1 to N. Therefore, the output I j of each column line j is the sum of the outputs of all synapses of the column line j.

다음으로, 각 시냅스(30)는 다수 레벨의 컨덕턴스, 특히, 양의 레벨 컨던턱스를 기억할 수 있는 소자이다. 시냅스 소자의 경우 여러 종류의 메모리 소자가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상변화 메모리(phase change random access memory), 저항변화 메모리(resistive random access memory), 강유전체 메모리(FRAM, ferroelectric random access memory), 플래시 메모리(flash memory) 등이 사용될 수 있다. 하드웨어 기반의 뉴로모픽 시스템(neuromorphic system)에서 시냅스 가중치는 소자가 가지는 컨덕턴스(conductance)를 가중치로 사용된다.Next, each synapse 30 is an element capable of storing a plurality of levels of conductance, in particular, a positive level condensation. In the case of synaptic devices, various types of memory devices may be used. For example, a phase change memory, a resistive random access memory, a ferroelectric random access memory (FRAM), a flash memory, or the like may be used. In a hardware-based neuromorphic system, the synaptic weight is used as a weight by the conductance of the device.

한편, 각 시냅스 (i,j)는 로우 라인 i와 컬럼 라인 j의 교차점에 구비되어, 시냅스(30)들은 시냅스 어레이(synapse array)를 구성한다. 바람직하게는, 각 시냅스 (i,j)는 일단에 로우 라인 i와 연결되고, 타단에 컬럼 라인 j가 연결된다.On the other hand, each synapse (i, j) is provided at the intersection of the row line i and the column line j, the synapses 30 constitute a synapse array (synapse array). Preferably, each synapse (i,j) is connected to a row line i at one end and a column line j at the other end.

또한, 각 시냅스 (i,j)는 가중치 wij를 나타낸다. 특히, 시냅스 (i,j)는 시프트된 가중치를 기억 또는 저장하는 소자이다. 즉, 시냅스(i,j)는 시프트된 가중치를 컨덕턴스(conductance) 값으로 기억 또는 저장한다.In addition, each synapse (i,j) represents a weight w ij . In particular, synapse (i,j) is an element that stores or stores shifted weights. That is, the synapse (i,j) stores or stores the shifted weight as a conductance value.

즉, 시냅스 (i,j)의 시프트된 가중치 wij는 다음 식과 같이 표시될 수 있다.That is, the shifted weight w ij of the synapse (i,j) can be expressed as the following equation.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

위 식에서, wij는 소자가 갖는 가중치로서, 항상 양의 값을 갖는다. 또한, w0 ij은 실제 사용되어야 할 가중치로서, 음의 가중치도 포함한다.In the above equation, w ij is the weight of the device and always has a positive value. In addition, w 0 ij is a weight to be actually used and includes a negative weight.

그리고 wshift는 시프트 가중치이다. 따라서 위 식은 소자가 갖는 가중치의 경우, 원래 사용되어야 할 가중치에서 wshift 만큼 시프트 된 것으로 가정한 식이다. 즉, 소자의 가중치는 항상 양의 값을 가지기 때문이다.And w shift is the shift weight. Therefore, the above equation assumes that the weight of the device is shifted by w shift from the weight to be used originally. That is, because the weight of the device always has a positive value.

[수학식 1-2][Equation 1-2]

Figure pat00003
Figure pat00003

따라서 사용되어야 할 가중치를 만들어 주기 위해서, 소자가 갖는 가중치에 시프트 가중치를 빼줌으로써 구현될 수 있다. 즉, 원래 사용되어야 할 가중치(또는 시프트전 가중치)는 양과 음의 값을 가져야 하지만, 시냅스 소자가 물리적으로 양의 컨덕턴스 값만을 가지므로 음의 가중치를 사용하기 위해서는 음의 방향으로 시프트를 시켜주어야 한다.Therefore, in order to create a weight to be used, it can be implemented by subtracting the shift weight from the weight of the device. That is, the weight to be used originally (or the weight before shift) should have positive and negative values, but since the synaptic element physically has only positive conductance values, it must be shifted in the negative direction to use negative weights. .

예를 들어, 9~11범위를 갖는 시냅스 소자의 가중치(weight)는 항상 양의 값을 갖지만 10만큼 시프트 시켜줄 경우 -1~1 범위 (즉, 음의 가중치를 포함한)의 가중치를 사용할 수 있다. 예시와 같이, 시프트 가중치 wshift는 시냅스 소자 가중치의 최대폭의 1/2 값이 사용되어야 한다. 따라서 시프트 가중치 wshift는 소자가 항상 갖는 양의 가중치를 음의 범위를 포함한 가중치로 만드는 시프트 값이다.For example, the weight of a synaptic device having a range of 9 to 11 always has a positive value, but if it is shifted by 10, a weight in the range of -1 to 1 (ie, including a negative weight) can be used. As shown in the example, the shift weight w shift should be 1/2 of the maximum width of the synaptic device weight. Therefore, the shift weight w shift is a shift value that makes the positive weight that the device always has to the weight including the negative range.

다음으로, 시프트 가중치 소자(40)는 시프트 가중치를 가지는 소자로서, 시프트 가중치 wshift를 기억(저장)한다. 시프트 가중치 소자(40)는 프리 뉴런(10) 각각에 연결되는 소자, 또는 로우 라인(R)에 연결되는 소자로서, N개로 구성된다. 따라서 각 시프트 가중치 소자(40)는 대응되는 프리 뉴런의 입력 값에 시프트 가중치로 가중시킨다. 또한, 각 시프트 가중치 소자(40)들은 모두 시프트 라인(S)에 연결되어, 각 소자의 출력을 합산시킨다.Next, the shift weight element 40 stores (stores) a shift weight w shift as an element having a shift weight. The shift weight element 40 is an element connected to each of the free neurons 10 or a row line R, and is composed of N elements. Therefore, each shift weight element 40 weights the input value of a corresponding free neuron with a shift weight. In addition, each of the shift weight elements 40 are all connected to the shift line S, and the outputs of each element are summed.

즉, 시프트 가중치 소자(40)들은 다수의 프리 뉴런의 입력에 시프트 가중치를 가중하여 합산하고 합산된 결과를 출력하는 시프트 회로를 구성한다. 바람직하게는, 시프트 회로는 각 프리 뉴런(10)에 연결되는 시프트 가중치 소자(40)와 상기 시프트 가중치 소자들을 컬럼 방향으로 연결하는 시프트 라인(S)으로 구성된다.That is, the shift weight elements 40 constitute a shift circuit that weights and adds shift weights to inputs of a plurality of free neurons, and outputs the summed result. Preferably, the shift circuit includes a shift weight element 40 connected to each free neuron 10 and a shift line S connecting the shift weight elements in a column direction.

바람직하게는, 시프트 가중치 소자(40)는 저항 소자로 구성될 수 있다. 즉, 다음 식과 같은 저항 Rshift을 갖는 저항 소자로 구현될 수 있다.Preferably, the shift weighting element 40 may be composed of a resistive element. That is, it can be implemented as a resistance element having a resistance R shift as shown in the following equation.

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서, wshift는 시프트 가중치이다.Here, w shift is a shift weight.

한편, 시프트 가중치 소자(40)는 저항소자에 한정되지 않으며, 시프트 가중치 wshift의 컨덕턴스(conductance, 저항의 역수)를 가지는 어떤 소자도 사용될 수 있다. 예를 들어, 뉴로모픽 회로 제작 공정의 효율성을 위해 시냅스를 구성하는 멤리스터 등 동일한 소자로도 구현될 수 있다.Meanwhile, the shift weight element 40 is not limited to a resistance element, and any element having a conductance of the shift weight w shift (reverse number of resistance) may be used. For example, for the efficiency of the neuromorphic circuit manufacturing process, it may be implemented with the same device such as a memristor constituting a synapse.

또한, 시프트 가중치 소자들(40)을 모두 연결하는 컬럼 방향의 시프트 라인(S)이 구비된다. 따라서 시프트 가중치 소자들(40)에 의해 가중된 출력값들은 모두 합산되어, 시프트 라인(S)으로 출력될 수 있다.In addition, a shift line S in the column direction connecting all of the shift weight elements 40 is provided. Accordingly, all output values weighted by the shift weight elements 40 may be summed and output to the shift line S.

시프트 라인(S)의 출력 Ishift는 다음 식과 같다.The output I shift of the shift line S is as follows.

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서, wshift는 시프트 가중치이고, Vi는 프리 뉴런 i의 입력값이다.Here, w shift is the shift weight, and V i is the input value of the free neuron i.

또한, 시프트 가중치 소자(40)가 저항소자로 구현되는 경우 시프트 라인(S)의 출력 Ishift는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.In addition, when the shift weighting element 40 is implemented as a resistive element, the output I shift of the shift line S can be expressed as follows.

[수학식 4][Equation 4]

Figure pat00006
Figure pat00006

여기서, Rshift는 시프트 가중치 소자(40)의 저항값이다.Here, R shift is the resistance value of the shift weight element 40.

다음으로, 차감 회로(50)는 각 컬럼 라인(C)의 시냅스들(30)의 출력에서 시프트 가중치된 값들을 차감한다. 즉, 각 컬럼 라인(C)의 출력 값에서 시프트 라인(S)의 출력 값을 차감한다.Next, the subtraction circuit 50 subtracts shift-weighted values from the outputs of the synapses 30 of each column line C. That is, the output value of the shift line S is subtracted from the output value of each column line C.

앞서 설명한 바와 같이, 각 컬럼 라인 j의 출력 Ij은 컬럼 라인 j의 모든 시냅스들의 출력이 합산된 값이다. 따라서 각 컬럼 라인 j의 출력 Ij은 다음 식으로 나타낼 수 있다.As described above, the output I j of each column line j is the sum of the outputs of all synapses of the column line j. Therefore, the output I j of each column line j can be expressed by the following equation.

[수학식 5][Equation 5]

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서, wij는 시냅스 (i,j)의 가중치를 나타내고, Vi는 프리 뉴런 i의 입력값이다.Here, w ij represents the weight of the synapse (i,j), and V i is the input value of the free neuron i.

차감 회로(50)의 최종 출력 I* j는 컬럼 라인(C)의 출력값 Ij에서 시프트 라인(S)의 출력 Ishift를 차감한 값이다. 따라서 최종 출력 I* j는 다음 수학식과 같다.The final output I * j of the subtraction circuit 50 is a value obtained by subtracting the output I shift of the shift line S from the output value I j of the column line C. Therefore, the final output I * j is as follows.

[수학식 6][Equation 6]

Figure pat00008
Figure pat00008

또한, 시프트 가중치 소자(40)가 저항소자로 구현되는 경우 최종 출력 I* j는 다음 수학식과 같다.In addition, when the shift weight element 40 is implemented as a resistance element, the final output I * j is as follows.

[수학식 7][Equation 7]

Figure pat00009
Figure pat00009

한편, 차감 회로(50)는 각 컬럼 라인(C)의 출력을 전압으로 계산하기 위하여, 부하 저항(RLoad)을 추가할 수 있다.Meanwhile, the subtraction circuit 50 may add a load resistance R Load to calculate the output of each column line C as a voltage.

다음으로, 본 발명에 따른 뉴로모픽 회로 시스템의 구성 일례를 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다.Next, an example of a configuration of a neuromorphic circuit system according to the present invention will be described with reference to FIGS. 4 and 5.

본 발명에 따른 뉴로모픽 회로 시스템은 음수 가중치(weight)를 구현하기 위한 간단한 시스템이다. 어레이(array)에서 사용된 시냅스 소자가 갖는 컨덕턴스(conductance), 즉, 가중치(weight) 값을 음의 방향으로 시프트(shift) 시켜줌으로써 동작된다.The neuromorphic circuit system according to the present invention is a simple system for implementing negative weights. It operates by shifting the conductance, that is, the weight value of the synaptic element used in the array, in a negative direction.

도 4와 같이, 시프트 가중치를 10으로 설정하였다. 그 이유는, 시냅스 소자가 갖는 가중치값이 9~11으로 가정하였기 때문이다. 즉, 사용되어야 할 -1~1 가중치에서 10만큼 시프트(shift)된 것으로 가정한다. 또한, 시냅스 소자의 가중치 범위의 1/2 값이 곧 10의 시프트(shift) 값으로 계산될 수 있다.4, the shift weight was set to 10. This is because the weight value of the synaptic element is assumed to be 9 to 11. That is, it is assumed that the weights from -1 to 1 to be used are shifted by 10. Also, a value of 1/2 of the weight range of the synaptic element may be calculated as a shift value of 10.

따라서 도 4와 같이 9~11 값의 가중치(weight)를 갖는 소자를 거쳐 출력되는 값에 대해서, 10의 가중치(weight)와 입력신호(input signal)을 곱한 값을 감산시킨다. 즉, 재시프트(re-shift) 과정을 수행시켜준다.Accordingly, a value obtained by multiplying a weight of 10 and an input signal is subtracted from a value output through a device having a weight of 9 to 11 as shown in FIG. 4. That is, it performs a re-shift process.

다시 말하자면, 9~11 가중치(weight)를 갖는 소자로 구성된 어레이(array)를 거쳐나온 출력값에서 10의 값을 갖는 가중치(weight)와 입력신호(input signal)를 곱한 출력값을 감산시킨다. 이를 통해, 음수의 가중치(weight)가 사용된 결과를 얻을 수 있다. 즉, 사용한 소자 가중치(weight)의 최소값 (9) 과 최대값 (11) 의 평균값인 10의 가중치(weight)를 사용한다.In other words, the output value obtained by multiplying the weight having a value of 10 and the input signal is subtracted from the output value that has passed through an array composed of elements having 9 to 11 weights. Through this, a result in which negative weights are used can be obtained. That is, a weight of 10, which is an average value of the minimum (9) and maximum (11) of the used device weight, is used.

도 5에서 보는 바와 같이, 입력 전압(input voltage)은 V의 값을, 시냅스 가중치(synapse weight)(conductance)는 9~11의 범위의 가중치(weight)를 가질 수 있는 소자를 사용하였다.As shown in FIG. 5, a device capable of having a value of V as an input voltage and a weight in the range of 9 to 11 as a synapse weight (conductance) was used.

도 5와 같이, 입력, 즉, 프리 뉴런(pre-neuron)에서 시냅스 어레이(synapse array) 내로 입력전압(signal voltage)를 인가할 때, 시냅스 어레이에서 포스트 뉴런(post neuron) 방향으로 출력되는 출력 전류는 수학식 5와 같다. 즉, 각 시냅스 어레이 내 소자가 갖는 가중치인 컨덕턴스(conductance)와 인가된 전압(voltage)의 곱들의 합으로 표현된다. 이때의 출력은 음의 가중치(weight)가 고려되지 않은 (9~11의 가중치를 갖는) 소자로 구성된 어레이(array)를 거쳐 나온 출력이다. 따라서 오직 양의 값을 갖는 출력이다.As shown in FIG. 5, when an input, that is, a signal voltage is applied from a pre-neuron into a synapse array, an output current output from the synaptic array in a post neuron direction Is equal to Equation 5. That is, it is expressed as the sum of products of conductance, which is the weight of the elements in each synaptic array, and the applied voltage. The output at this time is the output through an array composed of elements (with a weight of 9 to 11) that does not take into account the negative weight. So it is only positive output.

따라서, 음의 가중치를 고려하기 위해, 도 5에 표현된 시프트 회로(shift circuit)를 사용한다. 이때 시프트 회로(shift circuit) 내에 시프트 가중치 소자, 즉, 시프트(shift)용 저항은 9~11의 가중치(weight)를 갖는 소자의 가중치 값 중 10값을 갖는 가중치들의 역수를 이용해야 한다.Therefore, in order to consider the negative weight, the shift circuit shown in Fig. 5 is used. In this case, the shift weight element, that is, the shift resistor in the shift circuit, should use the reciprocal of the weights having 10 values among the weight values of the elements having a weight of 9 to 11.

예를들어, 9~11의 가중치 값이 0.001~0.005 의 컨덕턴스(conductance) 값을 갖는 소자를 사용하였다면 Rshift의 값은 1/0.003 로 사용한다; 저항은 컨덕턴스(conductance)의 역수이므로 0.001과 0.005의 평균값의 역수 값을 사용한다.For example, if a device with a weight value of 9 to 11 and a conductance value of 0.001 to 0.005 is used, the value of R shift is used as 1/0.003; Since resistance is the reciprocal of conductance, the reciprocal of the average value of 0.001 and 0.005 is used.

따라서 어레이(array)에서 출력되는 값과 시프트 회로(shift circuit)에서 출력되는 값을 차감함으로써 음의 가중치가 고려된 출력을 얻을 수 있다. 해당 예에서는, 부하(load) 저항을 달아 전압(voltage) 출력을 사용하였으며, 첫 번째 출력부(또는 포스트 뉴런)에 출력되는 전압(voltage)는 (i1 × Rload) - (ishift × Rload) 의 값을 갖는다.Therefore, by subtracting a value output from an array and a value output from a shift circuit, an output considering the negative weight can be obtained. In this example, the voltage output was used by attaching a load resistance, and the voltage output to the first output (or post neuron) is (i 1 × R load )-(i shift × R load )

다음으로, 본 발명의 효과를 실험을 통해 보다 구체적으로 설명한다.Next, the effects of the present invention will be described in more detail through experiments.

본 발명에 따른 시스템을 실험적으로 증명하기 위해 16개의 입력신호(input signal)와 5개의 포스트 뉴런(post neuron)(출력부)을 이용하여 실험을 진행하였다. 우선적으로 파이썬(python) 기반의 소프트웨어를 이용하여 도 4에 제시된 동작 방식을 통해 학습(training)을 시키고 회로에 사용할 시냅스 가중치(synapse weight) 값을 얻어내었다(16 x 5 = 80 개의 가중치 값).In order to experimentally prove the system according to the present invention, an experiment was conducted using 16 input signals and 5 post neurons (output units). First, using a python-based software, training was performed through the operation method shown in Fig. 4 and a synapse weight value to be used in the circuit was obtained (16 x 5 = 80 weight values).

그리고 얻어진 시냅스 가중치(synapse weight)를 회로 시뮬레이션을 위한 프로그램중 하나인 피스파이스(pspice)를 통해 회로를 설계한 뒤 소프트웨어와 비교 분석하였다. 파이썬(python) 상의 포스트 뉴런(post neuron) 출력값과 피스파이스(pspice)로 설계한 뉴로모픽 회로 상의 출력 전압값을 비교 분석하였다.And the obtained synapse weights were compared with software after designing the circuit through the pspice, one of the programs for circuit simulation. The output value of the post neuron on python and the output voltage on the neuromorphic circuit designed with pspice were compared and analyzed.

도 6은 파이썬(python)과 피스파이스(pspice) 상에서 5개의 출력 값을 도표로 표현하여 비교한 것이다. 결과적으로 파이썬(python) 상의 소프트웨어 출력값과 일치되는 출력을 피스파이스(pspice) 상에서 얻어내었다.FIG. 6 is a comparison of five output values in python and pspice. As a result, I got the output on pspice that matched the software output on python.

이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.In the above, the invention made by the present inventor has been described in detail according to the above embodiment, but the invention is not limited to the above embodiment, and it goes without saying that various modifications can be made without departing from the gist of the invention.

10 : 프리 뉴런 20 : 포스트 뉴런
30 : 시냅스 40 : 시프트 가중치 소자
50 : 차감 회로
10: pre-neuron 20: post neuron
30: synapse 40: shift weight element
50: subtraction circuit

Claims (7)

효율적인 음수 가중치 구현이 가능한 뉴로모픽 회로 시스템에 있어서,
다수의 프리 뉴런;
다수의 포스트 뉴런;
상기 프리 뉴런의 각각에서 로우 방향으로 연장되는 다수의 로우 라인과, 상기 포스트 뉴런의 각각에 대응되는 다수의 컬럼 라인의 교차점들 상에서 배치되어, 시냅스 어레이를 형성하는 다수의 시냅스;
상기 다수의 프리 뉴런의 입력에 시프트 가중치를 가중하여 합산하고 합산된 결과를 출력하는 시프트 회로; 및,
상기 다수의 컬럼 라인 각각의 출력에서 상기 시프트 회로의 출력을 차감하여, 차감된 출력을 상기 포스트 뉴런 각각에 출력시키는 차감 회로를 포함하고,
상기 다수의 시냅스 각각은 원래 가중치에서 상기 시프트 가중치로 시프트한 가중치를 가지는 것을 특징으로 하는 효율적인 음수 가중치 구현이 가능한 뉴로모픽 회로 시스템.
In a neuromorphic circuit system capable of efficiently implementing negative weights,
A large number of free neurons;
Multiple post neurons;
A plurality of synapses disposed on intersections of a plurality of row lines extending in a row direction from each of the free neurons and a plurality of column lines corresponding to each of the post neurons to form a synaptic array;
A shift circuit that weights and adds shift weights to the inputs of the plurality of free neurons, and outputs the summed result; And,
A subtraction circuit for subtracting the output of the shift circuit from the output of each of the plurality of column lines, and outputting the subtracted output to each of the post neurons,
Each of the plurality of synapses has a weight shifted from an original weight to the shift weight. A neuromorphic circuit system capable of implementing an efficient negative weight.
제1항에 있어서,
상기 시프트 회로는 상기 시프트 가중치를 가지고 각각 프리 뉴런에 연결되는 다수의 시프트 가중치 소자와, 상기 다수의 시프트 가중치 소자들을 모두 연결하는 시프트 라인으로 구성되는 것을 특징으로 하는 효율적인 음수 가중치 구현이 가능한 뉴로모픽 회로 시스템.
The method of claim 1,
The shift circuit is a neuromorphic capable of implementing an efficient negative weight, characterized in that it is composed of a plurality of shift weight elements each having the shift weight and connected to a free neuron, and a shift line connecting all of the plurality of shift weight elements. Circuit system.
제2항에 있어서,
상기 시프트 가중치 소자는 저항 소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 효율적인 음수 가중치 구현이 가능한 뉴로모픽 회로 시스템.
The method of claim 2,
The shift weight element is a neuromorphic circuit system capable of implementing an efficient negative weight, characterized in that consisting of a resistance element.
제3항에 있어서,
상기 차감 회로에 부하 저항을 구비하는 것을 특징으로 하는 효율적인 음수 가중치 구현이 가능한 뉴로모픽 회로 시스템.
The method of claim 3,
A neuromorphic circuit system capable of implementing an efficient negative weight, characterized in that having a load resistance in the subtraction circuit.
제3항에 있어서,
상기 저항 소자의 저항 Rshift는 수식 1에 의한 저항으로 설정되는 것을 특징으로 하는 효율적인 음수 가중치 구현이 가능한 뉴로모픽 회로 시스템.
[수식 1]
Figure pat00010

단, wshift는 시프트 가중치임.
The method of claim 3,
A neuromorphic circuit system capable of implementing an efficient negative weight, characterized in that the resistance R shift of the resistance element is set to a resistance according to Equation 1.
[Equation 1]
Figure pat00010

However, w shift is the shift weight.
제1항에 있어서,
상기 시프트 가중치는 상기 시냅스가 나타내는 가중치의 최대폭의 1/2의 값인 것을 특징으로 하는 효율적인 음수 가중치 구현이 가능한 뉴로모픽 회로 시스템.
The method of claim 1,
The shift weight is a neuromorphic circuit system capable of implementing an efficient negative weight, characterized in that the value of 1/2 of the maximum width of the weight represented by the synapse.
제2항에 있어서,
상기 시프트 가중치 소자와 상기 시냅스는 동일한 소자로 구현되는 것을 특징으로 하는 효율적인 음수 가중치 구현이 가능한 뉴로모픽 회로 시스템.
The method of claim 2,
A neuromorphic circuit system capable of implementing an efficient negative weight, characterized in that the shift weight element and the synapse are implemented by the same element.
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