一种反向串联忆阻突触电路的设计及应用-快速了解中国科学信息科学.PDF

中国科学: 信息科学 2016 年 第46 卷 第3 期: 391–403 SCIENTIA SINICA Informationis 论 文 一种反向串联忆阻突触电路的设计及应用 * 杨玖 王丽丹 段书凯 西南大学电子信息工程学院, 重庆 400715 * 通信作者. E-mail: ldwang@swu.edu.cn 收稿日期: 2015–04–13; 接受日期: 2015–05–22; 网络出版日期: 2015–08–14 教育部新世纪优秀人才支持计划项目 (批准号: 教技函 [2013]47 号)、国家自然科学基金项目 (批准号: 609- 72155)、教育部 “春晖计划” 科研项目 (批准号: z2011148)、留学人员科技活动项目 (批准号: 渝人社办 [2012] 186 号)、重庆市高 等学校优秀人才支持计划项目 (批准号: 渝教人 [2011]65 号)、重庆市高等学校青年骨干教师资助计划项目 (批准号: 渝教人 [2011] 65 号) 和中央高校基本科研业务费项目 (批准号: XDJK2014A009, XDJK2013B011) 资助 摘要 忆阻器的记忆效应类似于生物神经系统中突触的功能, 其纳米级尺寸、低功耗和高集成度等 特性, 使得忆阻突触具有仿生智能的信息处理能力, 这对构建神经形态系统具有重要意义. 本文在改 进忆阻器模型的基础上, 设计了一种反向串联忆阻开关型突触电路. 当开关断开时, 周期方波电压对 忆阻值(权值) 进行调节, 实现权值更新; 当开关闭合时, 突触电路中的忆阻值被用于连接权值来存储 信息. 该突触电路具有STDP (spike-time-dependent-plasticity) 仿生学习能力和阻值线性连续特性. 本 文将此突触电路应用于交叉阵列的图像存储中, 优化了存储方案, 讨论了噪声电压对图像存储的影 响, 进行了数值分析和仿真比较. 实验结果表明: 所提出的存储方案比单忆阻器交叉阵列存储方法 更具有可靠性和鲁棒性. 关键词 脉冲时间依赖可塑性 忆阻器 突触电路 交叉阵列 图像存储 引言 神经形态系统是指能够实时模拟人脑进行信息处理的智能化系统. 这一概念最早是由Mead 提出 [1] 来的 , 它通过超大规模集成电路来模拟神经生物学, 具有并行计算和分布式存储的能力. 我们知道, 人脑神经元约含 1000 亿个神经元, 每个神经元平均有 20000 个突触联系. 那么突触电路的设计和分 [2] 析是构建神经形态系统的关键问题, 忆阻器的发现 和研究正好为此提供了新的契机. 忆阻器作为两 神经元间的连接突触, 具有非易失性和纳米级尺寸, 便于高效存储和集成化. 同时, 忆阻器可以通过施 加磁通量或电荷实现忆阻值的动态变化, 从而使忆阻器在突触电路的应用设计上得到广泛研究[38] . 然而, 目前研究面临的问题有: 1) 如何寻找合适的用作电子突触的忆阻器模型; 近年来, 忆阻器的研 究主要集中在模型的分析和应用上. 已经提出的忆阻器模型有离子迁移模型、Simmons 隧道势垒忆阻 [9] [10] 模型和Yakopcic 模型等 . 2) 单个忆阻器用作突触时, 其突触权值随时间呈现非线性变化 , 并且 系统对初始值有依赖性, 影响各种学习规则在神经网络应用中的稳定性. 3) 在单个忆阻交叉阵列用于 引用格式 杨玖, 王丽丹, 段书凯. 一种反向串联忆阻突触电路的设计及应用. 中国科学: 信息科学, 2016, 46: 391–403, doi: 10.1360/N112014-00365 ⃝ 《中国科学》杂志社 杨玖等: 一种反向串联忆阻突触电路的设计及应用 [11] 图像存储 时, 用忆阻值表征 256 个灰度图像的像素值, 阻值选取越密集, 越容易受到噪声电压的 影响, 会引起图像灰度值的非期望变化, 从而