TWI249133B - Integrated circuit apparatus and neuro element - Google Patents
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1249133 / 览 5,-β 玫、發明說明： · [發明所屬之技術領域】-本發明係關於一種製作人類神經元模型之神經元件，該神 經元件將權重分別指定予由複數個輸入端所輸入之輸入信 號，將經過加權之相關輸入信號輸入至一算術機構（means) 並執行運异，以及在運异結果超出一預定值時觸發（fjre) 並輸出預疋輸出仏號。本發明亦關於一種用於實現該神經 元件之積體電路裝置。 【先前技術】 φ) 神經元件係一種製作神經元模型之裝置，該裝置藉由一電 子電路形成一組織，如人類的大腦和眼球。更尤甚者，藉由 以相等電子零件或電子電路取代一神經元之一個細胞體、一 個軸索以及複數個樹狀突與突觸，得以實現神經元件。 圖1係一用於解釋神經元件概念之概要圖。複數個具有輸 入自複數個輸入端1至1之電壓％至1的輸入信號係分別藉 由加權因子W!至Wn予以加權，且神經元件在這些經過加權 之輸入信號上執行運算，例如底下之加法運算。 _ θ m =V 1 Wi+V2W2+V3W3 + ... vnwn 然後，當運异之結果數值0超出一預定門檻值TH時，則輸 出一具有一預定電壓vout之輸出信號，且該信號成為下一級 神經元件之輸入信號。 圖2係一傳統普通神經元件之電路圖。在此實施例中，藉 由以複數個固定式電阻^丨至丨〕…取代突觸、以一算術機構 84153-930506.doc 1249133 93. D>： 12取代細胞體、以及以導線之類物件取代樹狀突與軸索，一 人類之神經元可經過模型製作成為一整體。來自複數個輸入 端1!至In之輸入信號（其電壓為％至Vn)係分別藉由固定式電 阻13-1至13-n之電阻值心至]^予以加權。因此，輸入電壓Vl 至Vn得以轉換成強度為Vl/Rl、V2/R2、V3/R3、…、Vn/Rn2 電流且算術加總在一起，並接著予以輸入至例如比較器等所 組成之算術機構12。然後，當流至算術機構12之輸入電流總 合超出一預定門檻值時，一具有一預定電壓vQut之輸出信號 係由算術機構12予以輸出並作為一輸入信號予以送至下一 級神經元件。注意與算術機構12之特定架構有關，使用各種 與圖2所示電路架構不同之電路係可行的。 順道一提，複數個上述神經元件係結合在一起用於如字元 辨識及语音辨識之領域，一般的數位電腦較難處理這些領域 。然而’舉例而言，就藉由重複多次接收相同刺激實現一製 作人類神經元特性之模型，即逐漸增加反應速度之功能，亦 即使反應更敏感來說，有必要根據對應於人類所接收之刺激 之輸入#號之累積輸入（施加）次數逐步地改變加權因子，並 以非揮發性方式維持逐步變動之加權因子。 依照能夠逐步改變加權因子並以非揮發性方式維持逐步 變動之加權因子之神經元件，存在一揭露於日本專利申請案 早期公開制第6-21531號（1994年）之已知發明，該已知發明 構成一作用為圖2所示加權機構之電阻，該加權機構具有一 使用硫族元素（chalcogen)化合物之可變電阻。 然而，在上述日本專利申請案早期公開制第6_2i53i(i994 84153-930506.doc 1249133
年）所揭露之發明之袖缸< 、、、工凡件中，雖然加權因子可依據施加 於用作加權機構（可·雷卩、 電阻）之喬可珍化合物之脈波電壓強 度予以改變，仍铁不可@ w i 因子 文仞…+ 了此依據脈波電壓之施加次數改變加權 由在於阿可珍化合物之電阻值變化使用-導因於電流 所產生之焦耳熱介於結晶狀態與非結晶狀態之間的相位轉 移且所加加之脈波電麼強度係反射在形成之晶體區與非結 晶區之間的佔空率上，並接著予以儲存。然而，恰在此刻之 :儲存於喬可珍化合物構成之加權機構内與先前輸人波冑 ^ 壓（由先前輸入脈波電壓所構成介於晶體區與非結晶區之間 的佔二率）有關之資汛係由與新施加之脈波電壓有關之資訊 予以覆寫。換句話說，儲存於喬可珍化合物所構成之加權機 構内之資訊僅呼應最後施加之脈波電壓。 因此’在上述揭露於日本專利申請案早期公開制第 6-21531號（1994年）之發明之神經元件中，喬可珍化合物在 施加一輸入信號之後的電阻值與再次施加相同輸入電壓之 後的電阻值之間沒有變化。為了簡化說明，讓我們考慮具有 一輸入之神經元件。例如，假設施加一振幅為3伏特之脈波 電壓，喬可珍化合物之鬲體區與非結晶區之間的佔空率係進 入藉由施加振幅為3伏特之脈波電壓所產生之狀態，且電阻 值由100仟歐姆變為10仟歐姆。之後，振幅為3伏特之相同脈 波電壓再次施加時，喬可珍化合物之晶體區與非結晶區之間 的佔空率僅可進入藉由施加振幅為3伏特之脈波電壓而得到 的狀態内。所以，即使重複多次施加振幅為3伏特之脈波電 84153-930506.doc
HI 1249133 壓’喬可珍化合物之電阻值未改變且仍然是丨0仟歐姆。 由此，在上述揭露於曰本專利申請案早期公開制第 6-21531(1994年）之發明之神經元件中，當相同輸入信號係 重複輸入時，功能為加權機構之喬可珍化合物之電阻值並未 改變。因此，為了觸發神經元件，有必要施加一具有較大振 幅之脈波電壓，該較大振幅係大到足以觸發神經元件。所以 傳統神經元件將不再藉由繼續施加相同輸入信號觸發。為 了上述理由，揭露於曰本專利申請案早期公開制第6_2丨53 i 號（1994年）之發明之神經元件無法製作藉由重複多次接收 相同刺激反應更加敏感之人類神經元功能之模型。 另外，前述曰本專利申請案早期公開制第6_21531〇994年 )在圖2描繪一種含有複數個電晶體和連接於電晶體閘極之 加權機構之神經元件，其中加權機構使用例如靜態隨機存取 記憶體(SRAM)單元、電容和浮動閘。然而，該神經元件面 臨加權構作在電路上所佔有之面積增加的問題。 【發明内容】 本發明已解決上述問題’且_本發明之目的在於提供一種 能夠依據輸入信唬之累積施加次數改變加權因子並以非揮 發性方式維持加權因子以便製作人類神經元特性模型之神 經元件’該人類神經元件特性舉例即藉由重複多次接收相同 刺激更快速地，換句話說，更敏感地逐漸反應之功能。 再者’為了實現該神經元件，一本發明之目的在於提供— 種包含-可變電阻之積體電路裝置，該可變電阻依據輸入信 號之累積施加次數改變其電阻值並以非揮發性方式維持電 84153-930506.doc
系替換f 、乂八 '入· 月曰 1249133 阻值。 本各明之進一步目的在於提供一種包含加權機構之神經 -件，其中加權機構在-電路上之面積係儘可能地予以絮 小。 农 另外為了實現該神經元件，―本發明之目的在於提供— 種包含-可變電阻之積體電路裝置，該可變電阻依據輪二作 说之累積施加次數改變其電阻值並以非揮發性 阻值。 可包 =本發明之積體電路的特徵在於包含‘·—由-種依據脈波 %壓之累積施加次數改變並兩 爻具私阻值並以非揮發性方式維持 電阻值之材料所構成之可變電阻；以及基於一藉由可變電阻 予以轉換之輸入信號用於執行一算術 出一預定值的情況下輪出-預定輪出信號之算術機構 除此之外，-本發明之神經元件之特徵在於包含：由一種 依據脈波電塵之累積施加次數改變一加權因子並以非揮發 性方式維持該加權因子之材料所製成之可變電阻所組成之 力:核機構;以及基於一藉由加權機構予以加權之輸入信號執 行一异術運算並在運算έ士罢扣山 _ . Ό果超出一預定值時藉由觸發輸出 一預定輸出信號之算術棒構。 在該本發明之積體電路裝置和神經元件中，可變電阻（加 權機構）依據脈波電麼之累積施加次數改變電阻值（加權因 子）並以非揮發性方式維持電阻值（加權因子）。因此，算術 機構基於每一個可變電阻（加權機構）所轉換之輸入信號執 灯-异術運算並在運算結果超出一預定值時輪出一預定輸 84153-930506.doc -10- 1^133
出4號，而每一個可變带 4 後仍保存其電阻值。兒且（加權機構）即使在電源供給中斷 係 Ιέ 丹I，本發明之積體電路 -種具有-触_構$ 神^件之㈣在於材料 。 …卞構之氣化物，該鈣鈦礦架構至少包含 在4本發明之積體電 八辟々力 #置及神經元件中，由一且有至少 含錳之鈣鈦礦架構之4诈仏 依據脈波電麼之累積施加次：構：：可變電阻(加權機構) 非揮發性方式保存電阻值广〜電阻值(加權因子)並以 另外’本發明之積體雷 、電^置和神經元件之特徵在於具有 鈣鈦礦架構之氧化物係 c + τ 衣不马 Pr(丨-χΑΜη〇3、La(1.x)CaxMn03 、或^y)CaxPbyMn〇3(其中X<1、y<l、x+y<i)之材料中的任 何一種材料。 在該本發明之積體電路裝置和神經元件i由分析值為 施〇3、La(1-x)CaxMn〇3、4La(i x y)CaxPbyMn〇3(其甲 W / 1 x+y<l)中任何一種之氧化物所構牟之可變電阻（加權 機構）依據脈波電壓累積施加次數改變電阻值（加權因子）並 以非揮發性方式保存電阻值。 另外，本發明之積體電路裝置和神經元件之特徵在於具有 舞欽礦架構之氧化物係表示為PrG7CaG3Mn〇3、 La0.65Ca0.35MnO3、或La0.65Ca0_175Pb0.175MnO3之材料中的任何一 種材料。 在該本發明之積體電路裝置和神經元件中，由表示為
Pr0.7Ca0.3MnO3、La0.65Ca0.35MnO3、或 La0.65Ca0.175Pb0.175MnO3 之 84153-930506.doc -11 - 1249133 材料中的任何一種材料所 脈波電壓之累積施加次數改變電阻二y機構)依據 發性方式保存電阻值。夂電阻值（加核因子）並以非揮 發明之積體電㈣置之特徵在於可變電阻係串接 ^術機構與複數個輸人端中之其中—個或每—個之間。 本發明之独元件之㈣在於加權機構係串接 於，術機構與複數個輸入端中之其中一個或每一個之間。
=本發明之簀體電路裝置和神經元件n 變電阻係串 接於异術機構與複數個輸人端之其中—個或每_個之間。因 :二：-負脈波電麼首先施加至每—個可變電阻(加權糊 〃極性與第一輸入脈波相同之脈波電屋隨後進—步予以 一 乂便事先提升電阻值（加權因子）時，然後，在重複施加 :正輸入脈波電麼時’可變電阻（加權機構）之電阻值依據正 用入脈波電μ之累積施加次數逐漸減少，且加權因子之數值 而曰加丨中加權因子之數值係每一個可變電阻之 的倒數。 再者，本發明之積體電路裝置之特徵在於可變電阻係串接 ;複數個輸入端之其中一個或每一個與一接地電位之間，且 其進-步特徵在於包含一串接於複數個輸入端之其中一個 或每一個與算術機構之間的固定式電阻。 另外，本發明之神經元件之特徵在於加權機構係串接於複 =個輸入端之其中之—或每—個與_接地電位之間，且其進 一步特徵在於包含-串接於複數個輸人端之其t -個或每 一個與异術機構之間的固定式電阻。 84153-930506.doc -12-
1249133 在該本發明之積體電路裝置和神經元件中，可變電阻係串 接於複數個輸入端之其中一個或每一個與一接地電位之間 ’並進一步提供一串接於複數個輸入端之其中一個或每一個 與鼻術機構之間的固定式電阻。因此，隨著每一個電阻之電 阻值增加，由每一個輸入端流向每一個固定式電阻之輸入電 流流量增加，且流入神經元件之算術機構之電流亦增加。 再者，本發明之積體電路之特徵在於可變電阻在施加一極 性與初始狀態中所輸入之脈波電壓相同之脈波電壓時增加 其電阻值，而在施加一極性與初始狀態中所輸入之脈波電壓 相反之脈波電壓時減少該電阻值。 另外，本發明之神經元件之特徵在於加權機構在施加一極 性與初始狀悲中所輸入之脈波電壓相同之脈波電塵時以一 方向改變加權因子，而在施加一極性與初始狀態中所輸入之 脈波電壓相反之脈波電壓時以相反方向改變該加權因子。 在該積體電路裝置和神經元件中，可變電阻在施加一極性 與初始狀態中所輸入之脈波電壓相同之脈波電壓時增加其 電阻值，而在施加一極性與初始狀態中所輸入之脈波電壓相 反之脈波電壓時減少該電阻值。 本發明之上述及進一步目的將經由底下配合附加圖式之 詳細說明益加完整明顯。 【實施方式】 底下說明將基於描繪某些本發明具體實施例之圖式詳細 解釋本發明。 注思，作為一神經元件之加權機構，亦即一本發明積體電 84153-930506.doc -13 -
種由具有含錳之鈣鈦礦架構之 nPCMO膜”），所組 ’本發明使用一種由
即在笔源供給中斷時維持電阻值
Ik著脈波電壓之施加於室溫 终給中斷時仍具有非揮發性 維持電阻值之特徵，如美國 路之可變電阻， 氧化物，如prQ · 成之可變電阻， 專利案第6,204，139Β1號所揭露之特徵。 、一 八！弓鈦確架構係—種首先以氧化莉鈦（p_skite)(CaTi〇3)作 刀析之日日體架構，並意指一種如同理想晶格之簡單立方架構。 圖3係一用於本發明之氧化物薄膜（pcM〇膜）之電阻值變 匕圖"私阻值之變化係藉由脈波電壓之施加予以產生。該圖 表示當一脈波電壓如上述施加於pCM〇薄膜時，首先，電阻 值僅卩通脈波電壓之振幅呈指數增加，而與脈波電壓之極性無 關。在此種情況下，由於電阻值變化平滑，在加權時實現細 微變化係可行的。反之，雖然未示於圖3，當一極性與首先 施加之脈波電壓相反之脈波電壓被施加時，pCM〇薄膜之電 阻值減少。 圖4A和圖4B係用於本發明之氧化物薄膜（pCM〇膜）之電 阻值變化圖，電阻值之變化係導因於短時間脈波電壓之施加 ’且圖4A表示施加正脈波時之電阻值變化，而圖4B則表示 施加負脈波時之電阻值變化。 更明確地，如上所述之PCMO膜顯示圖4A和圖4B中相關於 具有短脈寬（奈秒等級）之脈波電壓之圖示所示之電阻值變 化。由圖3之圖示特徵可知，電阻值隨脈波電壓之振幅增加 ，反之，在圖4A之圖示中，電阻值依據極性（正極性）與首先 84153-930506.doc -14- 1249133 丨換;負 日 施加之脈波電壓相 次數而增加。 同之脈波電壓（+3至+5伏特）之累積施加 =田極負極性）與首先施加之脈波電壓相反之脈 ;电壓（-3至-5伏特）被施加時，如圖仙之圖示所示， 薄膜之電阻值依據脈波之累積施加次數而減少。藉由使用一 可變電阻作為加權機構，其中可變電阻利用依據脈波電麼累 積&加-人數之電阻值變化’實現藉由重複接收相同刺激更快 速地回應，換句話說即藉由學習更敏感地回應，之人類神經 元功能變得可行。 •除了上述特徵外，有了具有含猛之賴礦架構之氧化物薄 膜如上述之PCMO ’所固有之非揮發性特徵，電阻值即使 在電源供給中斷後仍得以維持，亦即，加權機構之加權因子 即使在電源供給中斷後仍得以保存。除此之外，如將於猶後 所述，由於單獨加權機構能夠藉由—由上述氧化物薄膜所構 成之可變電阻，或一可變電阻與一固定式電阻，予以實現， 使單獨加權機構所佔有之面積減少係可行的，藉以使神經元 件之整個面積大幅減少。 圖5係一表示上述氧化物薄膜所組成之非揮發性可變電阻 木構貫施例之概要圖。一用於製造圖5所示非揮發性可變電 阻之方法係如底下所述。 首先，一由二氧化矽（SiOj膜或氧化鑭鋁（LaA1〇j膜所構 成之絕緣膜2係沉積在一矽晶圓丨上，其中絕緣膜2係一單晶 絶緣體。一材料為鉑（Pt)、銥（Ir)、鈦（Ti)、或導電氧化物 YBaCu3〇7之底部電極3係沉積在絕緣膜2上。另外，在底部 84153-930506.doc -15 - 1249133 F 於 u 電極3上，一由分析值標示 马 pr(Nx)、CaxMn03、La(1.x)CaxMn03 或 La(i_x_y)CaxPbyMn〇3(复 φ "τ χ<ι、y<1、x+y<1)，例如
Pr〇.7Ca〇.3Mn03、La0 65Ca0 M ^ T 5 n〇r 以及La0.65Ca0,175Pb0i75Mn〇3 之材料中的任何一種枒粗&址丄 科所構成之氧化錳膜4係藉由 MOCVD法、旋轉被覆法、帝射幻…" 支友田射刻除法（laser ablation)、濺鍍 法等予以沉積0另外，鉑 你作為一上部電極5予以蒸發沉簀 於氧化錳膜4上。為了盥一邋始从你 ” 導線接觸，使用金（Au)、銀（Ag) 、鉑或一例如二氧化銥(Ir〇2)之導電氧化物。 ^意’在圖5所示之實施例中’—二氧㈣膜係用作絕緣 膜2卩鈦作為基部之鉑係用作底部電極3、卩⑽。 (~7〜雜〇3)係用作氧化猛膜4、卩及始係用作上部電極$ :另外，圖5所示非揮發性可變電阻之尺寸係一直徑大約2〇〇 微米且厚度大約3_埃之圓圈’且電阻在電路上所佔有之面 積係非常地小。 ，、次，底下說明將引用圖6中表示積體電路裝置實施例之 電路圖解釋積體電路裝置之電路架構，亦即本發明之神經元 件； 非揮發性可變電阻11_丨至11_11(分別具有電阻值心至心）係 經形成以具有一種架構，該架構使用，如圖5所示之氧化錳 膜4，一種表示電阻值在室溫下隨著脈波電壓之施加而變化 之材料所構成之薄膜，亦即一具有含錳之鈣鈦礦架構之氧化 物，舉例如美國專利案第6,2〇4，139則所揭露之份〇7Ca^Mn〇3 (PCMO)。卩返著該等非揮發性可變電阻11 _ 1至11 之使用，依 據脈波電壓之累積施加次數改變電阻值R!至Rn係可行的。 84153-930506.doc -16- 1249133 多^丨㈣ 'm 5. -¾ .; 在圖6中，一以虛線包圍引用參考編號12予以標示之部分 ’ 係一對應於神經元細胞體之算術機構。對於算術機構之電路 . 而言’係舉例採用文件，，類比式超大型積體電路（VLSI)和神 經系統（卡沃米德（Carver Mead)所作）所述之算術機構。更 尤甚者’算術機構12之電路包含一含有兩電容14_1與14-2之 電容性分壓電路；一放大器121 ;和一含有兩電晶體％&與 Mb之重置電路，以及實現以神經元中之軸突丘產生一神經 脈博並接著以一電子電路回復原始狀態之功能。其它神經元 件之輸出（於前一級中）係作為輸入信號自輸入端^至。(輸入 g 信號之電壓值分別為Vl至Vn)經由非揮發性可變電阻丨Μ至 11 -η送至异術機構丨2。這些輸入信號呼應其它神經元之突觸 和軸索。 在圖6所示本發明之神經元件中，一負脈波電壓係預先送 至非揮發性可變電阻1 1 _ 1至1 1 _n作為加權機構，然後進一步 知加一極性與第一輸入脈波相同之脈波電壓以便事先提升 電阻值。在後續的輸入過程中，正輸入電壓％至％係分別 自輸入端I!至In送至非揮發性可變電阻丨1-；[至丨1-n，且該等 ® 電流係接著經由非揮發性可變電阻丨丨至丨1-η作算術加總 並流入算術機構12。此時之電流總合〗係以底下方程式予以 表示。 Ι=Σ Vi/Ri =V1/Ri+V2/R2+V3/R3 + ...+vn/Rn 然而’在此實施例中，藉由重覆施加正輸入脈波電壓，非 揮發性可變電阻11-1至n-n之電阻值心至心依據累積施加 84153-930506.doc •17-
1249133 次數步階式地減少，且加權因子Wi^Wn之數值增加，其中 加權因子w丨至w n之數值係非揮發性可變電阻丨丨-丨至丨^ n之 電阻值1至1的倒數。注意圖i所示之物理量θ與電流j相關 ，且加權因子〜1至^¥11與1/111至1/1111相關，故圖6所示之電路 係貫質等於作為先前技藝實施例示於圖1之電路。 順道一提，構成每一個非揮發性可變電阻丨丨_丨至丨1 之 PCMO所具有的一項特徵在於第一次施加一脈波電壓時，電 阻值無關於脈波電壓的極性而增加，然後當所施加之脈波電 壓極性與初始輸入脈波相同時，電阻值增加，但當所施加之 脈波電壓極性相反時，電阻值減少。另外，存在一項非揮發 性可變電阻11 -1至11 -XI在增加電阻值時比減少電阻值時更 易X控制之特徵。因此，就利用非揮發性可變電阻1 1 _ 1至 1 l-n之數目增加使控制更容易的觀點來看，當一藉由增加加 權機構之加權因子用於增加輸入電流之電路設計受到採用 時，實現一非常易於使用之神經元件係可行的。 為了該等理由，如圖7之電路圖所示，在相關輸入端]^至 Ιη與接地電位之間串接非揮發性可變電阻1 1 _ 1至1 l-n，同時 在相關輸入端L至In與算術機構12之間串接固定式電阻13-1 至13-n，並藉以經由固荩式電阻丨^丨至^巧將輸入脈波電壓 輸入至异術機構12係有作用的。隨著非揮發性可變電阻1 u 至ll-η之電阻值心至！^增加，由輸入端^至]^流向固定式電 阻13-1至13-n之輸入電流流量增加，故流入神經元件之算術 機構12之電流亦因而增加。 為了上述理由，在圖7所示的神經元件中，如同圖6所示之 84153-930506.doc -18-
1249133 神經單元事先增加每一個非揮發性可變電阻丨丨至丨丨之 電阻值是不需要的，且存在每一個固定式電阻13-1至13-n之 電阻值可依據使用神經元件的目的予以事先設定的優點。 圖ό和圖7所示之每一個神經元件之算術機構12之運作原 理係如底下所述。注意算術機構12包含一電容14-1(具有電 容值(^)，電容14-1之一端係共接於每一個非揮發性可變電 阻11-1至ll_n之輸出端、或每一個固定式電阻13-1至134之 輸出端’且另一端係連接至接地電位；一電容14-2(具有電 容值CD，電容14-2之一端係連接至放大器121之輸出端且另 &係連接至放大器121之輸入端以便形成一回授迴路；以 及電晶體Ma和Mb，電晶體Ma和Mb係在放大器121之輸入端 與接地電位之間申接。除此之外，放大器121之輸出端係連 接至電晶體Ma之閘極，且一神經元件中連接至下一級之輸 出Vback#連接至電晶體Mb之閘極。 當流向异術機構12之輸入電流流入電容14-1且電荷累積 時，電容14-1之一端（放大器121之輸入端）的電位Vin接著上 升。在Vin較低的週期期間’放大器ι21的增益不大於1，且 通過電容14-2的正回授因而難以動作，以及的上升較為 適中。然而，當vin上升到某一數值時，放大器121的增益陡 峭上升，且分量（^/(q+C2)乘上放大器12ι輸出端電位v〇ut 上升量之結果係藉由通過電容14-2之正回授回饋回放大器 121之輸入端。因此，放大器121的輸出信號，即算術機構12 之輸出信號之電壓vQut，陡峭上升至一電源供給電壓乂⑽。 這呼應於觸發一神經元。 84153-930506.doc -19- I249133 買 月 曰 在~真實神經元中，位於軸突丘之正回授係藉由一取決於 電壓之納離子通道（sodium channel)予以達成。當細胞體内 侧的電位上升時，鈉離子通道呈開啟且鈉離子電流（s〇diurn current)增加，藉以使細胞質更正向鈉離子之反向電位（5 5毫 伏特）。換句話說，通過電容14-2之正回授執行神經元中通 過鈉離子通道之正回授。另一方面，電容14-1的作用為細胞 膜〇
在重置電路中，當放大器121輸出端的電位从_和連接至 下一級神經元件的輸出電位Vback已變得夠高時，以該兩電位 作為閘極輸入之電晶體Ma* Mb係同時開啟，且儲存於電容 w-i内的電荷接著流向接地電位，藉以重置算術機構a。因 此，每一個神經元件的輸出得以穩定，且每一個神經元件係 在輪出觸發下一級神經元件之後予以重置。
上述神經元件的重置運作係類似於神經元中鉀離子通〗 的功能。雖然鉀離子通道的數目大於鈉離子通道的數目" 離子通道對於改變細胞質電位具有不良較應並在神經1 糟由鈉離子通道的功能予以完全去極化之後逐漸地增力^ 啟通道之數目，但開啟之鈉離子通道則因該等通道固有之; 作用性而減少。當開啟之鉀離子通道變得比開啟之鈉離子土 道還多時，細胞質係變得更負向卸離子之反向電位(灿 特）。當細胞體再次極化眭，„ ^ 化日守，開啟之鈉離子通道快速減少： 鈉離子電流亦降低，且細胞質 l貝^位付以進一步降低。最絲 鉀離子通道（potassium ch π ^ ^ 夠再次觸發的狀態。 文種月1 84153-930506.doc -20. 1249133 1 在一真實電路中，由於電容144有漏電現象，當來自其它 神經元件之輸入信號’亦即分別輸入至輸入端丨丨至^之輸入 信號中斷時，電容14-1中的電荷最後將將全部漏失。因此， 雖然上述重置電路並非必要，但假使需要在電容丨4_丨中的電 荷全部漏失前連續觸發神經元件，則有必要為電容14_丨中之 強制性電荷漏失預作準備。 圖8概要圖示觸發本發明積體電路裝置和神經元件所需的 日τγ間更尤甚者，圖8係一表示觸發本發明神經元件所需的
時間’其中本發明之神經元件使用—種如上述用於加權機構 ，即可變電阻，具有含錳之鈣鈦礦架構之氧化物，圖8並描 繪每次一串脈波電壓重覆施加於本發明之神經元件和積體 電路裝置之可變電阻（加權機構）時，電阻值如何改變，換句 話祝，即流入算術機構12之放大器121之電流之電壓…化）如 何改變。 备一串脈波電壓第一次予以重覆施加時，電壓 之上升較為適中，且電壓Vin達到放大器i2i之門檻電壓
並於時間u發生觸發。之後，當算術機構12一旦重置且一 脈波d係於第_次予以重覆施加時，電壓之上升與 人相比更快一些。理由在於每一個非揮發性可變電阻。 至ll-η之電阻值已藉r ^ Sir 'cir ^ r— 上 糟由串脈波電壓之第一次施加予以 :且電阻值係以非揮發性方式予以維持，故電容14]中之 =積與第—次施加時相比較因而更為快速。所以，當一 、：：係於第_次予以重覆施加時，觸發時間(—hg) 其中t2比第—次施加時之闕短。另外，t-串脈波 84153-930506.doc -21 - 1249133
以重覆施加時，觸發時間 壓係於弟三次以上述之相同方式予 為比t2還短的t3。 觸發時間逐步變快的事實意指本發明之神經元件隨著相 同信號之施加次數上升而反應更加敏感，這㈣意指—神經 元件之實現更類似人類之神經元。 、 注意，在由一喬可珍化合物所構成之傳統可變電阻係用作 加權機構的情況下，即使相同輸入信號係經重覆施加，可變 電阻之電阻值仍不改變，故觸發時間固定不變。再者，若以 使用由喬可珍化合物所構成之傳統可變電阻之加權機構而 °除非轭加脈覓至少為t3之週期之輸入脈波電壓，否則 觸發不會發生。反之，在本發明中，即使輸人脈波電壓的脈 寬小於t3之週期，若重覆予以施加，最終會發生觸發。理由 在於可，交電阻之電阻值係藉由重覆施加脈波電壓予以逐漸 減 >，且輸入脈波當然具有一觸發所需的脈寬。 順道一提，與异術機構12有關，尤甚是放大器丨2丨，有各 種可能的具體實施例，且其中最簡單的—個實施例係如圖9 之電路圖所示串接兩個反相器22和23的架構。然而，當重置 係在輸入#唬仍然存在的情況下藉由使電晶體和Mb所 組成之重置電路動作予以執行時，會有輸出發生振盪的可能 性。在真實的神經元中，這問題並不這麼嚴重，因為真實神 經元並非以如同電子電路般快速之時脈運作，且對於傳送至 突觸之輸入延遲因而通常有足夠的時間。然而，在一藉由半 導體予以貫現且於高速運作之神經元件中，需要充分地考量 輸出信號的振盪問題。 84153-930506.doc -22- 1249133 為了避免此一存在於神經元件中+ 些量測係可行的，…$牛中之輸嶋《，採行某 級令連接-、由…^ A下一級中之神經元件，在充分後 _ ^ ?經7°件之輸出作為送至重置電路_電晶體Mb 充分改良重置電路中電晶㈣^ 1及將一通路電晶體（pass transist〇r)連接至每一個神經元 件之輸出端以時脈式控制送至下一級之輸入。 广在另放大為121之具體實施例_，可使用一如圖10中之 電路圖所示之位準切換器（或稱電平轉換器）(level shlf㈣ 24在使用圖1()中之電路圖所示之位準切換器以之架構中， 田振I開始％ ’振堡頻率與圖9所示電路圖中含有兩個串接 反相σσ之木構相比較係較長的。因此，即使在振盪發生時， 若^在高速運作期間發生，在達到振盪峰值之前通常會有來 自前級之輸人已經衰減或重置運作已經完成的現象，且因而 存在使電路免於失控㈣n away)的高度可能性。然而，如圖 、所示由於用於放大器121之位準切換器24之電晶體數目 增加到六個，存在抵消降低加權機構所佔有之面積的可能性。 另一方面，如圖11之電路圖所示，當一差動放大器25係用 作放大器121時，藉由改變參考電位Vr£f改變神經元件之輸 出門檻值係可行的。在此種情形下，當Vref上升時，神經元 件之輸出門檻值亦上升且供應輸出之前所需的電流量上升 ’以及神經元件本身因而變為非作用。 雖然並非精確相等，但是當由外部查看神經元件時，上述 功能仍非常類似神經元中氯離子通道的功能。由於氣離子通 道具有增加膜狀物導電性而不改變細胞質電位的效果，故得 84l53-930506.doc -23-
1249133 以降低鈉和鉀對細胞膜的影響。所以，神經元對來自突觸之 輸入的反應變得較差。 由於圖π之電路圖中所示的差動放大器通常放大能力不 足，故可藉由安裝圖12之電路圖中所示的反相器26改良輸入 /輪出特性。 如以上之詳細說明所述，根據本發明之積體電路裝置和神 元件，藉由形成一利用氧化物薄膜，更明確地說係一種具 有含錳之鈣鈦礦架構之氧化物薄膜，之可變電阻，其中該氧 化物薄膜具有隨脈波電壓之累積施加次數於室溫改變之電 阻值亚以非揮發性方式維持該電阻值，依據如同傳統神經元 件^之脈波電M振幅改變權重、以及亦依據過去所輸入之脈 波私屋之累積次數改變權重係可行的，藉以實現與人類神經 元更類似的神經元件。 再者，如圖8之圖所示，在本發明之神經元件中，每一次 重覆轭加一串脈波電壓時，流入算術機構之電流之電壓（ν^) 更力陕速地、交知更南，且觸發時間因而逐漸變得更快。更快 速的觸發間時意指神經元件隨著相同信號施加次數的增加 反應更敏感，藉以實現與人類神經元更類似的神經元件。 -卜根據本發明之積體電路裝置和神經元件，藉由對於 二核機構使用固定式電阻和非揮發性可變電阻之組合，有可 J用非揮發性可變電阻之特徵，亦即，控制在提升電阻值 守更為容易，以及消除事先提升非揮 的必要性。因此，依據使 ^ ^阻值 —^ 像便用神經兀件電路的目的預先設定固 疋式電阻之電阻值變得可行。 84153-930506.doc -24- 另外’根據本發明之積辦雷 在電路加…、體電路虞置和神經元件，加權機構 在電路上所佔有的面積可作得非常小。 由於本發明可用許多 卞夕形式予以體現而不脫離其實質特徵 n A之具體實施例因而係屬於描述性且非限制性， 因為杨明之料係由附加之中請專利範圍而非先前說明 予乂界疋J_所有洛於中請專利範圍之界標和界限内之變化 ，或其界標和界限之等義字因而係易欲於藉由申請專利範圍 予以含括。 【圖式簡單說明】 圖1係一解釋神經元件概念之概要圖； 圖2係一傳統普通神經元件之電路圖； 圖3圖tf對-用於本發明之氧化物薄膜㈣則膜）施加脈 波电壓所導致之電阻值變化； 圖4A圖不對用於本發明之氧化物薄膜（pcM〇膜）施加一 正短時間脈波電壓所導致之電阻值變化； 圖4B圖不對用於本發明之氧化物薄膜（1^%〇膜）施加一 負短時間脈波電壓所導致之電阻值變化； 圖5係一表示本發明積體電路裝置中氧化物薄膜（PCm〇 膜）所組成之非揮發性電阻架構實施例之概要圖； 圖6係一表示積體電路裝置基本電路架構實施例之電路圖 ’亦即一本發明之神經元件； 圖7係另一表示積體電路裝置基本電路架構實施例之電路 圖’亦即本發明之神經元件； 圖8係一概要表示觸發本發明之積體電路裝置和神經元件 84153-930506.doc -25 - 1249133
a 之所需時間圖； 其代表一本 ，其代表一本 ，其代表一本 ，其代表一本 圖9係一表示神經元件之算術機構之電路圖， 發明具體實施例中之例子； 圖10係一表示神經元件之算術機構之電路圖 發明具體實施例中之例子； 圖11係一表示神經元件之算術機構之電路圖 發明具體實施例中之例子；以及 圖12係一表示神經元件之算術機構之電路圖' 發明具體實施例中之例子。 【圖式代表符號說明】 1 石夕晶圓 2 絕緣膜 3 底部電極 4 氧化锰膜 5 上部電極 11 -1〜11 _n 可變電阻 12 算術機構 13-1 〜13-2 固定式電阻 14-1， 14-2 電容 _ 121 放大器 22, 23, 26 反相器 24 位準切換器 25 差動放大器 Rl -Rn 電阻值 84153-930506.doc -26-
_L
Vi 〜vn 電壓 Il-In 輸入端 w!〜wn 加權因子 Θ 運算結果 TH 預定門植值 Vout 預定電壓 Ma，Mb 電晶體 84153-930506.doc -27
Claims (1)
1249133 •構之範圍第"項之神經元件，其中該具有物架 物係標示為Pr(1.x)CaxMn〇3、La〇x)CaxMn〇3 ^：rpby^ 13.:1=Γ範圍第12項之神經元件，其中該加權機構係串 、複數個輸入端中之一個或各個與該算術機構之間。 •如申請專利範圍第12項之神經㈣，其中該加權機構㈣ 接於複數個輪入端中之一個或各個與-接地電位之間；以 及 其進一步包含一連接於該複數個輸入端中之一個或各 個與該算術機構之間的固定式電阻。 15.如申料利範圍第11項之神經元件，其中該具㈣鈦礦架 構之乳化物係標示為Pr。7Ca。3Mn〇3、La。“Ca。35Μη〇3、或 La〇.65Ca0.i75Pb0.i75Mn03之材料中的任一材料。 以如申請專利範圍第15項之神經元件，其中該加權機構係串 接於複數個輸入端中之一個或各個與該算術機構之間。 17.如申請專利範圍第15項之神經元件，其中該加權機構係串 接於複數個輸入端中之一個或各個與一接地電位之間；以 其進步包含一連接於該複數個輸入端中之一個或各 個與該算術機構之間的固定式電阻。 18·如申請專利範圍第1〇至丨7項中任一項之神經元件，其中該 加權機構在施加一極性與初始狀態中所輸入之脈波電壓 84153-930506.doc
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