KR20230029220A - Neuromorphic device based on memristor device and neuromorphic system using the same - Google Patents

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KR20230029220A
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Abstract

The present invention relates to a neuromorphic device using a memristor device and a neuromorphic system using the same, and to a technology that provides a neuromorphic device and a neuromorphic system using the same, for implementing both characteristics of biological synapses and biological neurons, which are responsible for memory and information transfer in human brain, using a memristor device. According to one embodiment of the present invention, the neuromorphic device comprises: a first electrode; a second electrode disposed opposite to the first electrode; a switching layer formed of amorphous material between the first electrode and the second electrode; and a source layer formed of alloy material between the switching layer and the first electrode and controlling either drift or diffusion of metal ions in the switching layer, wherein any one characteristic of artificial neuron integral characteristics due to volatility or artificial synapse characteristics due to non-volatility can be implemented, depending on a size of maximum current density based on a voltage applied through the first electrode.

Description

멤리스터 소자 기반의 뉴로모픽 소자 및 이를 이용한 뉴로모픽 시스템{NEUROMORPHIC DEVICE BASED ON MEMRISTOR DEVICE AND NEUROMORPHIC SYSTEM USING THE SAME}Neuromorphic device based on memristor device and neuromorphic system using the same

본 발명은 멤리스터 소자를 이용한 뉴로모픽 소자 및 이를 이용한 뉴로모픽 시스템에 관한 것으로, 멤리스터 소자를 사용하여 인간의 뇌에서 기억 및 정보전달을 담당하는 생물학적 시냅스(synapse) 특성 및 생물학적 뉴런(neuron) 특성을 모두 구현하는 뉴로모픽 소자 및 이를 이용한 뉴로모픽 시스템을 제공하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a neuromorphic device using a memristor device and a neuromorphic system using the same, and to biological synapse characteristics and biological neurons responsible for memory and information transmission in the human brain using the memristor device It relates to a technology for providing a neuromorphic device that implements all neuron characteristics and a neuromorphic system using the same.

오늘날 사용되고 있는 컴퓨터는 모두 폰노이만 구조를 채택하여 사용되고 있다.Computers used today are all adopting the von Neumann architecture.

종래 기술에 따른 폰노이만 구조는 중앙처리장치(central processing unit, CPU)와 메모리(memory)로 분리되어 있으며, 이 둘을 연결하는 버스(bus)를 통해 명령어를 읽거나 데이터를 읽고 쓰는 작업을 수행한다.The von Neumann structure according to the prior art is separated into a central processing unit (CPU) and memory, and reads instructions or reads and writes data through a bus connecting the two. do.

중앙처리장치와 메모리의 역할을 분리하여 설계한 덕분에 오늘날의 컴퓨터는 하드웨어 변경 없이 소프트웨어만으로 여러 데이터를 처리할 수 있다는 큰 장점이 있다.Thanks to the design of separating the roles of the central processing unit and memory, today's computers have a great advantage in that they can process multiple data only with software without hardware changes.

그러나, 폰노이만 구조는 중앙처리장치와 메모리 사이의 대역폭이 낮다는 치명적인 단점을 갖고 있다.However, the von Neumann structure has a fatal disadvantage in that the bandwidth between the central processing unit and the memory is low.

즉, 프로그램 메모리와 데이터 메모리가 물리적 구분 없이 하나의 버스를 통해 중앙처리장치와 교류하기 때문에 중앙처리장치는 명령어와 데이터에 동시에 접근이 불가능하고 나열된 명령을 한 번에 하나씩 읽고 쓰게 되는 병목현상(bottleneck)이 필연적으로 발생하게 된다.In other words, since the program memory and data memory communicate with the central processing unit through one bus without physical distinction, the central processing unit cannot access commands and data simultaneously and reads and writes the listed commands one at a time. ) will inevitably occur.

최근 인공 지능 분야에서 각광을 받고 있는 딥러닝(deep learning)은 대규모 병렬 처리가 필요하며, 폰노이만 구조를 적용하여 딥러닝을 구현하면 데이터 처리, 전송 속도, 에너지 소비 측면에서 효율성이 떨어진다.Deep learning, which has recently been in the limelight in the field of artificial intelligence, requires large-scale parallel processing, and implementing deep learning by applying the von Neumann structure reduces efficiency in terms of data processing, transmission speed, and energy consumption.

따라서, 인간의 뇌 신경구조를 하드웨어로 모방한 신경모사구조(neuromorphic architecture)가 새로운 대안으로 제시되고 있다.Therefore, a neuromorphic architecture that mimics the neural structure of the human brain with hardware has been proposed as a new alternative.

신경모사구조는 뇌의 신경 세포인 뉴런(neuron)의 역할을 담당하는 소자와 뉴런과 뉴런 사이에 존재하는 생물학적 시냅스(synapse)의 역할을 담당하는 소자 등으로 이루어져 있다.The neuromimetic structure is composed of a device that plays a role of a neuron, a nerve cell in the brain, and a device that plays a role of a biological synapse existing between neurons.

이러한 구조는 병렬 컴퓨팅이 가능하여 기억과 연산을 대량으로 동시에 진행할 수 있다.This structure is capable of parallel computing, so that a large amount of memory and calculation can be performed simultaneously.

최근에는 시냅스의 기능을 모사할 수 있는 하드웨어 기반 인공 시냅스에 대한 활발한 연구가 진행되고 있다.Recently, active research on hardware-based artificial synapses capable of mimicking the functions of synapses is being conducted.

인간의 뇌는 약 1000억 개의 뉴런과 약 100조 개의 시냅스가 병렬적으로 연결되어 있다.The human brain has about 100 billion neurons and about 100 trillion synapses connected in parallel.

각각의 뉴런은 수상돌기(dendrite)를 통해 다른 뉴런에서 입력 신호를 받아서 축색돌기(axon)을 통해 다른 뉴런으로 신호를 내보낸다.Each neuron receives input signals from other neurons through dendrites and sends signals to other neurons through axons.

이때 시냅스는 뉴런과 뉴런을 연결하는 역할을 하고, 다른 뉴런의 축색돌기로부터 받은 신호를 어느 정도의 세기 (weight)로 전달할 것인지 결정하는 중요한 역할을 한다.At this time, the synapse serves to connect neurons and plays an important role in determining how much weight the signal received from the axon of another neuron is to be transmitted.

산화물 기반 멤리스터를 이용하여 생물학적 시냅스의 특성인 장기강화/장기억제(Long-term potentiation/Long-term depression)의 특성을 모방한 것으로서 일정한 펄스를 연속적으로 인가할 때 시냅스의 가중치가 선형적, 대칭적, 그리고 점진적으로 증가하거나 감소하는 경향을 나타낸다.It mimics the characteristics of long-term potentiation/long-term depression, which is a characteristic of biological synapses, by using oxide-based memristors. When constant pulses are continuously applied, synaptic weights are linear and symmetric , and tends to increase or decrease gradually.

논문(Hirokjyoti Kalita et al., Artificial Neuron using Vertical MoS2/Graphene Threshold Switching Memristors, Scientific Reports, 2019)에서는 MoS2/Graphene 기반 휘발성 멤리스터를 이용하여 생물학적 뉴런의 특성을 모방하는 연구를 공개한다.The paper (Hirokjyoti Kalita et al., Artificial Neuron using Vertical MoS2/Graphene Threshold Switching Memristors, Scientific Reports, 2019) discloses research on mimicking the properties of biological neurons using MoS 2 /Graphene-based volatile memristors.

또한, 논문(Min-Kyu Kim et al., Short-Term Plasticity and Long-term Potentiation in Artificial Biosynapses with Diffusive Dynamics, ACS Nano, 2018)에서는 멤리스터를 활용한 단기기억(short-term memory) 및 장기기억(long-term memory)의 특성을 예시한다.In addition, in the thesis (Min-Kyu Kim et al., Short-Term Plasticity and Long-term Potentiation in Artificial Biosynapses with Diffusive Dynamics, ACS Nano, 2018), short-term memory and long-term memory using memristors (long-term memory).

한편, 논문(Donguk Lee et al., Various Threshold Switching Devices for Integrate and Fire Neuron Applications, Advanced Electronic Materials, 2019)에서는 휘발성 멤리스터를 이용하여 적분 특성을 구현하고, 결합 특성을 구현하기 위한 공정을 예시한다.On the other hand, in the paper (Donguk Lee et al., Various Threshold Switching Devices for Integrate and Fire Neuron Applications, Advanced Electronic Materials, 2019), integration characteristics are implemented using volatile memristors, and a process for implementing coupling characteristics is exemplified. .

다만, 종래 기술에 따른 멤리스터 소자를 이용한 뉴런 및 시냅스의 특성 모방 연구는 CMOS 공정에서 커패시터의 크기가 1000 F2 이상이므로 집적도 측면에서 치명적인 단점이 존재한다.However, research on mimicking characteristics of neurons and synapses using a memristor device according to the prior art has a fatal disadvantage in terms of integration because the size of a capacitor is 1000 F 2 or more in a CMOS process.

또한, 3단자를 갖는 전해질 게이트 트랜지스터를 이용한 인공 시냅스 소자는 전해질 게이트를 이용했다는 점에서 집적도 및 CMOS 공정 호환성의 문제를 가지고 있다.In addition, an artificial synaptic device using an electrolyte gate transistor having three terminals has problems in integration and CMOS process compatibility in that an electrolyte gate is used.

한국등록특허 제10-2249655호, "뉴런 및 이를 포함하는 뉴로모픽 시스템"Korean Patent Registration No. 10-2249655, "Neurons and neuromorphic systems including them" 한국공개특허 제10-2021-0061903호, "비휘발성 메모리 소자 및 이의 동작 방법"Korean Patent Publication No. 10-2021-0061903, "Non-volatile memory device and operation method thereof" 한국공개특허 제10-2021-0063196호, "3단자 저항변화소자 기반 발화형 뉴런회로 및 이의 동작 방법"Korean Patent Publication No. 10-2021-0063196, "Three-terminal resistance change element-based ignition-type neuron circuit and its operation method" 한국등록특허 제10-1922049호, "인공 시냅스 소자 및 이의 제조 방법"Korean Patent Registration No. 10-1922049, "Artificial synaptic device and its manufacturing method"

본 발명은 멤리스터 소자를 사용하여 인간의 뇌에서 기억 및 정보전달을 담당하는 생물학적 시냅스(synapse) 특성 및 생물학적 뉴런(neuron) 특성을 모두 구현하는 뉴로모픽 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a neuromorphic device that implements both biological synapse characteristics and biological neuron characteristics responsible for memory and information transmission in the human brain by using a memristor device.

본 발명은 하나의 멤리스터 소자를 이용하여 생물학적 시냅스(synapse) 특성 및 생물학적 뉴런(neuron) 특성을 모두 구현함에 따라 하드웨어 기반 인공 뉴런 및 시냅스 소자 어레이 제작 시 사용하는 물질의 종류가 대폭 감소하여 공정의 단순화를 이루는 것을 목적으로 한다.As the present invention implements both biological synapse characteristics and biological neuron characteristics using a single memristor device, the types of materials used in the fabrication of hardware-based artificial neurons and synaptic device arrays are greatly reduced, thereby reducing the process It aims to achieve simplification.

본 발명은 멤리스터 소자를 이용하여 인간 뇌의 시냅스 특성인 쌍 펄스 촉진 및 단기기억에서 장기기억으로 변화되는 특성을 확보하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to secure the characteristics of synaptic characteristics of the human brain, such as pair pulse facilitation and short-term memory to long-term memory, by using a memristor device.

본 발명은 4F2 이하의 사이즈를 갖는 CuTe 및 GeS2 기반의 멤리스터 소자를 이용하여 뉴로모픽 소자 구현의 집적도 문제 및 CMOS 공정 호환성 문제를 함께 해결하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to solve both the integration problem and the CMOS process compatibility problem of implementing a neuromorphic device using a memristor device based on CuTe and GeS 2 having a size of 4F 2 or less.

본 발명은 멤리스터 소자를 사용하여 생물학적 시냅스(synapse) 특성 및 생물학적 뉴런(neuron) 특성을 모두 구현하는 뉴로모픽 소자를 이용한 뉴로모픽 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a neuromorphic system using a neuromorphic device that implements both biological synapse characteristics and biological neuron characteristics using a memristor device.

본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자는 제1 전극, 상기 제1 전극과 대향 배치된 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에서 비정질 물질로 형성되는 스위칭층 및 상기 스위칭층과 상기 제1 전극 사이에서 합금 물질로 형성되어 상기 스위칭층 내 금속 이온의 표류(drift) 및 확산(diffusion) 중 어느 하나를 제어하는 소스층을 포함하고, 상기 제1 전극을 통해 인가되는 전압에 기반한 최대 전류 밀도(max current density)의 크기에 따라 휘발성(volatile)에 따른 인공 뉴런의 적분 특성 및 비휘발성(non-volatile)에 따른 인공 시냅스 특성 중 어느 하나의 특성을 구현할 수 있다.A neuromorphic device according to an embodiment of the present invention includes a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode, a switching layer formed of an amorphous material between the first electrode and the second electrode, and the switching layer. A source layer formed of an alloy material between the layer and the first electrode to control one of drift and diffusion of metal ions in the switching layer, wherein a voltage applied through the first electrode Depending on the size of the maximum current density based on , it is possible to implement any one of the integral characteristics of the artificial neuron according to volatility and the characteristics of artificial synapses according to non-volatile.

상기 뉴로모픽 소자는 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 이하에서 상기 인공 뉴런의 적분 특성을 구현하고, 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하에서 상기 인공 시냅스 특성을 구현할 수 있다.The neuromorphic device implements the integration characteristics of the artificial neuron when the magnitude of the maximum current density is 400 A/cm 2 or less, and the magnitude of the maximum current density exceeds 400 A/cm 2 and 2000 A/cm 2 Hereinafter, the artificial synaptic properties may be implemented.

상기 뉴로모픽 소자는 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 이하에서 상기 제1 전극을 통해 추가 전압이 인가되지 않는 경우, 상기 스위칭층 내 상기 확산에 의해 저항이 초기 상태로 돌아오는 셀프 리셋(self-reset)되는 휘발성을 나타내고, 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하에서 상기 제1 전극을 통해 추가 전압이 인가되지 않는 경우, 상기 셀프 리셋되지 않는 비휘발성을 나타낼 수 있다.In the neuromorphic device, when the maximum current density is 400 A/cm 2 or less and no additional voltage is applied through the first electrode, the self resistance returns to an initial state by the diffusion in the switching layer. Indicates volatility that is reset (self-reset), and when the magnitude of the maximum current density exceeds 400 A / cm 2 and no additional voltage is applied through the first electrode at 2000 A / cm 2 or less, the self-reset may indicate non-volatility.

상기 뉴로모픽 소자는 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 이하에서 상기 제1 전극을 통해 인가되는 전압의 크기(amplitude)가 증가되면 상기 인공 뉴런의 적분 특성과 관련된 출력 전류의 크기가 증가할 수 있다.In the neuromorphic device, when the magnitude of the maximum current density is 400 A/cm 2 or less and the amplitude of the voltage applied through the first electrode increases, the magnitude of the output current related to the integral characteristic of the artificial neuron increases. can increase

상기 뉴로모픽 소자는 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 이하에서 상기 제1 전극을 통해 인가되는 전압의 펄스폭(pulse width)이 증가하는 경우에 상기 인공 뉴런의 적분 특성과 관련된 출력 전류의 크기가 증가할 수 있다.The neuromorphic device generates an output related to the integration characteristics of the artificial neuron when the pulse width of the voltage applied through the first electrode increases when the magnitude of the maximum current density is 400 A/cm 2 or less. The magnitude of the current may increase.

상기 뉴로모픽 소자는 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 이하에서 상기 제1 전극을 통해 인가되는 전압의 펄스 간격(pulse interval)이 증가하는 경우에 상기 인공 뉴런의 적분 특성과 관련된 출력 전류의 크기가 감소할 수 있다.The neuromorphic device generates an output related to the integral characteristics of the artificial neuron when the pulse interval of the voltage applied through the first electrode increases when the maximum current density is 400 A/cm 2 or less. The magnitude of the current may decrease.

상기 뉴로모픽 소자는 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하에서 동일한 펄스폭, 크기 및 펄스 간격의 전압이 상기 제1 전극을 통해 반복적으로 인가되는 횟수에 기반하여 일정 시간 이후에 출력 전류의 크기가 초기 전류 크기로 감소되는 단기 메모리(short-term memory) 동작 및 상기 일정 시간 이후에 전류 출력의 크기가 유지되는 장기 메모리(long-term memory) 동작 중 어느 하나의 메모리 동작을 수행할 수 있다.In the neuromorphic device, the number of times a voltage having the same pulse width, magnitude, and pulse interval is repeatedly applied through the first electrode when the magnitude of the maximum current density exceeds 400 A/cm 2 and is 2000 A/cm 2 or less Among the short-term memory operation in which the size of the output current is reduced to the initial current size after a predetermined time based on the long-term memory operation in which the size of the current output is maintained after the predetermined time Any one memory operation can be performed.

상기 뉴로모픽 소자는 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하에서 동일한 펄스폭, 크기 및 펄스 간격의 전압이 상기 제1 전극을 통해 반복적으로 인가되는 경우에 출력 전류의 크기가 반복적으로 증가하는 쌍펄스 촉진(paired pulse facilitation, PPF) 특성을 나타낼 수 있다.In the neuromorphic device, when the maximum current density exceeds 400 A/cm 2 and is 2000 A/cm 2 or less, a voltage having the same pulse width, size, and pulse interval is repeatedly applied through the first electrode. may exhibit a paired pulse facilitation (PPF) characteristic in which the magnitude of the output current repeatedly increases.

상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 30 nm의 두께를 가지고, 상기 스위칭층 및 상기 소스층은 10 nm의 두께를 가지며, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 상기 스위칭층 및 상기 소스층은 크로스바 타입(crossbar-type)의 멤리스터(memristor) 구조를 이룰 수 있다.The first electrode and the second electrode have a thickness of 30 nm, the switching layer and the source layer have a thickness of 10 nm, the first electrode, the second electrode, the switching layer and the source layer A crossbar-type memristor structure may be formed.

상기 스위칭층은 게르마늄 황화물(GeS2)을 포함하는 상기 비정질 물질로 형성되고, 상기 소스층은 구리 텔루라이드(CuTe)를 포함하는 상기 합금 물질로 형성될 수 있다.The switching layer may be formed of the amorphous material including germanium sulfide (GeS 2 ), and the source layer may be formed of the alloy material including copper telluride (CuTe).

상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 백금(Pt), 텅스텐(W), 타이타늄 나이트라이드(TiN), 탄탈럼 나이트라이드(TaN), 금(Au), 루비듐(Ru), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd), 타이타늄(Ti), 하프늄(Hf), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 중 선택되는 적어도 어느 하나 금속 물질로 형성될 수 있다.The first electrode and the second electrode are platinum (Pt), tungsten (W), titanium nitride (TiN), tantalum nitride (TaN), gold (Au), rubidium (Ru), iridium (Ir), It may be formed of at least one metal material selected from palladium (Pd), titanium (Ti), hafnium (Hf), molybdenum (Mo), and niobium (Nb).

본 발명의 일실시예에 따르면 뉴로모픽 시스템은 인가되는 전압에 기반한 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하인 경우에 비휘발성에 따른 인공 시냅스 특성을 구현하는 적어도 하나의 제1 뉴로모픽 소자를 포함하는 인공 시냅스부 및 상기 인공 시냅스부와 전기적으로 연결되고, 인가되는 전압에 기반한 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 이하인 경우에 휘발성에 따른 인공 뉴런의 적분 특성을 구현하는 적어도 하나의 제2 뉴로모픽 소자를 포함하여 적분 동작 및 발화 동작을 수행하는 인공 뉴런부를 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the neuromorphic system implements artificial synapse characteristics according to non-volatility when the magnitude of the maximum current density based on the applied voltage exceeds 400 A / cm 2 and is less than 2000 A / cm 2 An artificial synaptic unit including at least one first neuromorphic element and an artificial neuron electrically connected to the artificial synaptic unit and subject to volatility when a maximum current density based on an applied voltage is 400 A/cm 2 or less. It may include an artificial neuron unit that performs an integration operation and an ignition operation by including at least one second neuromorphic element that implements an integration characteristic of .

본 발명의 일실시예에 따르면 뉴로모픽 시스템은 상기 수행된 발화 동작에 기반한 발화 신호를 감지하여 상기 인공 시냅스부의 전도도(conductance)를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the neuromorphic system may further include a control unit that controls conductance of the artificial synaptic unit by detecting a firing signal based on the performed firing motion.

상기 적어도 하나의 제2 뉴로모픽 소자는 제1 전극, 상기 제1 전극과 대향 배치된 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에서 게르마늄 황화물(GeS2)로 형성되는 스위칭층 및 상기 스위칭층과 상기 제1 전극 사이에서 구리 텔루라이드(CuTe)로 형성되어 상기 스위칭층 내 금속 이온의 표류 및 확산 중 어느 하나를 제어하는 소스층을 포함하고, 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 이하에서 상기 제1 전극을 통해 추가 전압이 인가되지 않는 경우, 상기 스위칭층 내 상기 확산에 의해 저항이 초기 상태로 돌아오는 셀프 리셋되는 휘발성을 나타낼 수 있다.The at least one second neuromorphic device includes a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode, a switching layer formed of germanium sulfide (GeS 2 ) between the first electrode and the second electrode, and A source layer formed of copper telluride (CuTe) between the switching layer and the first electrode to control any one of drift and diffusion of metal ions in the switching layer, wherein the maximum current density is 400 A When an additional voltage is not applied through the first electrode at /cm 2 or less, self-reset volatility in which resistance returns to an initial state due to the diffusion in the switching layer may be exhibited.

상기 적어도 하나의 제2 뉴로모픽 소자는 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 이하에서 상기 제1 전극을 통해 인가되는 전압의 크기가 증가되면 상기 인공 뉴런의 적분 특성과 관련된 전류의 크기가 증가하고, 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 이하에서 상기 제1 전극을 통해 인가되는 전압의 펄스폭이 증가하는 경우에 상기 인공 뉴런의 적분 특성과 관련된 출력 전류의 크기가 증가하며, 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 이하에서 상기 제1 전극을 통해 인가되는 전압의 펄스 간격이 증가하는 경우에 상기 인공 뉴런의 적분 특성과 관련된 출력 전류의 크기가 감소할 수 있다.In the at least one second neuromorphic device, when the magnitude of the voltage applied through the first electrode increases when the magnitude of the maximum current density is 400 A/cm 2 or less, the magnitude of current related to the integral characteristics of the artificial neuron increases, and when the pulse width of the voltage applied through the first electrode increases when the magnitude of the maximum current density is 400 A / cm 2 or less, the magnitude of the output current related to the integral characteristic of the artificial neuron increases, , When the maximum current density is 400 A/cm 2 or less and the pulse interval of the voltage applied through the first electrode increases, the magnitude of the output current related to the integration characteristics of the artificial neuron may decrease.

상기 적어도 하나의 제1 뉴로모픽 소자는 제1 전극, 상기 제1 전극과 대향 배치된 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에서 게르마늄 황화물(GeS2)로 형성되는 스위칭층 및 상기 스위칭층과 상기 제1 전극 사이에서 구리 텔루라이드(CuTe)로 형성되어 상기 스위칭층 내 금속 이온의 표류 및 확산 중 어느 하나를 제어하는 소스층을 포함하고, 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하에서 상기 제1 전극을 통해 추가 전압이 인가되지 않는 경우, 셀프 리셋되지 않는 비휘발성을 나타낼 수 있다.The at least one first neuromorphic device includes a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode, a switching layer formed of germanium sulfide (GeS 2 ) between the first electrode and the second electrode, and A source layer formed of copper telluride (CuTe) between the switching layer and the first electrode to control any one of drift and diffusion of metal ions in the switching layer, wherein the maximum current density is 400 A / cm 2 and less than 2000 A/cm 2 , when no additional voltage is applied through the first electrode, non-volatility that is not self-reset may be exhibited.

상기 적어도 하나의 제1 뉴로모픽 소자는 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하에서 동일한 펄스폭, 크기 및 펄스 간격의 전압이 상기 제1 전극을 통해 반복적으로 인가되는 횟수에 기반하여 일정 시간 이후에 출력 전류의 크기가 초기 전류 크기로 감소되는 단기 메모리 동작 및 상기 일정 시간 이후에 출력 전류의 크기가 유지되는 장기 메모리 동작 중 어느 하나의 메모리 동작을 수행할 수 있다.In the at least one first neuromorphic device, a voltage having the same pulse width, size, and pulse interval is applied through the first electrode when the maximum current density exceeds 400 A/cm 2 and is 2000 A/cm 2 or less. Performs any one of a short-term memory operation in which the output current size is reduced to the initial current size after a certain period of time based on the number of times of repetitive application and a long-term memory operation in which the output current level is maintained after a certain period of time can do.

상기 적어도 하나의 제1 뉴로모픽 소자는 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하에서 동일한 펄스폭, 크기 및 펄스 간격의 전압이 상기 제1 전극을 통해 반복적으로 인가되는 경우에 출력 전류의 크기가 반복적으로 증가하는 쌍펄스 촉진 특성을 나타낼 수 있다.In the at least one first neuromorphic device, a voltage having the same pulse width, size, and pulse interval is applied through the first electrode when the maximum current density exceeds 400 A/cm 2 and is 2000 A/cm 2 or less. When repeatedly applied, the output current may exhibit a dual-pulse acceleration characteristic in which the magnitude of the output current repeatedly increases.

일실시예에 따르면, 본 발명은 멤리스터 소자를 사용하여 인간의 뇌에서 기억 및 정보전달을 담당하는 생물학적 시냅스(synapse) 특성 및 생물학적 뉴런(neuron) 특성을 모두 구현하는 뉴로모픽 소자를 제공할 수 있다.According to one embodiment, the present invention provides a neuromorphic device that implements both biological synapse characteristics and biological neuron characteristics responsible for memory and information transmission in the human brain by using a memristor device. can

본 발명은 하나의 멤리스터 소자를 이용하여 생물학적 시냅스(synapse) 특성 및 생물학적 뉴런(neuron) 특성을 모두 구현함에 따라 하드웨어 기반 인공 뉴런 및 시냅스 소자 어레이 제작 시 사용하는 물질의 종류가 대폭 감소하여 공정의 단순화를 이룰 수 있다.As the present invention implements both biological synapse characteristics and biological neuron characteristics using a single memristor device, the types of materials used in the fabrication of hardware-based artificial neurons and synaptic device arrays are greatly reduced, thereby reducing the process simplification can be achieved.

본 발명은 멤리스터 소자를 이용하여 인간 뇌의 시냅스 특성인 쌍 펄스 촉진 및 단기기억에서 장기기억으로 변화되는 특성을 확보할 수 있다.According to the present invention, by using a memristor device, it is possible to secure the characteristics of synaptic properties of the human brain, such as facilitation of paired pulses and the change from short-term memory to long-term memory.

본 발명은 4F2 이하의 사이즈를 갖는 CuTe 및 GeS2 기반의 멤리스터 소자를 이용하여 뉴로모픽 소자 구현의 집적도 문제 및 CMOS 공정 호환성 문제를 함께 해결할 수 있다.The present invention can solve both the integration problem and the CMOS process compatibility problem of implementing a neuromorphic device using a memristor device based on CuTe and GeS 2 having a size of 4F 2 or less.

본 발명은 멤리스터 소자를 사용하여 생물학적 시냅스(synapse) 특성 및 생물학적 뉴런(neuron) 특성을 모두 구현하는 뉴로모픽 소자를 이용한 뉴로모픽 시스템을 제공할 수 있다.The present invention can provide a neuromorphic system using a neuromorphic device that implements both biological synapse characteristics and biological neuron characteristics using a memristor device.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 멤리스터 소자 기반의 뉴로모픽 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 멤리스터 소자 기반의 뉴로모픽 소자의 전기적 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자를 이용한 뉴로모픽 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자를 이용한 인공 뉴런 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자의 인공 뉴런 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자의 인공 시냅스 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 멤리스터 소자 기반의 인공 시냅스 소자를 이용한 인공 시냅스 소자 어레이를 설명하는 도면이다.
1 is a diagram for explaining a neuromorphic device based on a memristor device according to an embodiment of the present invention.
2A and 2B are diagrams for explaining electrical characteristics of a neuromorphic device based on a memristor device according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram for explaining a neuromorphic system using a neuromorphic device according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram for explaining an artificial neuron circuit using a neuromorphic device according to an embodiment of the present invention.
5 to 6B are diagrams for explaining the characteristics of an artificial neuron of a neuromorphic device according to an embodiment of the present invention.
7A to 9 are views for explaining artificial synapse characteristics of a neuromorphic device according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram illustrating an artificial synaptic element array using a memristor element-based artificial synaptic element according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 문서의 다양한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다.Hereinafter, various embodiments of this document will be described with reference to the accompanying drawings.

실시 예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Examples and terms used therein are not intended to limit the technology described in this document to specific embodiments, and should be understood to include various modifications, equivalents, and/or substitutes of the embodiments.

하기에서 다양한 실시 예들을 설명에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the following description of various embodiments, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the invention, the detailed description will be omitted.

그리고 후술되는 용어들은 다양한 실시 예들에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In addition, terms to be described below are terms defined in consideration of functions in various embodiments, and may vary according to intentions or customs of users or operators. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification.

도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.In connection with the description of the drawings, like reference numerals may be used for like elements.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.Singular expressions may include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

본 문서에서, "A 또는 B" 또는 "A 및/또는 B 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다.In this document, expressions such as "A or B" or "at least one of A and/or B" may include all possible combinations of the items listed together.

"제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째," 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다.Expressions such as "first," "second," "first," or "second," may modify the corresponding components regardless of order or importance, and are used to distinguish one component from another. It is used only and does not limit the corresponding components.

어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.When a (e.g., first) component is referred to as being "(functionally or communicatively) connected" or "connected" to another (e.g., second) component, a component refers to said other component. It may be directly connected to the element or connected through another component (eg, a third component).

본 명세서에서, "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한," "~하는 능력을 가지는," "~하도록 변경된," "~하도록 만들어진," "~를 할 수 있는," 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(interchangeably) 사용될 수 있다.In this specification, "configured to (or configured to)" means "suitable for," "having the ability to," "changed to" depending on the situation, for example, hardware or software ," can be used interchangeably with "made to," "capable of," or "designed to."

어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다.In some contexts, the expression "device configured to" can mean that the device is "capable of" in conjunction with other devices or components.

예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.For example, the phrase "a processor configured (or configured) to perform A, B, and C" may include a dedicated processor (eg, embedded processor) to perform the operation, or by executing one or more software programs stored in a memory device. , may mean a general-purpose processor (eg, CPU or application processor) capable of performing corresponding operations.

또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or' 를 의미한다.Also, the term 'or' means 'inclusive or' rather than 'exclusive or'.

즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.That is, unless otherwise stated or clear from the context, the expression 'x employs a or b' means any one of the natural inclusive permutations.

상술한 구체적인 실시 예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다.In the above-described specific embodiments, components included in the invention are expressed in singular or plural numbers according to the specific embodiments presented.

그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시 예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.However, singular or plural expressions are selected appropriately for the presented situation for convenience of explanation, and the above-described embodiments are not limited to singular or plural components, and even components expressed in plural are composed of a singular number or , Even components expressed in the singular can be composed of plural.

한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시 예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.Meanwhile, in the description of the invention, specific embodiments have been described, but various modifications are possible without departing from the scope of the technical idea contained in the various embodiments.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments and should not be defined, but should be defined by not only the claims to be described later, but also those equivalent to these claims.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 멤리스터 소자 기반의 뉴로모픽 소자를 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram for explaining a neuromorphic device based on a memristor device according to an embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 멤리스터(memristor) 소자 기반의 뉴로모픽(neuromorphic) 소자의 구조 및 동작을 예시한다.1 illustrates the structure and operation of a neuromorphic device based on a memristor device according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자(100)는 제2 전극(110), 스위칭층(120), 소스층(130) 및 제1 전극(140)을 포함한다.Referring to FIG. 1 , a neuromorphic device 100 according to an embodiment of the present invention includes a second electrode 110, a switching layer 120, a source layer 130, and a first electrode 140. .

일례로, 뉴로모픽 소자(100)는 제1 전극(140), 제1 전극(140)과 대향 배치된 제2 전극(110), 제1 전극(140)과 제2 전극(110) 사이에서 비정질 물질로 형성되는 스위칭층(120) 및 스위칭층(120)과 제1 전극(140) 사이에서 합금 물질로 형성되고, 스위칭층(120) 내 금속 이온의 표류(drift) 및 확산(diffusion) 중 어느 하나를 제어하는 소스층(130)을 포함한다.For example, the neuromorphic device 100 includes a first electrode 140, a second electrode 110 disposed opposite to the first electrode 140, and between the first electrode 140 and the second electrode 110. Between the switching layer 120 formed of an amorphous material and the switching layer 120 and the first electrode 140 formed of an alloy material, during drift and diffusion of metal ions in the switching layer 120 It includes a source layer 130 that controls either one.

예를 들어, 스위칭층(120) 내 금속 이온의 표류(drift) 및 확산(diffusion) 중 어느 하나는 제1 전극(140)을 통해 인가되는 전압이 셋 전압인지 리셋 전압인지에 따라 제어될 수 있다.For example, either drift or diffusion of metal ions in the switching layer 120 may be controlled according to whether a voltage applied through the first electrode 140 is a set voltage or a reset voltage. .

본 발명의 일실시예에 따르면 뉴로모픽 소자(100)는 제1 전극(140)을 통해 인가되는 전압에 기반한 최대 전류 밀도(max current density)의 크기에 따라 휘발성(volatile)에 따른 인공 뉴런의 적분 특성 및 비휘발성(non-volatile)에 따른 인공 시냅스 특성 중 어느 하나의 특성을 구현할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the neuromorphic device 100 generates an artificial neuron according to volatility according to the magnitude of the maximum current density based on the voltage applied through the first electrode 140. Any one of artificial synapse characteristics according to integration characteristics and non-volatile characteristics may be implemented.

즉, 뉴로모픽 소자(100)는 하나의 소자로 휘발성(volatile)에 따른 인공 뉴런의 적분 특성 및 비휘발성(non-volatile)에 따른 인공 시냅스 특성을 모두 구현할 수 있다.That is, the neuromorphic device 100 can implement both integral characteristics of an artificial neuron according to volatility and characteristics of an artificial synapse according to non-volatility with one device.

일례로, 뉴로모픽 소자(100)는 최대 전류 밀도(max current density)의 크기가 400 A/cm2 이하에서 인공 뉴런의 적분 특성을 구현하고, 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하에서 인공 시냅스 특성을 구현할 수 있다.As an example, the neuromorphic device 100 implements the integrated characteristics of artificial neurons at a maximum current density of 400 A/cm 2 or less, and has a maximum current density of 400 A/cm 2 . and 2000 A/cm 2 or less can implement artificial synaptic properties.

여기서, 최대 전류 밀도의 크기에 따른 인공 뉴런의 특성 및 인공 시냅스의 특성 구현은 도 2a 및 도 2b를 이용하여 보충설명 한다.Here, the characteristics of the artificial neuron and the implementation of the characteristics of the artificial synapse according to the magnitude of the maximum current density will be supplementarily described using FIGS. 2A and 2B.

본 발명의 일실시예에 따르면 제1 전극(140) 및 제2 전극(110)은 30 nm의 두께를 가지고, 스위칭층(120) 및 소스층(130)은 10 nm의 두께를 가질 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the first electrode 140 and the second electrode 110 may have a thickness of 30 nm, and the switching layer 120 and the source layer 130 may have a thickness of 10 nm.

일례로, 뉴로모픽 소자(100)는 제1 전극(140), 제2 전극(110), 스위칭층(120) 및 소스층(130)의 형성 구조에서 크로스바 타입(crossbar-type)의 멤리스터(memristor) 구조를 이룰 수 있다.For example, the neuromorphic device 100 includes a crossbar-type memristor in the formation structure of the first electrode 140, the second electrode 110, the switching layer 120, and the source layer 130. (memristor) structure.

또한, 뉴로모픽 소자(100)는 5㎛ × 5㎛ 셀 사이즈(size)를 갖는 크로스바 타입(crossbar-type)의 멤리스터(memristor) 구조일 수 있다.In addition, the neuromorphic device 100 may have a crossbar-type memristor structure having a cell size of 5 μm × 5 μm.

본 발명의 일실시예에 따르면 스위칭층은 게르마늄 황화물(GeS2)을 포함하는 비정질 물질로 형성되고, 소스층은 구리 텔루라이드(CuTe)를 포함하는 합금 물질로 형성될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the switching layer may be formed of an amorphous material including germanium sulfide (GeS 2 ), and the source layer may be formed of an alloy material including copper telluride (CuTe).

일례로, 제1 전극(140) 및 제2 전극(110)은 백금(Pt), 텅스텐(W), 타이타늄 나이트라이드(TiN), 탄탈럼 나이트라이드(TaN), 금(Au), 루비듐(Ru), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd), 타이타늄(Ti), 하프늄(Hf), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 중 선택되는 적어도 어느 하나 금속 물질로 형성될 수 있다.For example, the first electrode 140 and the second electrode 110 may include platinum (Pt), tungsten (W), titanium nitride (TiN), tantalum nitride (TaN), gold (Au), and rubidium (Ru). ), iridium (Ir), palladium (Pd), titanium (Ti), hafnium (Hf), molybdenum (Mo) and niobium (Nb) may be formed of at least one metal material selected from among.

바람직하게는, 제1 전극(140) 및 제2 전극(110)은 타이타늄(Ti)으로 형성될 수 있다.Preferably, the first electrode 140 and the second electrode 110 may be formed of titanium (Ti).

예를 들어, 제1 전극(140)은 상부 전극(top electrode, TE)으로 지칭되고, 제2 전극(110)은 하부 전극(bottom electrode, BE)으로 지칭될 수 있다.For example, the first electrode 140 may be referred to as a top electrode (TE), and the second electrode 110 may be referred to as a bottom electrode (BE).

본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자(100)는 밴드갭이 큰 비정질의 게르마늄 황화물(GeS2)을 스위칭 층으로 활용하여 초기에 높은 저항 값을 가지며, 구리(Cu)와 같은 금속 필라멘트(filament)가 생성된 후 빠르게 셀프 확산(self-diffusion)되는 휘발성 특성을 나타낼 수 있다.The neuromorphic device 100 according to an embodiment of the present invention utilizes amorphous germanium sulfide (GeS 2 ) with a large band gap as a switching layer to have a high resistance value initially, and a metal filament such as copper (Cu). After the filament is generated, it may exhibit volatile characteristics of self-diffusion.

또한, 뉴로모픽 소자(100)는 점진적인(gradual) 전류-전압 특성을 확보하기 위해 소스층(120)을 구리(Cu)가 아닌 구리 텔루라이드(CuTe)을 사용하여 구리가 게르마늄 황화물(GeS2)로 형성된 스위칭 층 내에 표류(drift) 및 확산(diffusion)되는 양을 제어할 수 있다.In addition, the neuromorphic device 100 uses copper telluride (CuTe) instead of copper (Cu) for the source layer 120 to secure gradual current-voltage characteristics, so that copper is germanium sulfide (GeS 2 ) . It is possible to control the amount of drift and diffusion in the switching layer formed of ).

본 발명의 일실시예에 따르면 뉴로모픽 소자(100)는 제1 전극(140)을 통해 전압이 인가됨에 따라 금속 필라멘트가 점진적으로 스위칭층(120) 내 생성됨에 따라 전도도(conductance)가 점진적으로 변화하는 특성을 나타낼 수 있다.According to one embodiment of the present invention, in the neuromorphic device 100, as a voltage is applied through the first electrode 140, metal filaments are gradually generated in the switching layer 120, and thus conductance gradually increases. characteristics that may change.

일례로, 뉴로모픽 소자(100)는 컴플라이언스 전류(compliance current)를 500 μA까지 증가시켜 금속 필라멘트의 굴기를 증가시킬 수 있다. For example, the neuromorphic device 100 may increase the bending of the metal filament by increasing the compliance current to 500 μA.

이를 통해 뉴로모픽 소자(100)는 셀프 확산되는 구리 원자(Cu atom)의 움직임을 제어해 비휘발성 특성을 갖는 메모리 소자로 구현될 수 있다.Through this, the neuromorphic device 100 can be implemented as a memory device having non-volatile characteristics by controlling the movement of self-diffusing Cu atoms.

또한, 뉴로모픽 소자(100)는 인간 뇌의 시냅스 특성에 해당하는 쌍펄스 촉진(paired pulse facilitation, PPF) 및 단기기억(short-term memory)에서 장기기억(long-term memory)으로 변환되는 특성을 나타낼 수 있다.In addition, the neuromorphic device 100 is characterized by conversion from paired pulse facilitation (PPF) and short-term memory to long-term memory corresponding to the synaptic characteristics of the human brain can represent

본 발명의 일실시예에 따르면 뉴로모픽 소자(100)는 멤리스터 소자일 수 있고, 인공 시냅스 소자 또는 인공 뉴런 소자로 동작될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the neuromorphic device 100 may be a memristor device and may be operated as an artificial synaptic device or an artificial neuron device.

이에 따라 본 발명은 멤리스터 소자를 사용하여 인간의 뇌에서 기억 및 정보전달을 담당하는 생물학적 시냅스(synapse) 특성 및 생물학적 뉴런(neuron) 특성을 모두 구현하는 뉴로모픽 소자를 제공할 수 있다.Accordingly, the present invention can provide a neuromorphic device that implements both biological synapse characteristics and biological neuron characteristics responsible for memory and information transmission in the human brain by using a memristor device.

또한, 본 발명은 4F2 이하의 사이즈를 갖는 CuTe 및 GeS2 기반의 멤리스터 소자를 이용하여 뉴로모픽 소자 구현의 집적도 문제 및 CMOS 공정 호환성 문제를 함께 해결할 수 있다.In addition, the present invention can solve both the integration problem and the CMOS process compatibility problem of implementing a neuromorphic device using a memristor device based on CuTe and GeS 2 having a size of 4F 2 or less.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 멤리스터 소자 기반의 뉴로모픽 소자의 전기적 특성을 설명하기 위한 도면이다.2A and 2B are diagrams for explaining electrical characteristics of a neuromorphic device based on a memristor device according to an embodiment of the present invention.

도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 멤리스터 소자 기반의 뉴로모픽 소자의 인공 뉴런 특성과 관련된 전기적 특성을 예시하고, 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 멤리스터 소자 기반의 뉴로모픽 소자의 인공 시냅스 특성과 관련된 전기적 특성을 예시한다.2A illustrates electrical characteristics related to artificial neuron characteristics of a neuromorphic device based on a memristor device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2B illustrates a neuromorphic device based on a memristor device according to an embodiment of the present invention. The electrical characteristics related to the artificial synaptic characteristics of the pick device are exemplified.

도 2a의 그래프(200)를 참고하면, 뉴로모픽 소자에 인가되는 전압에 기반한 최대 전류 밀도(max current density)가 400 A/cm2 인 경우에 전류 및 전압 특성을 나타낸다.Referring to the graph 200 of FIG. 2A , current and voltage characteristics are shown when the maximum current density based on the voltage applied to the neuromorphic device is 400 A/cm 2 .

전류 밀도(current density)가 400 A/cm2 이하에서는 셀프 리셋(self-reset)되는 특성을 나타내는데 셀프 리셋되는 특성은 휘발성(volatile) 특성과 관련될 수 있다.A current density of 400 A/cm 2 or less exhibits a self-reset characteristic, and the self-reset characteristic may be related to a volatile characteristic.

여기서, 셀프 리셋은 뉴로모픽 소자의 스위칭층 내 금속 필라멘트가 얇게 형성되어 전원이 꺼져 있을 경우 확산(diffusion)에 의해 뉴로모픽 소자의 저항이 초기상태로 돌아오는 현상을 지칭한다.Here, self-reset refers to a phenomenon in which resistance of a neuromorphic device returns to an initial state by diffusion when a thin metal filament is formed in a switching layer of the neuromorphic device and the power is turned off.

또한, 전원이 꺼져 있는 경우는 제1 전극을 통해 뉴로모픽 소자에 전압이 인가되지 않는 경우에 해당할 수 있다.In addition, when the power is turned off, it may correspond to a case where no voltage is applied to the neuromorphic element through the first electrode.

또한, 뉴로모픽 소자는 컴플라이언스 전류가 100 μA 이하인 경우에는 약 1.20 V의 포밍(forming) 전압을 나타내고, 약 1.10V의 셋 전압을 나타내며, 약 2.39 × 104의 선택 비를 갖는 휘발성의 특성을 나타낼 수 있다.In addition, when the compliance current is 100 μA or less, the neuromorphic device exhibits a forming voltage of about 1.20 V, a set voltage of about 1.10 V, and a volatile characteristic with a selectivity of about 2.39 × 10 4 can indicate

본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자는 최대 전류 밀도(max current density)의 크기가 400 A/cm2 이하에서 상기 인공 뉴런의 적분 특성을 구현할 수 있다.The neuromorphic device according to an embodiment of the present invention may implement the integrated characteristics of the artificial neuron at a maximum current density of 400 A/cm 2 or less.

일례로, 뉴로모픽 소자는 최대 전류 밀도(max current density)의 크기가 400 A/cm2 이하에서 상기 제1 전극을 통해 추가 전압이 인가되지 않는 경우, 스위칭층 내 확산(diffusion)에 의해 저항이 초기 상태로 돌아오는 셀프 리셋(self-reset)되는 휘발성(volatile)을 나타낼 수 있다.For example, the neuromorphic device resists by diffusion in the switching layer when no additional voltage is applied through the first electrode at a maximum current density of 400 A/cm 2 or less. This may indicate self-reset volatility that returns to the initial state.

도 2b의 그래프(210)를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자에 인가되는 전압에 기반한 최대 전류 밀도(max current density)가 2000 A/cm2 인 경우에 전류 및 전압 특성을 나타낸다.Referring to the graph 210 of FIG. 2B, current and voltage characteristics when the maximum current density based on the voltage applied to the neuromorphic device according to an embodiment of the present invention is 2000 A/cm 2 indicates

일례로, 뉴로모픽 소자는 최대 전류 밀도가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하인 경우에 셀프 리셋(self-reset)이 아닌 메모리 특성으로서 비휘발성(non-volatile)을 나타낼 수 있다.For example, the neuromorphic device may exhibit non-volatile as a memory characteristic rather than self-reset when the maximum current density exceeds 400 A/cm 2 and is less than 2000 A/cm 2 . there is.

다시 말해, 뉴로모픽 소자는 최대 전류 밀도(max current density)의 크기가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하에서 제1 전극을 통해 추가 전압이 인가되지 않는 경우, 셀프 리셋(self-reset)되지 않는 비휘발성(non-volatile)을 나타낼 수 있다.In other words, the neuromorphic device self-resets when the maximum current density exceeds 400 A/cm 2 and no additional voltage is applied through the first electrode at 2000 A/cm 2 or less. It can indicate non-volatile that is not self-reset.

본 발명의 일실시예에 따르면 뉴로모픽 소자는 컴플라이언스 전류(compliance current)가 100 μA를 초과하는 경우에는 약 2.24 V 의 포밍(forming ) 전압, 약 1.25 V의 셋 전압, 약 -1.0 V의 리셋(reset) 전압, 그리고 약 2.71 Х 101 의 메모리 마진을 갖는 비휘발성 특성을 나타낼 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the neuromorphic device has a forming voltage of about 2.24 V, a set voltage of about 1.25 V, and a reset of about -1.0 V when the compliance current exceeds 100 μA. (reset) voltage, and non-volatile characteristics with a memory margin of about 2.71 Х 10 1 .

일례로, 뉴로모픽 소자는 최대 전류 밀도(max current density)가 400 A/cm2 이하에서 휘발성을 가지는 멤리스터 소자로서 인공 뉴런의 적분 특성을 모방할 수 있다.For example, the neuromorphic device is a memristor device having volatility at a maximum current density of 400 A/cm 2 or less, and may mimic the integral characteristics of an artificial neuron.

또한, 뉴로모픽 소자는 최대 전류 밀도가 2000 A/cm2 인 메모리 특성을 가지고 인공 시냅스 특성을 모방할 수 있다.In addition, the neuromorphic device has memory characteristics of a maximum current density of 2000 A/cm 2 and may mimic artificial synapse characteristics.

예를 들어, 뉴로모픽 소자는 같은 구조의 소자를 가지고 최대 전류 밀도(max current density)를 조절에 따라 뉴런 특성과 시냅스 특성을 모두 구현할 수 있다.For example, a neuromorphic device can implement both neuron characteristics and synaptic characteristics by adjusting a maximum current density using devices having the same structure.

따라서, 본 발명은 하나의 멤리스터 소자를 이용하여 생물학적 시냅스(synapse) 특성 및 생물학적 뉴런(neuron) 특성을 모두 구현함에 따라 하드웨어 기반 인공 뉴런 및 시냅스 소자 어레이 제작 시 사용하는 물질의 종류가 대폭 감소하여 공정의 단순화를 이룰 수 있다.Therefore, as the present invention implements both biological synapse characteristics and biological neuron characteristics using a single memristor device, the types of materials used in the fabrication of hardware-based artificial neurons and synaptic device arrays are greatly reduced. The simplification of the process can be achieved.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자를 이용한 뉴로모픽 시스템을 설명하기 위한 도면이다.3 is a diagram for explaining a neuromorphic system using a neuromorphic device according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자를 이용하여 인공 시냅스부 및 인공 뉴런부를 구현하고, 제어부를 통해 인공 시냅스부의 전도도(conductance)를 업데이트하는 구성을 예시한다.3 illustrates a configuration in which an artificial synapse unit and an artificial neuron unit are implemented using a neuromorphic device according to an embodiment of the present invention, and conductance of the artificial synapse unit is updated through a control unit.

도 3을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 시스템(300)은 인공 시냅스부(310), 컨버터부(320), 인공 뉴런부(330) 및 제어부(340)를 포함한다.Referring to FIG. 3 , a neuromorphic system 300 according to an embodiment of the present invention includes an artificial synapse unit 310, a converter unit 320, an artificial neuron unit 330, and a control unit 340.

본 발명의 일실시예에 따르면 뉴로모픽 시스템(300)은 전압 형태의 입력 스파이크 신호(input spike signal)이 인공 시냅스부(310)에 인가되면 전류가 출력되고, 출력된 전류는 컨버터부(320)를 통해 전압으로 변환되며, 변환된 전압이 인공 뉴런부(330)에 인가되면서 적분(integrate) 동작 및 발화(fire) 동작을 수행하고, 발화(fire) 동작에 기반한 신호가 제어부(340)로 피드백(feedback)되며, 제어부(340)는 발화(fire) 동작에 기반한 신호에 따라 인공 시냅스부(310)의 전도도를 증가(potentiation)시키거나 감소(depression)시킨다.According to one embodiment of the present invention, in the neuromorphic system 300, when an input spike signal in the form of a voltage is applied to the artificial synapse unit 310, current is output, and the output current is converted to the converter unit 320. ), and the converted voltage is applied to the artificial neuron unit 330 to perform an integral operation and a fire operation, and a signal based on the fire operation is sent to the control unit 340. Feedback is given, and the control unit 340 increases (potentiation) or decreases (depression) the conductivity of the artificial synapse unit 310 according to a signal based on a fire operation.

일례로, 뉴로모픽 시스템(300)은 인공 뉴런부(330)에 인가되면서 적분(integrate) 동작 및 발화(fire) 동작을 수행하고, 발화(fire) 동작에 기반한 신호를 출력 스파이크 신호(output spike signal)로 출력할 수 있다.For example, the neuromorphic system 300 performs an integral operation and a fire operation while being applied to the artificial neuron unit 330, and outputs a signal based on the fire operation to an output spike signal. signal) can be output.

본 발명의 일실시예에 따르면 인공 시냅스부(310)는 인가되는 전압에 기반한 최대 전류 밀도(max current density)의 크기가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하인 경우에 비휘발성(non-volatile)에 따른 인공 시냅스 특성을 구현하는 적어도 하나의 제1 뉴로모픽 소자를 포함할 수 있다. 여기서, 인가되는 전압은 전압 형태의 입력 스파이크 신호(input spike signal)일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the artificial synaptic unit 310 is non-volatile when the magnitude of the maximum current density based on the applied voltage exceeds 400 A/cm 2 and is 2000 A/cm 2 or less ( It may include at least one first neuromorphic element implementing artificial synaptic characteristics according to non-volatile). Here, the applied voltage may be an input spike signal in the form of a voltage.

일례로, 인공 뉴런부(330)는 인가되는 전압에 기반한 최대 전류 밀도(max current density)의 크기가 400 A/cm2 이하인 경우에 휘발성(volatile)에 따른 인공 뉴런의 적분 특성을 구현하는 적어도 하나의 제2 뉴로모픽 소자를 포함하여 적분(integrate) 동작 및 발화(fire) 동작을 수행할 수 있다. 여기서, 인가되는 전압은 컨버터부(320)를 통해 인공 시냅스부(310)에서 출력된 전류가 변환된 전압일 수 있다.As an example, the artificial neuron unit 330 implements the integral characteristics of the artificial neuron according to volatile when the maximum current density (max current density) based on the applied voltage is 400 A / cm 2 or less At least one Including the second neuromorphic element of the integrated (integrate) operation and ignition (fire) operation can be performed. Here, the applied voltage may be a voltage obtained by converting a current output from the artificial synapse unit 310 through the converter unit 320 .

본 발명의 일실시예에 따르면 제어부(340)는 인공 뉴런부(330)에서 수행된 발화(fire) 동작에 기반한 발화 신호를 감지하여 인공 시냅스부(310)의 전도도(conductance)를 제어할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the control unit 340 can control the conductance of the artificial synaptic unit 310 by detecting a fire signal based on a fire operation performed by the artificial neuron unit 330. .

예를 들어, 인공 시냅스부(310)는 제어된 전도도에 따른 전류를 출력할 수 있다.For example, the artificial synapse unit 310 may output current according to the controlled conductivity.

일례로, 적어도 하나의 제2 뉴로모픽 소자는 제1 전극, 제1 전극과 대향 배치된 제2 전극, 제1 전극과 제2 전극 사이에서 게르마늄 황화물(GeS2)로 형성되는 스위칭층 및 스위칭층과 제1 전극 사이에서 구리 텔루라이드(CuTe)로 형성되어 스위칭층 내 금속 이온의 표류(drift) 및 확산(diffusion) 중 어느 하나를 제어하는 소스층을 포함하고, 최대 전류 밀도(max current density)의 크기가 400 A/cm2 이하에서 제1 전극을 통해 추가 전압이 인가되지 않는 경우, 스위칭층 내 상기 확산에 의해 저항이 초기 상태로 돌아오는 셀프 리셋(self-reset)되는 휘발성(volatile)을 나타낼 수 있다.For example, the at least one second neuromorphic device includes a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode, a switching layer formed of germanium sulfide (GeS 2 ) between the first electrode and the second electrode, and a switching layer. A source layer formed of copper telluride (CuTe) between the layer and the first electrode to control either drift or diffusion of metal ions in the switching layer, and a maximum current density ) When no additional voltage is applied through the first electrode at a size of 400 A / cm 2 or less, the resistance returns to the initial state by the diffusion in the switching layer Self-reset volatile (volatile) can represent

본 발명의 일실시예에 따르면 적어도 하나의 제2 뉴로모픽 소자는 최대 전류 밀도(max current density)의 크기가 400 A/cm2 이하에서 제1 전극을 통해 인가되는 전압의 크기(amplitude)가 증가되면 인공 뉴런의 적분 특성과 관련된 전류의 크기가 증가하고, 최대 전류 밀도(max current density)의 크기가 400 A/cm2 이하에서 제1 전극을 통해 인가되는 전압의 펄스폭(pulse width)이 증가하는 경우에 인공 뉴런의 적분 특성과 관련된 출력 전류의 크기가 증가하며, 최대 전류 밀도(max current density)의 크기가 400 A/cm2 이하에서 제1 전극을 통해 인가되는 전압의 펄스 간격(pulse interval)이 증가하는 경우에 인공 뉴런의 적분 특성과 관련된 출력 전류의 크기가 감소할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, at least one second neuromorphic device has a maximum current density of 400 A/cm 2 or less, and the amplitude of the voltage applied through the first electrode is When it is increased, the magnitude of the current related to the integration characteristics of the artificial neuron increases, and the pulse width of the voltage applied through the first electrode increases when the maximum current density is 400 A/cm 2 or less. When it increases, the magnitude of the output current related to the integral characteristics of the artificial neuron increases, and the pulse interval (pulse interval) of the voltage applied through the first electrode when the magnitude of the maximum current density is 400 A/cm 2 or less interval) may decrease the magnitude of the output current related to the integral characteristics of the artificial neuron.

일례로, 적어도 하나의 제1 뉴로모픽 소자는 제1 전극, 제1 전극과 대향 배치된 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에서 게르마늄 황화물(GeS2)로 형성되는 스위칭층 및 스위칭층과 제1 전극 사이에서 구리 텔루라이드(CuTe)로 형성되어 스위칭층 내 금속 이온의 표류(drift) 및 확산(diffusion) 중 어느 하나를 제어하는 소스층을 포함하고, 최대 전류 밀도(max current density)의 크기가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하에서 제1 전극을 통해 추가 전압이 인가되지 않는 경우, 셀프 리셋(self-reset)되지 않는 비휘발성(non-volatile)을 나타낼 수 있다.For example, at least one first neuromorphic device includes a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode, and a switching layer formed of germanium sulfide (GeS 2 ) between the first electrode and the second electrode. and a source layer formed of copper telluride (CuTe) between the switching layer and the first electrode to control any one of drift and diffusion of metal ions in the switching layer, wherein the maximum current density (max current density) exceeds 400 A/cm 2 and no additional voltage is applied through the first electrode at 2000 A/cm 2 or less, non-volatile that does not self-reset can represent

본 발명의 일실시예에 따르면 적어도 하나의 제1 뉴로모픽 소자는 최대 전류 밀도(max current density)의 크기가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하에서 동일한 펄스폭(pulse width), 크기(amplitude) 및 펄스 간격(pulse interval)의 전압이 제1 전극을 통해 반복적으로 인가되는 횟수에 기반하여 일정 시간 이후에 출력 전류의 크기가 초기 전류 크기로 감소되는 단기 메모리(short term memory) 동작 및 일정 시간 이후에 출력 전류의 크기가 유지되는 장기 메모리(long term memory) 동작 중 어느 하나의 메모리 동작을 수행할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, at least one first neuromorphic device has a maximum current density exceeding 400 A/cm 2 and a pulse width equal to or less than 2000 A/cm 2 . ), magnitude (amplitude), and short term memory in which the magnitude of the output current is reduced to the initial current magnitude after a certain time based on the number of times the voltage of the pulse interval is repeatedly applied through the first electrode. ) operation and a long term memory operation in which the size of the output current is maintained after a certain period of time may be performed.

또한, 적어도 하나의 제1 뉴로모픽 소자는 최대 전류 밀도(max current density)의 크기가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하에서 동일한 펄스폭(pulse width), 크기(amplitude) 및 펄스 간격(pulse interval)의 전압이 제1 전극을 통해 반복적으로 인가되는 경우에 출력 전류의 크기가 반복적으로 증가하는 쌍펄스 촉진(paired pulse facilitation, PPF) 특성을 나타낼 수 있다.In addition, at least one first neuromorphic device has the same pulse width and amplitude when the maximum current density exceeds 400 A/cm 2 and is 2000 A/cm 2 or less. and a paired pulse facilitation (PPF) characteristic in which the magnitude of an output current repeatedly increases when a voltage of a pulse interval is repeatedly applied through the first electrode.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자를 이용한 인공 뉴런 회로를 설명하기 위한 도면이다.4 is a diagram for explaining an artificial neuron circuit using a neuromorphic device according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자를 이용한 인공 뉴런부와 관련된 인공 뉴런 회로를 예시한다.4 illustrates an artificial neuron circuit related to an artificial neuron unit using a neuromorphic device according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 인공 뉴런 회로(400)는 도 1에서 설명된 뉴로모픽 소자의 적분 특성을 이용하여 주변 회로를 연결하여 구현된 회로일 수 있다.Referring to FIG. 4 , the artificial neuron circuit 400 according to an embodiment of the present invention may be implemented by connecting peripheral circuits using the integration characteristics of the neuromorphic device described in FIG. 1 .

일례로, 인공 뉴런 회로(400)는 입력단(401), 비 반전 3 상태 버퍼(402), 버퍼(403), 풀다운 저항(404), 뉴로모픽 소자(405), 비교기(406), SR 래치 플립플롭(407), D 플립플롭(408) 및 4-bit 동기화 카운터(409)를 포함한다.For example, the artificial neuron circuit 400 includes an input stage 401, a non-inverting three-state buffer 402, a buffer 403, a pull-down resistor 404, a neuromorphic device 405, a comparator 406, and an SR latch It includes a flip-flop 407, a D flip-flop 408 and a 4-bit synchronization counter 409.

인공 뉴런 회로(400)의 발화 신호는 측정 지점(410)에서 확인될 수 있다.The firing signal of the artificial neuron circuit 400 may be checked at the measuring point 410 .

본 발명의 일실시예에 따르면 뉴로모픽 소자(405)는 선택 소자(selector)로 지칭될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the neuromorphic device 405 may be referred to as a selector.

예를 들어, 인공 뉴런 회로(400)는 200번의 전압 펄스(voltage pulse) 이후 3ms 동안 펄스가 가해지지 않으면 뉴로모픽 소자(405)의 저항이 초기 상태로 돌아오는 특징에 기반한다.For example, the artificial neuron circuit 400 is based on the characteristic that the resistance of the neuromorphic element 405 returns to an initial state if no pulse is applied for 3 ms after 200 voltage pulses.

이에 따라, 인공 뉴런 회로(400)는 뉴로모픽 소자(405)의 저항을 감지하여 발화(fire) 신호를 만드는 비교기(comparator)를 이용하고, 발화 신호를 피드백(feedback) 받아 입력 전압을 3ms 동안 차단하는 회로일 수 있다.Accordingly, the artificial neuron circuit 400 senses the resistance of the neuromorphic element 405 and uses a comparator that generates a fire signal, receives the fire signal as feedback, and increases the input voltage for 3 ms. It could be a circuit that blocks it.

또한, 인공 뉴런 회로(400)는 발화 신호를 통해 D 플립플롭(408)의 Q 노드를 비트 필링(filliping)하고, 이 신호가 4-bit 동기화 카운터(409)를 활성화하여 카운팅을 진행한다.In addition, the artificial neuron circuit 400 bit-fills the Q node of the D flip-flop 408 through the firing signal, and this signal activates the 4-bit synchronization counter 409 to perform counting.

동시에 인공 뉴런 회로(400)는 D 플립플롭(409)의 Q_바(bar) 신호가 비 반전 3 상태 버퍼(402)를 차단(off)하여 인가되는 입력 전압을 차단한다.At the same time, in the artificial neuron circuit 400, the Q_bar signal of the D flip-flop 409 turns off the non-inverting 3-state buffer 402 to block the applied input voltage.

또한, 인공 뉴런 회로(400)는 4-bit 동기화 카운터(409)의 D0 및 D1이 동시에 하이 상태가 되는 시점이 3ms 이상이 되도록 4-bit 동기화 카운터(409)의 클록(clock) 신호의 주기와 듀티 사이클(duty cycle)을 조절한다.In addition, the artificial neuron circuit 400 adjusts the cycle of the clock signal of the 4-bit synchronization counter 409 so that the time point at which D0 and D1 of the 4-bit synchronization counter 409 are simultaneously high is 3 ms or more. Adjust the duty cycle.

또한, 인공 뉴런 회로(400)는 4-bit 동기화 카운터(409)의 D0 및 D1이 동시에 하이 상태가 될 시, D 플립플롭(409)의 출력 Q를 비트 필링(filliping)하면 뉴로모픽 소자에 다시 입력 전압이 인가되면서 적분 동작 및 발화 동작을 수행할 수 있다.In addition, the artificial neuron circuit 400 performs bit-filling on the output Q of the D flip-flop 409 when D0 and D1 of the 4-bit synchronization counter 409 become high at the same time, resulting in a neuromorphic device. An integration operation and an ignition operation may be performed while the input voltage is applied again.

도 5 내지 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자의 인공 뉴런 특성을 설명하기 위한 도면이다.5 to 6B are diagrams for explaining the characteristics of an artificial neuron of a neuromorphic device according to an embodiment of the present invention.

도 5 내지 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자의 뉴런의 적분 특성 모방에 따른 측정 결과를 예시한다.5 to 6B illustrate measurement results according to mimicking integral characteristics of neurons of a neuromorphic device according to an embodiment of the present invention.

도 5의 그래프(500)를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자의 상부 전극에 전압 바이어스를 인가하고, 하부 전극을 접지로 하여 측정된 결과를 예시한다.Referring to the graph 500 of FIG. 5 , a result measured by applying a voltage bias to the upper electrode of the neuromorphic device according to an embodiment of the present invention and grounding the lower electrode is illustrated.

그래프(500)는 상부 전극에 펄스폭(pulse width) 3 ms, 펄스 간격(pulse interval) 300 us 인 사각 펄스를 전압 크기(amplitude) 0.94 V 내지 1.10 V 까지 0.04 V 간격으로 증가시키면서 적분 (integrate) 특성의 측정을 진행한 결과를 나타낸다.The graph 500 integrates a square pulse with a pulse width of 3 ms and a pulse interval of 300 us at the upper electrode while increasing the voltage amplitude from 0.94 V to 1.10 V at 0.04 V intervals. It shows the result of measuring the characteristics.

구체적으로, 측정 결과는 1번의 사이클(cycle)은 200개의 펄스가 가해졌고, 각 사이클 사이에 3ms의 간격(interval)이 있다.Specifically, the measurement result shows that 200 pulses are applied for one cycle, and there is an interval of 3 ms between each cycle.

그래프(500)는 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자에 전압이 가해지면서 저항이 감소하고, 저항의 감소를 감지하는 감지 증폭기(sense amplifier) 또는 비교기(comparator)를 추가하여 도 4의 인공 뉴런 회로가 구현 가능함을 나타낸다.The graph 500 is the same as that of FIG. 4 by adding a sense amplifier or a comparator that detects the decrease in resistance and decreases as voltage is applied to the neuromorphic device according to an embodiment of the present invention. Indicates that artificial neuron circuits can be implemented.

그래프(500)는 전압 펄스의 크기가 0.94 V 내지 1.10 V 까지 0.04 V 간격으로 증가함에 따라 적분의 변화 폭 및 출력 전류의 크기가 증가하는 모습을 보여준다.The graph 500 shows how the change width of the integral and the magnitude of the output current increase as the magnitude of the voltage pulse increases from 0.94 V to 1.10 V at intervals of 0.04 V.

따라서, 뉴로모픽 소자는 최대 전류 밀도(max current density)의 크기가 400 A/cm2 이하에서 상부 전극을 통해 인가되는 전압의 크기(amplitude)가 증가되면 인공 뉴런의 적분 특성과 관련된 출력 전류의 크기 및 변화 폭이 증가할 수 있다.Therefore, in the neuromorphic device, when the amplitude of the voltage applied through the upper electrode is increased at a maximum current density of 400 A/cm 2 or less, the output current related to the integration characteristics of the artificial neuron The size and range of variation may increase.

또한, 그래프(500)는 전압 펄스의 크기가 0.94 V 내지 1.10 V의 크기를 갖는 200개의 펄스를 인가한 후 0V를 갖는 펄스를 한번 인가하면 전류가 초기 상태로 돌아오고, 이를 총 5번 반복하여 측정하였을 때 균일한 적분 특성을 나타내는 것을 보여준다.In addition, the graph 500 shows that after applying 200 pulses having a voltage pulse size of 0.94 V to 1.10 V, and then applying a pulse having 0 V once, the current returns to the initial state, and this is repeated a total of 5 times. It shows that it exhibits uniform integral characteristics when measured.

도 6a의 그래프(600)를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자의 상부 전극에 전압 바이어스를 인가하고, 하부 전극을 접지로 하여 측정된 결과로서 펄스폭(pulse width)의 변화에 따른 뉴런의 적분 특성을 예시한다.Referring to the graph 600 of FIG. 6A, a voltage bias is applied to the upper electrode of the neuromorphic device according to an embodiment of the present invention, and the pulse width is measured by setting the lower electrode to the ground. Illustrates the integral characteristics of neurons according to changes.

그래프(600)는 뉴로모픽 소자의 상부 전극에 펄스폭은 300 μs, 크기는 1.10 V로 고정되고 펄스폭이 2 ms 내지 4.0 ms로 0.5 ms 씩 변화된 전압을 인가하였을 때 출력 전류의 크기가 점점 증가하는 경향을 나타냄을 보여준다.The graph 600 shows that when a voltage with a pulse width fixed at 300 μs and a magnitude 1.10 V and a pulse width varied by 0.5 ms from 2 ms to 4.0 ms is applied to the upper electrode of the neuromorphic device, the magnitude of the output current gradually increases. shows an increasing trend.

그래프(600)는 펄스폭이 2 ms 일 때 적분(integrate) 변화 폭이 가장 적고, 펄스폭이 4 ms 일 때 적분(integrate) 변화 폭이 가장 큰 것을 나타낸다.The graph 600 shows that the integral change width is the smallest when the pulse width is 2 ms and the integral change width is the largest when the pulse width is 4 ms.

따라서, 뉴로모픽 소자는 최대 전류 밀도(max current density)의 크기가 400 A/cm2 이하에서 상부 전극을 통해 인가되는 전압의 펄스폭(pulse width)이 증가하는 경우에 인공 뉴런의 적분 특성과 관련된 출력 전류의 크기가 증가할 수 있다.Therefore, when the pulse width of the voltage applied through the upper electrode increases at a maximum current density of 400 A/cm 2 or less, the neuromorphic device has integrated characteristics of an artificial neuron and The magnitude of the associated output current may increase.

도 6b의 그래프(610)를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자의 상부 전극에 전압 바이어스를 인가하고, 하부 전극을 접지로 하여 측정된 결과로서 펄스 간격(pulse interval)의 변화에 따른 뉴런의 적분 특성을 예시한다.Referring to the graph 610 of FIG. 6B, as a result of applying a voltage bias to the upper electrode of the neuromorphic device according to an embodiment of the present invention and grounding the lower electrode, the pulse interval Illustrates the integral characteristics of neurons according to changes.

그래프(610)는 뉴로모픽 소자의 상부 전극에 펄스폭은 3 ms, 크기는 1.10 V로 고정되고 펄스 간격이 100 μs 내지 900 μs로 200 μs 씩 변화된 전압을 인가하였을 때 출력 전류의 크기가 점점 감소하는 경향을 나타냄을 보여준다.The graph 610 shows that when a voltage with a pulse width fixed at 3 ms and a magnitude 1.10 V and a pulse interval varied by 200 μs from 100 μs to 900 μs is applied to the upper electrode of the neuromorphic device, the magnitude of the output current gradually increases. shows a decreasing trend.

그래프(610)는 펄스 간격이 900 μs 일 때 적분(integrate) 변화 폭이 가장 적고, 펄스 간격이 100 μs 일 때 적분(integrate) 변화 폭이 가장 큰 것을 나타낸다.The graph 610 shows that the integral change width is the smallest when the pulse interval is 900 μs and the integral change width is the largest when the pulse interval is 100 μs.

따라서, 뉴로모픽 소자는 최대 전류 밀도(max current density)의 크기가 400 A/cm2 이하에서 상부 전극을 통해 인가되는 전압의 펄스 간격 (pulse interval)이 증가하는 경우에 인공 뉴런의 적분 특성과 관련된 출력 전류의 크기가 감소할 수 있다.Therefore, the neuromorphic device has the integrated characteristics of artificial neurons when the pulse interval of the voltage applied through the upper electrode increases at a maximum current density of 400 A/cm 2 or less. The magnitude of the associated output current may be reduced.

도 7a 내지 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자의 인공 시냅스 특성을 설명하기 위한 도면이다.7A to 9 are views for explaining artificial synapse characteristics of a neuromorphic device according to an embodiment of the present invention.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자의 인공 시냅스 특성 중 쌍펄스 촉진(paired pulse facilitation, PPF) 특성을 설명하는 도면이다.7A and 7B are diagrams illustrating paired pulse facilitation (PPF) characteristics among artificial synaptic characteristics of a neuromorphic device according to an embodiment of the present invention.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자에 인가되는 전압에 기반하는 최대 전류 밀도(max current density)가 2000 A/cm2 이상인 비휘발성(non-volatile)한 특성에 따른 인공 시냅스 특성을 예시한다.7A and 7B show non-volatile characteristics in which the maximum current density based on the voltage applied to the neuromorphic device according to an embodiment of the present invention is 2000 A/cm 2 or more. Artificial synaptic properties according to

도 7a의 그래프(700)를 참고하면, 뉴로모픽 소자의 상부 전극에 80 ms의 펄스폭, 500 μs의 펄스 간격, 1.1 V의 전압 크기를 갖는 전압 펄스를 50 번 가했을 때 전류 변화를 나타낸다.Referring to the graph 700 of FIG. 7A, the change in current is shown when a voltage pulse having a pulse width of 80 ms, a pulse interval of 500 μs, and a voltage magnitude of 1.1 V is applied 50 times to the upper electrode of the neuromorphic device.

그래프(700)는 25 번째 전압 펄스가 인가 됐을 때까지는 단기 가소성(short-term plasticity, STP) 형태로 전류가 대략 100 μA 에서 500 μA 까지 증가하지만, 그 이후부터는 전류가 약 700 μA 에서 포화(saturation) 되어 장기 가소성(long-term plasticity, LTP) 형태로 변화하는 모습을 나타낸다.In the graph 700, the current increases from about 100 μA to 500 μA in the form of short-term plasticity (STP) until the 25th voltage pulse is applied, but after that, the current saturates at about 700 μA. ) and shows a change in the form of long-term plasticity (LTP).

도 7b의 그래프(710)를 참고하면, 뉴로모픽 소자의 상부 전극에 80 ms의 펄스폭, 500 μs의 펄스 간격, 1.1 V의 전압 크기를 갖는 전압 펄스를 5번 가했을 때 전류 변화를 나타낸다.Referring to the graph 710 of FIG. 7B , the change in current is shown when a voltage pulse having a pulse width of 80 ms, a pulse interval of 500 μs, and a voltage magnitude of 1.1 V is applied to the upper electrode of the neuromorphic device 5 times.

그래프(710)는 뉴로모픽 소자가 쌍펄스 촉진(paired pulse facilitation, PPF) 특성을 나타내는 것을 보여준다.A graph 710 shows that the neuromorphic device exhibits paired pulse facilitation (PPF) characteristics.

그래프(710)는 초기 전류 값은 약 200 μA를 가지며, 5 번의 전압 펄스가 인가됨에 따라 전류 값이 약 400 μA 까지 증가하는 모습을 나타낸다.The graph 710 shows that the initial current value is about 200 μA, and the current value increases to about 400 μA as five voltage pulses are applied.

일례로, 뉴로모픽 소자는 최대 전류 밀도(max current density)의 크기가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하에서 동일한 펄스폭(pulse width), 크기(amplitude) 및 펄스 간격(pulse interval)의 전압이 상부 전극을 통해 반복적으로 인가되는 경우에 출력 전류의 크기가 반복적으로 증가하는 쌍펄스 촉진(paired pulse facilitation, PPF) 특성을 나타낼 수 있다.As an example, the neuromorphic device has the same pulse width, amplitude and pulse interval (max current density) of more than 400 A/cm 2 and less than 2000 A/cm 2 ( When a voltage of a pulse interval is repeatedly applied through the upper electrode, a paired pulse facilitation (PPF) characteristic in which the magnitude of an output current repeatedly increases may be exhibited.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자의 인공 시냅스 특성 중 메모리 특성을 설명하는 도면이다.8 is a diagram illustrating memory characteristics among artificial synapse characteristics of a neuromorphic device according to an embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자의 인공 시냅스 특성에 따라 단기 메모리(short-term memory) 동작 특성과 장기 메모리(long-term memory) 동작 특성을 확인하기 위한 실험 결과를 예시한다.8 illustrates experimental results for confirming short-term memory operating characteristics and long-term memory operating characteristics according to artificial synaptic characteristics of a neuromorphic device according to an embodiment of the present invention. do.

도 8의 그래프(800)를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자의 상부 전극에 80 ms의 펄스폭, 1.1 V의 크기, 500 μs의 펄스 간격을 갖는 전압 펄스를 각각 5번, 50번 인가한 후의 전류 값을 확인하고 60초 후의 전류 값을 재확인하는 실험 진행 결과를 나타낸다.Referring to the graph 800 of FIG. 8 , voltage pulses having a pulse width of 80 ms, a magnitude of 1.1 V, and a pulse interval of 500 μs are applied to the upper electrode of the neuromorphic device according to an embodiment of the present invention, respectively. It shows the result of the experiment progress by checking the current value after applying 50 times and rechecking the current value after 60 seconds.

본 발명의 일실시예에 따르면 뉴로모픽 소자는 최대 전류 밀도(max current density)의 크기가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하에서 동일한 펄스폭(pulse width), 크기(amplitude) 및 펄스 간격(pulse interval)의 전압이 상부 전극을 통해 반복적으로 인가되는 횟수에 기반하여 일정 시간 이후에 출력 전류의 크기가 초기 전류 크기로 감소되는 단기 메모리(short term memory) 동작 및 상기 일정 시간 이후에 전류 출력의 크기가 유지되는 장기 메모리(long term memory) 동작 중 어느 하나의 메모리 동작을 수행할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the neuromorphic device has the same pulse width and amplitude when the maximum current density exceeds 400 A/cm 2 and is 2000 A/cm 2 or less. ) and a short term memory operation in which the size of the output current is reduced to the initial current size after a certain time based on the number of times the voltage of the pulse interval is repeatedly applied through the upper electrode and the certain time Afterwards, any one memory operation among long term memory operations in which the size of the current output is maintained may be performed.

먼저, 그래프(800)는 총 5번의 전압 펄스를 인가하였을 때, 전류 값은 약 1.9 Х 10-4 A 에서 3.8 Х 10-4 A 로 증가하였으며, 약 60초 후에 전류 값이 초기 값으로 감소하는 단기 메모리(short-term memory) 동작 특성을 예시한다.First, in the graph 800, when a total of five voltage pulses are applied, the current value increases from about 1.9 Х 10 -4 A to 3.8 Х 10 -4 A, and after about 60 seconds, the current value decreases to the initial value. Illustrates short-term memory operating characteristics.

반면, 그래프(800)는 총 50번의 전압 펄스를 인가하였을 때, 전류 값은 약 2.0 Х 10-4 A 에서 7.2 Х 10-4 A로 증가하였으며, 약 60초 후에 전류 값은 7.0 Х 10-4 A 로 50번의 전압 펄스가 인가된 후의 전류 값과 거의 동일한 장기 메모리(long-term memory) 동작 특성을 예시한다.On the other hand, in the graph 800, when a total of 50 voltage pulses were applied, the current value increased from about 2.0 Х 10 -4 A to 7.2 Х 10 -4 A, and after about 60 seconds, the current value increased to 7.0 Х 10 -4 The long-term memory operating characteristics almost equal to the current value after 50 voltage pulses are applied to A are exemplified.

그래프(800)는 적은 개수의 펄스를 가했을 때는 단기 기억이 형성되지만, 50 번의 많은 펄스를 가했을 때는 장기기억으로 변화되는 특성을 나타내며, 인간의 뇌에서 나타나는 생물학적 시냅스 특성을 뉴로모픽 소자가 완벽하게 모방하였음을 확인 시켜준다.The graph 800 shows that short-term memory is formed when a small number of pulses are applied, but changes to long-term memory when 50 pulses are applied, and the neuromorphic device perfectly reproduces the biological synaptic properties in the human brain. It confirms imitation.

즉, 뉴로모픽 소자는 상부 전극을 통해 반복적으로 인가되는 횟수가 5회 인 경우에는 단기 메모리(short term memory) 동작을 수행하고, 인가되는 횟수가 50회 인 경우에는 장기 메모리(long term memory) 동작을 수행할 수 있다.That is, the neuromorphic device performs a short term memory operation when the number of times it is repeatedly applied through the upper electrode is 5, and long term memory when the number of times it is applied is 50 times. action can be performed.

따라서, 본 발명은 멤리스터 소자를 이용하여 인간 뇌의 시냅스 특성인 쌍 펄스 촉진 및 단기기억에서 장기기억으로 변화되는 특성을 확보할 수 있다.Therefore, the present invention can secure the characteristics of pair pulse facilitation and the change from short-term memory to long-term memory, which are synaptic characteristics of the human brain, by using the memristor device.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자의 인공 시냅스 특성 중 전도도의 선형적 변화 특성을 설명하는 도면이다.9 is a diagram explaining a linear change characteristic of conductivity among artificial synapse characteristics of a neuromorphic device according to an embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자의 상부 전극에 100개의 전압 펄스를 인가하여 정규화된 전도도(normalized conductance)가 선형적으로 변화하는 특성을 가짐을 예시한다.9 illustrates that normalized conductance has a characteristic of linearly changing by applying 100 voltage pulses to an upper electrode of a neuromorphic device according to an embodiment of the present invention.

도 9의 그래프(900) 참고하면, 뉴로모픽 소자의 장기 강화 및 장기 억압 측정 결과를 나타내는데, 강화 펄스(potentiation pulse)와 리드 펄스(read pulse)를 연속적으로 100번 인가하여 전도도 레벨 값이 점점 증가하는 시냅스의 강화 특성을 예시하고, 억압 펄스(depression pulse)와 리드 펄스를 연속적으로 100번 인가하여 전도도 레벨이 점점 감소하는 시냅스의 억압 특성을 예시한다.Referring to the graph 900 of FIG. 9, the long-term potentiation and long-term suppression measurement results of the neuromorphic device are shown. As a potentiation pulse and a read pulse are continuously applied 100 times, the conductivity level value gradually increases. The strengthening characteristics of synapses that increase are exemplified, and the suppression characteristics of synapses in which the conductance level gradually decreases by successively applying a depression pulse and a lead pulse 100 times are illustrated.

구체적으로, 강화 펄스는 양의 전압인 0.8V이고, 펄스폭(pulse width)이 약 1ms이며, 억압 펄스는 음의 전압인 -0.8V이고, 펄스폭(pulse width)이 약 1ms이며, 리드 펄스는 펄스폭은 1ms로 동일하고 전압은 0.3V일 수 있다.Specifically, the enhancement pulse has a positive voltage of 0.8V, a pulse width of about 1 ms, and the suppression pulse has a negative voltage of -0.8 V, a pulse width of about 1 ms, and a lead pulse. has the same pulse width as 1ms and the voltage may be 0.3V.

강화 펄스와 리드 펄스는 약 100 μs의 간격(inverval)이 존재하고, 억압 펄스와 리드 펄스는 약 100 μs의 간격(inverval)이 존재한다.An interval (inverval) of about 100 μs exists between the enhancement pulse and the lead pulse, and an interval (inverval) of about 100 μs exists between the suppression pulse and the lead pulse.

강화 펄스에 따른 강화의 커브 피팅(curve fitting) 결과는 선형성이 3.271이고, 억압 펄스에 따른 억압의 커브 피팅 결과는 선형성이 5.772인 것을 확인할 수 있으며, 선형성은 0에 수렴할수록 선형성이 좋은 것일 수 있다.It can be seen that the curve fitting result of reinforcement according to the reinforcement pulse has a linearity of 3.271, and the curve fitting result of suppression according to a suppression pulse has a linearity of 5.772, and the linearity converges to 0, the better the linearity. .

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 멤리스터 소자 기반의 뉴로모픽 소자를 이용한 인공 시냅스 소자 어레이를 설명하는 도면이다.10 is a diagram illustrating an artificial synaptic element array using a neuromorphic element based on a memristor element according to an embodiment of the present invention.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자를 복수 개로 포함하는 인공 시냅스 소자 어레이를 예시한다. 여기서, 뉴로모픽 소자는 최대 전류 밀도에 기반하여 시냅스 특성을 나타내는 인공 시냅스 소자일 수 있다.10 illustrates an artificial synaptic element array including a plurality of neuromorphic elements according to an embodiment of the present invention. Here, the neuromorphic device may be an artificial synaptic device exhibiting synaptic characteristics based on a maximum current density.

도 10을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 뉴로모픽 소자를 이용한 인공 시냅스 소자 어레이는 워드 라인과 비트 라인 사이에 뉴로모픽 소자를 포함하는 구조를 가진다.Referring to FIG. 10 , an artificial synaptic device array using a plurality of neuromorphic devices according to an embodiment of the present invention has a structure including neuromorphic devices between word lines and bit lines.

본 발명의 일실시예에 따른 복수의 뉴로모픽 소자를 이용한 인공 시냅스 소자 어레이(1000)는 4 Х 4인 경우에 제1 워드 라인(1010), 제2 워드 라인(1011), 제3 워드 라인(1013), 제4 워드 라인(1014)으로 워드 라인을 포함하고, 제1 비트 라인(1030), 제2 비트 라인(1031), 제3 비트 라인(1033), 제4 비트 라인(1034)으로 비트 라인을 포함할 수 있다.The artificial synaptic element array 1000 using a plurality of neuromorphic elements according to an embodiment of the present invention includes a first word line 1010, a second word line 1011, and a third word line when 4 Х 4 1013, the fourth word line 1014 includes a word line, and the first bit line 1030, the second bit line 1031, the third bit line 1033, and the fourth bit line 1034 Bit lines may be included.

일례로 뉴로모픽 소자(1020)는 도 1 등에서 설명되고 있는 시냅스 특성을 구현하는 뉴로모픽 소자와 동일하게 동작 가능하다.For example, the neuromorphic device 1020 can operate in the same way as the neuromorphic device implementing the synaptic characteristics described in FIG. 1 and the like.

복수의 뉴로모픽 소자를 이용한 인공 시냅스 소자 어레이(1000)는 제1 워드 라인(1010), 제2 워드 라인(1011), 제3 워드 라인(1013), 제4 워드 라인(1014)으로 서로 다른 시간에 입력(1040)을 인가 받아서 서로 다른 출력(1050)을 제1 비트 라인(1030), 제2 비트 라인(1031), 제3 비트 라인(1033), 제4 비트 라인(1034)을 통해 출력할 수 있다.The artificial synaptic element array 1000 using a plurality of neuromorphic elements includes a first word line 1010, a second word line 1011, a third word line 1013, and a fourth word line 1014. When the input 1040 is applied, different outputs 1050 are output through the first bit line 1030, the second bit line 1031, the third bit line 1033, and the fourth bit line 1034. can do.

예를 들어, 입력(1040)은 입력 스파이크 신호일 수 있고, 출력(1050)은 출력 스파이크 신호일 수 있다.For example, input 1040 can be an input spike signal and output 1050 can be an output spike signal.

본 발명의 일실시예에 따르면 뉴로모픽 소자(1020)는 복수의 워드 라인 각각을 통해 제1 전극에 셋 전압 및 리셋 전압 중 어느 하나의 동일한 전압이 반복적으로 인가되는 경우 출력 전류의 값이 점진적으로 변화되는 시냅스(synapse) 특성을 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the neuromorphic device 1020, when the same voltage of any one of a set voltage and a reset voltage is repeatedly applied to the first electrode through each of a plurality of word lines, the value of the output current gradually increases. may have synaptic properties that change to

또한, 뉴로모픽 소자(1020)는 복수의 워드 라인 각각을 통해 제1 전극에 펄스폭, 펄스 간격 및 전압 크기가 동일한 셋 전압이 반복적으로 인가되는 경우 출력 전류의 값이 점진적으로 증가하여 복수의 전도도 레벨을 갖을 수 있다.In addition, in the neuromorphic device 1020, when a set voltage having the same pulse width, pulse interval, and voltage size is repeatedly applied to the first electrode through each of a plurality of word lines, the value of the output current gradually increases to form a plurality of It may have a conductivity level.

또한, 뉴로모픽 소자(1020)는 복수의 워드 라인 각각을 통해 제1 전극에 펄스폭, 펄스 간격 및 전압 크기가 동일한 리셋 전압이 반복적으로 인가되는 경우 출력 전류의 값이 점진적으로 감소하여 복수의 전도도 레벨을 갖을 수 있다.In addition, in the neuromorphic device 1020, when a reset voltage having the same pulse width, pulse interval, and voltage level is repeatedly applied to the first electrode through each of a plurality of word lines, the value of the output current gradually decreases, thereby generating a plurality of It may have a conductivity level.

또한, 인공 시냅스 소자 어레이(1000) 크로스 포인트 어레이로 지칭될 수 있다.Also, the artificial synaptic element array 1000 may be referred to as a cross point array.

인공 시냅스 소자 어레이(1000)는 워드 라인을 통해 인가되는 입력 스파이크 신호를 랜덤(random)한 시간에 스파이크 형태로 전압 펄스가 인가된다.In the artificial synaptic element array 1000, voltage pulses are applied in the form of spikes at random times to input spike signals applied through word lines.

인공 시냅스 소자 어레이(1000)는 멤리스터의 전도도들과 병렬적으로 곱해지고 더해져서 비트라인에 전류 형태로 전달할 수 있다.The artificial synaptic element array 1000 may be multiplied and added in parallel with the conductivities of the memristors and transferred to the bit line in the form of current.

비트 라인의 전류는 전류를 전압으로 변환하는 컨버터(converter)를 통해 전압으로 변환되고, 이 전압을 통해 도 3에서 설명된 인공 뉴런부의 적분 특성을 유도할 수 있다.The current of the bit line is converted into a voltage through a converter that converts the current into a voltage, and the integrated characteristics of the artificial neuron unit described in FIG. 3 may be induced through the voltage.

또한, 인공 뉴런부는 인공 뉴런 회로로서, 도 4에서 설명된 인공 뉴런 회로 내 주변 회로와 뉴로모픽 소자의 저항 변화를 감지하여 발화 동작을 구동할 수 있다.In addition, the artificial neuron unit is an artificial neuron circuit, and can drive an ignition operation by sensing resistance changes of peripheral circuits and neuromorphic elements within the artificial neuron circuit described in FIG. 4 .

따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 뉴로모픽 소자는 인간의 뇌에서 기억 및 신호전달을 담당하는 생물학적 시냅스와 뉴런의 특성을 모두 구현하고, 한 종류의 소자로 생물학적 시냅스와 뉴런의 특성을 모두 구현하여 하드웨어 기반 인공 뉴런 및 시냅스 소자 어레이 제작 시 사용하는 물질의 종류를 감소시켜 공정 단순화를 이룰 수 있다.Therefore, the neuromorphic device according to an embodiment of the present invention embodies the characteristics of both biological synapses and neurons responsible for memory and signal transmission in the human brain, and has both characteristics of biological synapses and neurons as a single type of device. By implementing it, the process simplification can be achieved by reducing the types of materials used when manufacturing hardware-based artificial neurons and synaptic element arrays.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 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.As described above, although the embodiments have been described with limited drawings, those skilled in the art can make various modifications and variations from the above description. For example, the described techniques may be performed in an order different from the method described, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. may be combined or combined in a different form than the method described, or other components may be used. Or even if it is replaced or substituted by equivalents, appropriate results can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims are within the scope of the following claims.

100: 뉴로모픽 소자 110: 제2 전극
120: 스위칭층 130: 소스층
140: 제1 전극
100: neuromorphic element 110: second electrode
120: switching layer 130: source layer
140: first electrode

Claims (18)

제1 전극;
상기 제1 전극과 대향 배치된 제2 전극;
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에서 비정질 물질로 형성되는 스위칭층 및
상기 스위칭층과 상기 제1 전극 사이에서 합금 물질로 형성되어 상기 스위칭층 내 금속 이온의 표류(drift) 및 확산(diffusion) 중 어느 하나를 제어하는 소스층을 포함하고,
상기 제1 전극을 통해 인가되는 전압에 기반한 최대 전류 밀도(max current density)의 크기에 따라 휘발성(volatile)에 따른 인공 뉴런의 적분(integrate) 특성 및 비휘발성(non-volatile)에 따른 인공 시냅스 특성 중 어느 하나의 특성을 구현하는 것을 특징으로 하는
뉴로모픽 소자.
a first electrode;
a second electrode disposed opposite to the first electrode;
A switching layer formed of an amorphous material between the first electrode and the second electrode, and
A source layer formed of an alloy material between the switching layer and the first electrode to control one of drift and diffusion of metal ions in the switching layer,
Integrate characteristics of artificial neurons according to volatility and artificial synapse characteristics according to non-volatile according to the magnitude of the maximum current density based on the voltage applied through the first electrode Characterized in that it implements any one of the characteristics
neuromorphic device.
제1항에 있어서,
상기 뉴로모픽 소자는 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 이하에서 상기 인공 뉴런의 적분 특성을 구현하고, 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하에서 상기 인공 시냅스 특성을 구현하는 것을 특징으로 하는
뉴로모픽 소자.
According to claim 1,
The neuromorphic device implements the integration characteristics of the artificial neuron when the magnitude of the maximum current density is 400 A/cm 2 or less, and the magnitude of the maximum current density exceeds 400 A/cm 2 and 2000 A/cm 2 Characterized in implementing the artificial synaptic properties below
neuromorphic device.
제2항에 있어서,
상기 뉴로모픽 소자는 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 이하에서 상기 제1 전극을 통해 추가 전압이 인가되지 않는 경우, 상기 스위칭층 내 상기 확산에 의해 저항이 초기 상태로 돌아오는 셀프 리셋(self-reset)되는 휘발성을 나타내고, 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하에서 상기 제1 전극을 통해 추가 전압이 인가되지 않는 경우, 상기 셀프 리셋되지 않는 비휘발성을 나타내는 것을 특징으로 하는
인공 시냅스 소자.
According to claim 2,
In the neuromorphic device, when the maximum current density is 400 A/cm 2 or less and no additional voltage is applied through the first electrode, the self resistance returns to an initial state by the diffusion in the switching layer. Indicates volatility that is reset (self-reset), and when the magnitude of the maximum current density exceeds 400 A / cm 2 and no additional voltage is applied through the first electrode at 2000 A / cm 2 or less, the self-reset Characterized in that it exhibits non-volatility that does not become
artificial synaptic device.
제2항에 있어서,
상기 뉴로모픽 소자는 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 이하에서 상기 제1 전극을 통해 인가되는 전압의 크기(amplitude)가 증가되면 상기 인공 뉴런의 적분 특성과 관련된 출력 전류의 크기가 증가하는 것을 특징으로 하는
뉴로모픽 소자.
According to claim 2,
In the neuromorphic device, when the magnitude of the maximum current density is 400 A/cm 2 or less and the amplitude of the voltage applied through the first electrode increases, the magnitude of the output current related to the integral characteristic of the artificial neuron increases. characterized by increasing
neuromorphic device.
제2항에 있어서,
상기 뉴로모픽 소자는 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 이하에서 상기 제1 전극을 통해 인가되는 전압의 펄스폭(pulse width)이 증가하는 경우에 상기 인공 뉴런의 적분 특성과 관련된 출력 전류의 크기가 증가하는 것을 특징으로 하는
뉴로모픽 소자.
According to claim 2,
The neuromorphic device generates an output related to the integration characteristics of the artificial neuron when the pulse width of the voltage applied through the first electrode increases when the magnitude of the maximum current density is 400 A/cm 2 or less. Characterized by an increase in the magnitude of the current
neuromorphic device.
제2항에 있어서,
상기 뉴로모픽 소자는 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 이하에서 상기 제1 전극을 통해 인가되는 전압의 펄스 간격(pulse interval)이 증가하는 경우에 상기 인공 뉴런의 적분 특성과 관련된 출력 전류의 크기가 감소하는 것을 특징으로 하는
뉴로모픽 소자.
According to claim 2,
The neuromorphic device generates an output related to the integral characteristics of the artificial neuron when the pulse interval of the voltage applied through the first electrode increases when the maximum current density is 400 A/cm 2 or less. Characterized by a decrease in the magnitude of the current
neuromorphic device.
제2항에 있어서,
상기 뉴로모픽 소자는 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하에서 동일한 펄스폭, 크기 및 펄스 간격의 전압이 상기 제1 전극을 통해 반복적으로 인가되는 횟수에 기반하여 일정 시간 이후에 출력 전류의 크기가 초기 전류 크기로 감소되는 단기 메모리(short-term memory) 동작 및 상기 일정 시간 이후에 전류 출력의 크기가 유지되는 장기 메모리(long-term memory) 동작 중 어느 하나의 메모리 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는
뉴로모픽 소자.
According to claim 2,
In the neuromorphic device, the number of times a voltage having the same pulse width, magnitude, and pulse interval is repeatedly applied through the first electrode when the magnitude of the maximum current density exceeds 400 A/cm 2 and is 2000 A/cm 2 or less Among the short-term memory operation in which the size of the output current is reduced to the initial current size after a predetermined time based on the long-term memory operation in which the size of the current output is maintained after the predetermined time Characterized in that performing any one memory operation
neuromorphic device.
제2항에 있어서,
상기 뉴로모픽 소자는 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하에서 동일한 펄스폭, 크기 및 펄스 간격의 전압이 상기 제1 전극을 통해 반복적으로 인가되는 경우에 출력 전류의 크기가 반복적으로 증가하는 쌍펄스 촉진(paired pulse facilitation, PPF) 특성을 나타내는 것을 특징으로 하는
뉴로모픽 소자.
According to claim 2,
In the neuromorphic device, when the maximum current density exceeds 400 A/cm 2 and is 2000 A/cm 2 or less, a voltage having the same pulse width, size, and pulse interval is repeatedly applied through the first electrode. Characterized in that it exhibits a paired pulse facilitation (PPF) characteristic in which the magnitude of the output current repeatedly increases in
neuromorphic device.
제1항에 있어서,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 30 nm의 두께를 가지고,
상기 스위칭층 및 상기 소스층은 10 nm의 두께를 가지며,
상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 상기 스위칭층 및 상기 소스층은 크로스바 타입(crossbar-type)의 멤리스터(memristor) 구조를 이루는 것을 특징으로 하는
뉴로모픽 소자.
According to claim 1,
The first electrode and the second electrode have a thickness of 30 nm,
The switching layer and the source layer have a thickness of 10 nm,
Characterized in that the first electrode, the second electrode, the switching layer and the source layer form a crossbar-type memristor structure
neuromorphic device.
제1항에 있어서,
상기 스위칭층은 게르마늄 황화물(GeS2)을 포함하는 상기 비정질 물질로 형성되고,
상기 소스층은 구리 텔루라이드(CuTe)를 포함하는 상기 합금 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는
뉴로모픽 소자.
According to claim 1,
The switching layer is formed of the amorphous material including germanium sulfide (GeS 2 ),
Characterized in that the source layer is formed of the alloy material containing copper telluride (CuTe)
neuromorphic device.
제1항에 있어서,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 백금(Pt), 텅스텐(W), 타이타늄 나이트라이드(TiN), 탄탈럼 나이트라이드(TaN), 금(Au), 루비듐(Ru), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd), 타이타늄(Ti), 하프늄(Hf), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 중 선택되는 적어도 어느 하나 금속 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는
뉴로모픽 소자.
According to claim 1,
The first electrode and the second electrode are platinum (Pt), tungsten (W), titanium nitride (TiN), tantalum nitride (TaN), gold (Au), rubidium (Ru), iridium (Ir), Characterized in that it is formed of at least one metal material selected from palladium (Pd), titanium (Ti), hafnium (Hf), molybdenum (Mo) and niobium (Nb)
neuromorphic device.
인가되는 전압에 기반한 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하인 경우에 비휘발성에 따른 인공 시냅스 특성을 구현하는 적어도 하나의 제1 뉴로모픽 소자를 포함하는 인공 시냅스부 및
상기 인공 시냅스부와 전기적으로 연결되고, 인가되는 전압에 기반한 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 이하인 경우에 휘발성에 따른 인공 뉴런의 적분 특성을 구현하는 적어도 하나의 제2 뉴로모픽 소자를 포함하여 적분 동작 및 발화 동작을 수행하는 인공 뉴런부를 포함하는 것을 특징으로 하는
뉴로모픽 시스템.
When the magnitude of the maximum current density based on the applied voltage is greater than 400 A/cm 2 and less than 2000 A/cm 2 Artificial synapse including at least one first neuromorphic device implementing artificial synaptic characteristics according to non-volatility synaptic division and
At least one second neuromorphic device that is electrically connected to the artificial synapse unit and implements the integral characteristics of the artificial neuron according to volatility when the magnitude of the maximum current density based on the applied voltage is 400 A / cm 2 or less Characterized in that it comprises an artificial neuron unit that performs an integral operation and an ignition operation, including
Neuromorphic system.
제12항에 있어서,
상기 수행된 발화 동작에 기반한 발화 신호를 감지하여 상기 인공 시냅스부의 전도도(conductance)를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
뉴로모픽 시스템.
According to claim 12,
Characterized in that it further comprises a control unit for controlling conductance of the artificial synapse unit by detecting an ignition signal based on the performed firing operation.
Neuromorphic system.
제12항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제2 뉴로모픽 소자는 제1 전극, 상기 제1 전극과 대향 배치된 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에서 게르마늄 황화물(GeS2)로 형성되는 스위칭층 및 상기 스위칭층과 상기 제1 전극 사이에서 구리 텔루라이드(CuTe)로 형성되어 상기 스위칭층 내 금속 이온의 표류 및 확산 중 어느 하나를 제어하는 소스층을 포함하고, 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 이하에서 상기 제1 전극을 통해 추가 전압이 인가되지 않는 경우, 상기 스위칭층 내 상기 확산에 의해 저항이 초기 상태로 돌아오는 셀프 리셋되는 휘발성을 나타내는 것을 특징으로 하는
뉴로모픽 시스템.
According to claim 12,
The at least one second neuromorphic device includes a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode, a switching layer formed of germanium sulfide (GeS 2 ) between the first electrode and the second electrode, and A source layer formed of copper telluride (CuTe) between the switching layer and the first electrode to control any one of drift and diffusion of metal ions in the switching layer, wherein the maximum current density is 400 A When no additional voltage is applied through the first electrode at / cm 2 or less, the resistance returns to an initial state by the diffusion in the switching layer. Characterized in that it exhibits self-reset volatility.
Neuromorphic system.
제14항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제2 뉴로모픽 소자는 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 이하에서 상기 제1 전극을 통해 인가되는 전압의 크기가 증가되면 상기 인공 뉴런의 적분 특성과 관련된 전류의 크기가 증가하고, 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 이하에서 상기 제1 전극을 통해 인가되는 전압의 펄스폭이 증가하는 경우에 상기 인공 뉴런의 적분 특성과 관련된 출력 전류의 크기가 증가하며, 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 이하에서 상기 제1 전극을 통해 인가되는 전압의 펄스 간격이 증가하는 경우에 상기 인공 뉴런의 적분 특성과 관련된 출력 전류의 크기가 감소하는 것을 특징으로 하는
뉴로모픽 시스템.
According to claim 14,
In the at least one second neuromorphic device, when the magnitude of the voltage applied through the first electrode increases when the magnitude of the maximum current density is 400 A/cm 2 or less, the magnitude of current related to the integral characteristics of the artificial neuron increases, and when the pulse width of the voltage applied through the first electrode increases when the magnitude of the maximum current density is 400 A / cm 2 or less, the magnitude of the output current related to the integral characteristic of the artificial neuron increases, , When the pulse interval of the voltage applied through the first electrode increases when the magnitude of the maximum current density is 400 A / cm 2 or less, the magnitude of the output current related to the integral characteristic of the artificial neuron decreases. doing
Neuromorphic system.
제12항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제1 뉴로모픽 소자는 제1 전극, 상기 제1 전극과 대향 배치된 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에서 게르마늄 황화물(GeS2)로 형성되는 스위칭층 및 상기 스위칭층과 상기 제1 전극 사이에서 구리 텔루라이드(CuTe)로 형성되어 상기 스위칭층 내 금속 이온의 표류 및 확산 중 어느 하나를 제어하는 소스층을 포함하고, 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하에서 상기 제1 전극을 통해 추가 전압이 인가되지 않는 경우, 셀프 리셋되지 않는 비휘발성을 나타내는 것을 특징으로 하는
뉴로모픽 시스템.
According to claim 12,
The at least one first neuromorphic device includes a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode, a switching layer formed of germanium sulfide (GeS 2 ) between the first electrode and the second electrode, and A source layer formed of copper telluride (CuTe) between the switching layer and the first electrode to control any one of drift and diffusion of metal ions in the switching layer, wherein the maximum current density is 400 A / cm 2 When no additional voltage is applied through the first electrode at more than 2000 A / cm 2 or less, it is characterized in that it exhibits non-volatility that is not self-reset.
Neuromorphic system.
제16항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제1 뉴로모픽 소자는 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하에서 동일한 펄스폭, 크기 및 펄스 간격의 전압이 상기 제1 전극을 통해 반복적으로 인가되는 횟수에 기반하여 일정 시간 이후에 출력 전류의 크기가 초기 전류 크기로 감소되는 단기 메모리 동작 및 상기 일정 시간 이후에 출력 전류의 크기가 유지되는 장기 메모리 동작 중 어느 하나의 메모리 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는
뉴로모픽 시스템.
According to claim 16,
In the at least one first neuromorphic device, a voltage having the same pulse width, size, and pulse interval is applied through the first electrode when the maximum current density exceeds 400 A/cm 2 and is 2000 A/cm 2 or less. Performs any one of a short-term memory operation in which the output current size is reduced to the initial current size after a certain period of time based on the number of times of repetitive application and a long-term memory operation in which the output current level is maintained after a certain period of time characterized by
Neuromorphic system.
제16항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제1 뉴로모픽 소자는 상기 최대 전류 밀도의 크기가 400 A/cm2 를 초과하고 2000 A/cm2 이하에서 동일한 펄스폭, 크기 및 펄스 간격의 전압이 상기 제1 전극을 통해 반복적으로 인가되는 경우에 출력 전류의 크기가 반복적으로 증가하는 쌍펄스 촉진 특성을 나타내는 것을 특징으로 하는
뉴로모픽 시스템.
According to claim 16,
In the at least one first neuromorphic device, a voltage having the same pulse width, size, and pulse interval is applied through the first electrode when the maximum current density exceeds 400 A/cm 2 and is 2000 A/cm 2 or less. Characterized in that it exhibits a double-pulse promotion characteristic in which the magnitude of the output current repeatedly increases when repeatedly applied
Neuromorphic system.
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101521383B1 (en) * 2014-03-12 2015-05-19 한양대학교 산학협력단 Nonvolatile Resistance Switching Memory Device
KR20180057384A (en) * 2016-11-22 2018-05-30 포항공과대학교 산학협력단 Synapse device for application on neuromorphic system, method of fabricating the same, and synapse circuit component including the same
KR20180108025A (en) * 2017-03-23 2018-10-04 포항공과대학교 산학협력단 Resistive Random Access Memory including a Selective Layer
KR101922049B1 (en) 2018-01-25 2019-02-20 재단법인 대구경북과학기술원 Artificial synapse element and manufacturing method thereof
KR20190044441A (en) * 2017-10-20 2019-04-30 에스케이하이닉스 주식회사 Resistance Change Memory Device
KR102249655B1 (en) 2018-12-19 2021-05-10 한양대학교 산학협력단 Neuron, neuromorphic system including the same
KR20210061903A (en) 2019-11-20 2021-05-28 삼성전자주식회사 Nonvolatile memory device and operating method of the same
KR20210063196A (en) 2019-11-22 2021-06-01 포항공과대학교 산학협력단 3-terminal resistive switching device based integrate-and-fire neuron circuit and operation method thereof

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101521383B1 (en) * 2014-03-12 2015-05-19 한양대학교 산학협력단 Nonvolatile Resistance Switching Memory Device
KR20180057384A (en) * 2016-11-22 2018-05-30 포항공과대학교 산학협력단 Synapse device for application on neuromorphic system, method of fabricating the same, and synapse circuit component including the same
KR20180108025A (en) * 2017-03-23 2018-10-04 포항공과대학교 산학협력단 Resistive Random Access Memory including a Selective Layer
KR20190044441A (en) * 2017-10-20 2019-04-30 에스케이하이닉스 주식회사 Resistance Change Memory Device
KR101922049B1 (en) 2018-01-25 2019-02-20 재단법인 대구경북과학기술원 Artificial synapse element and manufacturing method thereof
KR102249655B1 (en) 2018-12-19 2021-05-10 한양대학교 산학협력단 Neuron, neuromorphic system including the same
KR20210061903A (en) 2019-11-20 2021-05-28 삼성전자주식회사 Nonvolatile memory device and operating method of the same
KR20210063196A (en) 2019-11-22 2021-06-01 포항공과대학교 산학협력단 3-terminal resistive switching device based integrate-and-fire neuron circuit and operation method thereof

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