KR20210083599A - Neuromorphic synapse device having multi-bit characteristic and operation method thereof - Google Patents

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KR20210083599A
KR20210083599A KR1020190176048A KR20190176048A KR20210083599A KR 20210083599 A KR20210083599 A KR 20210083599A KR 1020190176048 A KR1020190176048 A KR 1020190176048A KR 20190176048 A KR20190176048 A KR 20190176048A KR 20210083599 A KR20210083599 A KR 20210083599A
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곽명훈
황현상
권정대
김용훈
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포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a neuromorphic synaptic device with multi-bit characteristics and reliability for neuromorphic system application and an operating method thereof. According to the present invention, a plurality of synaptic units, in which a fixed resistor and a resistance change element (RRAM) are connected in series, are connected in parallel to implement and operate one synapse, so that multi-bit can be expressed, and thus it is possible to implement and operate the synapse with more extended characteristics than a single element synapse, and since it is possible to secure both a reliable operation and multi-bit characteristics of 1-bit devices, the present invention can be used for high-performance and stable artificial neural network hardware.

Description

멀티 비트 특성을 갖는 뉴로모픽 시냅스 소자 및 이의 동작 방법{Neuromorphic synapse device having multi-bit characteristic and operation method thereof}Neuromorphic synapse device having multi-bit characteristic and operation method thereof

본 발명은 시냅스 장치 및 이의 동작 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 뉴로모픽 시스템 응용을 위한 멀티 비트 특성 및 신뢰성을 갖는 뉴로모픽 시냅스 소자 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a synaptic device and an operating method thereof, and more particularly, to a neuromorphic synaptic device having multi-bit characteristics and reliability for neuromorphic system applications and an operating method thereof.

인간의 뇌를 모방해 만든 인공 신경망 구조는 시냅스와 뉴런으로 이루어져 있다. 뉴런은 신호의 처리 및 전달에 관한 작업을 수행하며, 시냅스는 뉴런과 뉴런을 연결한다. 각각의 시냅스는 가중치라는 값을 가지며 뉴런과 뉴런의 연결 정도를 나타낸다. 가중치 값에 따라 신호가 더 증폭될 수도, 억제될 수도 있다. 즉, 시냅스는 가중치로 정보를 저장하는 동시에 신호를 처리하는 역할을 수행한다.An artificial neural network structure that mimics the human brain consists of synapses and neurons. Neurons perform tasks related to signal processing and transmission, and synapses connect neurons to neurons. Each synapse has a value called a weight and indicates the degree of connection between neurons. The signal may be further amplified or suppressed according to the weight value. That is, the synapse performs a role of processing signals while storing information as weights.

시냅스에 저장된 가중치 값을 저장하기 위해서는 메모리가 필요하며, 이를 위해 플래시 메모리, SRAM, DRAM 등의 전통적인 메모리들과 RRAM, MRAM, PCM 등의 뉴메모리가 사용될 수 있다. 기존의 폰 노이만 구조의 컴퓨터로 동작하는 인공 신경망은 메모리에 저장한 시냅스의 가중치 값을 불러와 중앙 프로세서에 옮긴 후 정보를 처리하고, 처리한 데이터는 다시 메모리에 이동해 저장한다. 하지만 인공 신경망의 구조상 처리해야 할 연산의 수가 매우 많은 반면 폰 노이만 구조의 컴퓨터는 정보를 하나씩 처리하기 때문에 연산에 필요한 시간이 매우 많다. A memory is required to store the weight value stored in the synapse, and for this purpose, traditional memories such as flash memory, SRAM, and DRAM, and new memory such as RRAM, MRAM, and PCM may be used. The artificial neural network, which operates as a computer of the existing von Neumann structure, retrieves the weighted values of synapses stored in the memory, moves them to the central processor, processes the information, and moves the processed data back to the memory for storage. However, due to the structure of the artificial neural network, the number of operations to be processed is very large, whereas the computer of the von Neumann structure processes information one by one, so the time required for the operation is very large.

이러한 문제점을 해결하기 위해 최근 RRAM, MRAM, PCM 등의 뉴메모리 소자를 크로스 포인트 어레이(cross-point array)로 구현해 시냅스의 가중치 값을 저장한다. 크로스 포인트 어레이는 다수의 입력단과 다수의 출력단으로 이루어져 있으며, 각각의 입력단과 출력단의 교차 지점에 메모리가 위치해 있다. 크로스 포인트 어레이의 장점은 동시에 여러 개의 입력을 줄 때 동시에 출력이 되는 병렬 연산이 가능하다는 점이다. 또한 메모리의 면적이 적게 들며 필요한 소비 전력이 매우 낮기 때문에 인공 신경망 구조에 적합한 메모리이다. In order to solve this problem, recently new memory devices such as RRAM, MRAM, and PCM are implemented as a cross-point array to store the weight value of the synapse. The cross-point array consists of a plurality of input terminals and a plurality of output terminals, and a memory is located at the intersection of each input terminal and output terminal. The advantage of a cross-point array is that parallel operation is possible when multiple inputs are given at the same time and output is output at the same time. In addition, the memory area is small and the required power consumption is very low, so it is a suitable memory for an artificial neural network structure.

인공 신경망이 필요하는 이상적인 시냅스는 아날로그한 가중치 변화를 보이고 가중치의 변화가 선형적으로 이루어져야 한다. 또한 가중치 값의 상한 값과 하한 값이 없다. 이런 이상적인 시냅스 소자를 구현하기 위해서는 아날로그한 가중치 변화를 위해 많은 레벨을 저장할 수 있는 높은 멀티레벨(high multi-level) 특성을 가져야 한다.An ideal synapse that requires an artificial neural network should show analog weight changes and weight changes should be linear. Also, there is no upper and lower limit for the weight value. In order to realize such an ideal synaptic device, it must have a high multi-level characteristic that can store many levels for analog weight change.

시냅스 소자는 표현할 수 있는 상태(state)의 수가 많을수록 더 정확하게 가중치(weight)를 나타낼 수 있기 때문에 높은 멀티 비트(multi-bit) 특성을 구현하는 것이 바람직하다. 하지만 단일 시냅스 소자에서 멀티 비트를 구현하는 것은 난이도가 높은 일이다. 또한, 아직까지 높은 멀티 비트 특성을 보이는 시냅스 소자는 정체성(retention), 변형(variation) 등의 신뢰도 문제(reliability issue)가 있기 때문에 인공 신경망 하드웨어로 사용하기는 아직 무리가 있다.Since the synaptic device can more accurately represent a weight as the number of states that can be expressed increases, it is desirable to implement a high multi-bit characteristic. However, implementing multi-bit in a single synaptic device is a difficult task. In addition, since synaptic devices showing high multi-bit characteristics still have reliability issues such as retention and variation, it is still difficult to use them as artificial neural network hardware.

반면, 1 비트(1-bit) 특성을 보이는 시냅스 소자는 멀티 비트 소자에 비해 신뢰도 문제가 적다. 하지만, 하나의 소자에서 2가지 상태(state)만이 표현 가능하기 때문에, 동일한 크기의 인공 신경망에서 멀티 비트 시냅스 소자를 사용할 때보다 훨씬 낮은 성능을 보인다.On the other hand, synaptic devices exhibiting 1-bit characteristics have fewer reliability problems than multi-bit devices. However, since only two states can be expressed in one device, the performance is much lower than when using a multi-bit synaptic device in an artificial neural network of the same size.

이에, 이러한 종래의 문제를 대체할 수 있는 새로운 접근 방법이 필요하다.Accordingly, there is a need for a new approach that can replace these conventional problems.

1. 대한민국 공개특허 제10-2005-0016700호1. Republic of Korea Patent Publication No. 10-2005-0016700 2. 일본 등록특허 제5420067호2. Japanese Patent No. 5420067 3. 일본 등록특허 제2539177호3. Japanese Patent No. 2539177

상기 종래 기술에 따른 문제점을 극복하기 위한 본 발명의 제1 목적은, 멀티 비트(multi-bit) 특성을 구현하면서 신뢰도가 높은 뉴로모픽 시냅스 소자를 제공하는 것이다.A first object of the present invention for overcoming the problems according to the prior art is to provide a neuromorphic synaptic device with high reliability while implementing multi-bit characteristics.

또한, 본 발명의 제2 목적은 상기 뉴로모픽 시냅스 소자의 동작 방법을 제공하는 것이다.In addition, a second object of the present invention is to provide a method of operating the neuromorphic synaptic device.

상기 제1 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고정 레지스터 및 저항변화소자(RRAM)가 직렬로 연결된, 복수 개의 시냅스 단위가 병렬로 연결된 시냅스 유닛을 포함하고, 상기 시냅스 유닛의 일단은 쓰기 및 읽기 전압을 발생시키는 노드와 연결되는, 뉴로모픽 시냅스 소자를 제공한다.In order to achieve the first object, the present invention includes a synaptic unit in which a fixed resistor and a resistance change element (RRAM) are connected in series, a plurality of synaptic units are connected in parallel, and one end of the synaptic unit is write and read voltage It provides a neuromorphic synaptic device that is connected to a node that generates .

또한 바람직하게는, 상기 복수 개의 시냅스 단위에서, 상기 고정 레지스터는 각각 서로 다른 저항값을 가질 수 있다.Also preferably, in the plurality of synaptic units, the fixed resistors may each have different resistance values.

또한 바람직하게는, 상기 복수 개의 시냅스 단위에서, 상기 고정 레지스터는 n번째 시냅스 단위의 온(ON) 상태의 컨덕턴스 값이 2(n-1)G0가 되도록 저항값을 조절함으로써, n개의 시냅스 단위를 병렬연결한 시냅스 유닛의 경우, n개의 멀티 비트 상태(state)를 표현할 수 있다.Also preferably, in the plurality of synaptic units, the fixed resistor adjusts the resistance value so that the conductance value of the ON state of the nth synaptic unit is 2 (n-1) G 0 , so that n synaptic units In the case of a synaptic unit connected in parallel, n multi-bit states can be expressed.

또한 바람직하게는, 상기 뉴로모픽 시냅스 소자는 인가하는 읽기 전압을 조절하여 저항변화소자의 저항 상태가 온(ON)인 상태의 시냅스 단위를 선택할 수 있다.Also preferably, the neuromorphic synaptic device may select a synaptic unit in a state in which the resistance state of the resistance change device is ON by adjusting the applied read voltage.

상기 제2 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 고정 레지스터 및 저항변화소자(RRAM)가 직렬로 연결된, 복수 개의 시냅스 단위가 병렬로 연결된 시냅스 유닛을 포함하고, 상기 시냅스 유닛의 일단은 쓰기 및 읽기 전압을 발생시키는 노드와 연결되는, 뉴로모픽 시냅스 소자를 제공하는 단계; (b) 상기 뉴로모픽 시냅스 소자의 시냅스 유닛에 쓰기 펄스를 가하여, 병렬 연결된 시냅스 단위 중 선택된 시냅스 단위의 저항변화소자의 저항 상태를 온(ON)으로 바꾸어주는 쓰기 단계; 및 (c) 상기 뉴로모픽 시냅스 소자의 시냅스 유닛에 읽기 전압을 인가하여, 선택된 시냅스 단위의 컨덕턴스 합을 신호로 나타내는 읽기 단계를 포함하는, 뉴로모픽 시냅스 소자의 동작 방법을 제공한다.In order to achieve the second object, the present invention includes (a) a synaptic unit in which a fixed resistor and a resistance change element (RRAM) are connected in series, a plurality of synaptic units are connected in parallel, and one end of the synaptic unit is write and providing a neuromorphic synaptic device connected to a node generating a read voltage; (b) a writing step of applying a write pulse to the synaptic unit of the neuromorphic synaptic element to change the resistance state of the resistance change element of the synaptic unit selected from among the parallel-connected synaptic units to ON; and (c) applying a read voltage to the synaptic unit of the neuromorphic synaptic element, and reading the sum of the conductance of the selected synaptic unit as a signal. It provides a method of operating a neuromorphic synaptic element.

또한 바람직하게는, 상기 (a)의 뉴로모픽 시냅스 소자를 제공하는 단계에 있어서, 상기 복수 개의 시냅스 단위에서, 상기 고정 레지스터는 n번째 시냅스 단위의 온(ON) 상태의 컨덕턴스 값이 2(n-1)G0가 되도록 저항값을 조절함으로써, n개의 시냅스 단위를 병렬연결한 시냅스 유닛의 경우, n개의 멀티 비트 상태(state)를 표현할 수 있다.Also preferably, in the step of providing the neuromorphic synaptic element of (a), in the plurality of synaptic units, the fixed resistor has an ON state conductance value of 2 (n) in the nth synaptic unit -1) By adjusting the resistance value to become G 0 , in the case of a synaptic unit in which n synaptic units are connected in parallel, n multi-bit states can be expressed.

또한 바람직하게는, 상기 (b)의 쓰기 단계에 있어서, 쓰기 펄스와 지우기 펄스를 교대로 인가하는 교대 펄스 방법(alternating pulse scheme)을 사용할 수 있다.Also preferably, in the writing step of (b), an alternating pulse scheme in which a write pulse and an erase pulse are alternately applied may be used.

또한 바람직하게는, 상기 (c)의 읽기 단계에 있어서, 시냅스 단위의 문턱 전압 간 간격(window)를 넓히기 위해, 시냅스 단위마다 전압의 인가 시간을 조절할 수 있다.Also preferably, in the reading step of (c), in order to widen a window between threshold voltages in units of synapses, the voltage application time may be adjusted for each synaptic unit.

본 발명에 따르면, 고정 레지스터 및 저항변화소자(RRAM)가 직렬로 연결된, 복수 개의 시냅스 단위를 병렬로 연결해 하나의 시냅스를 구현 및 동작시켜, 간단한 구성으로 멀티 비트(multi-bit)를 표현할 수 있으므로, 소자의 두께 및 면적을 소형화 시키면서도 단일 소자 시냅스보다 더 확장된 특성을 갖는 시냅스를 구현 및 동작시킬 수 있다.According to the present invention, a plurality of synaptic units in which a fixed resistor and a resistance change element (RRAM) are connected in series are connected in parallel to implement and operate one synapse, so that multi-bit can be expressed with a simple configuration. , it is possible to implement and operate a synapse with more extended characteristics than a single device synapse while reducing the thickness and area of the device.

또한, 종래의 멀티 비트 특성을 보이는 시냅스 소자는 정체성(retention), 내구성(endurance), 변형(variation) 등의 신뢰성 문제가 발생하나, 본 발명에 따른 복수 개의 시냅스 단위를 병렬로 연결한 시냅스 묶음 구조를 갖는 시냅스 소자는 1-bit 소자의 신뢰성 있는 동작과 multi-bit 특성을 모두 확보 가능하기 때문에 고성능, 안정적인 인공 신경망 하드웨어에 이용될 수 있다.In addition, conventional synaptic devices exhibiting multi-bit characteristics cause reliability problems such as retention, durability, and variation, but a synaptic bundle structure in which a plurality of synaptic units according to the present invention are connected in parallel Since a synaptic device with , can secure both the reliable operation and multi-bit characteristics of a 1-bit device, it can be used for high-performance and stable artificial neural network hardware.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 시냅스 소자에 있어서, 고정 레지스터 및 저항변화소자(RRAM)가 직렬로 연결된 시냅스 단위를 나타내는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 시냅스 소자에 있어서, 고정 레지스터가 시냅스 단위에 직렬로 연결된 경우와 연결되지 않은 경우의 전류-전압(I-V) 동작 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 시냅스 소자에 있어서, 서로 다른 크기의 고정 레지스터를 포함하는 시냅스 단위들이 병렬로 연결된 시냅스 묶음 구조를 갖는 시냅스 소자의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 시냅스 소자에 전압을 인가했을 때 보이는 I-V 동작 특성을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 시냅스 소자에 정확한 컨덕턴스 값을 쓰기 위한 쓰기 펄스(write pulse)를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시냅스 소자에 정확한 컨덕턴스 값을 쓰기 위한 교대 펄스 방법을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 시냅스 소자에 정확한 컨덕턴스 값을 쓰는 과정의 예시를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 시냅스 소자에서 전압 스위프 속도(voltage sweep speed)를 조절하여 window를 최대한 확보하는 방법을 나타낸다.
1 is a circuit diagram illustrating a synaptic unit in which a fixed resistor and a resistance change element (RRAM) are connected in series in a synaptic device according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a synaptic device according to an embodiment of the present invention, the fixed resistor in the case of serially connected to the synaptic unit and when not connected to the current - a graph showing the voltage (IV) operating characteristics.
3 is a circuit diagram of a synaptic device having a synaptic bundle structure in which synaptic units including fixed resistors of different sizes are connected in parallel in a synaptic device according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows the IV operation characteristics seen when a voltage is applied to the synaptic device according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows a write pulse (write pulse) for writing an accurate conductance value to the synaptic device according to an embodiment of the present invention.
6 shows an alternating pulse method for writing an accurate conductance value to a synaptic device according to an embodiment of the present invention.
7 shows an example of a process of writing an accurate conductance value to a synaptic device according to an embodiment of the present invention.
8 shows a method of maximally securing a window by controlling a voltage sweep speed in a synaptic device according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.While the present invention is susceptible to various modifications and variations, specific embodiments thereof are illustrated and shown in the drawings and will be described in detail hereinafter. However, it is not intended to limit the invention to the particular form disclosed, but rather the invention includes all modifications, equivalents and substitutions consistent with the spirit of the invention as defined by the claims.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.It will be understood that when an element, such as a layer, region, or substrate, is referred to as being “on” another component, it may be directly on the other element or intervening elements in between. .

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.Although the terms first, second, etc. may be used to describe various elements, components, regions, layers and/or regions, such elements, components, regions, layers and/or regions are not It will be understood that they should not be limited by these terms.

1. 뉴로모픽 시냅스 소자1. Neuromorphic synaptic device

도 1 및 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 시냅스 소자의 회로도를 나타낸다. 1 and 3 show a circuit diagram of a synaptic device according to an embodiment of the present invention.

구체적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 시냅스 소자에 있어서, 고정 레지스터 및 저항변화소자(RRAM)가 직렬로 연결된 시냅스 단위를 나타내는 회로도이며, 도 3은 이러한 서로 다른 크기의 고정 레지스터를 포함하는 시냅스 단위들이 병렬로 연결된 시냅스 묶음 구조를 갖는 시냅스 소자의 회로도이다.Specifically, FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a synaptic unit in which a fixed resistor and a resistance change element (RRAM) are connected in series in a synaptic device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a fixed resistor of different sizes. It is a circuit diagram of a synaptic device having a synaptic bundle structure in which the included synaptic units are connected in parallel.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 뉴로모픽 시냅스 소자는 고정 레지스터 및 저항변화소자(RRAM)가 직렬로 연결된 시냅스 단위를 포함한다.1, the neuromorphic synaptic device according to the present invention includes a synaptic unit in which a fixed resistor and a resistance change device (RRAM) are connected in series.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 시냅스 소자에 있어서, 고정 레지스터가 시냅스 단위에 직렬로 연결된 경우와 연결되지 않은 경우의 전류-전압(I-V) 동작 특성을 나타내는 그래프이다.Figure 2 is in the synaptic device according to an embodiment of the present invention, the fixed resistor in the case of serially connected to the synaptic unit and when not connected to the current-voltage (I-V) is a graph showing the operating characteristics.

본 발명의 일 실시형태에 따른 시냅스 소자에 있어서, 도 1과 같이 1-bit 시냅스 소자인 저항변화소자(RRAM)에 고정 레지스터(고정 저항)를 직렬로 연결해 시냅스 단위를 구성하면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 고정 레지스터가 없을 때에 비해 시냅스 단위가 켜지는(ON 상태가 되는) 문턱 전압의 값이 증가하게 된다. 또한, 직렬 연결된 고정 레지스터가 전류 값을 제한하기 때문에, 시냅스 단위의 저항 값은 고정 레지스터의 값에 의해 결정되게 된다.In the synaptic device according to an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1 , when a fixed resistor (fixed resistor) is connected in series to a resistance variable element (RRAM), which is a 1-bit synaptic device, a synaptic unit is formed, as shown in FIG. As shown, the value of the threshold voltage at which the synaptic unit is turned on (turned on) increases compared to when there is no fixed resistor. In addition, since the series-connected fixed resistor limits the current value, the resistance value in units of synapses is determined by the value of the fixed resistor.

따라서, 서로 다른 크기의 고정 레지스터를, 병렬 연결된 저항변화소자(RRAM)에 각각 직렬로 연결하면, 각각의 시냅스 단위가 켜지는 문턱 전압의 값이 달라질 것이므로, 인가하는 읽기 전압을 조절하여 저항변화소자의 저항 상태가 온(ON)인 상태의 시냅스 단위를 선택할 수 있을 것이다.Therefore, when the fixed resistors of different sizes are connected in series to the parallel-connected resistance change elements (RRAM), the value of the threshold voltage at which each synaptic unit is turned on will be different, so by adjusting the applied read voltage, the resistance change element It will be possible to select a synaptic unit in a state in which the resistance state of is ON.

이에, 본 발명에 따른 뉴로모픽 시냅스 소자는 도 3에 나타낸 바와 같이, 고정 레지스터 및 저항변화소자(RRAM)가 직렬로 연결된 시냅스 단위를 복수개 포함하고, 상기 시냅스 단위들은 병렬로 연결되어 하나의 시냅스 묶음 구조를 가지는 시냅스 유닛을 형성하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 복수 개의 시냅스 단위에서, 상기 고정 레지스터는 각각 서로 다른 저항값을 가질 수 있다.Accordingly, the neuromorphic synaptic device according to the present invention includes a plurality of synaptic units in which a fixed resistor and a resistance change device (RRAM) are connected in series, as shown in FIG. 3 , and the synaptic units are connected in parallel to form one synapse. It is characterized in that it forms a synaptic unit having a bundle structure. In this case, in the plurality of synaptic units, each of the fixed resistors may have different resistance values.

바람직하게는, 상기 복수 개의 시냅스 단위에서, 상기 고정 레지스터는 n번째 시냅스 단위의 온(ON) 상태의 컨덕턴스 값이 2(n-1)G0가 되도록 저항값을 조절함으로써, n개의 시냅스 단위를 병렬연결한 시냅스 유닛의 경우, n-bit의 상태(state)를 구현할 수 있다.Preferably, in the plurality of synaptic units, the fixed resistor adjusts the resistance value so that the conductance value of the ON state of the nth synaptic unit is 2 (n-1) G 0 , so that n synaptic units are In the case of a synaptic unit connected in parallel, it is possible to implement an n-bit state.

상기 시냅스 유닛의 일단은 쓰기 펄스 또는 읽기 전압을 발생시키는 노드와 연결될 수 있다.One end of the synaptic unit may be connected to a node generating a write pulse or a read voltage.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 시냅스 소자에 전압을 인가했을 때 각 시냅스 단위에서의 I-V 동작 특성을 나타낸다.Figure 4 shows I-V operation characteristics in each synaptic unit when a voltage is applied to the synaptic device according to an embodiment of the present invention.

도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 시냅스 소자는 고정 레지스터를 포함하는 복수 개의 시냅스 단위에서, 고정 레지스터가 각각 서로 다른 저항값을 가지는 경우, 각각의 시냅스 단위가 켜지는 문턱 전압의 값이 다르게 나타나므로, 인가하는 전압을 조절하여 저항변화소자의 저항 상태가 온(ON)인 상태의 시냅스 단위를 선택할 수 있다.As shown in Figure 4, in the synaptic device according to the present invention, in a plurality of synaptic units including a fixed resistor, when the fixed resistors have different resistance values, the value of the threshold voltage at which each synaptic unit is turned on is different Therefore, it is possible to select a synaptic unit in a state in which the resistance state of the resistance change element is ON by adjusting the applied voltage.

2. 뉴로모픽 시냅스 소자의 동작 방법2. How neuromorphic synaptic devices work

본 발명에 따른 뉴로모픽 시냅스 소자의 동작 방법은The method of operating a neuromorphic synaptic device according to the present invention

(a) 고정 레지스터 및 저항변화소자(RRAM)가 직렬로 연결된, 복수 개의 시냅스 단위가 병렬로 연결된 시냅스 유닛을 포함하고, 상기 시냅스 유닛의 일단은 쓰기 및 읽기 전압을 발생시키는 노드와 연결되는, 뉴로모픽 시냅스 소자를 제공하는 단계;(a) a fixed resistor and a resistance change element (RRAM) are connected in series, including a synaptic unit in which a plurality of synaptic units are connected in parallel, and one end of the synaptic unit is connected to a node for generating write and read voltages, New providing a lomorphic synaptic device;

(b) 상기 뉴로모픽 시냅스 소자의 시냅스 유닛에 쓰기 펄스를 가하여, 병렬 연결된 시냅스 단위 중 선택된 시냅스 단위의 저항변화소자의 저항 상태를 온(ON)으로 바꾸어주는 쓰기 단계; 및(b) a writing step of applying a write pulse to the synaptic unit of the neuromorphic synaptic element to change the resistance state of the resistance change element of the synaptic unit selected from among the parallel-connected synaptic units to ON; and

(c) 상기 뉴로모픽 시냅스 소자의 시냅스 유닛에 읽기 전압을 인가하여, 선택된 시냅스 단위의 컨덕턴스 합을 신호로 나타내는 읽기 단계를 포함한다.(c) applying a read voltage to the synaptic unit of the neuromorphic synaptic device, and a reading step indicating the sum of conductance of the selected synaptic unit as a signal.

이하, 각 단계를 상세하게 설명한다.Hereinafter, each step will be described in detail.

(a) 단계는 뉴로모픽 시냅스 소자를 제공하는 단계로서, 상기 뉴로모픽 시냅스 소자는 전술한 바와 같이, 고정 레지스터 및 저항변화소자(RRAM)가 직렬로 연결된 시냅스 단위를 복수개 포함하고, 상기 시냅스 단위들은 병렬로 연결되어 하나의 시냅스 묶음 구조를 가지는 시냅스 유닛을 형성하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 복수 개의 시냅스 단위에서, 상기 고정 레지스터는 각각 서로 다른 저항값을 가질 수 있다.Step (a) is a step of providing a neuromorphic synaptic device, wherein the neuromorphic synaptic device includes a plurality of synaptic units in which a fixed resistor and a resistance change device (RRAM) are connected in series as described above, and the synapse The units are connected in parallel to form a synaptic unit having one synaptic bundle structure. In this case, in the plurality of synaptic units, each of the fixed resistors may have different resistance values.

바람직하게는, 상기 복수 개의 시냅스 단위에서, 상기 고정 레지스터는 n번째 시냅스 단위의 온(ON) 상태의 컨덕턴스 값이 2(n-1)G0가 되도록 저항값을 조절함으로써, n개의 시냅스 단위를 병렬연결한 시냅스 유닛의 경우, n-bit의 상태(state)를 구현할 수 있다.Preferably, in the plurality of synaptic units, the fixed resistor adjusts the resistance value so that the conductance value of the ON state of the nth synaptic unit is 2 (n-1) G 0 , so that n synaptic units are In the case of a synaptic unit connected in parallel, it is possible to implement an n-bit state.

(b) 단계는 상기 뉴로모픽 시냅스 소자의 쓰기 단계이다.Step (b) is a writing step of the neuromorphic synaptic device.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 시냅스 소자에 정확한 컨덕턴스 값을 쓰기 위한 쓰기 펄스(write pulse)를 나타낸다.Figure 5 shows a write pulse (write pulse) for writing an accurate conductance value to the synaptic device according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 시냅스 소자는 고정 레지스터를 포함하는 복수 개의 시냅스 단위에서, 고정 레지스터가 각각 서로 다른 저항값을 가지는 경우, 각각의 시냅스 단위가 켜지는 문턱 전압의 값이 다르게 나타나므로, 인가하는 전압을 조절하여 저항변화소자의 저항 상태가 온(ON)인 상태의 시냅스 단위를 선택할 수 있다.In the synaptic device according to the present invention, in a plurality of synaptic units including a fixed resistor, when the fixed resistors have different resistance values, the threshold voltage at which each synaptic unit is turned on is different. It is possible to select a synaptic unit in a state in which the resistance state of the resistance change element is ON by adjusting.

이에, 도 5와 같이 인가하는 전압 크기를 조절함으로써 선택적으로 시냅스 단위를 켜고 끌 수 있다. 상기 인가하는 전압은 쓰기 펄스(write pulse)를 인가할 때에는 시냅스 단위를 켤 수 있고(ON 상태), 반대 방향으로 지우기 펄스(erase pulse)를 인가할 때에는 시냅스 단위를 끌 수 있다(OFF 상태). 이때 각각의 시냅스 단위의 켜짐 상태의 컨덕턴스 값이 2배 차이가 나도록 (ex. G0, 2G0, 4G0, …) 조절할 경우 n개의 시냅스 단위를 사용했을 때 n-bit의 상태(state)를 구현할 수 있다.Accordingly, it is possible to selectively turn on and off the synaptic unit by adjusting the magnitude of the applied voltage as shown in FIG. 5 . The applied voltage may turn on the synaptic unit when a write pulse is applied (ON state), and may turn off the synaptic unit when an erase pulse is applied in the opposite direction (OFF state). At this time, when adjusting so that the conductance value of the on state of each synaptic unit is doubled (ex. G 0 , 2G 0 , 4G 0 , …), the n-bit state is set when n synaptic units are used. can be implemented

다만, 도 5에서 볼 수 있듯이, 한 개의 시냅스 단위만 켜거나 끄는 동작이 하나의 쓰기 펄스 또는 지우기 펄스만으로는 불가능한 경우가 있다. 따라서 시냅스가 원하는 크기의 컨덕턴스를 갖도록 하기 위해서는 쓰기 펄스와 지우기 펄스를 교대로 인가하는 교대 펄스 방법(alternating pulse scheme)을 사용하는 것이 바람직하다.However, as shown in FIG. 5 , there are cases where an operation of turning on or off only one synaptic unit is impossible with only one write pulse or one erase pulse. Therefore, in order for the synapse to have a desired conductance, it is preferable to use an alternating pulse scheme in which a write pulse and an erase pulse are alternately applied.

예컨대 도 3에 나타낸 바와 같이, 3개의 시냅스 단위가 병렬로 연결된 시냅스 유닛에 있어서, 각 시냅스 단위를 위에서부터 시냅스 1, 시냅스 2 및 시냅스 3이라고 하고, 시냅스 1은 G0의 컨덕턴스를 나타내고, 시냅스 2는 2G0의 컨덕턴스, 시냅스 3은 4G0의 컨덕턴스를 나타낸다고 한다면, 도 5에 나타낸 바와 같이, 쓰기 펄스는 Vw1, Vw2, Vw3의 3가지 레벨을 가지며, Vw1의 전압은 4G0에 해당하는 시냅스 3을 켜고, Vw2의 전압은 시냅스 3과 시냅스 2를 동시에 켜고(4G0+2G0), Vw3의 전압은 시냅스 3, 2, 1을 동시에 켜게 된다(4G0+2G0+G0). 마찬가지로 지우기 펄스는 Ve1, Ve2, Ve3의 3가지 레벨을 가지며, Ve1은 시냅스 3을 끄고, Ve2는 시냅스 3과 시냅스 2를 동시에 끄고, Ve3은 시냅스 1,2,3을 동시에 끄게 된다.For example, as shown in Figure 3, in a synaptic unit in which three synaptic units are connected in parallel, each synaptic unit is called synapse 1, synapse 2, and synapse 3 from the top, synapse 1 represents the conductance of G 0 , and synapse 2 If is 2G 0 conductance and synapse 3 represents 4G 0 conductance, as shown in FIG. 5 , the write pulse is V w1 , V w2 , It has three levels of V w3 , the voltage of V w1 turns on synapse 3 corresponding to 4G 0 , the voltage of V w2 turns on synapse 3 and synapse 2 at the same time ( 4G 0 +2G 0 ), and the voltage of V w3 is Synapses 3, 2, and 1 are turned on at the same time (4G 0 +2G 0 +G 0 ). Similarly, the erase pulse V e1, V e2, e3 has 3 levels of V, V e1 is off the synapse 3, V e2 is off the synaptic synapses 2 and 3 at the same time, V e3 is at the same time the synaptic 1,2,3 will turn off

이때, 상기 도 3의 3개의 시냅스 단위를 갖는 시냅스 유닛은 0G0 내지 7G0의 컨덕턴스를 나타낼 수 있으며, 쓰기 펄스(Vw1, Vw2, Vw3의)와 지우기 펄스(Ve1, Ve2, Ve3)를 적절하게 교대로 인가함으로써 1G0, 2G0, 3G0, 4G0, 5G0 및 5G0의 세부적인 컨덕턴스 또한 나타낼 수 있다. 각각의 컨덕턴스를 표현하기 위한 쓰기 펄스 및 지우기 펄스로 구성된 교대 펄스 방법을 도 6에 나타내었다.In this case, the synaptic unit having three synaptic units of FIG. 3 may represent a conductance of 0G 0 to 7G 0 , and a write pulse (V w1 , V w2 , 1G 0 , by appropriately alternating application of V w3 ) and erase pulses (V e1 , V e2 , V e3 ) Detailed conductances of 2G 0 , 3G 0 , 4G 0 , 5G 0 and 5G 0 may also be indicated. An alternating pulse method including a write pulse and an erase pulse for expressing each conductance is shown in FIG. 6 .

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시냅스 소자에 정확한 컨덕턴스 값을 쓰기 위한 교대 펄스 방법을 나타낸다.6 shows an alternating pulse method for writing an accurate conductance value to a synaptic device according to an embodiment of the present invention.

도 6에 나타낸 바와 같이, 3개의 시냅스 단위를 병렬로 연결한 시냅스 유닛의 경우, Phase 1, 2, 3에서 쓰기 펄스(Vw1, Vw2, Vw3의)와 지우기 펄스(Ve1, Ve2, Ve3)를 적절하게 교대로 인가함으로써 0 부터 7G0 원하는 크기의 컨덕턴스를 구현할 수 있다. 이와 같이, n개의 시냅스 단위를 병렬로 연결한 시냅스 유닛의 경우에는 교대 펄스 방법을 n번째 phase까지 수행함으로써 2n 레벨의 컨덕턴스를 구현할 수 있다.As shown in FIG. 6, in the case of a synaptic unit in which three synaptic units are connected in parallel, write pulses (V w1 , V w2 , Of V w3) and the clearing pulse (of V e1, V e2, V e3 ) from the by the application to properly shift 0 7G 0 A desired size of conductance can be implemented. Thus, in the case of the synaptic connection unit of n units in parallel, synaptic 2 n by performing a shift pulse to the n-th phase method more Level conductance can be implemented.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 시냅스 소자에 정확한 컨덕턴스 값을 쓰는 과정의 예시를 나타낸다.7 shows an example of a process of writing an accurate conductance value to a synaptic device according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 예컨대 도 6에서 5G0에 해당하는 컨덕턴스를 쓰기 위해서는 G0+4G0가 되도록 시냅스 단위를 켤 수 있고, 이를 위해 도 5에 나타낸 쓰기 펄스에 있어서, 먼저 Vw3(4G0+2G0+G0)의 전압을 인가한 다음 Ve2(4G0+2G0)의 지우기 펄스를 인가하면 G0의 컨덕턴스만 남게 되고, 이후, 4G0에 해당하는 Vw1의 전압을 인가하여 총 5G0의 컨덕턴스를 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 7 , for example, to write the conductance corresponding to 5G 0 in FIG. 6 , the synaptic unit may be turned on to become G 0 +4G 0 , and for this purpose, in the write pulse shown in FIG. 5 , first V w3 (4G 0 If a voltage of +2G 0 +G 0 ) is applied and then an erase pulse of V e2 (4G 0 +2G 0 ) is applied, only the conductance of G 0 remains, and then, a voltage of V w1 corresponding to 4G 0 is applied It may represent a total conductance of 5G 0 .

또한, 다음으로 2G0에 해당하는 컨덕턴스를 쓰기 위해서는 기존 컨덕턴스를 제로화 하기 위해 Ve3의 지우기 펄스로 모두 지우고, Vw2 쓰기 펄스를 인가하여 4G0+2G0의 컨덕턴스를 나타낸 후, Ve1(4G0)의 지우기 펄스를 인가함으로써 총 2G0의 컨덕턴스를 구현할 수 있다.In addition, to write the conductance corresponding to 2G 0 , erase all the existing conductance with the erase pulse of V e3 to zero the existing conductance, apply the V w2 write pulse to show the conductance of 4G 0 +2G 0 , and then display the conductance of Ve 1 (4G By applying an erase pulse of 0 ), a total conductance of 2G 0 can be implemented.

(c) 단계는 상기 뉴로모픽 시냅스 소자의 읽기 단계이다.Step (c) is a reading step of the neuromorphic synaptic device.

읽기 단계는 상기 뉴로모픽 시냅스 소자의 시냅스 유닛에 읽기 전압을 인가하여, 선택된 시냅스 단위의 컨덕턴스 합을 신호로 나타냄으로써 수행할 수 있다.The read operation may be performed by applying a read voltage to the synaptic unit of the neuromorphic synaptic device, and representing the sum of conductances of the selected synaptic unit as a signal.

이때, 소자의 문턱 전압 산포에 의한 영향을 최소화 하기 위해, 시냅스 소자의 단위의 문턱 전압 간격은 넓을수록 유리하다. 이와 같이 시냅스 소자의 단위의 문턱 전압 간격(window)을 넓히기 위해, 본 발명에서는 voltage-time dilemma를 이용할 수 있다.At this time, in order to minimize the influence of the threshold voltage distribution of the device, it is advantageous as the threshold voltage interval of the unit of the synaptic device is wider. In this way, in order to widen the threshold voltage interval (window) of the unit of the synaptic device, a voltage-time dilemma can be used in the present invention.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 시냅스 소자에서 voltage sweep speed를 조절하여 window를 최대한 확보하는 방법을 나타낸다.Figure 8 shows a method for maximally securing a window by controlling the voltage sweep speed in the synaptic device according to an embodiment of the present invention.

도 8과 같이 소자의 문턱 전압 산포에 의한 영향을 최소화 하기 위해, voltage-time dilemma를 이용할 수 있다. 구체적으로는, 인가하는 전압의 시간이 길수록 문턱 전압이 낮아지고, 시간이 짧을수록 문턱 전압이 커지게 된다. 이를 이용해 각 시냅스 단위의 전압 인가 시간을 조절함으로써, 문턱 전압 간 간격을 최대한 벌려 소자의 산포에 의한 오작동을 최소화 할 수 있다.As shown in FIG. 8 , a voltage-time dilemma may be used to minimize the influence of the device threshold voltage distribution. Specifically, the longer the applied voltage is, the lower the threshold voltage is, and the shorter the time is, the higher the threshold voltage is. By using this, by adjusting the voltage application time of each synaptic unit, the interval between threshold voltages is widened as much as possible to minimize malfunction due to device dispersion.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명은 후술하는 특허청구범위 내에서 상기 실시예를 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범위 내에 속하는 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.Although the present invention has been described above with reference to the preferred embodiment, it should be understood that the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention can variously change and modify the above embodiments within the scope of the claims described below, all of which fall within the scope of the present invention. Accordingly, the invention is limited only by the claims and their equivalents.

Claims (8)

고정 레지스터 및 저항변화소자(RRAM)가 직렬로 연결된, 복수 개의 시냅스 단위가 병렬로 연결된 시냅스 유닛을 포함하고,
상기 시냅스 유닛의 일단은 쓰기 및 읽기 전압을 발생시키는 노드와 연결되는, 뉴로모픽 시냅스 소자.
A fixed resistor and a resistance change element (RRAM) are connected in series, a plurality of synaptic units comprising a synaptic unit connected in parallel,
One end of the synaptic unit is connected to a node generating write and read voltages, a neuromorphic synaptic device.
제1항에 있어서,
상기 복수 개의 시냅스 단위에서, 상기 고정 레지스터는 각각 서로 다른 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 뉴로모픽 시냅스 소자.
According to claim 1,
In the plurality of synaptic units, the fixed resistor is a neuromorphic synaptic device, characterized in that each has a different resistance value.
제2항에 있어서,
상기 복수 개의 시냅스 단위에서, 상기 고정 레지스터는 n번째 시냅스 단위의 온(ON) 상태의 컨덕턴스 값이 2(n-1)G0가 되도록 저항값을 조절함으로써, n개의 시냅스 단위를 병렬연결한 시냅스 유닛의 경우, n-bit의 상태(state)를 구현하는 것을 특징으로 하는, 뉴로모픽 시냅스 소자.
3. The method of claim 2,
In the plurality of synaptic units, the fixed resistor adjusts the resistance value so that the conductance value of the ON state of the nth synaptic unit becomes 2 (n-1) G 0 , thereby connecting n synaptic units in parallel. In the case of a unit, a neuromorphic synaptic device, characterized in that it implements an n-bit state.
제1항에 있어서,
상기 뉴로모픽 시냅스 소자는 인가하는 쓰기 및 읽기 전압을 조절하여 저항변화소자의 저항 상태가 온(ON)인 상태의 시냅스 단위를 선택하는 것을 특징으로 하는 뉴로모픽 시냅스 소자.
According to claim 1,
The neuromorphic synaptic device is a neuromorphic synaptic device, characterized in that selecting a synaptic unit in a state in which the resistance state of the resistance change device is ON by adjusting the applied write and read voltages.
(a) 고정 레지스터 및 저항변화소자(RRAM)가 직렬로 연결된, 복수 개의 시냅스 단위가 병렬로 연결된 시냅스 유닛을 포함하고, 상기 시냅스 유닛의 일단은 쓰기 및 읽기 전압을 발생시키는 노드와 연결되는, 뉴로모픽 시냅스 소자를 제공하는 단계;
(b) 상기 뉴로모픽 시냅스 소자의 시냅스 유닛에 쓰기 펄스를 가하여, 병렬 연결된 시냅스 단위 중 선택된 시냅스 단위의 저항변화소자의 저항 상태를 온(ON)으로 바꾸어주는 쓰기 단계; 및
(c) 상기 뉴로모픽 시냅스 소자의 시냅스 유닛에 읽기 전압을 인가하여, 선택된 시냅스 단위의 컨덕턴스 합을 신호로 나타내는 읽기 단계를 포함하는, 뉴로모픽 시냅스 소자의 동작 방법.
(a) a fixed resistor and a resistance change element (RRAM) are connected in series, including a synaptic unit in which a plurality of synaptic units are connected in parallel, and one end of the synaptic unit is connected to a node for generating write and read voltages, New providing a lomorphic synaptic device;
(b) a writing step of applying a write pulse to the synaptic unit of the neuromorphic synaptic element to change the resistance state of the resistance change element of the synaptic unit selected from among the parallel-connected synaptic units to ON; and
(c) applying a read voltage to the synaptic unit of the neuromorphic synaptic element, comprising a read step of indicating the sum of conductance of the selected synaptic unit as a signal, the method of operating a neuromorphic synaptic element.
제5항에 있어서,
상기 (a)의 뉴로모픽 시냅스 소자를 제공하는 단계에 있어서, 상기 복수 개의 시냅스 단위에서, 상기 고정 레지스터는 n번째 시냅스 단위의 온(ON) 상태의 컨덕턴스 값이 2(n-1)G0가 되도록 저항값을 조절함으로써, n개의 시냅스 단위를 병렬연결한 시냅스 유닛의 경우, n-bit의 상태(state)를 구현하는 것을 특징으로 하는, 뉴로모픽 시냅스 소자의 동작 방법.
6. The method of claim 5,
In the step of providing the neuromorphic synaptic device of (a), in the plurality of synaptic units, the fixed resistor has an ON state conductance value of 2 (n-1) G 0 of the nth synaptic unit By adjusting the resistance value so as to be, in the case of a synaptic unit in which n synaptic units are connected in parallel, an operation method of a neuromorphic synaptic device, characterized in that it implements an n-bit state.
제5항에 있어서,
상기 (b)의 쓰기 단계에 있어서, 쓰기 펄스와 지우기 펄스를 교대로 인가하는 교대 펄스 방법(alternating pulse scheme)을 사용하는 것을 특징으로 하는 뉴로모픽 시냅스 소자의 동작 방법.
6. The method of claim 5,
In the writing step of (b), the operating method of a neuromorphic synaptic device, characterized in that using an alternating pulse method (alternating pulse scheme) to apply a write pulse and an erase pulse alternately.
제5항에 있어서,
상기 (c)의 읽기 단계에 있어서, 시냅스 단위의 문턱 전압 간 간격(window)를 넓히기 위해, 시냅스 단위마다 전압의 인가 시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 뉴로모픽 시냅스 소자의 동작 방법.
6. The method of claim 5,
In the reading step of (c), in order to widen a window between threshold voltages in units of synapses, a method of operating a neuromorphic synaptic device, characterized in that the voltage application time is adjusted for each synaptic unit.
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