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JP2018073017A - Semiconductor device, image recording apparatus and electronic apparatus - Google Patents

Semiconductor device, image recording apparatus and electronic apparatus Download PDF

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JP2018073017A
JP2018073017A JP2016210156A JP2016210156A JP2018073017A JP 2018073017 A JP2018073017 A JP 2018073017A JP 2016210156 A JP2016210156 A JP 2016210156A JP 2016210156 A JP2016210156 A JP 2016210156A JP 2018073017 A JP2018073017 A JP 2018073017A
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circuit
signal
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error
module
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JP2016210156A
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黒川 義元
Yoshimoto Kurokawa
義元 黒川
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device, an image recording apparatus and an electronic apparatus, which are of novel configurations.SOLUTION: A semiconductor device has a plurality of modules and a plurality of programmable switches. The module has a neuron circuit, a synapse circuit, and an error circuit. The neuron circuit has a function capable of switching between the function of an input neuron circuit and that of a hidden neuron circuit. The synapse circuit includes a first multiplier circuit for changing data corresponding to a bonding strength, an analog memory for storing the data, and a second multiplier circuit for outputting a first signal as a second signal weighted in accordance with the data. The error circuit has a function capable of switching between the function of an output neuron circuit and the function of a hidden error circuit. The analog memory has a transistor provided with an oxide semiconductor in a channel formation region. The programmable switch has a function of switching electrical connections between the modules.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の一態様は、半導体装置、録画装置、および電子機器に関する。   One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device, a recording device, and an electronic device.

テレビジョン(TV)は、大画面化に伴い、高精細度の映像を視聴できることが望まれている。例えば、8K放送に対応するための受像装置が開発されている(非特許文献1)。   As television (TV) becomes larger, it is desired that a high-definition video can be viewed. For example, an image receiving apparatus for supporting 8K broadcasting has been developed (Non-Patent Document 1).

一方、デジタルテレビ放送で用いる放送衛星などでは送信可能な放送帯域に限界がある。フルハイビジョン(FullHD、2K)に対して4Kでは4倍、8Kでは16倍の画像データを送信する必要があるため、放送局など送信側で画像データを圧縮(エンコード)し、各家庭のテレビなど受信側で伸長(デコード)する技術(コーデック)が重要になる。   On the other hand, broadcasting satellites used in digital television broadcasting have a limit on the transmission band that can be transmitted. For full high-definition (FullHD, 2K), it is necessary to transmit 4 times the image data at 4K and 16 times at 8K. The technology (codec) for decompressing (decoding) on the receiving side is important.

エンコーダでは、圧縮アルゴリズムとして、フレーム内予測(隣接画素間の差分データ取得)、フレーム間予測(フレーム間の各画素の差分データ取得)、動き補償予測(移動体の動きを予測して、当該移動体が移動した画像との各画素の差分データ取得)、直交変換(離散コサイン変換)、符号化などにより、画像データの圧縮を実現している。   In the encoder, as a compression algorithm, intra-frame prediction (acquisition of difference data between adjacent pixels), inter-frame prediction (acquisition of difference data of each pixel between frames), motion compensation prediction (prediction of the motion of the moving object, the movement Image data compression is realized by obtaining difference data of each pixel from an image of a moving body, orthogonal transform (discrete cosine transform), encoding, and the like.

S.Kawashima, et al.,”13.3−In. 8K X 4K 664−ppi OLED Display Using CAAC−OS FETs”、SID 2014 DIGEST,pp.627―630.S. Kawashima, et al. "13.3-In. 8K X 4K 664-ppi OLED Display Using CAAC-OS FETs", SID 2014 DIGEST, pp. 627-630.

送信側で圧縮した画像データをリアルタイムで送出するためには、限られた時間内で、且つ高い圧縮率で画像データの圧縮を行う必要がある。すなわち、高効率のエンコーダが必要である。特に、動き補償予測では、画像データから移動体のパターン抽出を効率的に行う必要がある。その一方で、リアルタイム性を重視する場合には、放送信号を送出時には時間的な余裕がないため、送信帯域に収まる範囲に圧縮できていれば、それ以上の圧縮は不要とも言える。   In order to send the image data compressed on the transmission side in real time, it is necessary to compress the image data within a limited time and at a high compression rate. That is, a highly efficient encoder is required. In particular, in motion compensation prediction, it is necessary to efficiently extract a moving body pattern from image data. On the other hand, when emphasizing real-time characteristics, there is no time margin when sending a broadcast signal, so it can be said that further compression is unnecessary as long as it can be compressed within the transmission band.

さて、8Kデジタルテレビ放送は4Kデジタルテレビ放送と混在することが予定されており、従来のフルハイビジョン放送などの継続あるいは併存も含め、8Kデジタルテレビ単独でのコンテンツ配信は通常の視聴時間内には少なくなることが予想される。そのため、8Kの高画質コンテンツを楽しみたい特定のユーザーへのコンテンツ配信については、契約したユーザーへの配信(ケーブルテレビなど)、特定の時間帯での配信(夜間など)、特定のメディアを購入しての配信(DVD(Digital Versatile Disc)、ブルーレイディスクなど、ホームシアター用途など)、などから普及していく可能性がある。そのため、当該コンテンツを記録(録画)する装置や録画したコンテンツを再生する装置などが必要になる。しかしながら、上述のように、送信される放送信号は必ずしも圧縮が十分ではない可能性があり、録画用の記憶装置を膨大に要するなど、利便性を損なう恐れがある。   Now, 8K digital TV broadcasts are planned to be mixed with 4K digital TV broadcasts, and content distribution with 8K digital TV alone, including the continuation or coexistence of conventional full high-definition broadcasts, is within normal viewing time. Expected to decrease. Therefore, for content distribution to specific users who want to enjoy 8K high-quality content, distribution to contracted users (cable TV, etc.), distribution at specific times (such as nighttime), and purchase of specific media Distribution (DVD (Digital Versatile Disc), Blu-ray Disc, etc. for home theater use)) and the like. Therefore, a device for recording (recording) the content or a device for reproducing the recorded content is required. However, as described above, there is a possibility that the broadcast signal to be transmitted may not necessarily be sufficiently compressed, and there is a risk that convenience may be impaired, such as requiring a huge amount of recording storage devices.

そこで本発明の一態様は、既存の半導体装置、録画装置、および電子機器とは異なる構成を有する、新規な半導体装置、録画装置、および電子機器を提供することを課題の一とする。   In view of the above, an object of one embodiment of the present invention is to provide a novel semiconductor device, a recording device, and an electronic device which have different structures from existing semiconductor devices, recording devices, and electronic devices.

本発明の一態様は、放送信号を再度圧縮して圧縮率を高めた状態、すなわち、データ量を少なくした状態で記録する半導体装置、録画装置、および電子機器を提供するものである。当該圧縮処理に用いるパターン抽出には、複数のニューロン回路、複数のシナプス回路、複数の誤差回路を有する一モジュールを複数個有し、当該モジュール間をプログラマブルスイッチで接続する構成とする。   One embodiment of the present invention provides a semiconductor device, a recording device, and an electronic device that record a broadcast signal again in a state where the compression rate is increased, that is, in a state where the data amount is reduced. The pattern extraction used for the compression processing includes a plurality of modules having a plurality of neuron circuits, a plurality of synapse circuits, and a plurality of error circuits, and the modules are connected by a programmable switch.

ニューロン回路は、入力ニューロン回路もしくは隠れニューロン回路として機能する。入力ニューロン回路として機能する際は、半導体装置外部からの入力信号から同モジュール内のシナプス回路への出力信号を生成する。隠れニューロン回路として機能する際は、前段層のモジュールのシナプス回路からの入力信号を加算した信号から同モジュール内のシナプス回路への出力信号を生成する。   The neuron circuit functions as an input neuron circuit or a hidden neuron circuit. When functioning as an input neuron circuit, an output signal is generated from an input signal from the outside of the semiconductor device to a synapse circuit in the module. When functioning as a hidden neuron circuit, an output signal to the synapse circuit in the module is generated from a signal obtained by adding the input signals from the synapse circuit of the module in the previous stage.

シナプス回路は、同モジュールのニューロン回路と後段層のモジュールのニューロン回路との間の結合強度に相当するデータを記憶するアナログメモリを有し、前記アナログメモリのデータにしたがって同モジュールのニューロン回路からの入力信号に重み付けした出力信号を後段層のモジュールのニューロン回路及び同モジュールの誤差回路に出力し、同モジュールの誤差回路からの誤差信号に応じてアナログメモリのデータを更新し、アナログメモリのデータにしたがって同モジュールの誤差回路からの誤差信号に重み付けした誤差信号を前段層のモジュールの誤差回路に出力する。   The synapse circuit has an analog memory that stores data corresponding to the coupling strength between the neuron circuit of the module and the neuron circuit of the module in the subsequent stage, and the synapse circuit receives data from the neuron circuit of the module according to the data of the analog memory. The output signal weighted to the input signal is output to the neuron circuit of the module in the subsequent layer and the error circuit of the module, and the data of the analog memory is updated according to the error signal from the error circuit of the module, and the data is converted to the data of the analog memory. Therefore, an error signal weighted to the error signal from the error circuit of the same module is output to the error circuit of the module in the previous stage.

誤差回路は、出力ニューロン回路もしくは隠れ誤差回路として機能する。出力ニューロン回路として機能する際は、同層のシナプス回路からの入力信号を加算した信号から半導体装置外部への出力信号を生成し、半導体装置外部から与えられる教師信号と前記出力信号との差分から生成する誤差信号を同モジュールのシナプス回路に出力する。隠れ誤差回路として機能する場合は、同層のシナプス回路からの入力信号を加算した信号から後段層のモジュールのニューロン回路への出力信号を生成し、後段層のモジュールのシナプス回路からの誤差信号と前記出力信号との差分から生成する誤差信号を同モジュールのシナプス回路に出力する。   The error circuit functions as an output neuron circuit or a hidden error circuit. When functioning as an output neuron circuit, an output signal to the outside of the semiconductor device is generated from a signal obtained by adding the input signals from the synapse circuits in the same layer, and the difference between the teacher signal given from the outside of the semiconductor device and the output signal is generated. The generated error signal is output to the synapse circuit of the module. When it functions as a hidden error circuit, it generates an output signal to the neuron circuit of the module in the subsequent layer from the signal obtained by adding the input signals from the synapse circuit in the same layer, and the error signal from the synapse circuit of the module in the subsequent layer An error signal generated from the difference from the output signal is output to the synapse circuit of the module.

アナログメモリとして、酸化物半導体を用いたトランジスタで構成することで、理想的なアナログメモリを構成することができ、したがって、記憶保持のための大規模な容量素子を搭載する必要が無く、また、定期的なリフレッシュ動作によるアナログデータの回復の必要が無いため、チップ面積の縮小、消費電力の低減が可能となる。   By configuring the analog memory with a transistor using an oxide semiconductor, an ideal analog memory can be configured. Therefore, there is no need to mount a large-scale capacitor element for storage, and Since there is no need to restore analog data by a regular refresh operation, the chip area can be reduced and the power consumption can be reduced.

また、当該モジュール間の接続をプログラマブルとし、一層を複数のモジュールで構成し、また、多層構造とすることが可能である。   In addition, the connection between the modules can be programmable, and one layer can be composed of a plurality of modules, and a multilayer structure can be formed.

当該層におけるニューロン回路の入力信号、シナプス回路の出力信号及び誤差信号(出力)、誤差回路の入力信号、出力信号及び誤差信号(入力)、を適宜接続することで、同一層内のニューロン数を増大することができる。   By appropriately connecting the input signal of the neuron circuit, the output signal and error signal (output) of the synapse circuit, the input signal of the error circuit, the output signal and the error signal (input) in the layer, the number of neurons in the same layer can be reduced. Can be increased.

なお、多層構造とする場合、半導体装置外部からの入力信号が入力される層のモジュールにおけるニューロン回路が入力ニューロン回路として機能するように設定し、半導体装置外部への出力信号を出力及び半導体装置外部からの教師信号が入力される層のモジュールにおける誤差回路が出力ニューロン回路として機能するように設定し、その他の層のモジュールにおけるニューロン回路は隠れニューロン回路、誤差回路は隠れ誤差回路として機能するように設定する。それらの設定もプログラマブルとし、適宜設定することができる。このような構成とすることで、ニューロンの層数、同一層内のニューロン数など、階層構造を自由に変更できる。モジュール間の接続は、酸化物半導体を用いたトランジスタ(OSトランジスタ)で構成したプログラマブルスイッチとし、当該スイッチのオン・オフを当該トランジスタで構成するメモリに格納したデータにより設定することで、当該階層構造を自由に変更でき、また、当該階層構想を維持するための消費電力を極めて低くすることが可能となる。   In the case of a multi-layer structure, the neuron circuit in the module in the layer to which the input signal from the outside of the semiconductor device is input is set to function as the input neuron circuit, and the output signal to the outside of the semiconductor device is output and the outside of the semiconductor device Set the error circuit in the module of the layer to which the teacher signal from is input to function as an output neuron circuit, so that the neuron circuit in the other layer module functions as a hidden neuron circuit, and the error circuit functions as a hidden error circuit Set. These settings are also programmable and can be set as appropriate. With such a configuration, the hierarchical structure such as the number of neurons and the number of neurons in the same layer can be freely changed. Connection between modules is a programmable switch composed of a transistor (OS transistor) using an oxide semiconductor, and the hierarchical structure is set by turning on / off the switch according to data stored in a memory composed of the transistor. The power consumption for maintaining the hierarchical concept can be made extremely low.

半導体装置において、入力ニューロン回路の入力信号として学習データを与え、出力ニューロン回路の入力信号として当該学習データに対応する教師信号を与え、誤差信号に応じてアナログメモリのデータを更新することでパターンを学習する。学習後、入力ニューロン回路の入力信号として対象データを与えた時に、前記対象データと前記学習データとが一致もしくは類似であることを判定することが可能となる。ここで、対象となる物体(移動体)のデータを学習データとし、好ましい階層構造とするべく、プログラマブルスイッチのデータを設定することで、画像データにおける当該物体を検出することが可能となる。すなわち、画像データからの移動体の効率的なパターン抽出が可能となり、動き補償予測が効率的に実行でき、当該半導体装置を利用した、放送信号のデータ量を少なくした状態で記録する録画装置を提供することができる。   In a semiconductor device, learning data is given as an input signal of an input neuron circuit, a teacher signal corresponding to the learning data is given as an input signal of an output neuron circuit, and a pattern is obtained by updating data in an analog memory according to an error signal. learn. After learning, when target data is given as an input signal of the input neuron circuit, it is possible to determine that the target data and the learning data are identical or similar. Here, by setting the data of the programmable switch so that the data of the target object (moving body) is used as learning data and a preferable hierarchical structure is set, the object in the image data can be detected. That is, it is possible to efficiently extract a moving body pattern from image data, to efficiently perform motion compensation prediction, and to record a recording device using the semiconductor device with a reduced amount of broadcast signal data. Can be provided.

以下、本発明の一態様について示す。   Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described.

本発明の一態様は、映像データをエンコードする機能を有する半導体装置であって、半導体装置は、複数のモジュールと、複数のプログラマブルスイッチと、を有し、モジュールは、ニューロン回路と、シナプス回路と、誤差回路と、を有し、ニューロン回路は、入力ニューロン回路の機能と隠れニューロン回路の機能とを切り替えることができる機能を有し、シナプス回路は、結合強度に相当するデータを変更する第1の乗算回路と、データを記憶するアナログメモリと、第1の信号をデータに応じて重み付けをした第2の信号として出力する第2の乗算回路と、を有し、誤差回路は、出力ニューロン回路の機能と隠れ誤差回路の機能とを切り替えることができる機能を有し、アナログメモリは、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタを有し、プログラマブルスイッチは、モジュール間の電気的な接続を切り替える機能を有する半導体装置である。   One embodiment of the present invention is a semiconductor device having a function of encoding video data, and the semiconductor device includes a plurality of modules and a plurality of programmable switches. The modules include a neuron circuit, a synapse circuit, and the like. And the error circuit, the neuron circuit has a function capable of switching between the function of the input neuron circuit and the function of the hidden neuron circuit, and the synapse circuit changes the data corresponding to the coupling strength. And an analog memory for storing data, and a second multiplier circuit for outputting the first signal as a second signal weighted according to the data, the error circuit being an output neuron circuit The analog memory has an oxide semiconductor in the channel formation region. Has a transistor, the programmable switch is a semiconductor device having a function of switching the electrical connection between modules.

本発明の一態様において、ニューロン回路は、第1の切り替え回路を有し、第1の切り替え回路は、入力ニューロン回路として機能する場合、外部からの入力信号を増幅してシナプス回路に出力する回路と、隠れニューロンとして機能する場合、シナプス回路が出力する電流を電圧に変換して別のモジュールが有するシナプス回路に出力する回路と、を切り替える機能を有する半導体装置が好ましい。   In one embodiment of the present invention, a neuron circuit includes a first switching circuit, and when the first switching circuit functions as an input neuron circuit, a circuit that amplifies an input signal from the outside and outputs the signal to a synapse circuit In the case of functioning as a hidden neuron, a semiconductor device having a function of switching a current output from a synapse circuit into a voltage and outputting it to a synapse circuit included in another module is preferable.

本発明の一態様において、誤差回路は、第2の切り替え回路を有し、第2の切り替え回路は、出力ニューロン回路として機能する場合、シナプス回路が出力する電流を電圧に変換して別のモジュールの入力信号として出力し、別のモジュールの入力信号として出力する信号と教師信号との差分信号と、別のモジュールの入力信号として出力する信号を元に生成した微分係数と差分信号との乗算信号によって得られる誤差信号をシナプス回路に出力する回路と、隠れ誤差回路として機能する場合、シナプス回路が出力する電流を電圧に変換して得られる信号を元に生成した微分係数と、教師信号と参照電圧との差分で得られる信号と、の乗算信号によって得られる誤差信号をシナプス回路に出力する回路と、を切り替える機能を有する半導体装置が好ましい。   In one embodiment of the present invention, the error circuit includes a second switching circuit. When the second switching circuit functions as an output neuron circuit, the current output from the synapse circuit is converted into a voltage to generate another module. The difference signal between the signal output as the input signal of the other module and the signal output as the input signal of another module and the teacher signal, and the multiplication signal of the differential coefficient generated based on the signal output as the input signal of another module and the difference signal A circuit that outputs the error signal obtained from the above to the synapse circuit, and when it functions as a hidden error circuit, the differential signal generated based on the signal obtained by converting the current output from the synapse circuit into a voltage, and the teacher signal and reference A semiconductor device having a function of switching between a signal obtained by a difference from a voltage and a circuit that outputs an error signal obtained by a multiplication signal to a synapse circuit It is preferred.

本発明の一態様は、映像データを記憶する機能を備える録画装置であって、記憶装置と、上記記載の半導体装置とを有し、半導体装置は、映像信号を圧縮処理した圧縮データを生成する機能を有し、記憶装置は、圧縮データを記憶する機能を有する録画装置である。   One embodiment of the present invention is a recording device having a function of storing video data, which includes a storage device and the semiconductor device described above, and the semiconductor device generates compressed data obtained by compressing a video signal. The storage device is a recording device having a function of storing compressed data.

本発明の一態様は、表示部と、上記記載の録画装置とを有する電子機器である。   One embodiment of the present invention is an electronic device including a display portion and the above-described recording device.

本発明の一態様により、動き補償予測を効率良く実行することで、効率的な画像データ圧縮が可能である。また本発明の一態様により、画像データに合わせて、効率的に移動体のパターンを抽出することができる。また本発明の一態様により、より多くの移動体のパターンに対応するために、ニューロンの層数、同一層内のニューロン数など、階層構造を自由に変更できる半導体装置を利用した、放送信号のデータ量を少なくした状態で記録する録画装置を提供することができる。   According to one embodiment of the present invention, efficient image data compression is possible by efficiently executing motion compensation prediction. Further, according to one embodiment of the present invention, a pattern of a moving object can be extracted efficiently in accordance with image data. In addition, according to one embodiment of the present invention, in order to cope with a larger number of patterns of a moving body, a broadcast signal using a semiconductor device that can freely change a hierarchical structure such as the number of neurons and the number of neurons in the same layer is used. It is possible to provide a recording device that records data with a reduced amount of data.

ブロック図の一例を説明する図。FIG. 6 illustrates an example of a block diagram. 回路図の一例を説明する図。FIG. 6 illustrates an example of a circuit diagram. ブロック図の一例を説明する図。FIG. 6 illustrates an example of a block diagram. ブロック図の一例を説明する図。FIG. 6 illustrates an example of a block diagram. 回路図の一例を説明する図。FIG. 6 illustrates an example of a circuit diagram. 回路図の一例を説明する図。FIG. 6 illustrates an example of a circuit diagram. 回路図の一例を説明する図。FIG. 6 illustrates an example of a circuit diagram. 回路図の一例を説明する図。FIG. 6 illustrates an example of a circuit diagram. 回路図の一例を説明する図。FIG. 6 illustrates an example of a circuit diagram. フローチャートの一例を説明する図。The figure explaining an example of a flowchart. フローチャートの一例を説明する図。The figure explaining an example of a flowchart. 動作の一例を説明するための図。The figure for demonstrating an example of operation | movement. フローチャートの一例を説明する図。The figure explaining an example of a flowchart. ブロック図の一例を説明する図。FIG. 6 illustrates an example of a block diagram. ブロック図の一例を説明する図。FIG. 6 illustrates an example of a block diagram. ブロック図の一例を説明する図。FIG. 6 illustrates an example of a block diagram. ブロック図の一例を説明する図。FIG. 6 illustrates an example of a block diagram.

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. However, the embodiments can be implemented in many different modes, and it is easily understood by those skilled in the art that the modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope thereof. . Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the following embodiments.

なお本明細書等において、「第1」、「第2」、「第3」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものである。従って、構成要素の数を限定するものではない。また、構成要素の順序を限定するものではない。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第1」に言及された構成要素が、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において「第2」に言及された構成要素とすることもありうる。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第1」に言及された構成要素を、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において省略することもありうる。   In the present specification and the like, the ordinal numbers “first”, “second”, and “third” are given to avoid confusion between components. Therefore, the number of components is not limited. Further, the order of the components is not limited. Further, for example, a component referred to as “first” in one embodiment of the present specification or the like is a component referred to as “second” in another embodiment or in the claims. It is also possible. In addition, for example, the constituent elements referred to as “first” in one embodiment of the present specification and the like may be omitted in other embodiments or in the claims.

なお図面において、同一の要素または同様な機能を有する要素、同一の材質の要素、あるいは同時に形成される要素等には同一の符号を付す場合があり、その繰り返しの説明は省略する場合がある。   Note that in the drawings, the same element, an element having a similar function, an element of the same material, an element formed at the same time, or the like may be denoted by the same reference numeral, and repeated description thereof may be omitted.

(実施の形態1)
本発明における実施の形態を、図1乃至図9を用いて説明する。
(Embodiment 1)
Embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.

<モジュール構成>
図1は、半導体装置を構成するモジュール100の回路ブロックを示す。モジュール100は、n個(nは自然数)のニューロン回路NU、m×n個(mは自然数)のシナプス回路SU、m個の誤差回路EUから構成される。
<Module configuration>
FIG. 1 shows a circuit block of a module 100 constituting a semiconductor device. The module 100 includes n (n is a natural number) neuron circuits NU, m × n (m is a natural number) synapse circuits SU, and m error circuits EU.

以下、図1に示すモジュール100を構成する各回路ブロックについて説明する。   Hereinafter, each circuit block constituting the module 100 shown in FIG. 1 will be described.

図2(A)は、ニューロン回路NUの構成を示している。ニューロン回路NUは入力ニューロン回路もしくは隠れニューロン回路として機能することができる。ニューロン回路NUは、アンプ101、選択回路102、差動アンプ103、スイッチ104および抵抗105を有する。   FIG. 2A shows the configuration of the neuron circuit NU. The neuron circuit NU can function as an input neuron circuit or a hidden neuron circuit. The neuron circuit NU includes an amplifier 101, a selection circuit 102, a differential amplifier 103, a switch 104, and a resistor 105.

ニューロン回路NUを入力ニューロン回路として機能させる際には、選択回路102の切り替え信号(図中、IN?)を”1”側に切り替える。入力ニューロン回路として機能するニューロン回路NUは、半導体装置外部からの入力信号iから選択回路102及びアンプ101を介して同モジュール内のシナプス回路SUへの出力信号xを生成する回路となる。   When the neuron circuit NU is caused to function as an input neuron circuit, the switching signal (IN? In the figure) of the selection circuit 102 is switched to the “1” side. The neuron circuit NU that functions as an input neuron circuit is a circuit that generates an output signal x from the input signal i from the outside of the semiconductor device via the selection circuit 102 and the amplifier 101 to the synapse circuit SU in the same module.

選択回路102は、アナログ信号を入力して出力する構成が好ましい。例えば、パストランジスタ、アナログスイッチで構成することができる。   The selection circuit 102 is preferably configured to input and output an analog signal. For example, it can be composed of a pass transistor and an analog switch.

図2(A)に図示するアンプ101は、図2(B)に図示するように、ユニティゲインバッファ106とする構成が可能である。また図2(C)に図示するように、増幅回路107を用いて出力信号xの基準信号レベルを変更する機能を有していてもよい。また図2(D)に図示するように差動信号を生成するバッファ108を用いて、出力信号として差動信号対(xとxb)を生成する機能を有していてもよい。また、十分な駆動能力のある入力信号iが与えられる場合、必ずしもアンプ101を搭載する必要は無い。   The amplifier 101 illustrated in FIG. 2A can be configured as a unity gain buffer 106 as illustrated in FIG. 2C, the amplifier circuit 107 may be used to change the reference signal level of the output signal x. Further, as illustrated in FIG. 2D, a buffer 108 that generates a differential signal may be used to generate a differential signal pair (x and xb) as an output signal. Further, when an input signal i having sufficient driving capability is given, it is not always necessary to mount the amplifier 101.

一方、ニューロン回路NUを隠れニューロン回路として機能させる際には、選択回路102の切り替え信号(図中、IN?)を”0”側に切り替える。隠れニューロン回路として機能するニューロン回路NUは、前段層のモジュールのシナプス回路SUから出力された入力信号iから差動アンプ103、選択回路102及びアンプ101を介して異なるモジュールのシナプス回路SUへの出力信号xを生成する。   On the other hand, when the neuron circuit NU is caused to function as a hidden neuron circuit, the switching signal (IN? In the figure) of the selection circuit 102 is switched to the “0” side. The neuron circuit NU that functions as a hidden neuron circuit outputs an input signal i output from the synapse circuit SU of the module in the previous layer to the synapse circuit SU of a different module via the differential amplifier 103, the selection circuit 102, and the amplifier 101. A signal x is generated.

入力信号iがシナプス回路SUの出力信号の場合、入力信号iは各シナプス回路SUの電流の和(=Σw[i,j]x[j])に相当する信号となる。この電流の和を抵抗105で電圧に変換し、閾値電圧θとの差分電圧を差動アンプ103において生成する。 When the input signal i is an output signal of the synapse circuit SU, the input signal i is a signal corresponding to the sum of currents of each synapse circuit SU (= Σw [i, j] x [j]). Converting the sum of the current in resistor 105 to a voltage, it generates a differential voltage between the threshold voltage theta N in the differential amplifier 103.

スイッチ104のオンまたはオフを制御する信号(図中、Ri?)は、ニューロン回路NUを隠れニューロン回路として機能させる場合に信号Riによってスイッチ104をオンにし、それ以外の期間でスイッチ104をオフとなるように設定すればよい。   A signal for controlling on / off of the switch 104 (Ri? In the figure) is to turn on the switch 104 by the signal Ri when the neuron circuit NU functions as a hidden neuron circuit, and to turn off the switch 104 in other periods. What is necessary is just to set.

差動アンプ103の出力信号は、入力信号Xを変数とすると式(1)のf(X)となる特性、あるいは、当該特性に近似できる特性とする。 The output signal of the differential amplifier 103 has a characteristic that becomes f H (X) in Expression (1) when the input signal X is a variable, or a characteristic that can be approximated to the characteristic.

Figure 2018073017
Figure 2018073017

式(1)においてαは任意の定数で、X=θにおける出力信号の変化率に相当する。シナプス回路の電流の和であるΣw[i,j]x[j]が閾値電圧θを超えた場合に、出力信号f(X)=1、つまりHレベル(”H”、またはハイレベルと表記)となるが、これを、ニューロン回路NUが発火する、と表現する。すなわち、閾値電圧θはニューロン回路NUが発火する際の閾値に相当する。 In Expression (1), α H is an arbitrary constant and corresponds to the rate of change of the output signal when X = θ N. Is the sum of the current of the synapse circuit Σw [i, j] x when [j] exceeds a threshold voltage theta N, the output signal f H (X) = 1, i.e. H level ( "H" or high level, This is expressed as that the neuron circuit NU fires. That is, the threshold voltage theta N is equivalent to the threshold when the neuron circuit NU fires.

なお、モジュールにおいて、n個のニューロン回路NU全てを使う必要がない場合、不要なニューロン回路NUの入力信号iを”0”とすればよい。この場合、ニューロン回路NUの出力信号xも”0”となり、後続のシナプス回路SUは実効的に機能しない。   If it is not necessary to use all n neuron circuits NU in the module, the input signal i of the unnecessary neuron circuit NU may be set to “0”. In this case, the output signal x of the neuron circuit NU is also “0”, and the subsequent synapse circuit SU does not function effectively.

図3は、シナプス回路SUの構成を示している。シナプス回路SUは、アナログメモリAM、乗算回路MUL1乃至MUL3、から構成される。   FIG. 3 shows a configuration of the synapse circuit SU. The synapse circuit SU includes an analog memory AM and multiplication circuits MUL1 to MUL3.

アナログメモリAMは、同モジュールのニューロン回路NUと後段層のモジュールのニューロン回路NUとの間の結合強度(重み係数)wに相当するデータを格納し、対応する電圧を出力する機能を有する。   The analog memory AM has a function of storing data corresponding to the coupling strength (weighting factor) w between the neuron circuit NU of the module and the neuron circuit NU of the module in the subsequent stage, and outputting a corresponding voltage.

乗算回路MUL1は、同モジュールのニューロン回路NUの出力信号xとアナログメモリAMの重み係数wとの乗算を行い、出力信号wxを生成する。出力信号wxとして、乗算結果に対応した電流が供給される。すなわち、アナログメモリAMのデータにしたがって同モジュールのニューロン回路NUからの出力信号xに重み付けした出力信号wxを、後段層のモジュールのニューロン回路NU及び同モジュールの誤差回路EUに出力する。   The multiplication circuit MUL1 multiplies the output signal x of the neuron circuit NU of the same module by the weight coefficient w of the analog memory AM, and generates an output signal wx. A current corresponding to the multiplication result is supplied as the output signal wx. That is, the output signal wx weighted to the output signal x from the neuron circuit NU of the same module according to the data of the analog memory AM is output to the neuron circuit NU of the module in the subsequent layer and the error circuit EU of the module.

乗算回路MUL2は、同モジュールのニューロン回路NUの出力信号xと同モジュールの誤差回路EUの出力信号dとの乗算を行い、出力信号dwを生成する。出力信号dwとして、乗算結果に対応した電流が供給される。出力信号dwは、アナログメモリAMに格納された重み係数wの変更分に相当する電流として供給される。すなわち、同モジュールの誤差回路EUからの誤差信号dに応じてアナログメモリAMのデータを更新する。   The multiplication circuit MUL2 multiplies the output signal x of the neuron circuit NU of the same module with the output signal d of the error circuit EU of the same module, and generates an output signal dw. A current corresponding to the multiplication result is supplied as the output signal dw. The output signal dw is supplied as a current corresponding to a change in the weighting factor w stored in the analog memory AM. That is, the data in the analog memory AM is updated according to the error signal d from the error circuit EU of the same module.

乗算回路MUL3は、同モジュールの誤差回路EUの出力信号dとアナログメモリAMの重み係数wとの乗算を行い、出力信号wdを生成する。出力信号wdとして、乗算結果に対応した電流が供給される。すなわち、アナログメモリAMのデータにしたがって同モジュールの誤差回路EUからの誤差信号dに重み付けした誤差信号wdを前段層のモジュールの誤差回路EUに出力する。   The multiplication circuit MUL3 multiplies the output signal d of the error circuit EU of the module and the weighting factor w of the analog memory AM to generate an output signal wd. A current corresponding to the multiplication result is supplied as the output signal wd. That is, the error signal wd weighted to the error signal d from the error circuit EU of the same module according to the data of the analog memory AM is output to the error circuit EU of the module in the previous stage.

図4は、誤差回路EUの構成を示している。誤差回路EUは、出力ニューロン回路もしくは隠れ誤差回路として機能することができる。誤差回路EUは、差動アンプ111、スイッチ112、抵抗113、微分回路DV、乗算回路MUL4、選択回路114、差動アンプ115、スイッチ116および抵抗117を有する。   FIG. 4 shows the configuration of the error circuit EU. The error circuit EU can function as an output neuron circuit or a hidden error circuit. The error circuit EU includes a differential amplifier 111, a switch 112, a resistor 113, a differentiation circuit DV, a multiplication circuit MUL4, a selection circuit 114, a differential amplifier 115, a switch 116, and a resistor 117.

誤差回路EUを出力ニューロン回路として機能させる際には、選択回路114の切り替え信号(図中、ON?)によって出力する信号を”1”側に切り替える。出力ニューロン回路として機能する誤差回路EUは、同層のシナプス回路SUからの出力信号wxによる電流の和に相当する信号Σwxから半導体装置外部への信号oを差動アンプ111で生成する。また誤差回路EUを出力ニューロン回路として機能させる際、半導体装置外部から与えられる教師信号eと信号oとの差分信号(e−o)を差動アンプ115で生成する。また誤差回路EUを出力ニューロン回路として機能させる際、信号oに対する微分係数f’を微分回路DVで生成する。また、微分係数f’と差分信号(e−o)との乗算により誤差信号dを乗算回路MUL4で生成する。誤差信号dは同モジュールのシナプス回路SUに出力される。なお、教師信号eを電圧で与える場合は、スイッチ116のオンまたはオフを制御する信号(図中、Re?)は、スイッチ116をオフとなるように設定する。   When the error circuit EU is caused to function as an output neuron circuit, a signal to be output is switched to the “1” side by a switching signal (ON? In the figure) of the selection circuit 114. The error circuit EU functioning as an output neuron circuit generates a signal o to the outside of the semiconductor device from the signal Σwx corresponding to the sum of currents by the output signal wx from the synapse circuit SU in the same layer by the differential amplifier 111. When the error circuit EU functions as an output neuron circuit, the differential amplifier 115 generates a differential signal (eo) between the teacher signal e and the signal o given from the outside of the semiconductor device. Further, when the error circuit EU functions as an output neuron circuit, a differential coefficient f 'for the signal o is generated by the differential circuit DV. Further, the multiplication circuit MUL4 generates an error signal d by multiplying the differential coefficient f 'by the difference signal (eo). The error signal d is output to the synapse circuit SU of the same module. When the teacher signal e is given as a voltage, a signal for controlling on / off of the switch 116 (Re? In the figure) is set so that the switch 116 is turned off.

また差動アンプ111では、同層のシナプス回路SUからの電流の総和に相当する出力信号Σwxを抵抗113で電圧に変換し、閾値電圧θとの差分電圧を生成する。 Further, in the differential amplifier 111, converted into a voltage by the output signal Σwx the resistor 113 corresponding to the sum of the currents from the synapse circuit SU of the same layer, and generates a differential voltage between the threshold voltage theta O.

差動アンプ111の信号oは、入力信号Xを変数とすると式(2)のf(X)となる特性、あるいは、当該特性に近似できる特性とする。 The signal o of the differential amplifier 111 has a characteristic that becomes f O (X) in Expression (2) when the input signal X is a variable, or a characteristic that can be approximated to the characteristic.

Figure 2018073017
Figure 2018073017

式(2)においてαは任意の定数で、X=θでの変化率に相当する。出力信号Σwxが閾値電圧θを超えた場合に、出力信号f(X)=1、つまりHレベルとなるが、これを、出力ニューロン回路EUが発火する、と表現する。すなわち、θは出力ニューロン回路EUが発火する際の閾値に相当する。 In Expression (2), α O is an arbitrary constant and corresponds to the rate of change when X = θ O. When the output signal Σwx exceeds the threshold voltage θ O , the output signal f O (X) = 1, that is, the H level, which is expressed as the output neuron circuit EU fires. That is, θ O corresponds to a threshold value when the output neuron circuit EU fires.

一方、誤差回路EUを隠れ誤差回路として機能する際には、選択回路114の切り替え信号(図中、ON?)によって出力する信号を”0”側に切り替える。隠れ誤差回路として機能する誤差回路EUは、出力ニューロン回路として機能する誤差回路EUと同様な方法で信号oを生成する。具体的には、同層のシナプス回路SUからの出力信号wxによる電流の和に相当する信号Σwxから信号oを差動アンプ111で生成する。また誤差回路EUを隠れ誤差回路として機能する際には、後段層のモジュールのシナプス回路SUからの誤差信号wdによる電流の和教師信号eとして与え、差動アンプ115で差分信号を生成する。   On the other hand, when the error circuit EU functions as a hidden error circuit, the output signal is switched to the “0” side by the switching signal (ON? In the figure) of the selection circuit 114. The error circuit EU functioning as a hidden error circuit generates a signal o in the same manner as the error circuit EU functioning as an output neuron circuit. Specifically, the differential amplifier 111 generates a signal o from a signal Σwx corresponding to the sum of currents based on the output signal wx from the synapse circuit SU in the same layer. Further, when the error circuit EU functions as a hidden error circuit, it is given as a current sum teacher signal e by the error signal wd from the synapse circuit SU of the module in the subsequent layer, and a differential signal is generated by the differential amplifier 115.

ここで、教師信号eは、電流w[i,j]d[i]の総和に相当する信号Σw[i,j]d[i]であり、この信号を抵抗117で電圧に変換し、参照電圧θとの差分電圧として差分信号を生成する。また、信号oに対する微分係数f’を微分回路DVで生成する。また、微分係数f’と差分信号との乗算により誤差信号dを乗算回路MUL4で生成する。誤差信号dは同モジュールのシナプス回路SUに出力される。 Here, the teacher signal e is a signal Σw [i, j] d [i] corresponding to the sum of the currents w [i, j] d [i]. This signal is converted into a voltage by the resistor 117, and is referred to. generating a difference signal as a differential voltage between the voltage theta E. Further, the differential coefficient f ′ for the signal o is generated by the differentiating circuit DV. Further, the multiplication circuit MUL4 generates an error signal d by multiplication of the differential coefficient f ′ and the difference signal. The error signal d is output to the synapse circuit SU of the same module.

なお、一層を複数のモジュールで構成する際、前段層のモジュールにおけるシナプス回路SUの信号Σwxが、複数のモジュールにおける複数の隠れニューロン回路として機能するニューロン回路NUの入力信号、及び、前段層の複数のモジュールにおける複数の誤差回路として機能する誤差回路EUの入力信号となる。この場合、当該複数の隠れニューロン回路の何れか一で、入力信号iを抵抗105で電圧に変換、もしくは、当該複数の誤差回路の何れか一で、入力信号Σwxを抵抗113で電圧に変換すればよい。スイッチ112のオンまたはオフを制御する信号(図中、RΣwx?)は、誤差回路EUを隠れ誤差回路として機能させる場合にスイッチ112をオンにし、それ以外の期間でオフとなるように設定すればよい。   When one layer is composed of a plurality of modules, the signal Σwx of the synapse circuit SU in the module in the preceding layer is the input signal of the neuron circuit NU that functions as a plurality of hidden neuron circuits in the plurality of modules, and a plurality of signals in the preceding layer It becomes an input signal of the error circuit EU that functions as a plurality of error circuits in this module. In this case, the input signal i is converted into a voltage by the resistor 105 in any one of the plurality of hidden neuron circuits, or the input signal Σwx is converted into a voltage in the resistor 113 by any one of the plurality of error circuits. That's fine. A signal for controlling on / off of the switch 112 (RΣwx? In the figure) can be set so that the switch 112 is turned on when the error circuit EU functions as a hidden error circuit and is turned off during other periods. Good.

なお、一層を複数のモジュールで構成する際、後段層のモジュールにおけるシナプス回路SUの誤差信号wdが、複数のモジュールにおける複数の隠れ誤差回路として機能する誤差回路EUの教師信号eとなる。この場合、当該複数の誤差回路EUの何れか一で、当該教師信号eを抵抗117で電圧に変換すればよい。すなわち、スイッチ116のオンまたはオフを制御する信号(図中、Re?)は、誤差回路EUを隠れ誤差回路として機能させる場合にスイッチ116をオンにし、それ以外の期間でスイッチ116をオフとなるように設定すればよい。   When one layer is composed of a plurality of modules, the error signal wd of the synapse circuit SU in the module in the subsequent layer becomes the teacher signal e of the error circuit EU functioning as a plurality of hidden error circuits in the plurality of modules. In this case, the teacher signal e may be converted into a voltage by the resistor 117 in any one of the plurality of error circuits EU. That is, a signal (Re? In the figure) for controlling on or off of the switch 116 turns on the switch 116 when the error circuit EU functions as a hidden error circuit, and turns off the switch 116 in other periods. It should be set as follows.

<モジュールを構成する各回路の構成>
図5は、シナプス回路SU、誤差回路EUにおける乗算回路MUL1乃至MUL4に適用可能な乗算回路MULの構成を示す。乗算回路MULは、第1のトランジスタTr01乃至第14のトランジスタTr14、容量素子C0、容量素子C1から構成される。当該乗算回路は、Chibleの乗算回路を応用した構成で、入力信号Aの電位と入力信号Bの電位との積に比例した電流が出力信号Yとして得られる。なお、第8のトランジスタTr08及び第11のトランジスタTr11のゲート容量に比べて容量素子C0及び容量素子C1が十分大きいとすると、入力信号Bの電位変化は、C1/(C0+C1)倍されて第8のトランジスタTr08及び第11のトランジスタTr11のゲートに入力される。したがって、入力信号Bの入力範囲を大きくすることができ、広い入力範囲で乗算回路MULの線形性が保てることになる。同様に、入力信号Aに容量素子を設けることで、入力信号Aに対しても広い入力範囲で乗算回路MULの線形性が保てることになる。
<Configuration of each circuit constituting the module>
FIG. 5 shows a configuration of a multiplication circuit MUL applicable to the multiplication circuits MUL1 to MUL4 in the synapse circuit SU and the error circuit EU. The multiplication circuit MUL includes a first transistor Tr01 to a fourteenth transistor Tr14, a capacitive element C0, and a capacitive element C1. The multiplier circuit has a configuration in which a Chimble multiplier circuit is applied, and a current proportional to the product of the potential of the input signal A and the potential of the input signal B is obtained as the output signal Y. Note that if the capacitive element C0 and the capacitive element C1 are sufficiently larger than the gate capacitances of the eighth transistor Tr08 and the eleventh transistor Tr11, the potential change of the input signal B is multiplied by C1 / (C0 + C1) to be the eighth. To the gates of the transistor Tr08 and the eleventh transistor Tr11. Therefore, the input range of the input signal B can be increased, and the linearity of the multiplication circuit MUL can be maintained over a wide input range. Similarly, by providing a capacitance element for the input signal A, the linearity of the multiplication circuit MUL can be maintained for the input signal A over a wide input range.

図6は、誤差回路EUにおける微分回路DVの構成を示す。微分回路DVは、OPアンプ121、OPアンプ122、乗算回路MULから構成される。ここで、OPアンプ121は、非反転入力信号Aと反転入力信号Vrefの差分X=A−Vrefに対して、出力信号Y=f(X)=1/(1+e−αX)となる特性、あるいは、当該特性に近似できる特性を有するものとする。また、OPアンプ122は、非反転入力信号Vrefと反転入力信号Aの差分X=Vref−A=−Xに対して、出力信号Y=f(X)=1/(1+e−αX2)となる特性、あるいは、当該特性に近似できる特性を有するものとする。ここで、Y=f(−X)=1/(1+e+αX)=e−αX/(e−αX+1)=1−1/(1+e−αX)=1−f(X)である。そのため、乗算回路MULの出力Y=Y・Y=f(X)(1−f(X))=f’(X)(=df(X)/dX)である。すなわち、f(X)の微分回路が実現できていることがわかる。 FIG. 6 shows the configuration of the differentiating circuit DV in the error circuit EU. The differentiation circuit DV is composed of an OP amplifier 121, an OP amplifier 122, and a multiplication circuit MUL. Here, the OP amplifier 121 has a characteristic that the output signal Y 1 = f (X) = 1 / (1 + e −αX ) with respect to the difference X = A−Vref between the non-inverted input signal A and the inverted input signal Vref. Or it shall have the characteristic which can approximate the said characteristic. Further, the OP amplifier 122 outputs the output signal Y 2 = f (X 2 ) = 1 / (1 + e− αX 2 ) with respect to the difference X 2 = Vref−A = −X between the non-inverted input signal Vref and the inverted input signal A. Or a characteristic that can be approximated to the characteristic. Here, Y 2 = f (−X) = 1 / (1 + e + αX ) = e −αX / (e −αX +1) = 1−1 / (1 + e −αX ) = 1−f (X). Therefore, the output of the multiplication circuit MUL is Y = Y 1 .Y 2 = f (X) (1−f (X)) = f ′ (X) (= df (X) / dX). That is, it can be seen that a differentiation circuit of f (X) can be realized.

図7は、シナプス回路SUにおけるアナログメモリAMの構成を示す。アナログメモリAMは、トランジスタTr15と容量素子Cから構成される。トランジスタTr15を、極めてオフ電流が低い酸化物半導体を用いたトランジスタとすることで、理想的なアナログメモリが構成できる。したがって、記憶保持のための大規模な容量素子を搭載する必要が無く、また、定期的なリフレッシュ動作によるアナログデータの回復の必要が無いため、チップ面積の縮小、消費電力の低減が可能となる。なお、データ更新の際、変更分に相当する電流が供給される構成のため、信号線WLを”H”とする期間を調整することで、データ変更量を変更することができる。   FIG. 7 shows a configuration of the analog memory AM in the synapse circuit SU. The analog memory AM includes a transistor Tr15 and a capacitive element C. An ideal analog memory can be formed by using the transistor Tr15 as an oxide semiconductor that has an extremely low off-state current. Accordingly, there is no need to mount a large-scale capacitor element for storing data, and there is no need to restore analog data by a periodic refresh operation, so that the chip area and power consumption can be reduced. . Note that since the current corresponding to the changed amount is supplied when the data is updated, the data change amount can be changed by adjusting the period during which the signal line WL is set to “H”.

<3層ニューラルネットワーク>
さて、半導体装置として、図1に示すモジュール100を2つ用いた3層のニューラルネットワーク、すなわち入力層、隠れ層、および出力層を有するニューラルネットワークについて説明し、加えて当該ニューラルネットワークの学習について説明する。第1のモジュール100_1と第1のモジュール100_2を用いた3層のニューラルネットワークを図17に示す。第1のモジュール100_1のニューロン回路NUを入力ニューロン回路、第1のモジュール100_1の誤差回路EUを隠れ誤差回路、第2のモジュール100_2のニューロン回路NUを隠れニューロン回路、第2のモジュール100_2の誤差回路EUを出力ニューロン回路とする。第1のモジュール100_1のシナプス回路SUの出力信号を第2のモジュール100_2のニューロン回路NUの入力信号、第2のモジュール100_2のシナプス回路SUの誤差信号を第1のモジュール100_1の誤差回路EUの入力信号とする。
<3-layer neural network>
Now, a three-layer neural network using two modules 100 shown in FIG. 1 as a semiconductor device, that is, a neural network having an input layer, a hidden layer, and an output layer will be described. In addition, learning of the neural network will be described. To do. FIG. 17 shows a three-layer neural network using the first module 100_1 and the first module 100_2. The neuron circuit NU of the first module 100_1 is an input neuron circuit, the error circuit EU of the first module 100_1 is a hidden error circuit, the neuron circuit NU of the second module 100_2 is a hidden neuron circuit, and the error circuit of the second module 100_2 Let EU be the output neuron circuit. The output signal of the synapse circuit SU of the first module 100_1 is the input signal of the neuron circuit NU of the second module 100_2, and the error signal of the synapse circuit SU of the second module 100_2 is the input of the error circuit EU of the first module 100_1. Signal.

当該3層のニューラルネットワークにおいて、入力信号I[1]乃至I[n]に対して所望の信号O[1]乃至O[n]が得られるように、第1のモジュール100_1のシナプス回路SUの重み係数w1[j,i](j,iは自然数)、第2のモジュール100_2のシナプス回路SUの重み係数w2[k,j](kは自然数)に相当するデータを各アナログメモリAMに格納することが学習に相当する。より具体的には、重み係数w1[j,i]、w2[k,j]に初期値として任意の値を与え、学習に用いる入力データを入力ニューロン回路の入力信号I[1]乃至I[n]、出力期待値として教師信号を出力ニューロン回路の入力信号E[1]乃至E[n]に与え、出力ニューロン回路の信号O[1]乃至O[n]と入力信号E[1]乃至E[n]との2乗誤差和が最小となるような重み係数w1[j,i]、w2[k,j]に収束させていくことが学習に相当する。   In the three-layer neural network, the synapse circuit SU of the first module 100_1 can obtain desired signals O [1] to O [n] with respect to the input signals I [1] to I [n]. Data corresponding to the weighting factor w1 [j, i] (j and i are natural numbers) and the weighting factor w2 [k, j] (k is a natural number) of the synapse circuit SU of the second module 100_2 are stored in each analog memory AM. To do is equivalent to learning. More specifically, an arbitrary value is given as an initial value to the weighting coefficients w1 [j, i] and w2 [k, j], and input data used for learning is input to the input signals I [1] to I [ n], a teacher signal as an output expected value is given to the input signals E [1] to E [n] of the output neuron circuit, and the signals O [1] to O [n] of the output neuron circuit and the input signals E [1] to E [1] to Convergence to weighting coefficients w1 [j, i] and w2 [k, j] that minimize the sum of square errors with E [n] corresponds to learning.

出力ニューロン回路の信号O[1]乃至O[n]と入力信号E[1]乃至E[n]との2乗誤差和は、式(3)で表すことができる。   The sum of square errors of the output neuron circuit signals O [1] to O [n] and the input signals E [1] to E [n] can be expressed by Expression (3).

Figure 2018073017
Figure 2018073017

e2[k]=E[k]−O[k]とすると、式(3)は式(4)のように書き表すことができる。   When e2 [k] = E [k] −O [k], Expression (3) can be written as Expression (4).

Figure 2018073017
Figure 2018073017

当該2乗誤差和の最小値を求めることは、勾配法により、重み係数w1[j,i]、w2[k,j]に対する局所最小値、つまり、式(5)、(6)を満たすw1[j,i]、w2[k,j]を求めることに相当する。   The minimum value of the square error sum is determined by the gradient method, which is the local minimum value for the weighting factors w1 [j, i] and w2 [k, j], that is, w1 that satisfies the expressions (5) and (6). This corresponds to obtaining [j, i] and w2 [k, j].

Figure 2018073017
Figure 2018073017

Figure 2018073017
Figure 2018073017

つまり、式(5)、(6)の左辺の値に応じて、重み係数w1[j,i]、w2[k,j]を更新していくことに相当する。   That is, this corresponds to updating the weighting factors w1 [j, i] and w2 [k, j] in accordance with the value on the left side of the equations (5) and (6).

ここで、重み係数w2[k,j]については、式(7)の関係となる。   Here, the weighting coefficient w2 [k, j] has the relationship of Expression (7).

Figure 2018073017
Figure 2018073017

なお、式(7)において、Y=α(Σw2[k,j]x2[j]−θ)である。よって、重み係数w2[k,j]は、ηw2・e2[k]・f’(Y)・x2[j]に相当する分だけ値を変化させればよいことになる。なお、ηw2は定数である。 In Equation (7), Y = α 0 (Σw2 [k, j] x2 [j] −θ 0 ). Therefore, the weighting coefficient w2 [k, j] only needs to be changed by an amount corresponding to ηw2 · e2 [k] · f ′ (Y) · x2 [j]. Note that η w2 is a constant.

また、重み係数w1[j,i]については、式(8)の関係となる。   Further, the weighting factor w1 [j, i] has the relationship of Expression (8).

Figure 2018073017
Figure 2018073017

なお、式(8)において、X=α(Σw1[j,i]x1[i]−θ)、Y=α(Σw2[k,j]x2[j]−θ)である。重み係数w1[j,i]は、ηw1・(Σe2[k]・f’(Y)・w2[k,j])・f’(X)・x1[i]に相当する分だけ値を変化させればよいことになる。 In Equation (8), X = α H (Σw1 [j, i] x1 [i] −θ H ), Y = α 0 (Σw2 [k, j] x2 [j] −θ 0 ). The weighting coefficient w1 [j, i] has a value corresponding to η w1 · (Σe2 [k] · f ′ (Y) · w2 [k, j]) · f ′ (X) · x1 [i]. You can change it.

第2のモジュール100_2の誤差回路EU(出力ニューロン回路)において、教師信号E[k]と信号o[k]との差分信号e2[k]を差動アンプ115で取得し、信号Yに対する微分信号f’(Y)を微分回路DVで取得し、f’(Y)と差分信号e2[k]との乗算結果d2[k]=e2[k]・f’(Y)を乗算回路MUL4で取得する。ここで、Y=α(Σw2[k,j]x2[j]−θ)である。信号d2[k]は第2のモジュール100_2のシナプス回路SU[k,j]への出力信号である。 In the error circuit EU (output neuron circuit) of the second module 100_2, the differential signal e2 [k] between the teacher signal E [k] and the signal o [k] is acquired by the differential amplifier 115, and the differential signal with respect to the signal Y f ′ (Y) is acquired by the differentiation circuit DV, and the multiplication result d2 [k] = e2 [k] · f ′ (Y) of the difference signal e2 [k] is acquired by the multiplication circuit MUL4. To do. Here, Y = α 0 (Σw2 [k, j] x2 [j] −θ 0 ). The signal d2 [k] is an output signal to the synapse circuit SU [k, j] of the second module 100_2.

第2のモジュール100_2のシナプス回路SU[k,j]において、第2のモジュール100_2の誤差回路EU[k]からの入力信号d2[k]に対して、dw2=d2[k]・x2[j]=e2[k]・f’(Y)・x2[j]に相当する量(ηw2・dw2=ηw2・e2[k]・f’(Y)・x2[j])だけアナログメモリAMのデータ(重み係数w2[k,j])を変化させる。なお、第2のモジュール100_2のシナプス回路SU[k,j]の第1のモジュール100_1の誤差回路EU[j]への出力信号w2[k,j]d2[k]=e2[k]・f’(Y)・w2[k,j]である。なお、以後出力信号w2[k,j]d2[k]は出力信号w2d2と表す場合がある。 In the synapse circuit SU [k, j] of the second module 100_2, for the input signal d2 [k] from the error circuit EU [k] of the second module 100_2, dw2 = d2 [k] · x2 [j ] = E2 [k] · f ′ (Y) · x2 [j] by an amount (η w2 · dw2 = η w2 · e2 [k] · f ′ (Y) · x2 [j]) corresponding to the analog memory AM Data (weighting coefficient w2 [k, j]) is changed. The output signal w2 [k, j] d2 [k] = e2 [k] · f of the synapse circuit SU [k, j] of the second module 100_2 to the error circuit EU [j] of the first module 100_1. '(Y) · w2 [k, j]. Hereinafter, the output signal w2 [k, j] d2 [k] may be expressed as the output signal w2d2.

第1のモジュール100_1の誤差回路EU[j](隠れ誤差回路)は、第1のモジュール100_1のシナプス回路SU[j,i]の出力信号w1[j,i]x1[i](電流)の和である信号Σw1[j,i]x1[i]と、第2のモジュール100_2のシナプス回路SU[k,j]の出力信号であるw2[k,j]d2[k]=e2[k]・f’(Y)・w2[k,j]で表される電流の和に相当する信号Σw2[k,j]d2[k]=Σe2[k]・f’(Y)・w2[k,j]=e1[j]と、を入力信号とし、Σw1[j,i]x1[i]から信号Xを差動アンプで取得し、e1[j]から差分信号EXを差動アンプ103で取得し、信号Xに対して出力信号f’(X)を微分回路DVで取得し、f’(X)と信号EXとの乗算結果d1[j]=e1[j]・f’(X)=Σe2[k]・f’(Y)・w2[k,j]・f’(X)を乗算回路MULで取得する。ここで、X=α(Σw1[j,i]x1[i]−θ)である。信号d1[j]は第1のモジュール100_1のシナプス回路SU[j,i]への出力信号である。 The error circuit EU [j] (hidden error circuit) of the first module 100_1 is an output signal w1 [j, i] x1 [i] (current) of the synapse circuit SU [j, i] of the first module 100_1. The signal Σw1 [j, i] x1 [i] which is the sum and w2 [k, j] d2 [k] = e2 [k] which is the output signal of the synapse circuit SU [k, j] of the second module 100_2 A signal Σw2 [k, j] d2 [k] = Σe2 [k] corresponding to the sum of currents represented by f ′ (Y) · w2 [k, j] · f ′ (Y) · w2 [k, j] = e1 [j] as an input signal, the signal X is obtained from the Σw1 [j, i] x1 [i] by the differential amplifier, and the difference signal EX is obtained from the e1 [j] by the differential amplifier 103. Then, the output signal f ′ (X) is obtained from the signal X by the differentiation circuit DV, and the multiplication result d of f ′ (X) and the signal EX is obtained. [J] = e1 [j] · f '(X) = Σe2 [k] · f' (Y) · w2 [k, j] · f '(X) is acquired by multiplying circuit MUL. Here, X = α H (Σw1 [j, i] x1 [i] −θ H ). The signal d1 [j] is an output signal to the synapse circuit SU [j, i] of the first module 100_1.

第1のモジュール100_1のシナプス回路SU[j,i]において、第1のモジュール100_1の誤差回路EU[j]からの入力信号d1[k]に対して、dw1=d1[j]・x1[i]=Σe2[k]・f’(Y)・w2[k,j]・f’(X)・x1[i]に相当する量(ηw1・dw1=ηw1・Σe2[k]・f’(Y)・w2[k,j]・f’(X)・x1[i])だけアナログメモリAMのデータ(重み係数w1[j,i])を変化させる。なお、第1のモジュール100_1のシナプス回路SU[j,i]の出力信号w1[j,i]d1[j](=wd1)は、他のモジュールに出力はしない。 In the synapse circuit SU [j, i] of the first module 100_1, for the input signal d1 [k] from the error circuit EU [j] of the first module 100_1, dw1 = d1 [j] · x1 [i ] = Σe2 [k] · f '(Y) · w2 [k, j] · f' (X) · x1 [ an amount corresponding to i] (η w1 · dw1 = η w1 · Σe2 [k] · f ' (Y) · w2 [k, j] · f ′ (X) · x1 [i]) changes the data (weight coefficient w1 [j, i]) of the analog memory AM. Note that the output signal w1 [j, i] d1 [j] (= wd1) of the synapse circuit SU [j, i] of the first module 100_1 is not output to other modules.

以上のように、半導体装置において、重み係数w1[j,i]、w2[k,j]を更新していくことができ、半導体装置において、入力信号に対して所望の出力信号が得られるような、重み係数w1[j,i]、w2[k,j]に相当するデータを各アナログメモリAMに格納することができる。すなわち、半導体装置の学習が可能となる。   As described above, the weighting factors w1 [j, i] and w2 [k, j] can be updated in the semiconductor device, and a desired output signal can be obtained with respect to the input signal in the semiconductor device. In addition, data corresponding to the weighting factors w1 [j, i] and w2 [k, j] can be stored in each analog memory AM. That is, the semiconductor device can be learned.

<4層ニューラルネットワーク>
さて、半導体装置として、上記モジュール100を組み合わせて、4層のニューラルネットワークとした例を図8に示す。ここで、モジュールU[1,1]、U[1,2]、U[1,3]のニューロン回路NUを入力ニューロン回路、モジュールU[2,1]、U[2,2]、U[3,1]、U[3,2]、U[4,1]、U[4,2]のニューロン回路NUを第1の隠れニューロン回路、モジュールU[2,3]、U[3,3]のニューロン回路NUを第2の隠れニューロン回路、誤差回路EUを出力ニューロン回路とする。モジュールU[1,1]のシナプス回路SUの出力信号wxをモジュールU[2,1]、U[2,2]のニューロン回路NUの入力信号I、モジュールU[1,2]のシナプス回路SUの出力信号wxをモジュールU[3,1]、U[3,2]のニューロン回路NUの入力信号I、モジュールU[1,3]のシナプス回路SUの出力信号wxをモジュールU[4,1]、U[4,2]のニューロン回路NUの入力信号I、モジュールU[2,3]のシナプス回路SUの誤差信号WDをモジュールU[2,1]、U[3,1]、U[4,1]の誤差回路EUの入力信号E、モジュールU[3,3]のシナプス回路SUの誤差信号WDをモジュールU[2,2]、U[3,2]、U[4,2]の誤差回路EUの入力信号E、とする。
<4-layer neural network>
FIG. 8 shows an example in which the module 100 is combined to form a four-layer neural network as a semiconductor device. Here, the neuron circuits NU of modules U [1,1], U [1,2], U [1,3] are input neuron circuits, modules U [2,1], U [2,2], U [ 3,1], U [3,2], U [4,1], U [4,2] neuron circuit NU as the first hidden neuron circuit, modules U [2,3], U [3,3 ] Is the second hidden neuron circuit, and the error circuit EU is the output neuron circuit. The output signal wx of the synapse circuit SU of the module U [1,1] is used as the input signal I of the neuron circuit NU of the modules U [2,1] and U [2,2], and the synapse circuit SU of the module U [1,2]. Output signal wx of module U [3,1], input signal I of neuron circuit NU of U [3,2], and output signal wx of synapse circuit SU of module U [1,3] are assigned to module U [4,1. ], The input signal I of the neuron circuit NU of U [4,2] and the error signal WD of the synapse circuit SU of the module U [2,3] are converted into the modules U [2,1], U [3,1], U [ 4, 1], and the error signal WD of the synapse circuit SU of the module U [3, 3] is converted into the modules U [2, 2], U [3, 2], U [4, 2]. The input signal E of the error circuit EU.

モジュール間には、各々複数の信号線から構成される配線群H[1,1]乃至H[4,6]、V[1,1]乃至V[3,6]が配置されており、それらの交点には、プログラマブルスイッチPSが配置されている。ここで、プログラマブルスイッチPSの回路構成を図9に示す。なお図8においてプログラマブルスイッチが配置される交点において、プログラマブルスイッチによって配線群同士が導通している場合には、導通していることを表す黒丸を付している。   Between the modules, wiring groups H [1,1] to H [4,6] and V [1,1] to V [3,6] each composed of a plurality of signal lines are arranged. A programmable switch PS is arranged at the intersection. Here, the circuit configuration of the programmable switch PS is shown in FIG. In FIG. 8, at the intersection where the programmable switch is arranged, when the wiring groups are electrically connected by the programmable switch, a black circle indicating the electrical connection is given.

図9に示すプログラマブルスイッチPSは、トランジスタTr16とトランジスタTr17から構成され、酸化物半導体で構成されたトランジスタTr16がオン(信号線WW=”H”)の時にトランジスタTr17のゲート電位としてデータを信号線BLから格納し、当該データに応じて、トランジスタTr17の導通を制御する。すなわち、配線Vと配線Hの導通状態をプログラムすることができる。   The programmable switch PS shown in FIG. 9 includes a transistor Tr16 and a transistor Tr17. When the transistor Tr16 made of an oxide semiconductor is on (signal line WW = “H”), data is transmitted as a gate potential of the transistor Tr17. The data is stored from BL, and the conduction of the transistor Tr17 is controlled in accordance with the data. That is, the conduction state between the wiring V and the wiring H can be programmed.

図8において、半導体装置の入力信号は、配線群H[1,3]を介してモジュールU[1,1]、U[1,2]、U[1,3]の入力ニューロン回路に入力される。モジュールU[3,3]の出力ニューロン回路の出力は、配線群H[3,6]を介して半導体装置の出力信号として出力される。半導体装置の教師信号は、配線群H[4,4]、V[3,3]を介して、モジュールU[2,3]、U[3,3]の出力ニューロン回路に入力される。   In FIG. 8, the input signal of the semiconductor device is input to the input neuron circuits of the modules U [1,1], U [1,2], U [1,3] via the wiring group H [1,3]. The The output of the output neuron circuit of the module U [3, 3] is output as an output signal of the semiconductor device via the wiring group H [3, 6]. The teaching signal of the semiconductor device is input to the output neuron circuits of the modules U [2, 3] and U [3, 3] via the wiring groups H [4, 4] and V [3, 3].

モジュールU[1,1]のシナプス回路SUの出力信号は、配線群V[1,4]、H[2,3]を介してモジュールU[2,1]、U[2,2]のニューロン回路NUに入力される。   The output signal of the synapse circuit SU of the module U [1,1] is transmitted to the neurons of the modules U [2,1] and U [2,2] via the wiring groups V [1,4] and H [2,3]. Input to the circuit NU.

モジュールU[1,2]のシナプス回路SUの出力信号は、配線群V[2,4]、H[3,3]を介してモジュールU[3,1]、U[3,2]のニューロン回路NUに入力される。   The output signal of the synapse circuit SU of the module U [1,2] is transmitted to the neurons of the modules U [3,1] and U [3,2] via the wiring groups V [2,4] and H [3,3]. Input to the circuit NU.

モジュールU[1,3]のシナプス回路SUの出力信号は、配線群V[3,4]、H[4,3]を介してモジュールU[4,1]、U[4,2]のニューロン回路NUに入力される。   The output signal of the synapse circuit SU of the module U [1,3] is transmitted to the neurons of the modules U [4,1] and U [4,2] via the wiring groups V [3,4] and H [4,3]. Input to the circuit NU.

モジュールU[2,1]、U[3,1]、U[4,1]のシナプス回路SUの出力信号は、配線群V[1,5]、H[2,2]を介してモジュールU[2,3]のニューロン回路NUに入力される。   The output signals of the synapse circuits SU of the modules U [2,1], U [3,1], U [4,1] are sent to the module U via the wiring groups V [1,5] and H [2,2]. The signal is input to the neuron circuit NU of [2, 3].

モジュールU[2,2]、U[3,2]、U[4,2]のシナプス回路SUの出力信号は、配線群V[2,5]、H[3,2]を介してモジュールU[2,3]のニューロン回路NUに入力される。   The output signal of the synapse circuit SU of the modules U [2, 2], U [3, 2], U [4, 2] is sent to the module U through the wiring groups V [2, 5], H [3, 2]. The signal is input to the neuron circuit NU of [2, 3].

モジュールU[2,3]、U[3,3]のシナプス回路SUの出力信号は、配線群V[3,5]で共有される。   Output signals of the synapse circuits SU of the modules U [2, 3] and U [3, 3] are shared by the wiring group V [3, 5].

モジュールU[2,3]のシナプス回路SUの誤差信号は、配線群H[2,4]、V[1,3]を介してモジュールU[2,1]、U[3,1]、U[4,1]の誤差回路EUに入力される。   The error signal of the synapse circuit SU of the module U [2, 3] is transmitted to the modules U [2, 1], U [3, 1], U via the wiring groups H [2, 4] and V [1, 3]. [4, 1] is input to the error circuit EU.

モジュールU[3,3]のシナプス回路SUの誤差信号は、配線群H[3,4]、V[2,3]を介してモジュールU[2,2]、U[3,2]、U[4,2]の誤差回路EUに入力される。   The error signal of the synapse circuit SU of the module U [3, 3] is transmitted to the modules U [2, 2], U [3, 2], U via the wiring groups H [3,4], V [2, 3]. [4, 2] is input to the error circuit EU.

モジュールU[2,1]、U[2,2]のシナプス回路SUの誤差信号は、配線群H[2,5]、V[1,2]を介してモジュールU[1,1]の誤差回路EUに入力される。   The error signal of the synapse circuit SU of the modules U [2,1] and U [2,2] is the error of the module U [1,1] via the wiring groups H [2,5] and V [1,2]. Input to the circuit EU.

モジュールU[3,1]、U[3,2]のシナプス回路SUの誤差信号は、配線群H[3,5]、V[2,2]を介してモジュールU[1,2]の誤差回路EUに入力される。   The error signal of the synapse circuit SU of the modules U [3, 1] and U [3, 2] is the error of the module U [1, 2] via the wiring groups H [3, 5] and V [2, 2]. Input to the circuit EU.

モジュールU[4,1]、U[4,2]のシナプス回路SUの誤差信号は、配線群H[4,5]、V[3,2]を介してモジュールU[1,3]の誤差回路EUに入力される。   The error signal of the synapse circuit SU of the modules U [4,1] and U [4,2] is the error of the module U [1,3] via the wiring groups H [4,5] and V [3,2]. Input to the circuit EU.

上記半導体装置において、入力ニューロン回路の入力信号として学習データを与え、出力ニューロン回路の入力信号として当該学習データに対応する教師信号を与え、誤差信号に応じてアナログメモリのデータを更新することで学習する。学習により、入力ニューロン回路の入力信号として対象データを与えた時に、対象データと学習データとが一致もしくは類似であることを判定することが可能となる。ここで、画像データにおいて対象となる物体(移動体)のデータを学習データとすることで、画像データに当該物体を検出することが可能となる。すなわち、画像データからの移動体の効率的なパターン抽出が可能となり、動き補償予測が効率的に実行でき、当該半導体装置を利用した、放送信号のデータ量を少なくした状態で記録する録画装置、および電子機器を提供することができる。   In the semiconductor device, learning data is given as an input signal of the input neuron circuit, a teacher signal corresponding to the learning data is given as an input signal of the output neuron circuit, and learning is performed by updating the data in the analog memory according to the error signal. To do. By learning, when the target data is given as an input signal of the input neuron circuit, it is possible to determine whether the target data and the learning data match or are similar. Here, by using the data of a target object (moving body) in the image data as learning data, the object can be detected in the image data. That is, it is possible to perform efficient pattern extraction of a moving object from image data, to efficiently perform motion compensation prediction, and to record a recording signal with a reduced amount of broadcast signal data using the semiconductor device, And an electronic device can be provided.

上記半導体装置の構成においては、画像データに合わせて、効率的に移動体のパターンを抽出するため、あるいは、より多くのパターンに対応するために、ニューロンの層数、同一層内のニューロン数など、階層構造を自由に変更できる。   In the configuration of the semiconductor device described above, the number of neurons, the number of neurons in the same layer, etc., in order to efficiently extract a moving body pattern according to image data or to accommodate more patterns, etc. The hierarchical structure can be changed freely.

(実施の形態2)
本実施の形態では、図1の半導体装置の動作例について説明する。ここでは半導体装置の動作として、図17に示すモジュール100_1、100_2を用いた3層のニューラルネットワークでの動作について説明する。つまり、第1のモジュール100_1のニューロン回路NUを入力ニューロン回路、第1のモジュール100_1の誤差回路EUを隠れ誤差回路、第2のモジュール100_2のニューロン回路NUを隠れニューロン回路、第2のモジュール100_2の誤差回路EUを出力ニューロン回路とするよう選択回路を設定しておく。第1のモジュール100_1のシナプス回路SUの出力信号を第2のモジュール100_2のニューロン回路NUの入力信号、第2のモジュール100_2のシナプス回路SUの誤差信号を第1のモジュール100_1の誤差回路EUの入力信号とする。
(Embodiment 2)
In this embodiment, an operation example of the semiconductor device in FIG. 1 is described. Here, the operation of the three-layer neural network using the modules 100_1 and 100_2 illustrated in FIG. 17 will be described as the operation of the semiconductor device. That is, the neuron circuit NU of the first module 100_1 is an input neuron circuit, the error circuit EU of the first module 100_1 is a hidden error circuit, the neuron circuit NU of the second module 100_2 is a hidden neuron circuit, and the second module 100_2 is A selection circuit is set so that the error circuit EU is an output neuron circuit. The output signal of the synapse circuit SU of the first module 100_1 is the input signal of the neuron circuit NU of the second module 100_2, and the error signal of the synapse circuit SU of the second module 100_2 is the input of the error circuit EU of the first module 100_1. Signal.

<動作例>
半導体装置の動作とは、上記実施の形態の図1で説明した半導体装置に学習データを入力し、半導体装置に該学習データを学ばせた後、半導体装置に対象データを入力して、該学習データと該対象データとが一致、類似、又は不一致などの判定をするまでのことをいう。図10及び図11に、半導体装置の動作を示すフローチャートを示す。
<Operation example>
The operation of the semiconductor device means that learning data is input to the semiconductor device described with reference to FIG. 1 in the above embodiment, the learning data is learned to the semiconductor device, and then the target data is input to the semiconductor device. This refers to the time until the data and the target data are determined to be identical, similar, or inconsistent. 10 and 11 are flowcharts showing the operation of the semiconductor device.

<<学習>>
初めに、図1の半導体装置がデータを学習する動作について、図1、図10を用いて説明する。
<< Learning >>
First, an operation in which the semiconductor device in FIG. 1 learns data will be described with reference to FIGS.

〔ステップS1−1〕
ステップS1−1では、入力ニューロン回路、つまり第1のモジュール100_1のニューロン回路NUに外部から学習データが入力される。学習データは、図17でいう入力信号I[1]乃至I[n]に相当する。なお、ここでの学習データとは、2進数で表せられるデータであり、その学習データのビット数に応じて、入力されるニューロン回路NUの個数が決まる。当該学習データの入力に必要の無いニューロン回路NUには出力信号xが固定値となるデータを入力する構成が好ましい。また、当該ニューロン回路NUへの電源の供給を遮断するなどの構成を適用するのが好ましい。ここでは、学習データの量はnビットと記載する。学習データI[1]乃至I[n]が、それぞれニューロン回路NU[1]乃至NU[n]に入力されるとする。
[Step S1-1]
In step S1-1, learning data is input to the input neuron circuit, that is, the neuron circuit NU of the first module 100_1 from the outside. The learning data corresponds to the input signals I [1] to I [n] shown in FIG. The learning data here is data expressed in binary numbers, and the number of input neuron circuits NU is determined according to the number of bits of the learning data. The neuron circuit NU that is not necessary for inputting the learning data is preferably configured to input data whose output signal x is a fixed value. Further, it is preferable to apply a configuration such as cutting off the supply of power to the neuron circuit NU. Here, the amount of learning data is described as n bits. It is assumed that learning data I [1] to I [n] are input to neuron circuits NU [1] to NU [n], respectively.

〔ステップS1−2〕
ステップS1−2では、入力ニューロン回路、つまり第1のモジュール100_1のニューロン回路NUから、第1のモジュール100_1のシナプス回路SUに出力信号xが入力される。第1のモジュール100_1のシナプス回路SUは、出力信号xに、アナログメモリAMに保持された重み係数w1を乗じた出力信号w1xを、隠れ誤差回路つまり第1のモジュール100_1の誤差回路EU、および隠れニューロン回路つまり第2のモジュール100_2のニューロン回路NUに出力する。
[Step S1-2]
In step S1-2, the output signal x is input from the input neuron circuit, that is, the neuron circuit NU of the first module 100_1 to the synapse circuit SU of the first module 100_1. The synapse circuit SU of the first module 100_1 uses an output signal w1x obtained by multiplying the output signal x by the weighting coefficient w1 held in the analog memory AM, and a hidden error circuit, that is, the error circuit EU of the first module 100_1, and the hidden module. The data is output to the neuron circuit, that is, the neuron circuit NU of the second module 100_2.

〔ステップS1−3〕
ステップS1−3では、隠れニューロン回路、つまり第2のモジュール100_2のニューロン回路NUに、第1のモジュール100_1のシナプス回路SUの出力信号の和であるΣw1xが入力される。
[Step S1-3]
In step S1-3, Σw1x that is the sum of the output signals of the synapse circuit SU of the first module 100_1 is input to the hidden neuron circuit, that is, the neuron circuit NU of the second module 100_2.

なお、隠れニューロン回路、つまり第2のモジュール100_2のニューロン回路NUの個数は学習データに応じて変更することも可能である。必要の無いニューロン回路NUには出力信号xが固定値となるデータを入力する構成が好ましい。また、当該ニューロン回路NUへの電源の供給を遮断するなどの構成を適用するのが好ましい。ここでは、第2のモジュール100_2のニューロン回路NUの個数はm個であり、当該ニューロン回路NUの入力値をΣw1x[1]乃至w1x[m]と記載する。   Note that the number of hidden neuron circuits, that is, the number of neuron circuits NU of the second module 100_2 can be changed according to the learning data. It is preferable to input data for which the output signal x is a fixed value to the neuron circuit NU that is not necessary. Further, it is preferable to apply a configuration such as cutting off the supply of power to the neuron circuit NU. Here, the number of neuron circuits NU of the second module 100_2 is m, and input values of the neuron circuits NU are described as Σw1x [1] to w1x [m].

〔ステップS1−4〕
ステップS1−4では、隠れニューロン回路つまり第2のモジュール100_2のニューロン回路NUから、第2のモジュール100_2のシナプス回路SUに出力信号x2が入力される。出力信号x2は、図1でいう出力信号xに相当する。第2のモジュール100_2のシナプス回路SUは、出力信号x2に、アナログメモリAMに保持された重み係数w2を乗じた出力信号w2x2を、出力ニューロン回路つまり第2のモジュール100_2の誤差回路EUに出力する。重み係数w2は、第2のモジュール100_2のシナプス回路SUのアナログメモリAMに保持される重み係数である。
[Step S1-4]
In step S1-4, the output signal x2 is input from the hidden neuron circuit, that is, the neuron circuit NU of the second module 100_2 to the synapse circuit SU of the second module 100_2. The output signal x2 corresponds to the output signal x in FIG. The synapse circuit SU of the second module 100_2 outputs an output signal w2x2 obtained by multiplying the output signal x2 by the weighting factor w2 held in the analog memory AM to the output neuron circuit, that is, the error circuit EU of the second module 100_2. . The weight coefficient w2 is a weight coefficient held in the analog memory AM of the synapse circuit SU of the second module 100_2.

〔ステップS1−5〕
ステップS1−5では、出力ニューロン回路つまり第2のモジュール100_2の誤差回路EUに、Σw2x2が入力される。Σw2x2は、図1でいうΣwxに相当する。
[Step S1-5]
In step S1-5, Σw2x2 is input to the output neuron circuit, that is, the error circuit EU of the second module 100_2. Σw2x2 corresponds to Σwx in FIG.

〔ステップS1−6〕
誤差回路EU[1]乃至EU[m]は、Σw2x2および外部からの教師信号eをもとに乗算を行い、第2のモジュール100_2のニューロン回路NUに差分信号d2を出力する。差分信号d2は、図1でいうd[1]乃至d[m]に相当する。教師信号eは、第2のモジュールの誤差回路EU[1]乃至EU[n]に入力される入力信号E[1]乃至[n]に相当する。
[Step S1-6]
The error circuits EU [1] to EU [m] perform multiplication based on Σw2x2 and the external teacher signal e, and output a differential signal d2 to the neuron circuit NU of the second module 100_2. The difference signal d2 corresponds to d [1] to d [m] in FIG. The teacher signal e corresponds to the input signals E [1] to [n] input to the error circuits EU [1] to EU [n] of the second module.

〔ステップS1−7〕
ステップS1−7では、差分信号d2をもとに、第2のモジュール100_2のシナプス回路SU内のアナログメモリAMに保持された重み係数w2が更新される。またステップS1−7では、第2のモジュール100_2のシナプス回路SU内で更新された重み係数w2と、差分信号d2との乗算を行い、出力信号w2d2を出力する。出力信号w2d2は、隠れ誤差回路つまり第1のモジュール100_1の誤差回路EUに出力される入力信号E[1]乃至E[n]となる。
[Step S1-7]
In step S1-7, the weighting coefficient w2 held in the analog memory AM in the synapse circuit SU of the second module 100_2 is updated based on the difference signal d2. In step S1-7, the weighting factor w2 updated in the synapse circuit SU of the second module 100_2 is multiplied by the difference signal d2, and the output signal w2d2 is output. The output signal w2d2 becomes input signals E [1] to E [n] that are output to the hidden error circuit, that is, the error circuit EU of the first module 100_1.

〔ステップS1−8〕
ステップS1−8では、出力信号の和であるΣw1xおよび出力信号w2d2をもとに乗算を行い、第1のモジュール100_1のニューロン回路NUに差分信号d1を出力する。差分信号d1は、図1でいうd[1]乃至d[m]に相当する。
[Step S1-8]
In step S1-8, multiplication is performed based on Σw1x which is the sum of the output signals and the output signal w2d2, and the difference signal d1 is output to the neuron circuit NU of the first module 100_1. The difference signal d1 corresponds to d [1] to d [m] in FIG.

〔ステップS1−9〕
ステップS1−9では、差分信号d1をもとに、第1のモジュール100_1のシナプス回路SU内のアナログメモリAMに保持された重み係数wが更新される。以降は、更新された重み係数w1、w2をもとに、ステップS1−2乃至ステップS1−9を所定の回数繰り返す。
[Step S1-9]
In step S1-9, the weighting coefficient w held in the analog memory AM in the synapse circuit SU of the first module 100_1 is updated based on the difference signal d1. Thereafter, Steps S1-2 to S1-9 are repeated a predetermined number of times based on the updated weighting factors w1 and w2.

〔ステップS1−10〕
ステップS1−10では、ステップS1−2乃至ステップS1−9を所定の回数を繰り返したかどうかの判定が行われる。所定の回数に達したとき当該学習データに対する学習を終了する。
[Step S1-10]
In step S1-10, it is determined whether or not steps S1-2 to S1-9 are repeated a predetermined number of times. When the predetermined number of times is reached, the learning for the learning data is terminated.

なお、ここでの所定の回数は、第2のモジュールの誤差回路EUにおける出力信号oと教師信号eとの誤差が規定値内に収まるまで繰り返すように設定されることが理想的だが、経験的に決めた任意の回数としてよい。   The predetermined number of times here is ideally set so as to be repeated until the error between the output signal o and the teacher signal e in the error circuit EU of the second module falls within a specified value. The number of times determined in the above may be used.

〔ステップS1−11〕
ステップS1−11では、全ての学習データにおいて学習したか否かを判定する。未終了の学習データがある場合はステップS1−1乃至S1−10を繰り返し、全ての学習データについて学習を終了した場合には終了する。なお、一度学習した学習データについて、一通り全ての学習データに対する学習が終った後に、再度学習する構成としてもよい。
[Step S1-11]
In step S1-11, it is determined whether or not learning has been performed on all learning data. If there is unfinished learning data, steps S1-1 to S1-10 are repeated, and if learning has been completed for all the learning data, the process is terminated. In addition, about the learning data once learned, it is good also as a structure which learns again after the learning with respect to all the learning data is completed.

階層型パーセプトロンアーキテクチャを有するニューラルネットワークでは、隠れ層を多層に設けることが好ましい。隠れ層に相当する隠れニューロン回路およびシナプス回路を多層に設ける場合、重み係数の更新を繰り返し行うことができるため、学習効率を高めることができる。   In a neural network having a hierarchical perceptron architecture, it is preferable to provide multiple hidden layers. When the hidden neuron circuit and the synapse circuit corresponding to the hidden layer are provided in multiple layers, the weighting coefficient can be updated repeatedly, so that the learning efficiency can be improved.

<<比較>>
次に、先にデータを学習させた図17の半導体装置に、対象データを入力して、結果を出力する動作について、図11を用いて説明する。ここで学習した複数のデータのうち、対象データに最も近いと連想されるデータを結果として出力する。
<< Comparison >>
Next, an operation of inputting target data and outputting a result to the semiconductor device of FIG. 17 in which data has been learned first will be described with reference to FIG. Of the plurality of data learned here, the data associated with the closest to the target data is output as a result.

〔ステップS2−1〕
ステップS2−1では、入力ニューロン回路つまり第1のモジュール100_1のニューロン回路NUに外部から対象データが入力される。
[Step S2-1]
In step S2-1, target data is input from the outside to the input neuron circuit, that is, the neuron circuit NU of the first module 100_1.

〔ステップS2−2〕
ステップS2−2では、第1のモジュール100_1のニューロン回路NUから第1のモジュール100_1のシナプス回路SUに、対象データに相当する出力信号xが入力される。第1のモジュール100_1のシナプス回路SUは、出力信号xに、学習のステップS1−9で保持された重み係数w1を乗じた出力信号w1xを、隠れニューロン回路つまり第2のモジュール100_2のニューロン回路NUに出力する。
[Step S2-2]
In step S2-2, the output signal x corresponding to the target data is input from the neuron circuit NU of the first module 100_1 to the synapse circuit SU of the first module 100_1. The synapse circuit SU of the first module 100_1 uses the output signal w1x obtained by multiplying the output signal x by the weighting factor w1 held in the learning step S1-9, and the hidden neuron circuit, that is, the neuron circuit NU of the second module 100_2. Output to.

〔ステップS2−3〕
ステップS2−3では、隠れニューロン回路つまり第2のモジュール100_2のニューロン回路NUに、第1のモジュール100_1のシナプス回路SUの出力信号の和であるΣw1xが入力される。
[Step S2-3]
In step S2-3, Σw1x, which is the sum of the output signals of the synapse circuit SU of the first module 100_1, is input to the hidden neuron circuit, that is, the neuron circuit NU of the second module 100_2.

〔ステップS2−4〕
ステップS2−4では、隠れニューロン回路つまり第2のモジュール100_2のニューロン回路NUから第2のモジュール100_2のシナプス回路SUに出力信号x2が入力される。第2のモジュール100_2のシナプス回路SUは、出力信号x2に、アナログメモリAMに保持された重み係数w2を乗じた出力信号w2x2を、出力ニューロン回路つまり第2のモジュール100_2の誤差回路EUに出力する。
[Step S2-4]
In step S2-4, the output signal x2 is input from the hidden neuron circuit, that is, the neuron circuit NU of the second module 100_2 to the synapse circuit SU of the second module 100_2. The synapse circuit SU of the second module 100_2 outputs an output signal w2x2 obtained by multiplying the output signal x2 by the weighting factor w2 held in the analog memory AM to the output neuron circuit, that is, the error circuit EU of the second module 100_2. .

〔ステップS2−5〕
ステップS2−5では、出力ニューロン回路つまり第2のモジュール100_2の誤差回路EUに、第2のモジュール100_2のシナプス回路SUの出力信号の和であるΣw2x2が入力される。出力ニューロン回路つまり第2のモジュール100_2の誤差回路EUは、出力信号oを出力する。
[Step S2-5]
In step S2-5, Σw2x2, which is the sum of the output signals of the synapse circuit SU of the second module 100_2, is input to the output neuron circuit, that is, the error circuit EU of the second module 100_2. The output neuron circuit, that is, the error circuit EU of the second module 100_2 outputs an output signal o.

ここで、学習した複数のデータのうち、出力された出力信号oに含まれるデータに一致するデータもしくは非常に近いデータがある場合には、その出力信号oに含まれるデータは当該学習データを学習した際に教師信号として与えたデータである。すなわち、学習データと対象データが一致(類似を含む)、又は不一致の判定を行うことができる。   Here, when there is data that matches or is very close to the data included in the output signal o that is output from among the plurality of learned data, the data included in the output signal o learns the learning data. This is the data given as a teacher signal when That is, it is possible to determine whether the learning data and the target data match (including similarity) or mismatch.

上記のステップS1−1乃至ステップS1−10、及びステップS2−1乃至ステップS2−5を行うことによって、図1の半導体装置に学習データを学習させ、その後、学習データと対象データとが一致か不一致か示す信号を出力することができる。これにより、図1の半導体装置は、パターン認識や連想記憶などの処理を行うことができる。   By performing the above steps S1-1 to S1-10 and steps S2-1 to S2-5, the semiconductor device in FIG. 1 learns the learning data, and then whether the learning data and the target data match. A signal indicating whether there is a mismatch can be output. Thereby, the semiconductor device of FIG. 1 can perform processes such as pattern recognition and associative memory.

(実施の形態3)
本実施の形態では、実施の形態1で説明した図1の半導体装置をエンコーダとして利用した場合の動作例について説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, an operation example in the case where the semiconductor device in FIG. 1 described in Embodiment 1 is used as an encoder will be described.

<物体の動きの検出例>
初めに、物体の動きの検出する方法の一例について説明する。図12は、画像データに対してエンコーダで実行する物体の動き検出のアルゴリズムを説明するものである。
<Example of motion detection>
First, an example of a method for detecting the movement of an object will be described. FIG. 12 illustrates an algorithm for object motion detection executed by an encoder on image data.

図12(A)は、画像データ10を示し、画像データ10は、三角形11及び円12を有する。図12(B)は、画像データ20を示し、画像データ20は、画像データ10が有する三角形11及び円12が右上方向に移動した画像データとする。   FIG. 12A shows the image data 10, and the image data 10 has a triangle 11 and a circle 12. FIG. 12B shows the image data 20, and the image data 20 is image data in which the triangle 11 and the circle 12 included in the image data 10 are moved in the upper right direction.

図12(C)の画像データ30は、画像データ10から三角形11及び円12を含む領域31を抽出する操作を示している。画像データ30は、抽出した領域31の左上のマスを基準(0,0)とし、左右方向及び上下方向の位置を示す数値を添字として、画像データ10に付したものである。ここで、図12(C)で抽出した領域31を、図12(E)に示す。   Image data 30 in FIG. 12C shows an operation of extracting a region 31 including the triangle 11 and the circle 12 from the image data 10. The image data 30 is attached to the image data 10 with the upper left cell of the extracted region 31 as a reference (0, 0) and numerical values indicating the positions in the horizontal direction and the vertical direction as subscripts. Here, the region 31 extracted in FIG. 12C is shown in FIG.

図12(D)の画像データ40は、画像データ20から一領域を切り出して、領域41を複数抽出する操作を示している。画像データ40は、画像データ30に付した左右方向及び上下方向の位置を示す数値を、画像データ20にも付したものである。つまり、画像データ30、及び画像データ40から、領域31がどの位置に移動したかを変移(移動ベクトル)で表すことができる。図12(F)は、抽出した複数の領域41の一部を示している。   The image data 40 in FIG. 12D shows an operation of cutting out one area from the image data 20 and extracting a plurality of areas 41. The image data 40 is obtained by adding numerical values indicating the horizontal and vertical positions attached to the image data 30 to the image data 20. That is, the position where the region 31 has moved from the image data 30 and the image data 40 can be represented by a transition (movement vector). FIG. 12F shows a part of the extracted plurality of regions 41.

領域41の複数抽出の動作後では、物体の動きを検出するため、領域31を複数の領域41と順次比較する動作が行われる。この動作によって、領域31と移動ベクトル(1,−1)の領域41とが一致していることを検出し、且つ領域31と移動ベクトル(1,−1)以外の領域41とが不一致していることを検出する。これにより、領域31から領域41への移動ベクトル(1,−1)を取得することができる。   After the operation of extracting a plurality of regions 41, an operation of sequentially comparing the region 31 with the plurality of regions 41 is performed in order to detect the motion of the object. By this operation, it is detected that the region 31 and the region 41 of the movement vector (1, -1) match, and the region 31 and the region 41 other than the movement vector (1, -1) do not match. Detect that Thereby, the movement vector (1, −1) from the region 31 to the region 41 can be acquired.

なお、本明細書では、上述の領域31のデータを学習データと表記する場合があり、上述の複数の領域41の一のデータを対象データと表記する場合がある。   In the present specification, the data in the region 31 described above may be expressed as learning data, and the data in the plurality of regions 41 described above may be expressed as target data.

なお、図12では、4×4からなる領域で、抽出、比較、そして検出の動作を行っているが、本動作例では、領域の大きさはこれに限定されない。抽出する画像データの大きさに合わせて適宜領域を変更する構成にしてもよい。例えば、3×5からなる領域で抽出、比較、そして検出の動作を行ってもよい。また、マスを形成する画素の数についても限定せず、例えば、10ピクセル×10ピクセルを1マスとしてもよいし、1ピクセルを1マスとして定義して領域を構成してもよい。また、例えば、5ピクセル×10ピクセルを1マスとして定義して領域を構成してもよい。   In FIG. 12, extraction, comparison, and detection operations are performed in a 4 × 4 region. However, in this operation example, the size of the region is not limited to this. The area may be changed as appropriate according to the size of the image data to be extracted. For example, the extraction, comparison, and detection operations may be performed in a 3 × 5 region. Further, the number of pixels forming the cell is not limited, and for example, 10 pixels × 10 pixels may be defined as one cell, or one pixel may be defined as one cell to constitute a region. For example, the region may be configured by defining 5 pixels × 10 pixels as one cell.

なお、映像の内容によっては、領域31に含まれる画像データが変化する場合がある。例えば、領域31に含まれる三角形11又は円12が、画像データ40では拡大、又は縮小している場合がある。また、例えば、領域31に含まれる三角形11又は円12が、画像データ40では回転している場合がある。この場合、領域31と複数の領域41との比較のために有効な構成においては、それぞれの領域がどの程度一致しているかを検出するために、それぞれの領域を入力した際の外部出力信号を算出し、それらの外部出力信号の差が最少となる場合の変移(移動ベクトル)を検出する。そのためには、領域31と複数の領域41とで特徴抽出などにより物体が同一であることを確認する構成であることが好ましい。なお、領域31の画像データから、領域31が該移動ベクトル方向に移動した画像データを生成し、当該画像データと複数の領域41との差分を取得することで、動き補償予測が可能となる。また、領域31の画像データの移動量が画素ピッチの整数倍に一致しない場合、領域31と複数の領域41との比較でそれぞれの外部出力信号を算出し、それらの外部出力信号の差が最小となる変移を推測し、これを物体の変移(移動ベクトル)として検出する構成が可能である。   Depending on the content of the video, the image data included in the region 31 may change. For example, the triangle 11 or the circle 12 included in the region 31 may be enlarged or reduced in the image data 40. Further, for example, the triangle 11 or the circle 12 included in the region 31 may be rotated in the image data 40. In this case, in a configuration effective for comparison between the region 31 and the plurality of regions 41, an external output signal when each region is input is detected in order to detect how much each region matches. The shift (movement vector) when the difference between these external output signals is calculated is detected. For this purpose, it is preferable that the region 31 and the plurality of regions 41 be configured to confirm that the objects are the same by feature extraction or the like. Note that motion compensation prediction can be performed by generating image data in which the region 31 is moved in the direction of the movement vector from the image data of the region 31 and acquiring the difference between the image data and the plurality of regions 41. Further, when the amount of movement of the image data in the region 31 does not match an integer multiple of the pixel pitch, each external output signal is calculated by comparing the region 31 and the plurality of regions 41, and the difference between these external output signals is minimized. It is possible to adopt a configuration in which a shift that becomes is detected and detected as a shift (movement vector) of an object.

<画像データの一致、類似、不一致の判定>
次に、エンコーダを用いた、動き補償予測の方法について、図13を用いて説明する。
<Determining whether image data matches, is similar, or does not match>
Next, a motion compensation prediction method using an encoder will be described with reference to FIG.

〔ステップS3−1〕
ステップS3−1では、領域31のデータを学習データとして、第1のモジュールにおけるニューロン回路NUに入力する。
[Step S3-1]
In step S3-1, the data in the region 31 is input as learning data to the neuron circuit NU in the first module.

〔ステップS3−2〕
ステップS3−2では、入力された領域31のデータについて、ステップS1−2乃至ステップS1−10と同様の動作を行う。つまり、全てのシナプス回路SUに対して、それぞれの重み係数の更新を繰り返し行い、領域31のデータに応じたシナプス回路SUの重み係数を更新する。
[Step S3-2]
In step S3-2, the same operation as in steps S1-2 to S1-10 is performed on the input data in the region 31. That is, the updating of the respective weighting factors is repeated for all the synapse circuits SU, and the weighting factors of the synapse circuits SU corresponding to the data in the region 31 are updated.

〔ステップS3−3〕
ステップS3−3では、複数の領域41の一を対象データとして、ステップS3−2で更新した重み係数を有する図1の半導体装置に入力する。
[Step S3-3]
In step S3-3, one of the plurality of areas 41 is input as target data to the semiconductor device of FIG. 1 having the weighting coefficient updated in step S3-2.

〔ステップS3−4〕
ステップS3−4では、入力された複数の領域41の一のデータについて、ステップS2−2乃至ステップS2−5と同様の動作を行う。つまり、領域31のデータを学習させた半導体装置に対して、複数の領域41の一のデータを入力することで、連想されるデータを出力する。
[Step S3-4]
In step S3-4, the same operation as that in steps S2-2 to S2-5 is performed on one piece of input data in the plurality of areas 41. That is, associative data is output by inputting one data of the plurality of regions 41 to the semiconductor device that has learned the data of the region 31.

ここで、領域31のデータと複数の領域41の一と、が一致する、又は一致しない、のいずれかの判定を行う。   Here, it is determined whether the data in the region 31 and one of the plurality of regions 41 match or do not match.

〔ステップS3−5〕
ステップS3−5では、上述の判定結果に応じて、どのステップに進むかの判定が行われる。
[Step S3-5]
In step S3-5, it is determined which step to proceed according to the above determination result.

該判定結果において、領域31のデータと複数の領域41の一とが一致しなかったとき、複数の領域41の一とは別の領域41を対象データとして、ステップS3−3とステップS3−4の動作が再度行われる。   In the determination result, when the data of the region 31 and one of the plurality of regions 41 do not match, the region 41 other than the one of the plurality of regions 41 is set as the target data, and steps S3-3 and S3-4 are performed. Is performed again.

また、該判定結果において、領域31のデータと複数の領域41の一とが一致したとき、領域31を基準とした複数の領域41の一の移動ベクトルを取得して、本動作が終了する。移動ベクトルを取得したことにより、移動ベクトルを差分とした、動き補償予測が可能となる。動き補償予測を行うことで、映像データの圧縮を効率よく行うことができる。   In addition, when the data of the region 31 matches one of the plurality of regions 41 in the determination result, one movement vector of the plurality of regions 41 with respect to the region 31 is acquired, and this operation ends. By acquiring the movement vector, motion compensated prediction using the movement vector as a difference becomes possible. By performing motion compensation prediction, video data can be efficiently compressed.

また、領域31のデータと複数の領域41の一とが類似する場合にも、該判定結果は一致となる。なお、複数の領域41の一のデータが複数の領域41のデータと類似する場合は、当該複数の領域41と複数の領域41の一のデータが一致していると判定される。この場合、当該複数の領域41との一致度を各々判定することで、物体の変位を推測して、これを物体の移動ベクトルとして取得を行う。その後、本動作は終了する。   Also, when the data in the region 31 and one of the plurality of regions 41 are similar, the determination result is the same. In addition, when the data of the plurality of areas 41 are similar to the data of the plurality of areas 41, it is determined that the data of the plurality of areas 41 and the data of the plurality of areas 41 match. In this case, by determining the degree of coincidence with the plurality of regions 41, the displacement of the object is estimated, and this is acquired as the movement vector of the object. Thereafter, this operation ends.

また、該判定結果で、全ての領域41のデータを対象データとして比較を行い、学習データと全ての対象データとが一致しなかったとき、または、類似しなかったとき、領域31のデータと複数の領域41のデータから動き補償予測を行うための移動ベクトルの取得ができないと判断して、本動作が終了する。   Further, based on the determination result, the data of all the regions 41 are compared as the target data, and when the learning data and all the target data do not match or are not similar, the data of the region 31 and the data This operation ends when it is determined that a motion vector for performing motion compensation prediction cannot be obtained from the data in the area 41.

上記の動作を行うことによって、階層型パーセプトロンアーキテクチャを有するニューラルネットワークを映像データの圧縮を行うエンコーダとして利用することができる。これにより、大容量の画像データの圧縮を行うことができる高効率のエンコーダを実現することができる。   By performing the above operation, a neural network having a hierarchical perceptron architecture can be used as an encoder for compressing video data. As a result, a highly efficient encoder capable of compressing a large amount of image data can be realized.

(実施の形態4)
本実施の形態では、実施の形態1で説明した図1のモジュールを有する半導体装置をエンコーダとして利用した場合の録画装置、および録画装置が有するエンコーダの構成について説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, a recording device in the case where the semiconductor device including the module in FIG. 1 described in Embodiment 1 is used as an encoder, and a configuration of the encoder included in the recording device will be described.

図14は、録画装置200のブロック図を図示している。図14では、録画装置200の他、チューナー201、STB202(セットトップボックス)、外部入力機器205、映像音声表示部214およびリモコン215を図示している。   FIG. 14 shows a block diagram of the recording apparatus 200. In FIG. 14, in addition to the recording apparatus 200, a tuner 201, an STB 202 (set top box), an external input device 205, a video / audio display unit 214, and a remote controller 215 are illustrated.

また録画装置200は、信号入力部203、切り替え部204、エンコーダ206、HDD207(ハードディスクドライブ)、切り替え部208、ディスクドライブ209、再生部210、デコーダ211、切り替え部212、映像音声出力部213、受光部216、I/F217(インターフェース)、制御部218を有する。   The recording apparatus 200 includes a signal input unit 203, a switching unit 204, an encoder 206, an HDD 207 (hard disk drive), a switching unit 208, a disk drive 209, a playback unit 210, a decoder 211, a switching unit 212, a video / audio output unit 213, a light receiving unit. A unit 216, an I / F 217 (interface), and a control unit 218.

図14において、アンテナ(図示せず)は放送電波(地上波もしくは衛星信号波を利用、もしくはケーブルテレビなど有線放送の受信機とすることもできる)を受信し、チューナー201に出力する。チューナー201は放送電波から受信したいチャンネルの信号を抽出して復調して放送信号を出力する。STB202(セットトップボックス)はチューナー201が出力した放送信号をテレビジョンで視聴可能なデータに変換して出力する。例えば、画像データや音声データが圧縮符合化されている場合は復号伸長し、データ放送を利用している場合は当該データを追加する。アンテナを介した放送電波から変換されたデータ(第1のデータ)は信号入力部203から録画装置200に入力する。なお、アンテナを介した放送電波だけでなく、外部入力機器205からもデータを入力することができる。外部入力機器205としては、例えば、有線放送や外部メディア(再生機器、情報端末など)などが考えられる。第1の入力データと外部入力から入力されたデータ(第2のデータ)は切り替え部204で何れか一方が選択される(外部入力データDBE)。 In FIG. 14, an antenna (not shown) receives broadcast radio waves (which can be a terrestrial wave or a satellite signal wave, or can be used as a cable broadcast receiver such as a cable TV), and outputs it to the tuner 201. The tuner 201 extracts and demodulates a signal of a channel desired to be received from the broadcast radio wave, and outputs a broadcast signal. The STB 202 (set top box) converts the broadcast signal output from the tuner 201 into data that can be viewed on a television and outputs the data. For example, when image data or audio data is compression-encoded, it is decoded and expanded, and when data broadcasting is used, the data is added. Data (first data) converted from broadcast radio waves via the antenna is input from the signal input unit 203 to the recording device 200. Data can be input not only from the broadcast radio wave via the antenna but also from the external input device 205. As the external input device 205, for example, cable broadcasting or external media (reproducing device, information terminal, etc.) can be considered. Either the first input data or the data input from the external input (second data) is selected by the switching unit 204 (external input data D BE ).

外部入力データVBEは、エンコーダ206により圧縮されて、データ量を少なくした圧縮データDAEとしてからHDD207に保存される。ここで、上記半導体装置を動き検出に利用したエンコーダ206を利用する構成が好ましい。なお、リアルタイム性が要求される放送信号の送出時に用いるデータ圧縮とは異なり、時間をかけてのデータ圧縮方法を利用することが可能となる。そのため、動き検出を精度良く実行できる上記方法を利用することが好ましい。 The external input data V BE is compressed by the encoder 206 and stored in the HDD 207 as compressed data D AE with a reduced data amount. Here, a configuration using an encoder 206 that uses the semiconductor device for motion detection is preferable. Note that, unlike data compression used at the time of transmission of a broadcast signal that requires real-time performance, it is possible to use a data compression method that takes time. Therefore, it is preferable to use the above method that can accurately perform motion detection.

HDD207に保存された圧縮データ(第1の圧縮データ)と、DVD(Digital Versatile Disc)やブルーレイディスクなどのディスクドライブ209に保存された圧縮データ(第2の圧縮データ、再生部を利用してメディアから取り出される)と、を切り替え部208で何れか一方を選択され、選択された圧縮データDBDは、デコーダ211で伸長される(内部再生データDAD)。 Compressed data stored in the HDD 207 (first compressed data) and compressed data stored in a disk drive 209 such as a DVD (Digital Versatile Disc) or Blu-ray disc (second compressed data, media using the playback unit) Is selected by the switching unit 208, and the selected compressed data DBD is decompressed by the decoder 211 (internal reproduction data D AD ).

外部入力データDBEと、内部再生データDADと、の何れか一方が切り替え部212で選択され、映像音声出力部213を介して映像音声表示部214(テレビジョンなど)に出力される。 Either the external input data D BE or the internal reproduction data D AD is selected by the switching unit 212 and output to the video / audio display unit 214 (such as a television) via the video / audio output unit 213.

切り替え部204,208および212は、リモコン215を利用してユーザーが入力した信号から生成する構成が可能である。リモコン215から出力される赤外線などを受光部216で受光して、I/F217を介して電気信号として取り込まれ、マイコンなどを利用した制御部218で制御信号として生成される。   The switching units 204, 208, and 212 can be configured to generate from signals input by the user using the remote controller 215. Infrared light or the like output from the remote controller 215 is received by the light receiving unit 216, taken as an electrical signal via the I / F 217, and generated as a control signal by the control unit 218 using a microcomputer or the like.

図15は、エンコーダ206のブロック図を図示している。図15でエンコーダ206は、外部入力データDBEから圧縮データDAEを生成する機能を有する。 FIG. 15 illustrates a block diagram of the encoder 206. The encoder 206 in FIG. 15 has a function of generating a compressed data D AE from the external input data D BE.

エンコーダ206は、ブロック分割回路221、DCT(離散コサイン変換)量子化回路222、エントロピー符号化回路223、ローカルデコーダ230および動き検出回路228を有する。ローカルデコーダは、逆DCT逆量子化回路224、ループ内フィルタ225、画面内予測回路226、動き補償回路227および切り替え部229を有する。   The encoder 206 includes a block division circuit 221, a DCT (discrete cosine transform) quantization circuit 222, an entropy encoding circuit 223, a local decoder 230, and a motion detection circuit 228. The local decoder includes an inverse DCT inverse quantization circuit 224, an in-loop filter 225, an in-screen prediction circuit 226, a motion compensation circuit 227, and a switching unit 229.

図15において、エンコーダ206は、画像信号(外部入力データDBE)をブロック分割回路221でブロック分割(圧縮の単位となるブロックに切り分ける)してブロックデータを生成する。当該ブロックデータに対してDCT量子化回路222で、ブロックサイズに応じたDCT(離散コサイン変換)やDST(離散サイン変換)などの直交変換及び量子化(画素値を離散化する)により量子化データを生成する。その後、エントロピー符号化回路223でエントロピー符合化(統計的性質を利用して冗長度を削減する)により符合化信号(圧縮データDAE)を生成する。なお、量子化データに対してローカルデコーダ230において、ローカルデコード処理を施したローカルデコードデータとブロックデータとの差分に対してあらためて直交変換及び量子化を実行することで、圧縮率を向上することができる。 In FIG. 15, an encoder 206 generates block data by dividing a block of an image signal (external input data D BE ) by a block dividing circuit 221 (dividing the block into compression blocks). The block data is quantized by the DCT quantization circuit 222 by orthogonal transform and quantization (discretizes pixel values) such as DCT (discrete cosine transform) and DST (discrete sine transform) according to the block size. Is generated. Thereafter, the entropy encoding circuit 223 generates an encoded signal (compressed data D AE ) by entropy encoding (reduces redundancy using statistical properties). Note that the compression rate can be improved by performing orthogonal transformation and quantization on the difference between the local decoded data subjected to the local decoding process and the block data in the local decoder 230 for the quantized data. it can.

ここで、ローカルデコーダ230で行うローカルデコード処理は、逆DCT逆量子化回路224において、量子化データを逆量子化及び逆直交変換して逆量子化データを生成する。そして、当該逆量子化データに対して、画面内予測回路226または動き補償回路227において、画面内(イントラ)予測及び動き補償による補正を加える処理である。なお、画面内予測回路226において、画面内(イントラ)予測は隣接する画素の画素値から画素値を推定できる場合、例えば、面内変化が緩やかな場合などに有効である。また、動き補償回路227において、動き補償は、動き検出回路228での動き検出により移動する物体を検出した場合に利用できる。物体を精度良く検出する必要があるため、上記の半導体装置を利用する構成が有効である。なお、ブロック化による境界での不連続性を補正する目的で、ループ内フィルタ225、においてループ内フィルタ(デブロッキングフィルタ)を利用する構成も有効である。なお、エンコーダ206における画面内(イントラ)予測及び動き補償に対応するデータは符合化信号に付加されて送出される。   Here, in the local decoding process performed by the local decoder 230, the inverse DCT inverse quantization circuit 224 performs inverse quantization and inverse orthogonal transform on the quantized data to generate inverse quantized data. Then, the intra-quantity prediction circuit 226 or the motion compensation circuit 227 applies correction to the inverse quantized data by intra-screen (intra) prediction and motion compensation. In the in-screen prediction circuit 226, in-screen (intra) prediction is effective when the pixel value can be estimated from the pixel values of adjacent pixels, for example, when the in-plane change is slow. In the motion compensation circuit 227, motion compensation can be used when a moving object is detected by motion detection in the motion detection circuit 228. Since it is necessary to detect an object with high accuracy, a configuration using the semiconductor device described above is effective. For the purpose of correcting discontinuity at the boundary due to blocking, a configuration using an in-loop filter (deblocking filter) in the in-loop filter 225 is also effective. Data corresponding to intra prediction (intra) prediction and motion compensation in the encoder 206 is added to the encoded signal and transmitted.

図16は、デコーダ211のブロック図を図示している。図16でデコーダ211は、圧縮データDBDから内部再生データDADを生成する機能を有する。 FIG. 16 illustrates a block diagram of the decoder 211. In FIG. 16, the decoder 211 has a function of generating internal reproduction data D AD from the compressed data D BD .

デコーダ211は、エントロピー復号回路241、逆DCT逆量子化回路242、ループ内フィルタ243、画面内予測回路244、動き補償回路245および切り替え部246を有する。   The decoder 211 includes an entropy decoding circuit 241, an inverse DCT inverse quantization circuit 242, an in-loop filter 243, an in-screen prediction circuit 244, a motion compensation circuit 245, and a switching unit 246.

図16において、デコーダ211に入力される符合化信号(圧縮データDBD)は、エントロピー復号回路241でエントロピー復号データに変換された後、逆DCT逆量子化回路242で逆量子化及び逆直交変換して逆量子化データとされ、ループ内フィルタ243によるデブロッキング処理により復号画像信号(内部再生データDAD)となる。なお、エンコーダ206における画面内(イントラ)予測及び動き補償に対応するデータとして符合化信号に付加されているデータを利用して、デコーダ211内の画面内予測回路244および動き補償回路245における画面内(イントラ)予測及び動き補償による補正が加えられる。 In FIG. 16, the encoded signal (compressed data D BD ) input to the decoder 211 is converted into entropy decoded data by the entropy decoding circuit 241 and then inverse quantized and inverse orthogonal transformed by the inverse DCT inverse quantization circuit 242. Thus, it is converted into inverse quantized data, and becomes a decoded image signal (internal reproduction data D AD ) by deblocking processing by the in-loop filter 243. It should be noted that using the data added to the encoded signal as data corresponding to the intra prediction (intra) prediction and motion compensation in the encoder 206, the intra screen prediction circuit 244 and the motion compensation circuit 245 in the decoder 211 are used. Corrections are made by (intra) prediction and motion compensation.

以上のような構成とすることで、動き補償予測を効率良く実行することで、効率的な画像データ圧縮が可能であり、また、画像データに合わせて、効率的に移動体のパターンを抽出するため、あるいは、より多くのパターンに対応するために、ニューロンの層数、同一層内のニューロン数など、階層構造を自由に変更できる半導体装置を提供することができ、当該半導体装置を用いた画像データの圧縮を効率良く実行することができるエンコーダを利用した、放送信号のデータ量を少なくした状態で記録する録画装置を提供することができる。   With the above configuration, efficient image data compression is possible by efficiently executing motion compensation prediction, and a moving object pattern is efficiently extracted according to the image data. Therefore, in order to cope with more patterns, it is possible to provide a semiconductor device in which the hierarchical structure such as the number of neurons and the number of neurons in the same layer can be freely changed, and an image using the semiconductor device It is possible to provide a video recording apparatus that uses an encoder capable of efficiently performing data compression and records data with a reduced amount of data of a broadcast signal.

(実施の形態5)
<CAC−OSの構成>
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるCAC(Cloud−Aligned Composite)−OSの構成について説明する。
(Embodiment 5)
<Configuration of CAC-OS>
A structure of a CAC (Cloud-Aligned Composite) -OS that can be used for the transistor disclosed in one embodiment of the present invention is described below.

CAC−OSとは、例えば、酸化物半導体を構成する元素が、0.5nm以上10nm以下、好ましくは、1nm以上2nm以下、またはその近傍のサイズで偏在した材料の一構成である。なお、以下では、酸化物半導体において、一つあるいはそれ以上の金属元素が偏在し、該金属元素を有する領域が、0.5nm以上10nm以下、好ましくは、1nm以上2nm以下、またはその近傍のサイズで混合した状態をモザイク状、またはパッチ状ともいう。   The CAC-OS is one structure of a material in which an element included in an oxide semiconductor is unevenly distributed with a size of 0.5 nm to 10 nm, preferably 1 nm to 2 nm, or the vicinity thereof. Note that in the following, in an oxide semiconductor, one or more metal elements are unevenly distributed, and a region including the metal element has a size of 0.5 nm to 10 nm, preferably 1 nm to 2 nm, or the vicinity thereof. The state mixed with is also referred to as a mosaic or patch.

なお、酸化物半導体は、少なくともインジウムを含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。   Note that the oxide semiconductor preferably contains at least indium. In particular, it is preferable to contain indium and zinc. In addition, aluminum, gallium, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, etc. One kind selected from the above or a plurality of kinds may be included.

例えば、In−Ga−Zn酸化物におけるCAC−OS(CAC−OSの中でもIn−Ga−Zn酸化物を、特にCAC−IGZOと呼称してもよい。)とは、インジウム酸化物(以下、InOX1(X1は0よりも大きい実数)とする。)、またはインジウム亜鉛酸化物(以下、InX2ZnY2Z2(X2、Y2、およびZ2は0よりも大きい実数)とする。)と、ガリウム酸化物(以下、GaOX3(X3は0よりも大きい実数)とする。)、またはガリウム亜鉛酸化物(以下、GaX4ZnY4Z4(X4、Y4、およびZ4は0よりも大きい実数)とする。)などと、に材料が分離することでモザイク状となり、モザイク状のInOX1、またはInX2ZnY2Z2が、膜中に均一に分布した構成(以下、クラウド状ともいう。)である。 For example, a CAC-OS in In-Ga-Zn oxide (In-Ga-Zn oxide among CAC-OSs may be referred to as CAC-IGZO in particular) is an indium oxide (hereinafter referred to as InO). X1 (X1 is greater real than 0) and.), or indium zinc oxide (hereinafter, in X2 Zn Y2 O Z2 ( X2, Y2, and Z2 is larger real than 0) and a.), gallium An oxide (hereinafter referred to as GaO X3 (X3 is a real number greater than 0)) or a gallium zinc oxide (hereinafter referred to as Ga X4 Zn Y4 O Z4 (where X4, Y4, and Z4 are greater than 0)) to.) and the like, the material becomes mosaic by separate into, mosaic InO X1 or in X2 Zn Y2 O Z2, is a configuration in which uniformly distributed in the film (hereinafter Also referred to as a cloud-like.) A.

つまり、CAC−OSは、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域とが、混合している構成を有する複合酸化物半導体である。なお、本明細書において、例えば、第1の領域の元素Mに対するInの原子数比が、第2の領域の元素Mに対するInの原子数比よりも大きいことを、第1の領域は、第2の領域と比較して、Inの濃度が高いとする。 That, CAC-OS includes a region GaO X3 is the main component, and In X2 Zn Y2 O Z2, or InO X1 is the main component region is a composite oxide semiconductor having a structure that is mixed. Note that in this specification, for example, the first region indicates that the atomic ratio of In to the element M in the first region is larger than the atomic ratio of In to the element M in the second region. It is assumed that the concentration of In is higher than that in the second region.

なお、IGZOは通称であり、In、Ga、Zn、およびOによる1つの化合物をいう場合がある。代表例として、InGaO(ZnO)m1(m1は自然数)、またはIn(1+x0)Ga(1−x0)(ZnO)m0(−1≦x0≦1、m0は任意数)で表される結晶性の化合物が挙げられる。 Note that IGZO is a common name and may refer to one compound of In, Ga, Zn, and O. As a typical example, InGaO 3 (ZnO) m1 (m1 is a natural number) or In (1 + x0) Ga (1-x0) O 3 (ZnO) m0 (−1 ≦ x0 ≦ 1, m0 is an arbitrary number) A crystalline compound may be mentioned.

上記結晶性の化合物は、単結晶構造、多結晶構造、またはCAAC(C Axis Aligned Crystalline)構造を有する。なお、CAAC構造とは、複数のIGZOのナノ結晶がc軸配向を有し、かつa−b面においては配向せずに連結した結晶構造である。   The crystalline compound has a single crystal structure, a polycrystalline structure, or a CAAC (C Axis Aligned Crystalline) structure. The CAAC structure is a crystal structure in which a plurality of IGZO nanocrystals have c-axis orientation and are connected without being oriented in the ab plane.

一方、CAC−OSは、酸化物半導体の材料構成に関する。CAC−OSとは、In、Ga、Zn、およびOを含む材料構成において、一部にGaを主成分とするナノ粒子状に観察される領域と、一部にInを主成分とするナノ粒子状に観察される領域とが、それぞれモザイク状にランダムに分散している構成をいう。従って、CAC−OSにおいて、結晶構造は副次的な要素である。   On the other hand, CAC-OS relates to a material structure of an oxide semiconductor. CAC-OS refers to a region observed in the form of nanoparticles mainly composed of Ga in a material structure including In, Ga, Zn and O, and nanoparticles mainly composed of In. The region observed in a shape is a configuration in which the regions are randomly dispersed in a mosaic shape. Therefore, in the CAC-OS, the crystal structure is a secondary element.

なお、CAC−OSは、組成の異なる二種類以上の膜の積層構造は含まないものとする。例えば、Inを主成分とする膜と、Gaを主成分とする膜との2層からなる構造は、含まない。   Note that the CAC-OS does not include a stacked structure of two or more kinds of films having different compositions. For example, a structure composed of two layers of a film mainly containing In and a film mainly containing Ga is not included.

なお、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域とは、明確な境界が観察できない場合がある。 Incidentally, a region GaO X3 is the main component, and In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is the main component region, in some cases clear boundary can not be observed.

なお、ガリウムの代わりに、アルミニウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれている場合、CAC−OSは、一部に該金属元素を主成分とするナノ粒子状に観察される領域と、一部にInを主成分とするナノ粒子状に観察される領域とが、それぞれモザイク状にランダムに分散している構成をいう。   In place of gallium, aluminum, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, or magnesium are selected. In the case where one or a plurality of types are included, the CAC-OS includes a region that is observed in a part of a nanoparticle mainly including the metal element and a nanoparticle mainly including In. The region observed in the form of particles refers to a configuration in which each region is randomly dispersed in a mosaic shape.

CAC−OSは、例えば基板を意図的に加熱しない条件で、スパッタリング法により形成することができる。また、CAC−OSをスパッタリング法で形成する場合、成膜ガスとして、不活性ガス(代表的にはアルゴン)、酸素ガス、及び窒素ガスの中から選ばれたいずれか一つまたは複数を用いればよい。また、成膜時の成膜ガスの総流量に対する酸素ガスの流量比は低いほど好ましく、例えば酸素ガスの流量比を0%以上30%未満、好ましくは0%以上10%以下とすることが好ましい。   The CAC-OS can be formed by a sputtering method under a condition where the substrate is not intentionally heated, for example. In the case where a CAC-OS is formed by a sputtering method, any one or more selected from an inert gas (typically argon), an oxygen gas, and a nitrogen gas may be used as a deposition gas. Good. Further, the flow rate ratio of the oxygen gas to the total flow rate of the deposition gas during film formation is preferably as low as possible. .

CAC−OSは、X線回折(XRD:X−ray diffraction)測定法のひとつであるOut−of−plane法によるθ/2θスキャンを用いて測定したときに、明確なピークが観察されないという特徴を有する。すなわち、X線回折から、測定領域のa−b面方向、およびc軸方向の配向は見られないことが分かる。   The CAC-OS is characterized in that no clear peak is observed when it is measured using a θ / 2θ scan by the out-of-plane method, which is one of the X-ray diffraction (XRD) measurement methods. Have. That is, it can be seen from X-ray diffraction that no orientation in the ab plane direction and c-axis direction of the measurement region is observed.

またCAC−OSは、プローブ径が1nmの電子線(ナノビーム電子線ともいう。)を照射することで得られる電子線回折パターンにおいて、リング状に輝度の高い領域と、該リング領域に複数の輝点が観測される。従って、電子線回折パターンから、CAC−OSの結晶構造が、平面方向、および断面方向において、配向性を有さないnc(nano−crystal)構造を有することがわかる。   In addition, in the CAC-OS, an electron diffraction pattern obtained by irradiating an electron beam with a probe diameter of 1 nm (also referred to as a nanobeam electron beam) has a ring-like region having a high luminance and a plurality of bright regions in the ring region. A point is observed. Therefore, it can be seen from the electron beam diffraction pattern that the crystal structure of the CAC-OS has an nc (nano-crystal) structure having no orientation in the planar direction and the cross-sectional direction.

また例えば、In−Ga−Zn酸化物におけるCAC−OSでは、エネルギー分散型X線分光法(EDX:Energy Dispersive X−ray spectroscopy)を用いて取得したEDXマッピングにより、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域とが、偏在し、混合している構造を有することが確認できる。 Further, for example, in a CAC-OS in an In—Ga—Zn oxide, a region in which GaO X3 is a main component is obtained by EDX mapping obtained by using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). It can be confirmed that a region in which In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is a main component is unevenly distributed and mixed.

CAC−OSは、金属元素が均一に分布したIGZO化合物とは異なる構造であり、IGZO化合物と異なる性質を有する。つまり、CAC−OSは、GaOX3などが主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域と、に互いに相分離し、各元素を主成分とする領域がモザイク状である構造を有する。 The CAC-OS has a structure different from that of the IGZO compound in which the metal element is uniformly distributed, and has a property different from that of the IGZO compound. That is, in the CAC-OS, a region in which GaO X3 or the like is a main component and a region in which In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is a main component are phase-separated from each other, and a region in which each element is a main component. Has a mosaic structure.

ここで、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域は、GaOX3などが主成分である領域と比較して、導電性が高い領域である。つまり、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域を、キャリアが流れることにより、酸化物半導体としての導電性が発現する。従って、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域が、酸化物半導体中にクラウド状に分布することで、高い電界効果移動度(μ)が実現できる。 Here, the region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 as a main component is a region having higher conductivity than a region containing GaO X3 or the like as a main component. That, In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1, is an area which is the main component, by carriers flow, expressed the conductivity of the oxide semiconductor. Accordingly, a region where In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is a main component is distributed in a cloud shape in the oxide semiconductor, whereby high field-effect mobility (μ) can be realized.

一方、GaOX3などが主成分である領域は、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域と比較して、絶縁性が高い領域である。つまり、GaOX3などが主成分である領域が、酸化物半導体中に分布することで、リーク電流を抑制し、良好なスイッチング動作を実現できる。 On the other hand, areas such as GaO X3 is the main component, as compared to the In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is the main component area, it is highly regions insulating. That is, a region containing GaO X3 or the like as a main component is distributed in the oxide semiconductor, whereby leakage current can be suppressed and good switching operation can be realized.

従って、CAC−OSを半導体素子に用いた場合、GaOX3などに起因する絶縁性と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1に起因する導電性とが、相補的に作用することにより、高いオン電流(Ion)、および高い電界効果移動度(μ)を実現することができる。 Therefore, when CAC-OS is used for a semiconductor element, the insulating property caused by GaO X3 and the like and the conductivity caused by In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 act in a complementary manner, resulting in high An on-current (I on ) and high field effect mobility (μ) can be realized.

また、CAC−OSを用いた半導体素子は、信頼性が高い。従って、CAC−OSは、ディスプレイをはじめとするさまざまな半導体装置に最適である。   In addition, a semiconductor element using a CAC-OS has high reliability. Therefore, the CAC-OS is optimal for various semiconductor devices including a display.

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in appropriate combination with at least part of the other embodiments described in this specification.

(本明細書等の記載に関する付記)
以上の実施の形態、及び実施の形態における各構成の説明について、以下に付記する。
(Additional notes regarding the description of this specification etc.)
The above embodiment and description of each component in the embodiment will be added below.

各実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて、本発明の一態様とすることができる。また、1つの実施の形態の中に、複数の構成例が示される場合は、互い構成例を適宜組み合わせることが可能である。   The structure described in each embodiment can be combined with the structure described in any of the other embodiments as appropriate, for one embodiment of the present invention. In addition, in the case where a plurality of structure examples are given in one embodiment, any of the structure examples can be combined as appropriate.

なお、ある一つの実施の形態の中で述べる内容(一部の内容でもよい)は、その実施の形態で述べる別の内容(一部の内容でもよい)、及び/又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態で述べる内容(一部の内容でもよい)に対して、適用、組み合わせ、又は置き換えなどを行うことが出来る。   Note that the content described in one embodiment (may be a part of content) is different from the content described in the embodiment (may be a part of content) and / or one or more Application, combination, replacement, or the like can be performed on the content described in another embodiment (or part of the content).

なお、実施の形態の中で述べる内容とは、各々の実施の形態において、様々な図を用いて述べる内容、又は明細書に記載される文章を用いて述べる内容のことである。   Note that the contents described in the embodiments are the contents described using various drawings or the contents described in the specification in each embodiment.

なお、ある一つの実施の形態において述べる図(一部でもよい)は、その図の別の部分、その実施の形態において述べる別の図(一部でもよい)、及び/又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態において述べる図(一部でもよい)に対して、組み合わせることにより、さらに多くの図を構成させることが出来る。   Note that a drawing (or a part thereof) described in one embodiment may be another part of the drawing, another drawing (may be a part) described in the embodiment, and / or one or more. More diagrams can be formed by combining the diagrams (may be a part) described in another embodiment.

また本明細書等において、ブロック図では、構成要素を機能毎に分類し、互いに独立したブロックとして示している。しかしながら実際の回路等においては、構成要素を機能毎に切り分けることが難しく、一つの回路に複数の機能が係わる場合や、複数の回路にわたって一つの機能が関わる場合があり得る。そのため、ブロック図のブロックは、明細書で説明した構成要素に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。   Further, in the present specification and the like, in the block diagram, the constituent elements are classified by function and shown as independent blocks. However, in an actual circuit or the like, it is difficult to separate the components for each function, and there may be a case where a plurality of functions are involved in one circuit or a case where one function is involved over a plurality of circuits. Therefore, the blocks in the block diagram are not limited to the components described in the specification, and can be appropriately rephrased depending on the situation.

また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、説明の便宜上任意の大きさに示したものである。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は明確性を期すために模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。例えば、ノイズによる信号、電圧、若しくは電流のばらつき、又は、タイミングのずれによる信号、電圧、若しくは電流のばらつきなどを含むことが可能である。   In the drawings, the size, the layer thickness, or the region is shown in an arbitrary size for convenience of explanation. Therefore, it is not necessarily limited to the scale. Note that the drawings are schematically shown for the sake of clarity, and are not limited to the shapes or values shown in the drawings. For example, variation in signal, voltage, or current due to noise, variation in signal, voltage, or current due to timing shift can be included.

本明細書等において、トランジスタの接続関係を説明する際、ソースとドレインとの一方を、「ソース又はドレインの一方」(又は第1電極、又は第1端子)と表記し、ソースとドレインとの他方を「ソース又はドレインの他方」(又は第2電極、又は第2端子)と表記している。これは、トランジスタのソースとドレインは、トランジスタの構造又は動作条件等によって変わるためである。なおトランジスタのソースとドレインの呼称については、ソース(ドレイン)端子や、ソース(ドレイン)電極等、状況に応じて適切に言い換えることができる。   In this specification and the like, when describing a connection relation of a transistor, one of a source and a drain is referred to as “one of a source and a drain” (or a first electrode or a first terminal), and the source and the drain The other is referred to as “the other of the source and the drain” (or the second electrode or the second terminal). This is because the source and drain of a transistor vary depending on the structure or operating conditions of the transistor. Note that the names of the source and the drain of the transistor can be appropriately rephrased depending on the situation, such as a source (drain) terminal or a source (drain) electrode.

また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。   Further, in this specification and the like, the terms “electrode” and “wiring” do not functionally limit these components. For example, an “electrode” may be used as part of a “wiring” and vice versa. Furthermore, the terms “electrode” and “wiring” include a case where a plurality of “electrodes” and “wirings” are integrally formed.

また、本明細書等において、電圧と電位は、適宜言い換えることができる。電圧は、基準となる電位からの電位差のことであり、例えば基準となる電位をグラウンド電圧(接地電圧)とすると、電圧を電位に言い換えることができる。グラウンド電位は必ずしも0Vを意味するとは限らない。なお電位は相対的なものであり、基準となる電位によっては、配線等に与える電位を変化させる場合がある。   In this specification and the like, voltage and potential can be described as appropriate. The voltage is a potential difference from a reference potential. For example, when the reference potential is a ground voltage (ground voltage), the voltage can be rephrased as a potential. The ground potential does not necessarily mean 0V. Note that the potential is relative, and the potential applied to the wiring or the like may be changed depending on the reference potential.

なお本明細書等において、「膜」、「層」などの語句は、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。   Note that in this specification and the like, terms such as “film” and “layer” can be interchanged with each other depending on the case or circumstances. For example, the term “conductive layer” may be changed to the term “conductive film”. Alternatively, for example, the term “insulating film” may be changed to the term “insulating layer” in some cases.

本明細書等において、スイッチとは、導通状態(オン状態)、または、非導通状態(オフ状態)になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有するものをいう。または、スイッチとは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有するものをいう。   In this specification and the like, a switch refers to a switch that is in a conductive state (on state) or a non-conductive state (off state) and has a function of controlling whether or not to pass current. Alternatively, the switch refers to a switch having a function of selecting and switching a current flow path.

一例としては、電気的スイッチ又は機械的なスイッチなどを用いることができる。つまり、スイッチは、電流を制御できるものであればよく、特定のものに限定されない。   As an example, an electrical switch or a mechanical switch can be used. That is, the switch is not limited to a specific one as long as it can control the current.

電気的なスイッチの一例としては、トランジスタ(例えば、バイポーラトランジスタ、MOSトランジスタなど)、ダイオード(例えば、PNダイオード、PINダイオード、ショットキーダイオード、MIM(Metal Insulator Metal)ダイオード、MIS(Metal Insulator Semiconductor)ダイオード、ダイオード接続のトランジスタなど)、又はこれらを組み合わせた論理回路などがある。   Examples of electrical switches include transistors (for example, bipolar transistors, MOS transistors, etc.), diodes (for example, PN diodes, PIN diodes, Schottky diodes, MIM (Metal Insulator Metal) diodes, MIS (Metal Insulator Semiconductor) diodes. , Diode-connected transistors, etc.), or a logic circuit combining these.

なお、スイッチとしてトランジスタを用いる場合、トランジスタの「導通状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に短絡されているとみなせる状態をいう。また、トランジスタの「非導通状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に遮断されているとみなせる状態をいう。なおトランジスタを単なるスイッチとして動作させる場合には、トランジスタの極性(導電型)は特に限定されない。   Note that in the case where a transistor is used as the switch, the “conducting state” of the transistor means a state where the source and the drain of the transistor can be regarded as being electrically short-circuited. In addition, the “non-conducting state” of a transistor refers to a state where the source and drain of the transistor can be regarded as being electrically cut off. Note that when a transistor is operated as a simple switch, the polarity (conductivity type) of the transistor is not particularly limited.

機械的なスイッチの一例としては、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)のように、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)技術を用いたスイッチがある。そのスイッチは、機械的に動かすことが可能な電極を有し、その電極が動くことによって、導通と非導通とを制御して動作する。   An example of a mechanical switch is a switch using MEMS (micro electro mechanical system) technology, such as a digital micromirror device (DMD). The switch has an electrode that can be moved mechanically, and operates by controlling conduction and non-conduction by moving the electrode.

本明細書等において、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲートとが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとの間の距離をいう。   In this specification and the like, the channel length means, for example, in a top view of a transistor, a region where a semiconductor (or a portion where a current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate overlap, or a channel is formed. This is the distance between the source and drain in the region.

本明細書等において、チャネル幅とは、例えば、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。   In this specification and the like, the channel width refers to, for example, a source in a region where a semiconductor (or a portion where a current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap, or a region where a channel is formed And the length of the part where the drain faces.

本明細書等において、AとBとが接続されている、とは、AとBとが直接接続されているものの他、電気的に接続されているものを含むものとする。ここで、AとBとが電気的に接続されているとは、AとBとの間で、何らかの電気的作用を有する対象物が存在するとき、AとBとの電気信号の授受を可能とするものをいう。   In this specification and the like, “A and B are connected” includes not only those in which A and B are directly connected but also those that are electrically connected. Here, A and B are electrically connected. When there is an object having some electrical action between A and B, it is possible to send and receive electrical signals between A and B. It says that.

MUL1 乗算回路
MUL2 乗算回路
MUL3 乗算回路
MUL4 乗算回路
Tr01 トランジスタ
Tr08 トランジスタ
Tr11 トランジスタ
Tr14 トランジスタ
Tr15 トランジスタ
Tr16 トランジスタ
Tr17 トランジスタ
10 画像データ
11 三角形
12 円
20 画像データ
30 画像データ
31 領域
40 画像データ
41 領域
100 モジュール
100_1 モジュール
100_2 モジュール
101 アンプ
102 選択回路
103 差動アンプ
104 スイッチ
105 抵抗
106 ユニティゲインバッファ
107 増幅回路
108 バッファ
111 差動アンプ
112 スイッチ
113 抵抗
114 選択回路
115 差動アンプ
116 スイッチ
117 抵抗
121 OPアンプ
122 OPアンプ
200 録画装置
201 チューナー
202 STB
203 信号入力部
204 切り替え部
205 外部入力機器
206 エンコーダ
207 HDD
208 切り替え部
209 ディスクドライブ
210 再生部
211 デコーダ
212 切り替え部
213 映像音声出力部
214 映像音声表示部
215 リモコン
216 受光部
218 制御部
221 ブロック分割回路
222 DCT量子化回路
223 エントロピー符号化回路
224 逆DCT逆量子化回路
225 ループ内フィルタ
226 画面内予測回路
227 補償回路
228 検出回路
229 切り替え部
230 ローカルデコーダ
241 エントロピー復号回路
242 逆DCT逆量子化回路
243 ループ内フィルタ
244 画面内予測回路
245 補償回路
246 切り替え部
MUL1 multiplication circuit MUL2 multiplication circuit MUL3 multiplication circuit MUL4 multiplication circuit Tr01 transistor Tr08 transistor Tr11 transistor Tr14 transistor Tr15 transistor Tr16 transistor Tr17 transistor 10 image data 11 triangle 12 circle 20 image data 30 image data 31 area 40 image data 41 area 100 module 100_1 module 100_2 module 101 amplifier 102 selection circuit 103 differential amplifier 104 switch 105 resistor 106 unity gain buffer 107 amplifier circuit 108 buffer 111 differential amplifier 112 switch 113 resistor 114 selection circuit 115 differential amplifier 116 switch 117 resistor 121 OP amplifier 122 OP amplifier 200 Recording device 201 Tuner 202 STB
203 Signal Input Unit 204 Switching Unit 205 External Input Device 206 Encoder 207 HDD
208 switching unit 209 disk drive 210 reproducing unit 211 decoder 212 switching unit 213 video / audio output unit 214 video / audio display unit 215 remote control 216 light receiving unit 218 control unit 221 block division circuit 222 DCT quantization circuit 223 entropy coding circuit 224 inverse DCT inverse Quantization circuit 225 In-loop filter 226 In-screen prediction circuit 227 Compensation circuit 228 Detection circuit 229 Switching unit 230 Local decoder 241 Entropy decoding circuit 242 Inverse DCT inverse quantization circuit 243 In-loop filter 244 In-screen prediction circuit 245 Compensation circuit 246 Switching unit

Claims (5)

映像データをエンコードする機能を有する半導体装置であって、
前記半導体装置は、複数のモジュールと、複数のプログラマブルスイッチと、を有し、
前記モジュールは、ニューロン回路と、シナプス回路と、誤差回路と、を有し、
前記ニューロン回路は、入力ニューロン回路の機能と隠れニューロン回路の機能とを切り替えることができる機能を有し、
前記シナプス回路は、結合強度に相当するデータを変更する第1の乗算回路と、前記データを記憶するアナログメモリと、前記第1の信号を前記データに応じて重み付けをした第2の信号として出力する第2の乗算回路と、を有し、
前記誤差回路は、出力ニューロン回路の機能と隠れ誤差回路の機能とを切り替えることができる機能を有し、
前記アナログメモリは、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタを有し、
前記プログラマブルスイッチは、前記モジュール間の電気的な接続を切り替える機能を有する半導体装置。
A semiconductor device having a function of encoding video data,
The semiconductor device has a plurality of modules and a plurality of programmable switches,
The module includes a neuron circuit, a synapse circuit, and an error circuit,
The neuron circuit has a function capable of switching between a function of an input neuron circuit and a function of a hidden neuron circuit,
The synapse circuit outputs a first multiplication circuit that changes data corresponding to a coupling strength, an analog memory that stores the data, and a second signal that is weighted according to the data. A second multiplication circuit that
The error circuit has a function capable of switching between the function of the output neuron circuit and the function of the hidden error circuit,
The analog memory includes a transistor including an oxide semiconductor in a channel formation region,
The programmable switch is a semiconductor device having a function of switching electrical connection between the modules.
請求項1において、
前記ニューロン回路は、第1の切り替え回路を有し、
前記第1の切り替え回路は、
前記入力ニューロン回路として機能する場合、外部からの入力信号を増幅して前記シナプス回路に出力する回路と、
前記隠れニューロンとして機能する場合、前記シナプス回路が出力する電流を電圧に変換して別のモジュールが有するシナプス回路に出力する回路と、
を切り替える機能を有する半導体装置。
In claim 1,
The neuron circuit has a first switching circuit,
The first switching circuit includes:
When functioning as the input neuron circuit, a circuit for amplifying an input signal from the outside and outputting it to the synapse circuit;
When functioning as the hidden neuron, a circuit that converts the current output from the synapse circuit into a voltage and outputs it to a synapse circuit included in another module;
Device having a function of switching between.
請求項1において、
前記誤差回路は、第2の切り替え回路を有し、
前記第2の切り替え回路は、
前記出力ニューロン回路として機能する場合、前記シナプス回路が出力する電流を電圧に変換して別のモジュールの入力信号として出力し、別のモジュールの入力信号として出力する信号と教師信号との差分信号と、別のモジュールの入力信号として出力する信号を元に生成した微分係数と前記差分信号との乗算信号によって得られる誤差信号を前記シナプス回路に出力する回路と、
前記隠れ誤差回路として機能する場合、前記シナプス回路が出力する電流を電圧に変換して得られる信号を元に生成した微分係数と、教師信号と参照電圧との差分で得られる信号と、の乗算信号によって得られる誤差信号を前記シナプス回路に出力する回路と、
を切り替える機能を有する半導体装置。
In claim 1,
The error circuit includes a second switching circuit;
The second switching circuit includes:
When functioning as the output neuron circuit, the current output from the synapse circuit is converted into a voltage and output as an input signal of another module, and a difference signal between a signal output as an input signal of another module and a teacher signal A circuit for outputting to the synapse circuit an error signal obtained by a product of a differential coefficient generated based on a signal output as an input signal of another module and the differential signal;
When functioning as the hidden error circuit, multiplication of a differential coefficient generated based on a signal obtained by converting the current output from the synapse circuit into a voltage and a signal obtained by the difference between the teacher signal and the reference voltage A circuit for outputting an error signal obtained by the signal to the synapse circuit;
Device having a function of switching between.
映像データを記憶する機能を備える録画装置であって、
記憶装置と、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の半導体装置とを有し、
前記半導体装置は、前記映像信号を圧縮処理した圧縮データを生成する機能を有し、
前記記憶装置は、前記圧縮データを記憶する機能を有する録画装置。
A recording device having a function of storing video data,
A memory device and the semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
The semiconductor device has a function of generating compressed data obtained by compressing the video signal,
The storage device is a recording device having a function of storing the compressed data.
表示部と、請求項4に記載の録画装置とを有する電子機器。   An electronic apparatus having a display unit and the recording device according to claim 4.
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