KR20200101779A - ReRAM-CMOS 기반의 인공 망막 장치 - Google Patents

ReRAM-CMOS 기반의 인공 망막 장치 Download PDF

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Abstract

ReRAM-CMOS 기반의 인공 망막 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 인공 망막 장치는, 광(light) 신호에 응답하여 복수의 제1 전류를 출력하는 복수의 광수용체 셀 회로(photoreceptor cell circuit)와, 육각뿔의 형태로 각 모서리에 멤리스터(memristor)가 연결되고, 상기 복수의 제1 전류에 따른 전압들의 제1 평균 전압을 출력하는 복수의 수평 셀 회로(horizontal cell circuit)와, 상기 제1 평균 전압에 따른 전류의 크기에 응답하여 복수의 제2 전류 또는 복수의 제3 전류를 출력하는 복수의 바이폴라 셀 회로(bipolar cell circuit)와, 육각뿔의 형태로 각 모서리에 멤리스터가 연결되고, 상기 복수의 제2 전류에 따른 전압들의 제2 평균 전압 또는 상기 복수의 제3 전류에 따른 전압들의 제3 평균 전압을 출력하는 복수의 아마크린 셀 회로(amacrine cell circuit)와, 상기 제2 평균 전압에 따른 제4 전류 또는 상기 제3 평균 전압에 따른 제5 전류에 응답하여 시신경에 전달되는 활동 전위인 지속적인 응답(sustained responses) 전류 또는 과도 응답(transient responses) 전류를 생성하는 신경절 셀 회로(ganglion cell circuit)를 포함한다.

Description

ReRAM-CMOS 기반의 인공 망막 장치{APPARATUS FOR RETINAL PROSTHESES BASED RERAM-CMOS}
아래 실시예들은 ReRAM-CMOS 기반의 인공 망막 장치에 관한 것이다.
현재, 인공 망막은 일반적으로 전극 어레이로부터 망막 표면으로 전기적 펄스를 전달함으로써 작동한다. 이 펄스는 망막의 살아있는 광수용체 세포를 자극하여 뇌가 빛의 깜박임을 인지하는 결과를 가져온다.
자극과 영향을 받은 신경 회로망 사이에는 상관 관계가 없으며, 이 방법은 안쪽 망막 세포 및 퇴행성 광수용체를 가동할 수 없다. 스파이킹 출력(spiking output)으로 빛을 처리할 수 있는 완전 내장된 인공 망막의 개발에는 주어진 빛 입력으로 생물학적 전압 및 전류 응답을 재현하는 순차적인 일련의 셀 회로가 필요하다.
하지만, 현재의 인공 망막은 완벽한 생물 물리학적 정확성을 위해 과도한 처리량을 초래하고, 안전한 삽입을 위해 너무 많은 열을 발생시킨다.
실시예들은 광 입력에 따른 광 전류를 육각뿔 형태의 멤리스터 네트워크 회로를 통해 평균화함으로써, 시신경과의 인터페이스를 위한 프론트 엔드를 제공할 수 있다.
또한, 실시예들은 인공 망막을 다수의 회로층으로 구성함으로써, 광수용체가 계속 기능할 수 있지만 신경절 세포와 같은 내부층 세포가 퇴화된 시나리오에서 디자인을 다양한 구성 요소로 분리할 수 있는 기술을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 인공 망막 장치는, 광(light) 신호에 응답하여 복수의 제1 전류를 출력하는 복수의 광수용체 셀 회로(photoreceptor cell circuit)와, 육각뿔의 형태로 각 모서리에 멤리스터(memristor)가 연결되고, 상기 복수의 제1 전류에 따른 전압들의 제1 평균 전압을 출력하는 복수의 수평 셀 회로(horizontal cell circuit)와, 상기 제1 평균 전압에 따른 전류의 크기에 응답하여 복수의 제2 전류 또는 복수의 제3 전류를 출력하는 복수의 바이폴라 셀 회로(bipolar cell circuit)와, 육각뿔의 형태로 각 모서리에 멤리스터가 연결되고, 상기 복수의 제2 전류에 따른 전압들의 제2 평균 전압 또는 상기 복수의 제3 전류에 따른 전압들의 제3 평균 전압을 출력하는 복수의 아마크린 셀 회로(amacrine cell circuit)와, 상기 제2 평균 전압에 따른 제4 전류 또는 상기 제3 평균 전압에 따른 제5 전류에 응답하여 시신경에 전달되는 활동 전위인 지속적인 응답(sustained responses) 전류 또는 과도 응답(transient responses) 전류를 생성하는 신경절 셀 회로(ganglion cell circuit)를 포함한다.
상기 복수의 수평 셀 회로는, 상기 복수의 제1 전류가 상기 육각뿔의 밑면 꼭지점에 해당하는 노드에 각각 입력됨에 따른 전압들의 평균 전압인 상기 제1 평균 전압을 출력할 수 있다.
상기 복수의 바이폴라 셀 회로는, 상기 제1 평균 전압에 따른 전류의 크기가 미리 설정해 놓은 기준 전류보다 큰 경우 상기 복수의 제2 전류를 출력하고, 상기 제1 평균 전압에 따른 전류의 크기가 상기 기준 전류보다 작은 경우 상기 복수의 제3 전류를 출력할 수 있다.
상기 복수의 아마크린 셀 회로는, 상기 복수의 제2 전류가 상기 육각뿔의 밑면 꼭지점에 해당하는 노드에 각각 입력됨에 따른 전압들의 평균 전압인 제2 평균 전압 또는 상기 복수의 제3 전류가 상기 육각뿔의 밑면 꼭지점에 해당하는 노드에 각각 입력됨에 따른 전압들의 평균 전압인 제3 평균 전압을 출력할 수 있다.
상기 신경절 셀 회로는, 상기 제4 전류에 응답하여 상기 지속적인 응답 또는 상기 과도 응답을 생성하는 온(on) 신경절 셀 회로와, 상기 제5 전류에 응답하여 상기 지속적인 응답 또는 상기 과도 응답을 생성하는 오프(off) 신경절 셀 회로를 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 인공 망막 장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 복수의 아마크린 셀 회로를 나타낸 블록도이다.
도 3은 도 1에 도시된 신경절 셀 회로를 나타낸 블록도이다.
도 4는 도 1에 도시된 인공 망막 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 광수용체 셀 회로의 회로도이다.
도 6은 광수용체 셀 회로의 출력 및 상태 응답을 나타낸 도면이다.
도 7은 광수용체 셀 회로의 펄스 응답을 나타낸 도면이다.
도 8은 도 1에 도시된 수평 셀 회로의 회로도이다.
도 9는 수평 셀 회로의 과도 응답을 나타낸 도면이다.
도 10은 도 1에 도시된 바이폴라 셀 회로의 회로도이다.
도 11은 바이폴라 셀 회로의 전류 응답을 나타낸 도면이다.
도 12 및 도 13은 도 1에 도시된 복수의 아마크린 셀 회로의 회로도이다.
도 14는 복수의 아마크린 셀 회로의 과도 응답을 나타낸 도면이다.
도 15는 도 1에 도시된 신경절 셀 회로의 회로도이다.
도 16은 신경절 셀 회로의 응답을 나타낸 도면이다.
도 17은 인공 망막 장치를 칩의 형태로 구현한 일 예를 나타낸 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1 또는 제2등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 실시예의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 일 실시예에 따른 인공 망막 장치를 나타낸 블록도이다.
인공 망막 장치(100)는 복수의 광수용체 셀 회로(photoreceptor cell circuit; 110), 복수의 수평 셀 회로(horizontal cell circuit; 130), 복수의 바이폴라 셀 회로(bipolar cell circuit; 150), 복수의 아마크린 셀 회로(amacrine cell circuit; 170), 및 신경절 셀 회로(ganglion cell circuit; 190)를 포함한다.
인공 망막 장치(100)는 공간 및 시간적으로 시력을 부드럽게 하는 망막의 능력을 모방하고 spike train 출력(또는 시신경의 활동 전위)을 생성하는 생체 모방(bio-inspired) 이미지 센서일 수 있다.
인공 망막 장치(100)는 광 입력에 따른 광 전류를 육각뿔 형태의 멤리스터(memristor) 네트워크 회로를 통해 평균화함으로써, 시신경과의 인터페이스를 위한 프론트 엔드(front-end)를 제공할 수 있다.
인공 망막 장치(100)는 기존의 인공 망막이 과도한 처리량을 초래하고, 너무 많은 열을 발생시키는 문제를 해결할 수 있다.
복수의 광수용체 셀 회로(110)는 광 신호를 수신할 수 있다. 광 신호는 광자 에너지인 빛에 관한 신호일 수 있다. 광 신호는 광다이오드(photodiode)에서 빛을 전기적으로 변환한 신호일 수 있다. 예를 들어, 복수의 광수용체 셀 회로(110)는 광다이오드를 포함할 수 있다.
복수의 광수용체 셀 회로(110)는 광 신호에 응답하여 복수의 제1 전류를 출력할 수 있다.
복수의 광수용체 셀 회로(130) 각각은 입력되는 광 신호에 따라 각기 다른 제1 전류를 출력할 수 있다. 예를 들어, 복수의 제1 전류는 복수의 광수용체 셀 회로(110) 각각의 광 신호에 대한 응답에 따라 모두 그 크기가 다른 전류일 수 있다. 즉, 복수의 광수용체 셀 회로(110) 중에서 어느 하나의 광수용체 셀 회로(111)는 광 신호에 대한 응답에 따라 복수의 광수용체 셀 회로(110) 중에서 다른 하나의 광수용체 셀 회로(115)와 서로 다른 제1 전류를 출력할 수 있다.
복수의 광수용체 셀 회로(110)는 복수의 제1 전류를 복수의 수평 셀 회로(130)로 출력할 수 있다.
복수의 수평 셀 회로(130)는 육각뿔의 형태로 각 모서리에 멤리스터(memristor)가 연결될 수 있다.
복수의 수평 셀 회로(130)는 복수의 제1 전류에 따른 전압들의 제1 평균 전압을 출력할 수 있다. 복수의 수평 셀 회로(130)는 복수의 제1 전류가 복수의 수평 셀 회로(130)의 형상인 육각뿔의 밑면 꼭지점에 해당하는 노드에 각각 입력됨에 따른 전압들의 평균 전압인 제1 평균 전압을 출력할 수 있다.
복수의 수평 셀 회로(130) 각각은 입력되는 제1 전류의 크기에 따라 각기 다른 제1 평균 전압을 출력할 수 있다. 즉, 복수의 수평 셀 회로(130) 중에서 어느 하나인 수평 셀 회로(131)가 출력하는 제1 평균 전압은, 입력되는 제1 전류의 크기에 따라 복수의 수평 셀 회로(130) 중에서 다른 하나인 수평 셀 회로(135)와 서로 다른 전압을 출력할 수 있다.
예를 들어, 복수의 수평 셀 회로(130)의 노드에 입력되는 제1 전류 각각은 모두 그 크기가 다를 수 있다. 복수의 수평 셀 회로(130)의 노드에 입력되는 제1 전류의 크기가 각각 다름에 따라, 노드 각각에 걸리는 전압은 서로 다를 수 있다. 복수의 수평 셀 회로(130)는 각 노드에 달리 걸리는 전압들의 평균 전압인 제1 평균 전압을 출력할 수 있다.
복수의 수평 셀 회로(130)는 제1 평균 전압을 복수의 바이폴라 셀 회로(150)로 출력할 수 있다.
복수의 바이폴라 셀 회로(150)는 제1 평균 전압에 따른 전류의 크기에 응답하여 복수의 제2 전류 또는 복수의 제3 전류를 출력할 수 있다.
복수의 바이폴라 셀 회로(150)는 제1 평균 전압에 따른 전류의 크기가 미리 설정해 놓은 기준 전류보다 큰 경우 복수의 제2 전류를 출력할 수 있다. 복수의 바이폴라 셀 회로(150)는 제1 평균 전압에 따른 전류의 크기가 미리 설정해 놓은 기준 전류보다 작은 경우 복수의 제3 전류를 출력할 수 있다.
복수의 바이폴라 셀 회로(150)는 복수의 제2 전류 또는 복수의 제3 전류를 복수의 아마크린 셀 회로(150)로 출력할 수 있다.
복수의 아마크린 셀 회로(170)는 육각뿔의 형태로 각 모서리에 멤리스터(memristor)가 연결될 수 있다.
복수의 아마크린 셀 회로(170)는 복수의 제2 전류에 따른 전압들의 제2 평균 전압을 출력할 수 있다. 복수의 아마크린 셀 회로(170)는 복수의 제3 전류에 따른 전압들의 제3 평균 전압을 출력할 수 있다.
복수의 아마크린 셀 회로(170)는 제2 평균 전압 또는 제3 평균 전압을 신경절 셀 회로(190)로 출력할 수 있다.
신경절 셀 회로(190)는 제2 평균 전압에 따른 제4 전류에 응답하여 시신경에 전달되는 활동 전위인 지속적인 응답(sustained responses) 전류 또는 과도 응답(transient responses) 전류를 생성할 수 있다.
신경절 셀 회로(190)는 제3 평균 전압에 따른 제5 전류에 응답하여 시신경에 전달되는 활동 전위인 지속적인 응답(sustained responses) 전류 또는 과도 응답(transient responses) 전류를 생성할 수 있다.
신경절 셀 회로(190)는 지속적인 응답 전류 및/또는 과도 응답 전류를 시신경으로 출력할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 복수의 아마크린 셀 회로를 나타낸 블록도이다.
복수의 아마크린 셀 회로(170)는 복수의 온 아마크린 셀 회로(171) 및 복수의 오프 아마크린 셀 회로(175)를 포함할 수 있다.
복수의 온 아마크린 셀 회로(171)는 복수의 제2 전류가 아마크린 셀 회로의 형상인 육각뿔의 밑면 꼭지점에 해당하는 노드에 각각 입력됨에 따른 전압들의 평균 전압인 제2 평균 전압을 출력할 수 있다.
복수의 온 아마크린 셀 회로(171)는 제2 평균 전압을 온 신경절 셀 회로(191)로 출력할 수 있다.
복수의 오프 아마크린 셀 회로(175)는 복수의 제3 전류가 아마크린 셀 회로의 형상인 육각뿔의 밑면 꼭지점에 해당하는 노드에 각각 입력됨에 따른 전압들의 평균 전압인 제3 평균 전압을 출력할 수 있다.
복수의 오프 아마크린 셀 회로(175)는 제3 평균 전압을 오프 신경절 셀 회로(195)로 출력할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 신경절 셀 회로를 나타낸 블록도이다.
신경절 셀 회로(190)는 온(on) 신경절 셀 회로(191), 및 오프(off) 신경절 셀 회로(195)를 포함할 수 있다.
온 신경절 셀 회로(191)는 제4 전류에 응답하여 지속적인 응답 또는 과도 응답을 생성할 수 있다.
온 신경절 셀 회로(191)는 제4 전류를 커패시터를 갖는 전류 미러에 의해 저역통과 필터링할 수 있다. 온 신경절 셀 회로(191)는 제4 전류를 입력 전류로부터 저역 필터링 된 입력을 감산하여 하이 패스 필터링할 수 있다.
오프 신경절 셀 회로(195)는 제3 전류에 응답하여 지속적인 응답 또는 과도 응답을 생성할 수 있다.
오프 신경절 셀 회로(195)는 제4 전류를 커패시터를 갖는 전류 미러에 의해 저역통과 필터링할 수 있다. 오프 신경절 셀 회로(195)는 제4 전류를 입력 전류로부터 저역 필터링 된 입력을 감산하여 하이 패스 필터링할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 인공 망막 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
인공 망막 장치(100)는 인간 망막의 각 세포에 대한 입/출력 응답을 생성할 수 있다. 인공 망막 장치(100)는 육각뿔 형태의 멤리스터 네트워크를 사용함으로써 측면 억제, 비동기성, 공간적 및 시간적 평활화를 포함하는 망막의 기능적 동작을 재현할 수 있다.
인공 망막 장치(100)는 높은 동적 범위(high-dynamic-range scene)의 장면을 인식하기 위한 낮은 동적 범위 통합 능동 픽셀 센서(low-dynamic-range integration active pixel sensor)를 사용할 수 있다.
인공 망막 장치(100)는 광수용체 세포를 나타내는 128 x 128 CMOS 활성 픽셀 센서에서 시작되는 확장 가능한 180 nm CMOS 기술로 망막 전체에 광전류의 신호 흐름 경로를 합성할 수 있다.
복수의 광수용체 셀 회로(110)는 광(Light) 신호를 수신할 수 있다.
복수의 광수용체 셀 회로(110) 중에서 어느 한 회로인 광수용체 셀 회로(111)는 광 신호에 응답하여 생성된 출력인
Figure pat00001
를 수평 셀 회로(131)로 전달하는 CMOS APS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Active Pixel Sensor) 회로일 수 있다.
복수의 광수용체 셀 회로(110)가 출력하는 신호(
Figure pat00002
내지
Figure pat00003
)는 복수의 수평 셀 회로(130) 중에서 어느 하나인 수평 셀 회로(131)의 각 노드로 입력(
Figure pat00004
내지
Figure pat00005
)될 수 있다.
복수의 수평 셀 회로(130)는 도 4에서와 같은 육각뿔형의 멤리스터 배열 회로일 수 있다.
복수의 수평 셀 회로(130)는 육각뿔의 밑면 각 꼭지점에 해당하는 복수의 수평 셀 회로(130)의 노드에서
Figure pat00006
내지
Figure pat00007
의 6개의 개별 신호를 수신하여 멤리스터로 평균화한
Figure pat00008
을 출력할 수 있다.
복수의 수평 셀 회로(130)가 출력하는 신호
Figure pat00009
은 복수의 바이폴라 셀 회로(150)의 64 x 64 네트워크로 수렴될 수 있다. 즉, 복수의 수평 셀 회로(130)가 출력하는
Figure pat00010
은 복수의 바이폴라 셀 회로(150)에서의 입력
Figure pat00011
으로 수신될 수 있다.
복수의 바이폴라 셀 회로(150)는 입력
Figure pat00012
의 전류 크기에 따라
Figure pat00013
또는
Figure pat00014
를 출력할 수 있다.
예를 들어, 복수의 바이폴라 셀 회로(150)는 2 개의 출력을 생성하는 CMOS 회로로, 자연계에 존재하는 바이폴라 셀의 두 가지 유형 인 온 센터 바이폴라 셀 및 오프 센터 바이폴라 셀을 나타낼 수 있다. 온 센터 바이폴라 셀은
Figure pat00015
을 출력할 수 있다. 오프 센터 바이폴라 셀은
Figure pat00016
를 출력할 수 있다.
복수의 바이폴라 셀 회로(150)가 출력하는 신호인
Figure pat00017
또는
Figure pat00018
는 2번째 육각뿔의 육각뿔 형태의 멤리스터 네트워크인 복수의 아마크린 셀 회로(170)로 입력(
Figure pat00019
)될 수 있다.
복수의 바이폴라 셀 회로(150)는 온 센터 바이폴라 셀의 출력인
Figure pat00020
및 오프 센터 바이폴라 셀의 출력인
Figure pat00021
를 복수의 아마크린 셀 회로(170)로 출력할 수 있다.
복수의 아마크린 셀 회로(170)는 복수의 수평 셀 회로(130)와 마찬가지로 육각형의 멤리스터 배열일 수 있다. 하지만, 아마크린 셀 회로(170)는 수평 셀 회로(130)와는 달리 입력 소스로
Figure pat00022
과
Figure pat00023
의 두 가지 유형을 수신할 수 있다.
예를 들어,
Figure pat00024
을 수신한 복수의 '온' 아마크린 셀 회로(171)는
Figure pat00025
내지
Figure pat00026
로부터 6개의 다른 신호를 수신하고 수신한 신호들의 평균인 단일 출력
Figure pat00027
을 신경절 셀 회로(190)로 출력할 수 있다.
Figure pat00028
를 수신한 복수의 '오프' 아마크린 셀 회로(175)는
Figure pat00029
내지
Figure pat00030
로부터 6개의 다른 신호를 수신하고 수신한 신호들의 평균인 단일 출력
Figure pat00031
를 신경절 셀 회로(190)로 출력할 수 있다.
복수의 아마크린 셀 회로(170)가 출력한 신호
Figure pat00032
또는
Figure pat00033
는 진폭-주파수 변환기의 16 x 16 네트워크인 신경절 셀 회로(190)로 입력(
Figure pat00034
)될 수 있다.
신경절 셀 회로(190)는
Figure pat00035
및
Figure pat00036
출력을 수신하는 CMOS 회로일 수 있다.
예를 들어, 신경절 셀 회로(190)는 시신경의 활동 전위에 해당하는 출력
Figure pat00037
을 생성하기 위해 하이 패스 필터링을 수행하는 회로일 수 있다. 신경절 셀 회로(190)는 지속적인 응답 전류
Figure pat00038
를 생성하기 위해 커패시터를 갖는 전류 미러에 의해 저역 통과 필터링을 수행하는 회로일 수 있다.
신경절 셀 회로(190)는 시신경에서의 해석(interpretation)을 위해
Figure pat00039
을 시각 피질로 전송할 수 있다.
Figure pat00040
및
Figure pat00041
은 인공 망막 장치(100)의 최종 출력일 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 광수용체 셀 회로의 회로도이고, 도 6은 광수용체 셀 회로의 출력 및 상태 응답을 나타낸 도면이고, 도 7은 광수용체 셀 회로의 펄스 응답을 나타낸 도면이다.
광수용체 셀 회로(111)는 광(Light) 다이오드의 전류를 멤리스터 MR1 내에 저장할 수 있다.
광수용체 셀 회로(111)는 적응형 시야(adaptive vision)를 현재의 광 입력을 저장된 광의 이전 상태에 매칭시킴으로써 에뮬레이트(emulate) 할 수 있다. 광수용체 셀 회로(111)는 적응형 시야 에뮬레이트를 트랜지스터 M4 및 ML을 사용하여 수행할 수 있다.
광수용체 셀 회로(111)의 M4 게이트의 전위는 매치 라인(Match Line)이 현재 입력과 트랜지스터 임계값보다 큰 값으로 다른 경우에만 변경될 수 있다.
따라서, 광수용체 셀 회로(111)는 광 입력의 변화가 있을 때에만 전력을 소진할 수 있다. 광수용체 셀 회로(111)는 노드 N1에서 회로의 출력
Figure pat00042
이 이루어 질 수 있다.
더욱 구체적으로, 광수용체 셀 회로(111)의 '쓰기(write)'단계에서 이미지 데이터가 멤리스터에 기록될 수 있다.
광수용체 셀 회로(111)에서는 짧은 펄스의 경우 리셋(Reset) 스위치가 켜지고, 긴 펄스의 경우 Row Sel 스위치가 켜지고, 읽기 펄스(Read pulse)는 접지 상태가 될 수 있다.
광수용체 셀 회로(111)에서 빛이 광다이오드에 떨어질 때 광다이오드의 양극은 음극에 대해 더 음성이 되고 역방향 바이어스로 작동할 수 있다. 광수용체 셀 회로(111)에서 이 양극은 리셋이 적용되는 동안 M1의 드레인에 있는 전원으로부터 발생할 수 있다.
광수용체 셀 회로(111)에서 양의 전압이 M2의 게이트에서 감지되고 스위치들은 이를 켤(on)수 있다. 이것은 M2를 통해 드레인에서 소스로 전류를 전달하는 것일 수 있다.
광수용체 셀 회로(111)에서 쓰기 도중 Row Sel이 켜지면 이 전류가 M3를 통해 노드 N1에도 전달될 수 있다.
광수용체 셀 회로(111)에서 일부 전류는 MR1을 통과하며, 이는 멤 리스터의 내부 상태를 점진적으로 증가시키며, 도 6와 같이 'X'로 표시될 수 있다.
광수용체 셀 회로(111)에서 리셋이 제거되면, 멤리스터를 통해 흐르는 전원의 전류가 서서히 감소하고 'X' 상태가 새로운 값으로 안정화될 수 있다.
광수용체 셀 회로(111)의 멤리스터에서 'X'의 상태를 읽으려면 읽기 펄스에서 멤리스터가 전환할 때까지 펄스 트레인(pulse train)을 적용할 수 있다.
광수용체 셀 회로(111)에서 N1의 전위가 갑자기 증가하면 멤리스터가 켜질 수 있다.
광수용체 셀 회로(111)에서 N1에서의 광전류가 더 작으면, 전압이 오래 지속되어 읽기의 초기 상태가 높아질 수 있다. 따라서, 읽기 펄스 트레인이 멤리스터를 스위치하는데 걸리는 시간은 짧아질 수 있다.
광수용체 셀 회로(111)에서 멤리스터가 더 낮은 저항으로 전환하면 모든 읽기 펄스로 인해 멤리스터 전체에서 전압이 덜 발산될 수 있다. 따라서, 노드 N1의 전압이 증가할 수 있다. 또한, M4의 게이트에서 보이는 전압도 증가할 수 있다.
광수용체 셀 회로(111)에서 일단 N1이 M4의 임계 전압을 초과하면 트랜지스터 M4는 모든 읽기 펄스에서 켜질 수 있다.
광수용체 셀 회로(111)에서 N1의 전위가 트랜지스터 M4의 전압 임계 값을 초과하면 초기에 하이 인 매치 라인(Match Line)이 '로우'가 될 수 있다. 이것은 도 7에서 확인할 수 있다.
광수용체 셀 회로(111)에서 매치 라인은 리셋 펄스가 인가될 때까지 로우 상태를 유지할 수 있다.
광수용체 셀 회로(111)에서 픽셀 강도 데이터는 멤리스터가 전환하는 데 걸린 시간을 측정하여 읽을 수 있다.
광수용체 셀 회로(111)의 프로세스는 이미지가 변경될 때 리셋을 적용하여 반복될 수 있다.
광수용체 셀 회로(111)는 광전류가 인가되지 않은 상태에서 매치 전류가 일정하게 유지될 수 있다. 이는 회로가 변화에 반응하기 때문에 회로를 적응시킬 수 있다.
광수용체 셀 회로(111)의 출력은 도 7과 같으며, 여기서 N1은 해당 노드에서의 전압 응답이고, X는 멤리스터의 전압 상태일 수 있다.
도 5 내지 도 7에서 설명의 편의를 위해 광수용체 셀 회로(111) 하나만으로 설명하였지만, 이는 복수의 광 수용체 셀 회로(110)로써 복수개로 동일한 동작을 수행할 수 있다.
복수의 광수용체 셀 회로(110)는
Figure pat00043
을 복수의 수평 셀 회로(130)로 출력할 수 있다.
도 8은 도 1에 도시된 수평 셀 회로의 회로도이고, 도 9는 수평 셀 회로의 과도 응답을 나타낸 도면이다.
복수의 광 수용체 셀 회로(110)의 출력으로부터 도 8의 육각형의 꼭지점에 해당하는 노드에 6개의
Figure pat00044
이 입력되면,
Figure pat00045
은 수평 셀 회로(131)의 멤리스터 네트워크를 통해 평균화 될 수 있다. 멤리스터는 대형 메쉬 네트워크에서 전압 분배기 역할을 할 수 있다.
수평 셀 회로(131)는 멤리스터를 통해 복수의 광 수용체 셀 회로(110) 사이의 횡 방향 통신(lateral communication)을 가능하게 할 수 있다.
수평 셀 회로(131)의 육각형의 꼭지점에 해당하는 각 노드는 복수의 광 수용체 셀 회로(110) 출력으로부터 입력을 제공할 수 있다.
수평 셀 회로(131)의
Figure pat00046
이라고 표시된 중앙 노드는 복수의 광 수용체 셀 회로(110)에 대한 6개의 입력 신호에 대한 평균 신호를 출력할 수 있다.
수평 셀 회로(131)의 전하 제어 스위칭 멤리스터의 상태는 도 9의 단계 (a)와 (b)에 나타난 바와 같이 전류 흐름의 시간 적분에 따라 달라지며, 일단 특정 임계 값을 초과하면 인접한 모든 멤리스터의 내부 상태(저 저항 상태로) 스위치가 켜질 수 있다.
수평 셀 회로(131)가 수신한
Figure pat00047
신호는 단계 (d)에 의해 순간적으로 묘사된 바와 같이 변조없이 투과될 수 있다.
수평 셀 회로(131)의 마지막 단계 (e)는 망막 신경 세포의 불응 기간을 나타낼 수 있다.
수평 셀 회로(131)는 육각뿔 형태의 멤리스터 네트워크를 통해 여러 광 전류와 노출을 평균하여 디테일을 손상시키지 않으면서 신호의 노이즈를 줄일 수 있다. 즉, 수평 셀 회로(131)는 유입 비율의 신호 대 잡음 비율을 증가시킬 수 있다.
수평 셀 회로(131)는 이미지의 비트 심도를 높일 수 있기 때문에 육각뿔 형의 멤리스터 네트워크가 저 동적 범위 센서에서 수신한 이미지의 동적 범위를 늘릴 수 있다.
수평 셀 회로(131)는 3개의 개별 직렬-병렬 멤리스터 네트워크로 분석될 수 있다. 수평 셀 회로(131)의 중앙 노드(
Figure pat00048
이 출력되는 노드)는 항상 정상 상태에서 6개 입력 전압의 평균이 될 수 있다.
수평 셀 회로(131)의 과도 응답의 일 예는 도 9에 나와 있는데, 도 9에는 모든 멤리스터가 처음에는 저 저항 상태에 있는 것일 수 있다.
수평 셀 회로(131)의 전압 동작은 값의 크기에 관계없이 평균이 되므로 y축의 전압 값은 제외되었을 수 있다.
수평 셀 회로(131)의 낮은 저항은 단계 (a)에서 출력이 처음에는 낮다는 것을 의미하는데, 이는 멤리스터를 통해 전위가 거의 떨어지지 않기 때문일 수 있다.
수평 셀 회로(131)는 단계 (b)에서, 또 다른 멤리스터가 하이로 전환되므로, 중앙을 가로지르는 입력과 중앙 노드의 전위가 증가할 수 있다.
수평 셀 회로(131)에서 이 증가는 단계 (c) 동안 네트워크의 다른 모든 멤리스터가 전환하도록 유도하여, 전위의 상승이라는 결과를 낼 수 있다.
수평 셀 회로(131)에서 값은 단계 (d)로 최고점에 도달하며, 이는
Figure pat00049
내지
Figure pat00050
에서 감지된 모든 전압의 평균일 수 있다.
도 8의 수평 셀 회로(131)는 단일 출력을 나타내지만 전체 128 x 128인 복수의 광 수용체 셀 회로(110)로부터 입력을 받아들이도록 물리적으로 반복되어 복수의 수평 셀 회로(130)로써 동작할 수 있다.
복수의 수평 셀 회로(130)는
Figure pat00051
을 복수의 바이폴라 셀 회로(150)로 출력할 수 있다.
도 10은 도 1에 도시된 바이폴라 셀 회로의 회로도이고, 도 11은 바이폴라 셀 회로의 전류 응답을 나타낸 도면이다.
복수의 바이폴라 셀 회로(150)는 복수의 수평 셀 회로(130)가 이미지를 부드럽게 한 후에 이미지 가장자리 감지에 중요한 역할을 수행한다. 복수의 바이폴라 셀 회로(150)는 수용 필드를 구현하는 메커니즘인 빛의 강도에 따라 달라지는 "온" 및 "오프"응답을 생성할 수 있다.
즉, 복수의 바이폴라 셀 회로(150) 중에서 어느 하나인 바이폴라 셀 회로(151)는 도 10과 같이 구현됨으로써, 두 종류의 망막의 바이폴라 세포인 온 바이폴라 셀(on bipolar cells)과 오프 바이폴라 셀(off bipolar cells)에서의 반응을
Figure pat00052
및
Figure pat00053
신호로 생성할 수 있다.
바이폴라 셀 회로(151)에서 입력 신호에 대한 '온' 및 '오프'를 결정하는 임계 값은 사용자 선택 기준 전압
Figure pat00054
에 의해 제어될 수 있다.
바이폴라 셀 회로(151)에서 복수의 수평 셀 회로(130)의 출력인
Figure pat00055
으로부터의 입력이 임계 값보다 크면 전류
Figure pat00056
이 출력될 수 있다. 이 경우
Figure pat00057
은 입력 전류에서 임계 전류를 뺀 값에 비례하여 출력될 수 있다.
바이폴라 셀 회로(151)에서 복수의 수평 셀 회로(130)의 출력인
Figure pat00058
으로부터의 입력이 임계 값보다 작으면
Figure pat00059
가 출력될 수 있다. 이 경우
Figure pat00060
는 임계 값이 입력보다 클 때 입력 전류의 역수에 비례할 수 있다.
바이폴라 셀 회로(151)를 통한 실험에 생물학적으로 그럴듯한 값을 얻기 위해 사용된 값은 VDD = 1.8v, VTH = 0.4v, VBQ = 1.4v, VREF = 0.9V이며, 출력
Figure pat00061
및
Figure pat00062
는 47-fF 커패시터에 연결되었을 수 있다.
바이폴라 셀 회로(151)의 전류 응답은 도 11과 같을 수 있다. 바이폴라 셀 회로(151)의 전류 응답은 온 전류와 오프 전류를 모두 포함하여 생물학적으로 정확한 수용 필드를 확인할 수 있다.
도 5 내지 도 7에서 설명의 편의를 위해 바이폴라 셀 회로(151) 하나만으로 설명하였지만, 이는 복수의 바이폴라 셀 회로(150)로써 복수개로 동일한 동작을 수행할 수 있다.
복수의 바이폴라 셀 회로(150)는 전류 응답
Figure pat00063
및
Figure pat00064
를 복수의 아마크린 셀 회로(170)로 출력할 수 있다.
도 12 및 도 13은 도 1에 도시된 복수의 아마크린 셀 회로의 회로도이고, 도 14는 복수의 아마크린 셀 회로의 과도 응답을 나타낸 도면이다.
복수의 아마크린 셀 회로(170)의 동작은 도 8 및 도 9에서 설명한 수평 셀 회로(131)의 동작과 실질적으로 동일할 수 있다. 즉, 복수의 수평 셀 회로(130)와 복수의 아마크린 셀 회로(170) 네트워크는 똑같은 신호 처리에 관한 방법론을 따르며, 입력되는 신호에 대해 평균화한 신호를 출력할 수 있다.
따라서, 복수의 아마크린 셀 회로(170)와 수평 셀 회로(131)의 동일한 동작에 관하여 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
다만, 수평 셀 회로(131)는 입력으로 광 수용체 셀 회로(111)의 단일 신호
Figure pat00065
을 수신하지만, 복수의 아마크린 셀 회로(170)는 입력으로 복수의 바이폴라 셀 회로(150)가 출력하는
Figure pat00066
과
Figure pat00067
의 두 가지 유형의 신호를 수신할 수 있다.
복수의 아마크린 셀 회로(170)의 전하 제어 스위칭 멤리스터의 상태는 도 14의 단계 (a)와 (b)에 나타난 바와 같이 전류 흐름의 시간 적분에 따라 달라지며, 일단 특정 임계 값을 초과하면 인접한 모든 멤리스터의 내부 상태(저 저항 상태로) 스위치가 켜질 수 있다.
복수의 아마크린 셀 회로(170)가 수신한
Figure pat00068
과
Figure pat00069
신호는 단계 (d)에 의해 순간적으로 묘사된 바와 같이 변조없이 투과될 수 있다. 복수의 아마크린 셀 회로(170)의 마지막 단계 (e)는 망막 신경 세포의 불응 기간을 나타낼 수 있다.
온 아마크린 셀 회로(171)는
Figure pat00070
내지
Figure pat00071
로부터 6개의 다른 신호를 수신하고 이 신호들에 대해 평균화한 단일 출력
Figure pat00072
을 신경절 셀 회로(190)로 출력할 수 있다.
오프 아마크린 셀 회로(175)는
Figure pat00073
내지
Figure pat00074
로부터 6개의 다른 신호를 수신하고 이 신호들에 대해 평균화한 단일 출력
Figure pat00075
를 신경절 셀 회로(190)로 출력할 수 있다.
도 15는 도 1에 도시된 신경절 셀 회로의 회로도이고, 도 16은 신경절 셀 회로의 응답을 나타낸 도면이다.
신경절 셀 회로(190)는 복수의 아마크린 셀 회로(170)로부터의 출력인
Figure pat00076
또는
Figure pat00077
를 수신하여 지속적인 응답 전류
Figure pat00078
또는 과도 응답 전류
Figure pat00079
을 생성할 수 있다.
신경절 셀 회로(190)에서 지속적인 응답 전류
Figure pat00080
는 커패시터를 갖는 전류 미러에 의해 저역 통과 필터링될 수 있다.
신경절 셀 회로(190)에서 과도 응답 전류
Figure pat00081
은 입력 전류로부터 저역 필터링 된 입력을 감산하여 하이 패스 필터링될 수 있다.
그러므로, 신경절 셀 회로(190)는 인간 망막의 네 종류의 신경절 세포를 시뮬레이트 할 수 있다. 즉, 망막의 신경절 세포는 신경절 셀 회로(190)의 지속적인 온 신경절 셀 회로, 과도 온 신경절 셀 회로, 지속적인 오프 신경절 셀 회로, 및 과도 오프 신경절 셀 회로를 통해 시뮬레이트될 수 있다.
신경절 셀 회로(190)에 관한 실험값은 입력
Figure pat00082
및 VDD = 1.8V, VTH = 0.4V에 적용된 등급의 전위를 포함할 수 있다. 신경절 셀 회로(190)의 출력은 47-fF 커패시터에 연결될 수 있다.
신경절 셀 회로(190)의 반응에 대한 실험 결과는 도 16에 나타낸 바와 같다. 도 16의 플롯은 0.02 초 입력으로 신경절 셀 회로(190)의
Figure pat00083
전압 응답을 나타낸 도면일 수 있다.
신경절 셀 회로(190)는 입력
Figure pat00084
또는
Figure pat00085
로부터 지속적인 응답 전류
Figure pat00086
또는 과도 응답 전류
Figure pat00087
을 생성할 수 있다.
신경절 셀 회로(190)는 지속적인 응답 전류
Figure pat00088
를 저역 통과 필터링 된 응답으로 모델링하며, 커패시터와 함께 전류 미러를 사용하여 모델링할 수 있다.
신경절 셀 회로(190)는 과도 응답 전류
Figure pat00089
를 입력 전류에서 로우 패스 필터링 된 입력을 뺀 하이 패스 필터링 응답으로 모델링할 수 있다.
도 16에서 알 수 있듯이, 망막의 신경절 세포의 반응은 뇌에서 이미지 인식으로 전환하기 위해 시신경에 입력하도록 조절될 수 있는 스파이크 트레인(spike train)일 수 있다.
도 17은 인공 망막 장치를 칩의 형태로 구현한 일 예를 나타낸 도면이다.
칩의 형태로 구현된 인공 망막 장치(100)는 육각뿔 형태의 멤리스터 네트워크는 별도 레이어의 CMOS 칩에 다이 본딩(die bonded)되어 있기 때문에 표시되지 않을 수 있다.
칩의 형태로 구현된 인공 망막 장치(100)는 바이오닉 아이 칩 개발자에게 시신경과의 인터페이스를 위한 프론트 엔드를 제공하기위한 것일 수 있다.
인공 망막 장치(100)는 칩이 분리 가능한 셀 회로로서 별도의 단계로 설계되어 인공 망막을 다수의 회로층으로 구성함으로써, 광수용체가 계속 기능할 수 있지만 신경절 세포와 같은 내부층 세포가 퇴화된 시나리오에서 디자인을 다양한 구성 요소로 분리하여 설계할 수 있는 기술을 제공할 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (5)

  1. 광(light) 신호에 응답하여 복수의 제1 전류를 출력하는 복수의 광수용체 셀 회로(photoreceptor cell circuit);
    육각뿔의 형태로 각 모서리에 멤리스터(memristor)가 연결되고, 상기 복수의 제1 전류에 따른 전압들의 제1 평균 전압을 출력하는 복수의 수평 셀 회로(horizontal cell circuit);
    상기 제1 평균 전압에 따른 전류의 크기에 응답하여 복수의 제2 전류 또는 복수의 제3 전류를 출력하는 복수의 바이폴라 셀 회로(bipolar cell circuit);
    육각뿔의 형태로 각 모서리에 멤리스터가 연결되고, 상기 복수의 제2 전류에 따른 전압들의 제2 평균 전압 또는 상기 복수의 제3 전류에 따른 전압들의 제3 평균 전압을 출력하는 복수의 아마크린 셀 회로(amacrine cell circuit); 및
    상기 제2 평균 전압에 따른 제4 전류 또는 상기 제3 평균 전압에 따른 제5 전류에 응답하여 시신경에 전달되는 활동 전위인 지속적인 응답(sustained responses) 전류 또는 과도 응답(transient responses) 전류를 생성하는 신경절 셀 회로(ganglion cell circuit)
    를 포함하는 인공 망막 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 수평 셀 회로는,
    상기 복수의 제1 전류가 상기 육각뿔의 밑면 꼭지점에 해당하는 노드에 각각 입력됨에 따른 전압들의 평균 전압인 상기 제1 평균 전압을 출력하는
    인공 망막 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 바이폴라 셀 회로는,
    상기 제1 평균 전압에 따른 전류의 크기가 미리 설정해 놓은 기준 전류보다 큰 경우 상기 복수의 제2 전류를 출력하고,
    상기 제1 평균 전압에 따른 전류의 크기가 상기 기준 전류보다 작은 경우 상기 복수의 제3 전류를 출력하는
    인공 망막 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 아마크린 셀 회로는,
    상기 복수의 제2 전류가 상기 육각뿔의 밑면 꼭지점에 해당하는 노드에 각각 입력됨에 따른 전압들의 평균 전압인 제2 평균 전압 또는 상기 복수의 제3 전류가 상기 육각뿔의 밑면 꼭지점에 해당하는 노드에 각각 입력됨에 따른 전압들의 평균 전압인 제3 평균 전압을 출력하는
    인공 망막 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 신경절 셀 회로는,
    상기 제4 전류에 응답하여 상기 지속적인 응답 또는 상기 과도 응답을 생성하는 온(on) 신경절 셀 회로; 및
    상기 제5 전류에 응답하여 상기 지속적인 응답 또는 상기 과도 응답을 생성하는 오프(off) 신경절 셀 회로
    를 포함하는 인공 망막 장치.
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