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JPH06274661A - Synapse circuit and neural network system using the same - Google Patents

Synapse circuit and neural network system using the same

Info

Publication number
JPH06274661A
JPH06274661A JP5058940A JP5894093A JPH06274661A JP H06274661 A JPH06274661 A JP H06274661A JP 5058940 A JP5058940 A JP 5058940A JP 5894093 A JP5894093 A JP 5894093A JP H06274661 A JPH06274661 A JP H06274661A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
voltage
analog
source
transistor
synapse
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP5058940A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Sumisu Ansonii
アンソニー・スミス
Kazuhiko Sagara
和彦 相良
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP5058940A priority Critical patent/JPH06274661A/en
Publication of JPH06274661A publication Critical patent/JPH06274661A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】 【構成】 ゲートをオンすることにより、ソースまたは
ドレインから入力されたシナプスウエイトを表わすアナ
ログウエイトの電圧を蓄積し、ドレインまたはソースが
内部接続点NODE Aに接続される第1のトランジスタM1
と、一端が内部接続点NODE Aに接続され、他端から所定
の振幅のアナログ電圧のパルスストリームを入力し、そ
の振幅に上記アナログウエイトの電圧を負荷するコンデ
ンサC1と、ドレインおよびソースが夫々所定の電圧に
て固定され、内部接続点NODE Aに接続されたゲートの電
圧が所定の閾値を越えた場合に、出力電流のパルスを出
力する第2のトランジスタM2とを備えたものである。 【効果】 2つのトランジスタと1つのコンデンサにて
シナプス回路を実現できるため、最小寸法にて高集積化
が可能となる。
(57) [Summary] [Structure] By turning on the gate, the voltage of the analog weight representing the synapse weight inputted from the source or drain is accumulated, and the drain or source is connected to the internal connection point NODE A. Transistor M1
, One end of which is connected to the internal connection point NODE A, the pulse stream of the analog voltage having a predetermined amplitude is input from the other end, and the capacitor C1 which loads the analog weight voltage to the amplitude, and the drain and the source are respectively predetermined. And a second transistor M2 that outputs a pulse of an output current when the voltage of the gate connected to the internal connection point NODE A exceeds a predetermined threshold value. [Effect] Since a synapse circuit can be realized with two transistors and one capacitor, high integration can be achieved with a minimum size.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、人工ニューラルネット
ワークシステムに用いるため2トランジスタシナプス回
路の構成方法および装置に関するものであり、特に、シ
ナプスウエイト(重み)のアナログ蓄積、およびニュー
ロン状態を伝達する方法としてパルスのストリーム(パ
ルス密度)を用いるシステムに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for constructing a two-transistor synapse circuit for use in an artificial neural network system, and more particularly to a method for analog storage of synapse weights and transmission of neuron states. As a system using a stream of pulses (pulse density) as.

【0002】[0002]

【従来の技術】パルスストリームニューラルネットワー
クシステム(パルス密度型ニューラルネットワーク)と
して、パルスのストリームをニューラルネットワークに
与える典型的技術が、1990年1月9日発行のTomlin
son.Jr.のUSP.4,893,255に記載されている。
As a pulse stream neural network system (pulse density type neural network), a typical technique for providing a pulse stream to a neural network is Tomlin issued on January 9, 1990.
son. Jr., USP 4,893,255.

【0003】パルスストリームニューラルシステムにお
けるシナプス機能の2つの公知の従来技術が、1992
年5月発行のIEEE Transaction Neural Networks V
ol.3,No.3の論文「Integrated Pulse Stream Nutral Ne
tworks:Results,Issues and Pointers」にA.Hamilton
et al.によって発表されている。第1の従来技術は、
相互コンダンタンス乗算器回路の原理を用いている。図
10は相互コンダクタンス乗算器を用いているパルスス
トリームシナプスの第1の従来技術を示す。このシナプ
スの構成の心臓部はトランジスタM1,M2およびM3
によって形成された乗算器である。トランジスタM1お
よびM2がウエイト電圧Tijに比例する電流を出力し、
この出力電流を入力ニューロン状態Sjによって制御さ
れるスイッチトランジスタM3によってパルス化してい
る。結果として得られる出力電流は、所定の期間にわた
って積分され、TijとSjとの積を表わす。この従来技
術では、トランジスタM2のゲートに蓄積されるアナロ
グウエイトをパスゲートを用いて蓄積しており、このパ
スゲートは各シナプス毎に必要とされる。この乗算器の
演算はMOSFETトランジスタ特性式を参照して説明
することができる。この方程式は1次または3次範囲内
のMOSFETのドレイン−ソース電流IDSを次式で表
わしている。
Two known prior art techniques for synaptic function in pulse stream neural systems are 1992.
IEEE Transaction Neural Networks V issued in May 2016
ol.3, No.3 paper `` Integrated Pulse Stream Nutral Ne
tworks: Results, Issues and Pointers ”by A. Hamilton
Published by et al. The first conventional technology is
It uses the principle of a mutual-conductance multiplier circuit. FIG. 10 illustrates a first prior art technique for pulse stream synapses using transconductance multipliers. The heart of this synaptic structure is the transistors M1, M2 and M3.
Is a multiplier formed by. The transistors M1 and M2 output a current proportional to the weight voltage T ij ,
This output current is pulsed by the switch transistor M3 controlled by the input neuron state S j . The resulting output current is integrated over a period of time and represents the product of T ij and S j . In this conventional technique, the analog weight stored in the gate of the transistor M2 is stored using a pass gate, and this pass gate is required for each synapse. The operation of this multiplier can be explained with reference to the MOSFET transistor characteristic equation. This equation describes the drain-source current I DS of a MOSFET in the first or third order range as:

【0004】[0004]

【数1】 [Equation 1]

【0005】上式において、COXは酸化物容量/面積、
μはキャリヤ可動率、Wはトランジスタゲート幅、Lは
トランジスタゲート長さである。VGS、VTおよびVDS
はトランジスタのゲート−ソース間電圧、限界電圧およ
びドレイン−ソース間電圧である。
In the above equation, C OX is the oxide capacity / area,
μ is the carrier mobility, W is the transistor gate width, and L is the transistor gate length. V GS , V T and V DS
Are the gate-source voltage, the limit voltage and the drain-source voltage of the transistor.

【0006】このIDSを示す式は積の項(μCo×W)
/L×VGS×VDSを含んでいるが、しかし、2つの他の
不必要な項VDS×VTおよびV2 DSをも含んでいる。これ
らの不必要な項をなくすため、第2の同じMOSFET
では図10に示すようにトランジスタM1を用いてい
る。VDS1=VDS2であれば、出力電流は次式で定義され
る。
The expression for this I DS is the product term (μCo × W)
/ L × V GS × V DS , but also two other unwanted terms V DS × V T and V 2 DS . To eliminate these unnecessary terms, a second identical MOSFET
Then, a transistor M1 is used as shown in FIG. If V DS1 = V DS2 , the output current is defined by the following equation.

【0007】[0007]

【数2】 [Equation 2]

【0008】上式において、VGS2はウエイト電圧を示
し、VGS1は零ウエイト電圧を示す。VDS2を一定値に固
定することによって、I3はVGS2に一次的に依存し、こ
れはシナプスウエイトを示す。したがって回路M1/M
2/M3の出力はTijに比例する大きさとSjに比例す
る周波数を有する電流パルスの流れである。
In the above equation, V GS2 indicates a weight voltage and V GS1 indicates a zero weight voltage. By fixing V DS2 at a constant value, I 3 depends primarily on V GS2 , which exhibits synaptic weights. Therefore, the circuit M1 / M
The output of 2 / M3 is a current pulse stream having a magnitude proportional to T ij and a frequency proportional to S j .

【0009】チップを横切る変化を最小にするため、そ
れぞれの一次範囲内で作動する余分のバッファトランジ
スタM4およびM5を加えた。図示のトランジスタの他
に、ウエイト電圧Tijへのアクセスを制御するため余分
のトランジスタをシナプス回路に加えなければならず、
この結果、各シナプス当り合計で6個のトランジスタを
設けることになる。かかるシナプスの構成上の欠点とし
て、最小寸法のトランジスタを用いることができず、こ
の結果、シナスプの寸法が2μm技術で実施する場合に
130μm×165μmとなる。
Extra buffer transistors M4 and M5, which operate within their respective primary ranges, have been added to minimize the variation across the chip. In addition to the transistors shown, extra transistors must be added to the synapse circuit to control access to the weight voltage T ij ,
As a result, a total of 6 transistors are provided for each synapse. The disadvantage of such synapse construction is that it is not possible to use the smallest size transistor, which results in a synapse size of 130 μm × 165 μm when implemented in the 2 μm technology.

【0010】第2の従来技術は、シナプス乗算を達成す
るためにゲートされた電流のソース回路の技術を用いた
ものである(第2の従来技術も、A.Hamilton et al.に
よる1992年5月発行のIEEE Transaction Neura
l Networks Vol.3,No.3の論文「Integrated Pulse Stre
am Nutral Networks:Results,Issues and Pointers」
に記載されている)。この回路は、自己−減損のニュー
ラルシナプス回路であるから、前述したものとは相違し
ている。標準的なニューラルシナプス回路はシナプスウ
エイトおよびプリシナプティックニューロンパルス(前
段のニューロンのパルス)の周波数の関数として純粋に
パルスストリームを出力する。所定のポストシナプティ
ックニューロン(後段のニューロン)への全ての出力パ
ルスが合計されて特定のポストシナプティックニューロ
ンに対する活性値を形成する。したがって、この活性の
関数である周波数を有するパルスストリームをポストシ
ナプティックニューロンが出力する。自己−減損のニュ
ーラルシナプス回路においては、活性が各パルス後に生
物学的模範と同様の方法で減損される。この自己−減損
のニューラルシナプス回路を図11に示す。各シナプス
において電圧として動的に蓄積されるシナプスウエイト
ijは電圧−制御した電流源(VCCS)を制御する。
電流源はその一次領域にトランジスタを備え、このトラ
ンジスタはTijによってセットされたドレイン−ソース
電流を有し、この電流はVCCSの出力に後に反照され
る。ポストシナプティックニューロンSiがパルスを出
力していないと仮定すれば、トランジスタM4は「O
N」し、トランジスタM3は「OFF」の状態にある。
これは、電流を内部コンデンサCINTにトランジスタM
1を経て加えることができ、あるいは、トランジスタM
2を経て内部コンデンサCINTから引き出すことができ
ることを意味している。シナプス入力に到来するパルス
jはVCCSからの電流をトランジスタM1を経て活
性コンデンサ上にゲートし、他方、これと同時に、固定
した電荷をトランジスタM2を経て平衡電流Ibalによ
って除去する。この作動の結果として、活性コンデンサ
の内部電荷が増加し(興奮を表わす)、あるいは、減少
する(抑制を表わす)。シナプスに到来するパルスSi
は電位低下電流源Ipdからの電流を内部コンデンサにゲ
ートし、他方、これと同時に、VCCSまたはIbal
流源からの電流を停止する。この結果、ニューロンの活
性の低下または減損を表わすCINT、したがって自己−
減損のシナプスから電流が除去される。
The second prior art uses the technique of a gated current source circuit to achieve synaptic multiplication (the second prior art is also by A. Hamilton et al. 5 1992). Monthly issued IEEE Transaction Neura
l Networks Vol.3, No.3 paper `` Integrated Pulse Stre
am Nutral Networks: Results, Issues and Pointers ”
It is described in). Since this circuit is a self-depleting neural synapse circuit, it differs from the one described above. Standard neural synapse circuits output a pure pulse stream as a function of the frequency of synaptic weights and pre-synaptic neuron pulses (pulses of the preceding neuron). All output pulses to a given post-synaptic neuron (posterior neuron) are summed to form an activity value for a particular post-synaptic neuron. Therefore, the post-synaptic neuron outputs a pulse stream with a frequency that is a function of this activity. In a self-depleting neural synapse circuit, activity is impaired after each pulse in a manner similar to the biological paradigm. This self-depleting neural synapse circuit is shown in FIG. The synapse weight T ij, which is dynamically stored as a voltage at each synapse, controls a voltage-controlled current source (VCCS).
The current source comprises a transistor in its primary region, which has a drain-source current set by T ij , which current is subsequently reflected at the output of VCCS. Assuming that the post-synaptic neuron S i is not outputting a pulse, the transistor M4 is "O".
N ”, and the transistor M3 is in the“ OFF ”state.
This allows current to flow to the internal capacitor C INT , transistor M
1 or via the transistor M
It means that it can be drawn from the internal capacitor C INT via 2. The pulse S j arriving at the synaptic input gates the current from VCCS via transistor M1 onto the active capacitor, while at the same time removing the fixed charge via transistor M2 by the balancing current I bal . As a result of this actuation, the internal charge of the active capacitor either increases (indicating excitement) or decreases (indicating inhibition). Pulse Si arriving at the synapse
Gates the current from the brownout current source I pd to an internal capacitor, while at the same time shuts off the current from the VCCS or I bal current source. This results in C INT , and thus self-representation, that represents a decrease or impairment of neuronal activity.
Current is removed from the impaired synapse.

【0011】このシナプス回路による問題もまた実施の
ために必要とされるトランジスタの数であり、これはシ
ナプスに要する面積が2μmプロセスを用いる場合に1
30μm×140μmであることを図示している。
The problem with this synapse circuit is also the number of transistors required for implementation, which is 1 if the area required for the synapse is 2 μm.
It is shown that it is 30 μm × 140 μm.

【0012】アナログシナプス素子をパルスストリーム
システム内に設ける別の従来技術が、1992年5月発
行のIEEE Transactions on Neural Networks Vol.
3,No.3に発表された論文「VLSI Implementation of Syn
aptic Weighting and Summingin Pulse Coded Neural-T
ype Cells」にMoon et al.によって提案されている。
この従来技術は、パルスデュティサイクルでウエイティ
ングを行なうよう電圧制御した抵抗の概念を用いてい
る。この回路は少なくとも11個のトランジスタを設け
ることを必要とする点で問題がある。
Another conventional technique for providing an analog synapse element in a pulse stream system is IEEE Transactions on Neural Networks Vol.
Paper published in No.3, No.3 "VLSI Implementation of Syn
aptic Weighting and Summingin Pulse Coded Neural-T
ype Cells ”by Moon et al. Have been proposed by.
This conventional technique uses the concept of a resistor whose voltage is controlled so as to perform weighting in a pulse duty cycle. This circuit is problematic in that it requires the provision of at least 11 transistors.

【0013】アナログシナプスの他の可能な第3の従来
技術が、1989年6月発行のProc.Int.Conf.Nural Ne
tworks-IJCNN89,pp191〜196の論文「An Electrically
Trainable Artificial Neural Network(ETANN) with 1
0240“Floting Gate”Synapses」にHoller et al.によ
って提案されている。図12に示したシナプスセル回路
はGilbert-MuiltiplierのNMOS変形である。一対の
EEPROMセルが設けられており、これにウエイトを
表わす差電圧を蓄積または調整することができるフロー
ティングゲート間の電子のFowler-Noraheimトンネル現
象および拡散によってEEPROMセルにおけるフロー
ティングゲートに電子が加えられ、あるいはこのフロー
ティングゲートから電子が除去される。所要のフローテ
ィングゲート差電圧はEEPROM MOSFETのそ
れぞれのコンダクタンスをモニタすることによって達成
することができる。特に、それぞれのフローティングゲ
ート電圧を次式で表わすことができる。
Another possible third prior art technique for analog synapses is Proc. Int. Conf. Nural Ne, published June 1989.
tworks-IJCNN89, pp 191-196 "An Electrically
Trainable Artificial Neural Network (ETANN) with 1
0240 “Floting Gate” Synapses, ”Holler et al. Have been proposed by. The synapse cell circuit shown in FIG. 12 is a Gilbert-Muiltiplier NMOS variant. A pair of EEPROM cells are provided, in which electrons are added to the floating gates in the EEPROM cells by the Fowler-Noraheim tunneling phenomenon and diffusion of electrons between the floating gates, which can store or adjust the differential voltage representing the weight. Alternatively, the electrons are removed from this floating gate. The required floating gate differential voltage can be achieved by monitoring the conductance of each of the EEPROM MOSFETs. In particular, each floating gate voltage can be expressed by the following equation.

【0014】[0014]

【数3】 [Equation 3]

【0015】上式において、Cppはフローティングゲー
トとトップゲート(制御ゲート)間の容量であり、C
totは合計フローティングケード容量である。Vcgはバ
イアス用の静制御ゲート電圧であり、Qfgはフローティ
ングゲートに蓄積される電荷である。MOS乗算器にお
ける全てのトランジスタが飽和状態にあるとすれば、出
力電流差は次式で表わされる。
In the above equation, C pp is the capacitance between the floating gate and the top gate (control gate), and C pp
tot is the total floating cage capacity. V cg is the static control gate voltage for bias and Q fg is the charge stored in the floating gate. Assuming that all the transistors in the MOS multiplier are in the saturated state, the output current difference is expressed by the following equation.

【0016】[0016]

【数4】 [Equation 4]

【0017】上式において、ΔVinは入力電圧差であ
り、ΔQfgは2個のEEPROMのフローティングゲー
ト間に蓄積される差電荷である。このシナプスセルの主
な欠点は、多数のトランジスタが必要とされる問題では
なく、シナプスウエイト値の更新に要する時間である。
この従来技術では、20μsパルスのストリームを用い
てウエイトが更新される。4Vで限界を変えるためには
180パルスをかける必要があり、したがってこの特定
の場合にウエイトを更新するための時間は3.6msに
なると考えられる。この書込時間は毎秒数百万のシナプ
スを更新する必要のある大型のニューラルシステムでは
実用的でない。
In the above equation, ΔV in is the input voltage difference and ΔQ fg is the difference charge stored between the floating gates of the two EEPROMs. The main drawback of this synapse cell is not the problem of requiring a large number of transistors, but the time required to update the synapse weight value.
In this prior art, the weight is updated using a stream of 20 μs pulses. It would take 180 pulses to change the limit at 4V, so the time to update the weight in this particular case would be 3.6ms. This write time is not practical for large neural systems that need to update millions of synapses per second.

【0018】上述した従来技術における主な問題は、こ
れらが動的アナログ回路であるので、使用していない時
でも電力を消費することである。これは、電力消費の理
由から、例えば1×1012より多くのシナプスを有する
ネットワークのような大規模のニューラルネットワーク
に用いるのに実用的でないことを意味している。
The main problem with the prior art described above is that they are dynamic analog circuits and therefore consume power even when not in use. This means that for reasons of power consumption it is not practical to use in large scale neural networks, eg networks with more than 1 × 10 12 synapses.

【0019】アナログシナプスの第4の従来技術が、1
991年12月に発行されたIEDM Technical Diges
t,P.919における「An intelligent MOS Transistor Fe
aturing Gate-Level Weighted Sum and Threshold Oper
ations」にT.ShibataおよびT.Ohmiによって提案された
ものである。このシナプスは前述した形式のものとは相
違し、第1に、単一MOSトランジスタ内にシナプス構
造を設けており、第2に、シナプスウエイトがアナログ
電圧ではなく、固定のコンデンサである。しかし、これ
は、このシナプスがプログラム可能でないことを意味し
ている。機能的MOSトランジスタの基本構造を図13
に概略図で示している。フローティングゲートの電位は
次式で求められる。
The fourth prior art of analog synapse is 1
IEDM Technical Diges issued in December 991
“An intelligent MOS Transistor Fe”
aturing Gate-Level Weighted Sum and Threshold Oper
ations ”proposed by T. Shibata and T. Ohmi. This synapse is different from the one described above, firstly, a synapse structure is provided in a single MOS transistor, and secondly, the synapse weight is not an analog voltage but a fixed capacitor. However, this means that this synapse is not programmable. The basic structure of a functional MOS transistor is shown in FIG.
Is shown in the schematic diagram. The potential of the floating gate is calculated by the following equation.

【0020】[0020]

【数5】 [Equation 5]

【0021】上式において、基板電位およびフローティ
ングゲート電荷は0であると簡単のため仮定される。p
FがVTHを超える場合、限界電圧はフローティングゲ
ートから見られるように、トランジスタをターンオンす
る。かように、トランジスタの「オン」および「オフ」
は入力信号のウエイティングした合計がVTHより大き
いか、そうでないかによって決定される。ウエイティン
グした合計の計算は、容量結合効果を利用して、電圧モ
ードで行なわれるから、計算に電力は本質的に消費しな
い。これは電流−モードの加算に比較して、この装置の
最も顕著な特徴の一つである。
In the above equation, it is assumed for simplicity that the substrate potential and floating gate charge are zero. p
If F exceeds VTH, the threshold voltage turns on the transistor as seen from the floating gate. Thus, the transistor "on" and "off"
Is determined by whether the weighted sum of the input signals is greater than VTH or not. Since the weighted sum calculation is performed in voltage mode using the capacitive coupling effect, essentially no power is consumed in the calculation. This is one of the most salient features of this device compared to current-mode addition.

【0022】アナログシナプスを同様に提案している従
来の技術の一つとして、第5の従来技術は、Metal Nitr
ide Oxide Silicon(MNOS) Networksの使用であ
る。この技術はFET(Field Effect Transistor)の
ゲートとチャネルとの間のNitride層にアナログウエイ
トを電荷として蓄積してゲート電圧を明らかに変調させ
る点でEEPROMの技術を本質的に用いている。この
従来技術はSnowbirdでのProceeding AIP Conference on
Neural Networkes for ComputingにおいてJ.P.Sage et
al.によって発表された論文「An Artificial Neural N
etwork IntegratedCircuit Based on MNOS/CCD
Principles」においてJ.P.Sage et al.によって提案さ
れた。この装置の構造を図14に示す。約35V(通常
のCMOS動作電圧より高い)ゲート電圧において、量
子の機械的トンネル作用が生じ、電子およびホールが下
層のシリコンと窒化物における長寿命のトラップ区域と
の間に移動する。このMNOS装置のゲートの電位溜め
を調整可能の深さを有するリザーバとして用い、これを
j=1の時にシナプス素子を充填する。したがって、
このリザーバーはシナプス後加算のための順CCD状構
造体を経て通過されるΣTijjを表わす電荷の計量し
たパケットを設ける。窒化物電荷層はリザーバーの深さ
を変え、これがため、乗算器Tijを変える。このネット
ワークはCCDクロック速度(10MHz以上)で動的
に進み、パケットがシナプスを経て通過される速度を制
御する。このMNOS技術は非標準プロセスに要する費
用で電子的にプログラムすることができる。
As one of the prior arts that have also proposed analog synapses, the fifth prior art is Metal Nitr.
ide Oxide Silicon (MNOS) Networks. This technique essentially uses the technique of the EEPROM in that analog weights are accumulated as charges in the Nitride layer between the gate and channel of an FET (Field Effect Transistor) to obviously modulate the gate voltage. This prior art is the Proceeding AIP Conference on Snowbird
JSage et at Neural Networks for Computing
The paper “An Artificial Neural N” published by al.
etwork Integrated Circuit Based on MNOS / CCD
Principles ”by JPSage et al. The structure of this device is shown in FIG. At gate voltages of about 35 V (higher than normal CMOS operating voltage), quantum mechanical tunneling occurs, causing electrons and holes to move between the underlying silicon and the long-lived trap area in the nitride. The potential reservoir of the gate of this MNOS device is used as a reservoir with adjustable depth, which is filled with synaptic elements when V j = 1. Therefore,
This reservoir provides a metered packet of charge representing ΣT ij V j that is passed through the forward CCD-like structure for post-synaptic addition. The nitride charge layer changes the depth of the reservoir, which in turn changes the multiplier T ij . This network runs dynamically at the CCD clock rate (10 MHz and above), controlling the rate at which packets are passed through synapses. This MNOS technology can be electronically programmed at the expense of non-standard processes.

【0023】また、第6の従来技術として、トランジス
タアナログシナプス回路が、1990年5月発行のIEIC
E Technical Report、ICD 90〜37、P39に発表された論
文「Analog Memory Devices for Neural Network Lsl
s」において日本におけるNTTLSI研究所のO.Fujit
a et al.によって提案された。図15はこのシナプスの
構造を示す。この回路の基本はフローティングゲートト
ランジスタであり、通常のフラッシュセルとは異なり、
トランジスタのフローティングゲートとソースとの間に
高オーミック抵抗を有す。このオーミック抵抗は極めて
大きく、2酸化シリコン(SiO2)絶縁体抵抗よりも
高い。セルは2モードPROGAMを有し、フローティ
ングセルは消去、または書込み、あるいは読み取りをも
行なう。セルは複雑なプログラム用機構を有し、この機
構は優れたプログラムを行なうためにフィードバック機
構を用いている。回路の基本的動作はFowles-Nordheim
トンネル作用を用いてフローティングポイントセルにア
ナログ電圧を蓄積してフローティングゲートに電荷パケ
ットを蓄積する。フローティングゲートの電位はパルス
技術を用いて小量の電荷パケットを蓄積したりまたは除
去することによって制御される。所要の電圧に達する
と、トランジスタの主ゲートを高くすることによってセ
ルをアクセスすることができる。フローティングゲート
は主セルから電気的に絶縁されているから、主ゲートに
おける電位の上昇はフローティングゲートに反映され、
このフローティングゲートは主ゲートと同様に少量の電
位によって変化される。最初、フローティングゲートを
トランジスタの限界より低くセットすることによって、
主ゲートの電位を増加させることによってフローティン
グゲートを限界電圧より高くすることができる。フロー
ティングゲートが限界電圧より上に上昇するにしたがっ
て、ゲート−ソース電位Vgsとソース−ドレイン電位V
dsの関数であるドレイン−ソース電流Idsをトランジス
タが導通し始める。この論文には、この回路を用いてシ
ナプス機能を生ぜしめる方法を示していない。この方法
は2つの主な欠点を有す。第1の欠点はREADおよび
PROGRAMモード間を選択するため各スナプス毎に
スイッチングトランジスタを要することである。これは
少なくとも2個の余分のトランジスタを必要とすると考
えられる。第2の欠点はフローティングゲートをプログ
ラムするに要する時間である。消去および書込みパルス
はμsのオーダーであり、ウエイト値に大きな変化が必
要とされる場合には1個以上のパルスが要求される。し
たがって、この方法は、更新機構を必要としないけれど
も、リアルタイムの聞き取りが、特に、多数のシナプス
によって要求される場合に問題が生じると考えられる。
この回路によるシナプスの例が日経マイクロデバイス、
(1990年)12月号P46に記載されており、これ
にはパルスストリームを生ぜしめるためには適当でない
抵抗素子として示されている。
As a sixth conventional technique, a transistor analog synapse circuit is an IEIC issued in May 1990.
Paper `` Analog Memory Devices for Neural Network Lsl '' published in E Technical Report, ICD 90-37, P39
"Fujit" of NTT LSI Research Laboratories in Japan
proposed by a et al. FIG. 15 shows the structure of this synapse. The basis of this circuit is a floating gate transistor, unlike a normal flash cell,
It has a high ohmic resistance between the floating gate and the source of the transistor. This ohmic resistance is extremely large and is higher than the silicon dioxide (SiO 2 ) insulator resistance. The cell has a two-mode PROGAM, and the floating cell also erases, writes, or reads. The cell has a complex programming mechanism, which uses a feedback mechanism to perform good programming. The basic operation of the circuit is Fowles-Nordheim
The tunnel effect is used to store an analog voltage in the floating point cell and a charge packet in the floating gate. The floating gate potential is controlled by accumulating or removing small charge packets using pulse technology. When the required voltage is reached, the cell can be accessed by raising the main gate of the transistor. Since the floating gate is electrically isolated from the main cell, the rise in potential at the main gate is reflected in the floating gate,
This floating gate, like the main gate, is changed by a small amount of potential. First, by setting the floating gate below the limit of the transistor,
The floating gate can be raised above the limit voltage by increasing the potential of the main gate. As the floating gate rises above the threshold voltage, the gate-source potential V gs and the source-drain potential V
The transistor begins to conduct a drain-source current I ds which is a function of ds . This paper does not show how to use this circuit to produce synaptic function. This method has two main drawbacks. The first drawback is the need for a switching transistor for each snap to select between READ and PROGRAM modes. This would require at least two extra transistors. The second drawback is the time required to program the floating gate. Erase and write pulses are on the order of μs, and one or more pulses are required if a large change in weight value is required. Thus, although this method does not require an update mechanism, it is believed that problems will arise if real-time listening is required, especially if multiple synapses are required.
An example of synapse by this circuit is Nikkei Microdevice,
(1990) December issue P46, which shows a resistive element that is not suitable for producing a pulse stream.

【0024】[0024]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、アナログシ
ナプスウエイティング機能をパルスストリームに実行す
るための、特に、パルスストリームニューラルシステム
内に用いるための、上述した従来技術の利点を組合せ、
しかも、従来技術の欠点のいくつかをなくした新規な方
法および装置を提供する。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention combines the advantages of the prior art described above for performing analog synapse weighting functions on a pulse stream, particularly for use within a pulse stream neural system,
Moreover, it provides a new method and apparatus that eliminates some of the disadvantages of the prior art.

【0025】[0025]

【課題を解決するための手段】本発明の代表的な特徴
は、図7に示したように、ゲートをオンすることによ
り、ソースまたはドレインから入力されたシナプスウエ
イトを表わすアナログウエイトの電圧を蓄積し、ドレイ
ンまたはソースが内部接続点NODE Aに接続される第1の
トランジスタM1と、一端が上記内部接続点NODE Aに接
続され、他端から所定の振幅のアナログ電圧のパルスス
トリームを入力し、その振幅に上記アナログウエイトの
電圧を負荷するコンデンサC1と、ドレインおよびソー
スが夫々所定の電圧にて固定され、上記内部接続点NODE
Aに接続されたゲートの電圧が所定の閾値を越えた場合
に、出力電流のパルスを出力する第2のトランジスタM
2とを備えたシナプス回路にある。
As shown in FIG. 7, a typical feature of the present invention is to turn on a gate to store a voltage of an analog weight representing a synapse weight inputted from a source or a drain. A first transistor M1 whose drain or source is connected to the internal connection point NODE A, and one end of which is connected to the internal connection point NODE A, and the pulse stream of the analog voltage having a predetermined amplitude is input from the other end, The capacitor C1 that loads the voltage of the analog weight to its amplitude, and the drain and the source are fixed at predetermined voltages, and the internal connection point NODE
A second transistor M that outputs a pulse of output current when the voltage of the gate connected to A exceeds a predetermined threshold value.
2 and a synapse circuit with.

【0026】[0026]

【作用】アナログウエイトは、トランジスタM1のゲー
トをオンすることにより、内部接続点NODE Aに蓄積する
ことができる。この状態でパルスストリームの電圧が印
加されると、コンデンサC1は電気的に絶縁されている
ので、内部接続点NODE Aにはパルスストリームの振幅に
よりアナログ電圧が負荷された値が現われる。トランジ
スタM2のソース電圧、ドレイン電圧を固定してバイア
スをかけることにより、ゲート電圧が所定の閾値を越え
たとき、出力電流のパルスが流れる。すなわち、アナロ
グウエイトによりパルスストリームの振幅を変調するこ
とが可能となる。また、図4に示したように、トランジ
スタM3を付加することにより、興奮型、抑制型のニュ
ーロンを構成することも可能となる。
The analog weight can be accumulated at the internal connection point NODE A by turning on the gate of the transistor M1. When the voltage of the pulse stream is applied in this state, since the capacitor C1 is electrically insulated, a value loaded with an analog voltage appears at the internal connection point NODE A due to the amplitude of the pulse stream. By fixing the source voltage and the drain voltage of the transistor M2 and applying the bias, a pulse of the output current flows when the gate voltage exceeds a predetermined threshold value. That is, the amplitude of the pulse stream can be modulated by the analog weight. Further, as shown in FIG. 4, by adding the transistor M3, it becomes possible to construct an excitatory type and a suppressive type neuron.

【0027】本発明によれば、基本的に2つのトランジ
スタと1つのコンデンサにてシナプス回路を実現できる
ため、最小寸法にて高集積化が可能となる。
According to the present invention, a synapse circuit can be basically realized with two transistors and one capacitor, so that high integration can be achieved with a minimum size.

【0028】[0028]

【実施例】本発明の構成、目的および利点は添附図面に
ついての以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
なお、添付図面を通じて同様の部分を同じ参照番号で示
す。
The features, objects and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of the accompanying drawings.
It should be noted that similar parts are denoted by the same reference numerals throughout the accompanying drawings.

【0029】図1はウエイティング機能をパルスのスト
リームで具現するための装置を示す。この装置を用いて
興奮または抑制シナプスを表わすことができるが、しか
し、興奮および抑制シナプスの両方を同時に表わすため
に用いることはできない。この装置は2個のトランジス
タM1およびM2とコンデンサC1とよりなる。図2は
補正動作のために回路に附加すべき波形の一例を示す。
FIG. 1 shows an apparatus for implementing the weighting function in a stream of pulses. This device can be used to represent excitatory or inhibitory synapses, but cannot be used to simultaneously represent both excitatory and inhibitory synapses. This device consists of two transistors M1 and M2 and a capacitor C1. FIG. 2 shows an example of waveforms to be added to the circuit for the correction operation.

【0030】回路を2つの機能を有するコンデンサC1
によって2個の部分に分割することができる。アンログ
ウエイトに電圧を蓄えるためにトランジスタM1および
コンデンサC1が用いられている。以下の説明におい
て、全てのNMOSトランジスタの内部電圧はGND電
位に固定されると仮定する。GNDの最小値およびV
MAXWGHTの最大値をとり得るアナログウエイトがANALOGU
E WEIGHT VOLTAGE入力を経て回路に入力される。ウエイ
トが正しく負荷されるようにするため、PULSE STREM入
力が負荷プロセス中GNDにセットされる。アナログウ
エイトをNODE Aに正しく負荷するため、LOAD WEIGTを少
なくともVMAXWGHT+VTの電位とし、VTはNMOSト
ランジスタの限界とする。トランジスタM1の抵抗およ
びコンデンサC1の容量値によって決定される所定時間
の経過後、コンデンサC1はアナログウエイト電圧に充
電または放電する。図2に示すように、最初、コンデン
サC1は電圧V2にセットされる。コンデンサが正しい
電位に充電された後、LOAD WEIGHT入力がGND電位に
再びセットされ、アナログシスプスウエイトをシナプス
に負荷するプロセスが完了される。
The circuit has a capacitor C1 having two functions.
Can be divided into two parts. A transistor M1 and a capacitor C1 are used to store a voltage in the analog weight. In the following description, it is assumed that the internal voltage of all NMOS transistors is fixed to the GND potential. Minimum value of GND and V
ANALOGU is the analog weight that can take the maximum value of MAXWGHT
Input to the circuit via the E WEIGHT VOLTAGE input. The PULSE STREM input is set to GND during the loading process to ensure that the weights are loaded correctly. To properly load the analog weights on NODE A, LOAD WEIGT should be at least V MAXWGHT + V T , where V T is the limit of the NMOS transistor. After a lapse of a predetermined time determined by the resistance of the transistor M1 and the capacitance value of the capacitor C1, the capacitor C1 is charged or discharged to the analog weight voltage. Initially, as shown in FIG. 2, the capacitor C1 is set to the voltage V 2 . After the capacitors have been charged to the correct potential, the LOAD WEIGHT input is reset to GND potential, completing the process of loading analog syspth weights into synapses.

【0031】回路の第2部分は、充電したコンデンサC
1とトランジスタM2とを具え、シナプスの乗算部分を
形成している。一定の電位がトランジスタM2を横切っ
て常にかけられている。図1に示すように、トランジス
タのソース側の電位はVBIASであり、ドレイン側の電位
はVDDで、VDD>VBIASのような関係があり、した
がって、トランジスタを横切る電位は、VDD−VBIAS
である。ゲートとソース側との間の電圧VGSがトランジ
スタの限界値VTより大である場合にトランジスタに電
流が流れる。したがって、ゲート側の電位がVBIAS+V
Tより高くなる場合にだけ電流が流れる。2進信号のパ
ルスストリーム信号がVBIAS+VTの高電位とGNDの
低電位との間に振動するようセットされる。LOAD WEIGT
入力がGND電位にある場合、図1にNODE Aとして示す
トランジスタM2へのゲートは電気的に絶縁される。NO
DE AはコンデンサC1によって入力されるパルスストリ
ームに結合されるから、PULSE STREAM入力における電位
が上昇することによってもNODE Aの電位が同じ量だけ変
化する。最初、PULSE STREAM入力電位はGNDである。
したがって、NODE Aの電位は蓄積したアナログウエイト
である。図2に示すように、最初、PULSE STREAM入力へ
の入力がGNDである場合、NODE Aにおける電位はV2
であり、したがってトランジスタM2のゲート側の電位
もV2である。既に示したように、ゲート側電位VGがV
BIAS+VTより高くなる場合にだけトランジスタM2に
電流が流れることができる。しかし、確実に、最大ウエ
イト電圧VMAXWGTがVBIAS+VTよりも低くなることに
よって、トランジスタM2に電流が流れなくなる。パル
ス発生時に、PULS STREM入力における電位はVBIAS+V
Tに上昇し、したがって、NODE Aの電位はVBIAS+VT
2に上昇する。この時点において、トランジスタM2
のゲート電圧VGはVBIAS+VT+V2であり、ソース電
圧VSはVBIAS+VTである。したがって、VGS電圧はV
BIAS+VT+V2−(VBIAS+VT)=V2である。したが
って、トランジスタM2に流れ得る電流を次式で表わす
ことができる。
The second part of the circuit is the charged capacitor C
1 and a transistor M2 to form a multiplication part of the synapse. A constant potential is always applied across transistor M2. As shown in FIG. 1, the potential on the source side of the transistor is V BIAS , the potential on the drain side is VDD, and there is a relationship such that VDD> V BIAS . Therefore, the potential across the transistor is VDD−V BIAS.
Is. Current flows in the transistor when the voltage V GS between the gate and the source side is greater than the threshold value V T of the transistor. Therefore, the potential on the gate side is V BIAS + V
The current flows only when it becomes higher than T. The binary pulse stream signal is set to oscillate between a high potential of V BIAS + V T and a low potential of GND. LOAD WEIGT
When the input is at GND potential, the gate to transistor M2, shown as NODE A in FIG. 1, is electrically isolated. NO
Since DE A is coupled to the pulse stream input by capacitor C1, increasing the potential at the PULSE STREAM input also changes the potential of NODE A by the same amount. Initially, the PULSE STREAM input potential is GND.
Therefore, the potential of NODE A is the accumulated analog weight. As shown in FIG. 2, initially, when the input to the PULSE STREAM input is GND, the potential at NODE A is V 2
Therefore, the potential on the gate side of the transistor M2 is also V 2 . As already shown, the gate-side potential V G is V
Current can only flow in transistor M2 if it is higher than BIAS + V T. However, it is ensured that the maximum weight voltage V MAXWGT becomes lower than V BIAS + V T , so that no current flows in the transistor M2. When a pulse is generated, the potential at the PULS STREM input is V BIAS + V
Rose to T, therefore, the potential of NODE A is V BIAS + V T +
Rise to V 2 . At this point, the transistor M2
Has a gate voltage V G of V BIAS + V T + V 2 and a source voltage V S of V BIAS + V T. Therefore, V GS voltage is V
BIAS + V T + V 2 − (V BIAS + V T ) = V 2 . Therefore, the current that can flow in the transistor M2 can be expressed by the following equation.

【0032】[0032]

【数6】 [Equation 6]

【0033】ただし、0<(VGS−VT)≦VDSと仮定
する。電圧を正しく選択することによって、トランジス
タM2を飽和状態におくことができる。この場合、電流
DはVDSに無関係であり、IDはVGSの関数となる。図
2の波形は、シュミレーション後、電位V1のアナログ
ウエイトがシナプス内に蓄えられることを示している。
図2の波形はNODE Aにおける電位が低下し、電圧が電位
BIAS+VT+V1と電位V1との間で変化していること
を示している。
[0033] However, it is assumed that 0 <(V GS -V T) ≦ V DS. By choosing the voltage correctly, the transistor M2 can be put into saturation. In this case, the current I D is independent of V DS and I D is a function of V GS . The waveform of FIG. 2 shows that after simulation, the analog weight of potential V 1 is stored in the synapse.
The waveform in FIG. 2 shows that the potential at NODE A has dropped and the voltage has changed between the potential V BIAS + V T + V 1 and the potential V 1 .

【0034】トランジスタM2を横切る電位を一定に保
持するとともにトランジスタM2が飽和状態にあるよう
にすることによって、トランジスタM2に電流パルスI
PSが流れることを観察することができる。これらのパル
スの大きさは、シナプスに蓄積されるアナログウエイト
に正比例する。
By holding the potential across transistor M2 constant and allowing transistor M2 to be in saturation, a current pulse I is applied to transistor M2.
You can observe that PS flows. The magnitude of these pulses is directly proportional to the analog weight stored at the synapse.

【0035】この回路から蓄えたアナログウエイトに対
して出力電流の大きさiDが正比例する例を示すため、
好適な一実施例を次に示す。しかし、この実施例は多く
の組合せの一例を示すにすぎない。この実施例において
は、トランジスタM1の幅が2μmで、長さが0.7μ
mであると仮定され、また、トランジスタM2の幅が
0.7μmで、幅が0.7μmであると仮定する。電圧
はVDD=10V、VBIAS=5Vとし、パルスストリー
ム電圧は0Vと5Vとの間に振幅するようセットされ、
ロードウエイト電圧は高7Vで低0Vとし、アナログウ
エイト電圧は0V〜5Vにシミュレートされた。この実
施例の結果として蓄積されたアナログ電圧に対する電流
パルスの大きさを図3に示す。
To show an example in which the magnitude i D of the output current is directly proportional to the analog weight accumulated from this circuit,
A preferred embodiment is shown below. However, this embodiment is only one example of many combinations. In this embodiment, the transistor M1 has a width of 2 μm and a length of 0.7 μm.
m and the width of the transistor M2 is 0.7 μm and the width is 0.7 μm. The voltage is VDD = 10V, V BIAS = 5V, the pulse stream voltage is set to swing between 0V and 5V,
The load weight voltage was high 7V and low 0V, and the analog weight voltage was simulated to be 0V to 5V. The magnitude of the current pulse for the accumulated analog voltage as a result of this embodiment is shown in FIG.

【0036】パルスストリームシステムにおいては、パ
ルスストリームの周波数がニューロンの状態を示してい
る。ニューロン状態が「オフ」の状態を示す0である場
合には、これをニューロン回路によって生じるパルスを
0とすることによって表わすことができる。ニューロン
状態が完全に「オン」の状態を示す1である場合には、
これを最大可能周波数fmaxでパルスを生じるニューロ
ン回路によって表わすことができる。完全に「オン」の
状態と「オフ」の状態との間の状態を示すため、中間の
パルス周波数を用いることができる。例えば、ニューロ
ン状態0が周波数0のパルスストリームによって表わさ
れ、ニューロン状態1が周波数fmaxのパルスストリー
ムによって表わされるものと仮定しよう。したがって、
max/2によって0.5のニューロン状態を、あるい
は、周波数3*fmax/4によって0.75のニューロ
ン状態を表わすことができる。シナプスの機能はニュー
ロン状態をウエイティング機能によって倍増する。この
場合、電流パルスの大きさは蓄積したアナログウエイト
電圧の関数である。予定時間内における電流パルスの数
はパルスストリーム入力の周波数の関数である。したが
って、任意の与えられた時間内に回路から出力される電
流量はパルスストリームの周波数および蓄積したアナロ
グ電圧の両方の関数である。パルスストリームを一定に
保持して、蓄えられるアナログ電圧を増加させることに
よって与えられた時間内にさらに多くの電流を回路から
出力することができる。蓄積されるアナログ電圧を一定
にして、パルスストリーム信号の周波数を増加させるこ
とによって、さらに多くの電流をシナプス回路から出力
させることができる。したがって、回路はシナプス乗算
ユニットとして機能する。
In the pulse stream system, the frequency of the pulse stream indicates the state of the neuron. If the neuron state is 0, indicating an "off" state, this can be represented by zeroing out the pulses produced by the neuron circuit. If the neuron state is 1, indicating a completely "on" state, then
This can be represented by a neuron circuit which produces a pulse at the maximum possible frequency f max . Intermediate pulse frequencies can be used to indicate a state between the fully "on" and "off" states. For example, suppose neuron state 0 is represented by a pulse stream of frequency 0 and neuron state 1 is represented by a pulse stream of frequency f max . Therefore,
f max / 2 can represent a neuron state of 0.5, or a frequency of 3 * f max / 4 can represent a neuron state of 0.75. Synaptic function doubles the neuronal state by the weighting function. In this case, the magnitude of the current pulse is a function of the accumulated analog weight voltage. The number of current pulses in the scheduled time is a function of the frequency of the pulse stream input. Therefore, the amount of current output from the circuit in any given time is a function of both the frequency of the pulse stream and the stored analog voltage. More current can be output from the circuit in a given time by holding the pulse stream constant and increasing the stored analog voltage. By keeping the accumulated analog voltage constant and increasing the frequency of the pulse stream signal, more current can be output from the synapse circuit. Therefore, the circuit functions as a synapse multiplication unit.

【0037】図1に示す回路は抑制または興奮機能を行
なうためにのみ用いることができ、両機能を同時に行な
うために用いることはできない。図4は抑制および興奮
機能を同時に行ない得るよう改良した回路を示す。前述
の回路を用いて抑制および興奮ウエイトの両者を表わす
ためには、シナプスから零ウエイト基準電流IZEROをも
出力させなければならない。電流パルスIPSがIZERO
り小さい場合には、抑制電流であると言うことができ、
ZEROより大きければ、興奮電流であると言うことがで
きる。シナスプ毎にIPSからIZEROを差引くことによっ
て、興奮の場合に全ての電流の合計から差引くINET
発生される。零基準電流を発生させるため、第3のトラ
ンジスタM3が回路に加えられている。零基準は一定の
アナログウエイト電圧のためのものであるから、零基準
電流はパルスストリームの周波数だけに依存する。これ
を達成するため、トランジスタM3のゲートをPULSE ST
REM入力における未変調パルスストリーム信号に接続す
る。VDDZおよびVZEROに対して適当な値を選択する
ことによって、トランジスタM3をバイアスして零基準
電流を発生させることができ、この零基準電流は零ウエ
イト値を表わすよう選択される任意のアナログウエイト
電圧に等しい。トランジスタM2を横切る電圧によっ
て、VDDZおよびVZEROを一定に保持してトランジス
タM3からの出力もまた一連の電流パルスであるように
する。パルスストリーム周波数が変わる際、トランジス
タM3から出力される電流の量もまた変化する。トラン
ジスタM3の内部電圧もまたGND電位に固定される。
The circuit shown in FIG. 1 can only be used to perform a suppressive or excitatory function, not both functions at the same time. FIG. 4 shows a circuit modified to allow simultaneous suppression and excitatory functions. In order to represent both suppression and excitement weights using the circuit described above, the zero weight reference current I ZERO must also be output from the synapse. If the current pulse I PS is smaller than I ZERO, then it can be said that it is a suppression current,
If it is larger than I ZERO, it can be said to be an exciting current. Subtracting I ZERO from I PS for each synapse produces I NET, which is the sum of all currents in the case of excitement. A third transistor M3 is added to the circuit to generate a zero reference current. Since the zero reference is for a constant analog weight voltage, the zero reference current depends only on the frequency of the pulse stream. To achieve this, PULSE ST
Connect to the unmodulated pulse stream signal at the REM input. By selecting appropriate values for VDDZ and V ZERO , transistor M3 can be biased to generate a zero reference current, which is any analog weight selected to represent a zero weight value. Equal to the voltage. The voltage across transistor M2 holds VDDZ and V ZERO constant so that the output from transistor M3 is also a series of current pulses. As the pulse stream frequency changes, the amount of current output by transistor M3 also changes. The internal voltage of the transistor M3 is also fixed at the GND potential.

【0038】フローティングゲートセルを用い、トラン
ジスタM2の代りにフローティングゲートを有するトラ
ンジスタを用いることによって、前述した両形式のシナ
プスを生ぜしめることもできる。これはアナログウエイ
トを新しくする必要がないという利点を有するが、アナ
ログウエイトをms単位のものに再プログラミングする
という問題が生じる。図5はこの特定の実施例を示す。
酸化硅素(SiO2)の抵抗より大きな抵抗値の大型の
抵抗をドレインとフローティングゲートとの間に挿入す
る。これにより漏洩電流を最小に保つ。
By using a floating gate cell and using a transistor having a floating gate instead of the transistor M2, both types of synapse described above can be produced. This has the advantage that the analog weights do not have to be renewed, but the problem arises of reprogramming the analog weights in ms. FIG. 5 illustrates this particular embodiment.
A large resistor having a resistance value larger than that of silicon oxide (SiO 2 ) is inserted between the drain and the floating gate. This keeps leakage current to a minimum.

【0039】図6および図7は、2トランジスタシナプ
ス回路を用いる一実施例を示す。この回路は3個の部分
に分割され得る。第1の回路部分は電圧パルスストリー
ムを発生するニューロン回路で、前記電圧パルスの周波
数はニューロンユニットへの入力の関数であり、この入
力を電流または電圧とすることができる。この実施例
で、ニューロン回路への入力が電圧信号であると仮定
し、その大きさが出力パルスストリームの周波数を制御
する。また、この実施例において、パルスストリームが
一定の大きおよび時間を有するパルスを有し、個々のパ
ルス間の時間だけが変化し得るも種々の時間のパルス幅
を使用し得るようシステムを構成し得るものとする。第
2の回路部分は前述したようなシナプス回路を具える。
第3の回路部分は適当なシナプストランジスタを横切る
一定電圧を維持するとともに特定のポストシナプティッ
クニューロンに向かう全ての電流の合計を表わす電流ま
たは電圧を出力する回路を備える。この第3の回路部分
は前記システム内に具体化されるシナプスの型式によっ
て構成が相違する。
6 and 7 show an embodiment using a two-transistor synapse circuit. This circuit can be divided into three parts. The first circuit part is a neuron circuit for generating a stream of voltage pulses, the frequency of said voltage pulse being a function of the input to the neuron unit, which input can be a current or a voltage. In this example, the input to the neuron circuit is assumed to be a voltage signal, the magnitude of which controls the frequency of the output pulse stream. Also, in this embodiment, the system may be configured such that the pulse stream has pulses of constant magnitude and time such that only the time between individual pulses may change, but pulse widths of different times may be used. I shall. The second circuit portion comprises a synapse circuit as described above.
The third circuit portion comprises a circuit that maintains a constant voltage across the appropriate synaptic transistor and outputs a current or voltage that represents the sum of all currents to a particular post-synaptic neuron. The configuration of the third circuit portion differs depending on the type of synapse embodied in the system.

【0040】2トランジスタシナプス回路100は複数
個の入力および両方向端子を有する。これらの入力端子
はANALOGUE WEIGHT VOLTAGE入力102、LOAD WEIGHT入
力101およびPULSE STREAM入力105よりなる。2方
向端子はVDD端子103およびVBIAS端子104より
なる。この説明の目的のため、トランジスタM2を横切
る電位を電流が端子103から端子104に流れるもの
と仮定する。しかし、これらの端子は両方向性を有する
から、電流はこれとは反対方向に流すこともできる。
The two-transistor synapse circuit 100 has a plurality of inputs and bidirectional terminals. These input terminals consist of an ANALOG WEIGHT VOLTAGE input 102, a LOAD WEIGHT input 101 and a PULSE STREAM input 105. The bidirectional terminal includes a VDD terminal 103 and a V BIAS terminal 104. For purposes of this description, it is assumed that a potential across transistor M2 causes current to flow from terminal 103 to terminal 104. However, since these terminals are bidirectional, current can flow in the opposite direction.

【0041】ディジタル−アナログコンバータ(DA
C)300は複数個の入力および出力端子を有す。入力
端子は外部に蓄えられた2進数の入力を許すデータバス
端子301よりなり、これはシナプスに蓄えられるアナ
ログウエイトをディジタルで表す。DACは前記2進値
をアナログ電圧表示に変換してこの結果を出力端子30
2を用いて出力する機能を行なう。
Digital-to-analog converter (DA
C) 300 has a plurality of input and output terminals. The input terminal comprises a data bus terminal 301 which allows the input of a binary number stored externally, which digitally represents the analog weight stored in the synapse. The DAC converts the binary value into an analog voltage display and outputs the result to the output terminal 30.
2 is used to output.

【0042】ニューロン回路400は複数の入力および
出力端子を有す。入力端子は端子401および403を
具える。端子401は前記ニューロン回路が表わすポス
トシナプティックニューロンの活性を示すアナログ電圧
またはアナログ電流を入力することができる。このニュ
ーロン回路の機能は電流または電圧のアナログ活性表示
をパルス周波数および/またはパルス幅が特定のニュー
ロンの活性を表わすパルスストリームに変換することで
ある。アルゴリズムの仕方に依存して多くの異なる変換
機能があるが、しかし、好適な実施例においては、プリ
シナプティックニューロンの活性を電圧によって表わ
し、電圧制御発振器(VCO)を用いてシナプティック
ニューロン活性電位を出力パルスストリームに変換す
る。シナプス回路を正しく機能させるため、適正LOAD W
EIGHT ROW信号が活きている時には出力端子がGND電
位のままであることが必要である。従って、入力端子4
03は初期に逆転されているニューロン回路にLOAD WEI
GHT信号を入力することができる。好適な実施例におい
ては、逆転プロセスをディジタルインバータによって行
なうことも、アナログコンパレータ回路を用いることも
できる。次に、インバータの出力は使用しているVCO
およびANDゲートからの入力によってAND処理さ
れ、この結果、端子402を経てニューロン回路から出
力される。パルスの代表的なストリームが単一出力端子
402を用いるニューロンユニットから出力される。
The neuron circuit 400 has a plurality of input and output terminals. The input terminal comprises terminals 401 and 403. The terminal 401 can input an analog voltage or an analog current indicating the activity of the post-synaptic neuron represented by the neuron circuit. The function of this neuron circuit is to convert an analog activity representation of current or voltage into a pulse stream whose pulse frequency and / or pulse width represents the activity of a particular neuron. There are many different transformation functions depending on the algorithm, but in the preferred embodiment the activity of the presynaptic neuron is represented by a voltage and a voltage controlled oscillator (VCO) is used to generate the synaptic neuron activation potential. To an output pulse stream. Proper LOAD W for the synapse circuit to function properly
When the EIGHT ROW signal is active, it is necessary for the output terminal to remain at the GND potential. Therefore, the input terminal 4
03 LOAD WEI to the neuron circuit which is reversed in the initial stage
GHT signal can be input. In the preferred embodiment, the reversal process can be performed by a digital inverter or an analog comparator circuit can be used. Next, the output of the inverter is the VCO
AND is performed by the input from the AND gate, and as a result, the signal is output from the neuron circuit via the terminal 402. A representative stream of pulses is output from a neuron unit using a single output terminal 402.

【0043】電圧制御した電圧源(VCVS)500は
複数の入力、出力および両方向端子を有する。VCVS
の機能は予定の接続点で一定の電圧を供給することであ
る。前記接続点における電圧が上昇する場合には、VC
VSが余分の電流を接続点から除去して接続点における
電圧を低減する。接続点における電圧が一定電圧より下
がった場合には、VCVSがさらに多くの電流を供給し
て接続点における電圧を上昇させる。このようにして、
前記接続点における電圧を一定に維持する。VCVSは
両方向性端子501を有し、この端子は特定のポストシ
ナプティックニューロンに向かう全ての電流の合計を入
力する。VCVSは端子501への電流を供給または除
去して端子501を一定の予め特定した電圧に保つ。V
CVSはまたアナログ表示で電流または電圧を出力端子
において出力し、所定量の電流を端子501に供給して
電圧を一定に保つ。
A voltage controlled voltage source (VCVS) 500 has multiple inputs, outputs and bidirectional terminals. VCVS
The function of is to provide a constant voltage at the intended connection point. If the voltage at the connection point increases, VC
VS removes excess current from the junction to reduce the voltage at the junction. If the voltage at the junction falls below a certain voltage, VCVS will supply more current to raise the voltage at the junction. In this way
The voltage at the connection point is kept constant. The VCVS has a bidirectional terminal 501, which inputs the sum of all currents to a particular post-synaptic neuron. VCVS supplies or removes current to terminal 501 to keep terminal 501 at a constant, pre-specified voltage. V
The CVS also outputs a current or voltage in an analog display at the output terminal and supplies a predetermined amount of current to the terminal 501 to keep the voltage constant.

【0044】特定した回路の他に、附加的信号をシナプ
ス回路100に供給して正しく機能させる。LOAD WEIGH
Tと名付けられるこれらの信号を用いてアナログウエイ
ト信号をシナプス回路100に負荷する。
In addition to the specified circuit, an additional signal is supplied to the synapse circuit 100 to make it function properly. LOAD WEIGH
These signals, named T, are used to load the analog weight signal into the synapse circuit 100.

【0045】シナプスアレイはシナプス回路100の2
次元アレイである。シナプスアレイの寸法は適当に選択
される。図示の実施例では、プリシナプティックニュー
ロン400からの出力が水平方向に入力され、シナプス
アレイからポストシナプティックニューロンへの出力が
垂直方向にポストシナプティックVCVS500回路に
流れる。シナプスアレイは多数の列に分割され、各例
(例えば、100AA、100AB…100AZ)は共
通LOAD WEIGHT信号を有する。2列のLOAD WEIGHT信号が
同時に入力することはない。シナプスマトリックスの各
コラム(例えば、100AA、100BA…100Z
A)には共通のANALOGUE WEIGHT VOLTAGE入力102に
DAC300の出力端子302から入力される。
The synapse array is the synapse circuit 2 of the synapse circuit 100.
It is a dimensional array. The size of the synapse array is selected appropriately. In the illustrated embodiment, the output from the pre-synaptic neuron 400 is input horizontally and the output from the synapse array to the post-synaptic neuron flows vertically to the post-synaptic VCVS500 circuit. The synapse array is divided into multiple columns, each example (eg, 100AA, 100AB ... 100AZ) having a common LOAD WEIGHT signal. The LOAD WEIGHT signals of two rows are never input at the same time. Each column of the synapse matrix (for example, 100AA, 100BA ... 100Z
In A), the common ANALOG WEIGHT VOLTAGE input 102 is input from the output terminal 302 of the DAC 300.

【0046】アナログウエイトの負荷前には、出力端子
402がGND電位であるように全てのニューロン回路
400がセットされる。アナログウエイトをシナプスア
レイに負荷するため、データが複数の入力端子301を
経てDACにDATA BUSから読まれる。全てのデータが負
荷された際、ディジタルウエイトのアナログ表示がシナ
プスアレイにDAC側の出力端子302を経て出力され
る。目的のシナプス101の列へのLOAD WEIGHT入力ラ
インを活性させることによって、アナログウエイトを正
しいシナプス回路に負荷することができる。次に、LOAD
WEIGHT入力ラインを不活性としてアナログウエイトの
貯蔵を完了する。全てのシナプスウエイトがシナプスア
レイに読み取られるまで、このプロセスを繰返す。
Before the analog weight is loaded, all the neuron circuits 400 are set so that the output terminal 402 is at the GND potential. Data is read from the DATA BUS into the DAC via multiple input terminals 301 to load the analog weights into the synapse array. When all the data is loaded, the analog display of the digital weight is output to the synapse array via the output terminal 302 on the DAC side. By activating the LOAD WEIGHT input line to the desired column of synapses 101, the analog weights can be loaded into the correct synaptic circuit. Then LOAD
WEIGHT Input line is made inactive to complete analog weight storage. This process is repeated until all synaptic weights have been read into the synaptic array.

【0047】システムはこの状態でシミュレーションに
対する準備ができている。シミュレーションを開始する
には、ニューロンユニット回路400の入力端子401
に適当な電位または電流を入力することによってプリシ
ナプティックニューロンを活かす。これによりニューロ
ンユニット回路はこれらの活性値を適当なパルスストリ
ームに変換し、出力端子402から出力してシナプスア
レイに入力する。ニューロンユニットから出されたパル
スストリームはシナプスに入力して各シナプスが両方向
性端子104から適当な電流を出力する。各コラムにお
ける全てのシナプスが1個の共通の両方向性端子104
を有す。前述したように、端子104における電圧は一
定であるから、全ての電流が一緒に合計されて一つの出
力電流を生じ、この出力電流は両方向性端子104の電
位を上昇させ、または低下させようとする。この電位の
変化はVCVS回路500によって検出され、この回路
は両方向性端子501を経て端子104に同じまたは反
対の電流を供給することによって電流に対する補正を行
なう。電流の量は、任意特定のポストシナプティックニ
ューロンに向かう合計活性を示し、この電流が電圧また
は電流の形で出力端子502から出力される。これらの
ユニットからの出力は、多層ネットワークの場合に、他
のニューロンユニット400に入力され得る。
The system is ready for simulation in this state. To start the simulation, input terminal 401 of neuron unit circuit 400
The presynaptic neuron is activated by inputting an appropriate electric potential or current into the. As a result, the neuron unit circuit converts these active values into an appropriate pulse stream, which is output from the output terminal 402 and input to the synapse array. The pulse stream emitted from the neuron unit is input to the synapse, and each synapse outputs an appropriate current from the bidirectional terminal 104. All synapses in each column have one common bidirectional terminal 104
Have. As mentioned above, since the voltage at terminal 104 is constant, all currents are summed together to produce one output current which attempts to raise or lower the potential at bidirectional terminal 104. To do. This change in potential is detected by VCVS circuit 500, which corrects for the current by supplying the same or opposite current to terminal 104 via bidirectional terminal 501. The amount of current indicates the total activity towards any particular post-synaptic neuron, which is output at the output terminal 502 in the form of a voltage or current. The outputs from these units can be input to other neuron units 400 in the case of a multilayer network.

【0048】図8および図9は3個のトランジスタシナ
プス200を用いる同様のシステムを示す。3個のトラ
ンジスタシナプス回路200は複数個の入力端子および
両方向性端子を有す。入力端子はANALOGUE WEIGHT入力
202と、LOAD WEIGHT入力201と、PULSE STREAM入
力205とからなる。両方向性端子はVDD端子203
と、VBIAS端子204と、VDDZ端子206と、V
ZERO端子207とよりなる。説明の目的上、端子203
から端子204に電流が流れるようトランジスタM2を
横切る電位をセットすると仮定するが、しかし、これら
の端子は両方向性であるから、電流は反対方向に流れる
こともできる。また、説明の目的上、電流が端子206
から端子207に電流が流れるようトランジスタM3を
横切る電位をセットすると仮定するが、これらの端子は
両方向性であるから、電流は反対方向に流れることもで
きる。
FIGS. 8 and 9 show a similar system using a three transistor synapse 200. The three transistor synapse circuit 200 has a plurality of input terminals and bidirectional terminals. The input terminals include an ANALOG WEIGHT input 202, a LOAD WEIGHT input 201, and a PULSE STREAM input 205. The bidirectional terminal is the VDD terminal 203
, V BIAS terminal 204, VDDZ terminal 206, V
It consists of ZERO terminal 207. For the purpose of explanation, the terminal 203
It is assumed that the potential across transistor M2 is set to allow current to flow from terminal 204 to the terminal 204, but since these terminals are bidirectional, current can flow in the opposite direction. Also, for the purpose of explanation, the current is at the terminal 206.
It is assumed that the potential is set across transistor M3 so that current flows from the terminal 207 to terminal 207, but since these terminals are bidirectional, current can flow in the opposite direction.

【0049】2トランジスタシステムにおいて用いられ
たものとは異なる機能を有する新しいユニット600が
導入されている。このユニット600は複数個の両方向
性端子601および602と出力端子603とを備えて
いる。ユニット600の機能は端子601および602
に一定の電位を維持することであり、これらの端子は互
に独立し、異なる電位または同じ電位を有してもよい。
好適な実施例においては、各両方向性端子がVCVSに
接続され、VCVSへの入力端子を一定電圧に保ち、V
CVSの入力端子に流れる電流を表わす電圧を出力する
よう構成されている。VCVS回路の出力は図において
VnormおよびVzeroとして示されており、これらの出力
は微分回路のような電圧引き算回路を用いて互いに引き
算され、この電圧を端子603から出力する。したがっ
て、端子602に流れる電流は端子601に流れる電流
から差し引かれ、その差し引いた結果が、好適な実施例
の場合におけるように代表的電圧として、あるいは電流
として出力端子603から出力される。
A new unit 600 has been introduced that has a different function than that used in the two-transistor system. The unit 600 includes a plurality of bidirectional terminals 601 and 602 and an output terminal 603. The function of unit 600 is to connect terminals 601 and 602.
To maintain a constant potential at these terminals, these terminals may be independent of each other and have different or the same potential.
In the preferred embodiment, each bidirectional terminal is connected to VCVS to maintain a constant voltage at the input terminal to VCVS, V
It is configured to output a voltage representing the current flowing at the input terminal of the CVS. The outputs of the VCVS circuit are shown as Vnorm and Vzero in the figure, and these outputs are subtracted from each other using a voltage subtraction circuit such as a differentiation circuit, and this voltage is output from the terminal 603. Therefore, the current flowing through terminal 602 is subtracted from the current flowing through terminal 601 and the result of the subtraction is output from output terminal 603 as a representative voltage or as a current as in the preferred embodiment.

【0050】3トランジスタシナプスを用いるシステム
の動作は2トランジスタシナプスの動作と同様である。
The operation of a system using a 3-transistor synapse is similar to that of a 2-transistor synapse.

【0051】[0051]

【発明の効果】本発明の効果は以下の通りである。The effects of the present invention are as follows.

【0052】本発明はアナログシナプスウエイトをアド
レスするために要するトランジスタと前記アナログシナ
プスウエイトを蓄積するためのコンデンサとを含む2個
のトランジスタと1個のコンデンサを用いて興奮または
抑制ウエイティング機能を実行するための技術を提供で
きる。よって、最小寸法にてトランジスタシナプス回路
を構成でき、100万ニューロン以上のハードウエアを
実現できる。
The present invention uses two transistors including a transistor required to address analog synapse weights and a capacitor for accumulating the analog synapse weights and one capacitor to perform an excitatory or inhibitory weighting function. Can provide the technology to do so. Therefore, the transistor synapse circuit can be configured with the minimum size, and the hardware of 1 million neurons or more can be realized.

【0053】本発明は、アナログシナプスウエイトをア
ドレスするために要するトランジスタと前記アナログシ
ナプスウエイトを蓄積するためのコンデンサとを含む3
個のトランジスタと1個のコンデンサとを用いて興奮お
よび抑制ウエイティング機能を実行するための技術を提
供できる。
The present invention includes a transistor required to address the analog synapse weight and a capacitor for storing the analog synapse weight.
Techniques can be provided to perform the excitement and suppression weighting functions using transistors and capacitors.

【0054】本発明は、パルスがシナプス回路に入力さ
れない時には、漏洩によって生じる以外には電力消量が
零である。
According to the present invention, when the pulse is not input to the synapse circuit, the power consumption is zero except that caused by leakage.

【0055】本発明は、最小の回路を用いて多くの出力
を一緒に合算し得るウエイティングした電流を出力す
る。
The present invention outputs a weighted current that can be summed together with many outputs using minimal circuitry.

【0056】本発明は、普通の引算を行なうNMOSト
ランジスタを必要とするだけである。これは効率のよい
シリコンレイアウトを許す。
The present invention only requires an NMOS transistor that performs the usual subtraction. This allows an efficient silicon layout.

【0057】本発明は、msのオーダーで再プログラム
され得るだけのフローティングゲート構造を用いること
によっては不可能なnsオーダーで再プログラムするこ
とができる。
The present invention can be reprogrammed to the ns order, which is not possible by using a floating gate structure that can only be reprogrammed to the ms order.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】2トランジスタパルスストリームアナログシナ
プスを示す回路図である。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a two-transistor pulse stream analog synapse.

【図2】2トランジスタシナプスの補正機能波形の一例
を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing an example of a correction function waveform of a two-transistor synapse.

【図3】アナログウエイト値の範囲での2トランジスタ
シナプスの作用を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the action of a 2-transistor synapse in the range of analog weight values.

【図4】抑制および興奮機能を生じ得る3トランジスタ
パルスストリームアナログシナプスを示す回路図であ
る。
FIG. 4 is a schematic diagram showing a three-transistor pulse stream analog synapse that can produce inhibitory and excitatory functions.

【図5】フローティングゲートトランジスタに用いられ
る構造と同様の構造を用いる2トランジスタシナプスを
示す回路図である。
FIG. 5 is a circuit diagram showing a two transistor synapse using a structure similar to that used for floating gate transistors.

【図6】2トランジスタシナプス回路およびニューロン
回路を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a two-transistor synapse circuit and a neuron circuit.

【図7】2トランジスタシナプス回路を用いてニューラ
ル計算を行なう人工ニューラルネットワークシステムを
示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing an artificial neural network system that performs neural calculation using a 2-transistor synapse circuit.

【図8】3トランジスタシナプス回路およびニューロン
回路を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a three-transistor synapse circuit and a neuron circuit.

【図9】3トランジスタシナプス回路を用いてニューラ
ル計算を行なう人工ニューラルネットワークシステムを
示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing an artificial neural network system that performs neural calculation using a 3-transistor synapse circuit.

【図10】従来のパルスストリームシナプス回路を示す
図である。
FIG. 10 is a diagram showing a conventional pulse stream synapse circuit.

【図11】従来の自己−減損のパルスストリームシナプ
ス回路を示す図である。
FIG. 11 illustrates a conventional self-depleting pulse stream synapse circuit.

【図12】従来のアナログシナプスを示す回路図であ
る。
FIG. 12 is a circuit diagram showing a conventional analog synapse.

【図13】従来のアナログシナプスを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a conventional analog synapse.

【図14】従来の不揮発性アナログスナプスの構造を示
す図である。
FIG. 14 is a diagram showing a structure of a conventional non-volatile analog snap.

【図15】従来の1トランジスタシナプス回路を示す図
である。
FIG. 15 is a diagram showing a conventional one-transistor synapse circuit.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】ゲートをオンすることにより、ソースまた
はドレインから入力されたシナプスウエイトを表わすア
ナログウエイトの電圧を蓄積し、ドレインまたはソース
が内部接続点NODE Aに接続される第1のトランジスタM
1と、 一端が上記内部接続点NODE Aに接続され、他端から所定
の振幅のアナログ電圧のパルスストリームを入力し、そ
の振幅に上記アナログウエイトの電圧を負荷するコンデ
ンサC1と、 ドレインおよびソースが夫々所定の電圧にて固定され、
上記内部接続点NODE Aに接続されたゲートの電圧が所定
の閾値を越えた場合に、出力電流のパルスを出力する第
2のトランジスタM2とを、 備えたことを特徴とするシナプス回路。
1. A first transistor M for accumulating a voltage of an analog weight representing a synapse weight inputted from a source or a drain by turning on a gate, the drain or the source being connected to an internal connection point NODE A.
1, one end of which is connected to the internal connection point NODE A, the other end of which receives a pulse stream of an analog voltage having a predetermined amplitude, a capacitor C1 which loads the analog weight voltage to the amplitude, and a drain and a source Each is fixed at a predetermined voltage,
A synapse circuit comprising: a second transistor M2 that outputs a pulse of an output current when the voltage of the gate connected to the internal connection point NODE A exceeds a predetermined threshold value.
【請求項2】ゲートをオンすることにより、ソースまた
はドレインから入力されたシナプスウエイトを表わすア
ナログウエイトの電圧を蓄積し、ドレインまたはソース
が内部接続点NODE Aに接続される第1のトランジスタM
1と、 一端が上記内部接続点NODE Aに接続され、他端から所定
の振幅のアナログ電圧のパルスストリームを入力し、そ
の振幅に上記アナログウエイトの電圧を負荷するコンデ
ンサC1と、 ドレインおよびソースが夫々所定の電圧にて固定され、
上記内部接続点NODE Aに接続されたゲートの電圧が所定
の閾値を越えた場合に、出力電流のパルスを出力する第
2のトランジスタM2と、 ドレインおよびソースが夫々所定の電圧にて固定され、
ゲートを上記コンデンサの他端に接続し、零基準電流を
出力する第3のトランジスタM3とを、 備えたことを特徴とするシナプス回路。
2. A first transistor M for accumulating a voltage of an analog weight representing a synapse weight inputted from a source or a drain by turning on a gate, the drain or the source being connected to an internal connection point NODE A.
1, one end of which is connected to the internal connection point NODE A, the other end of which receives a pulse stream of an analog voltage having a predetermined amplitude, a capacitor C1 which loads the analog weight voltage to the amplitude, and a drain and a source Each is fixed at a predetermined voltage,
When the voltage of the gate connected to the internal connection point NODE A exceeds a predetermined threshold value, the second transistor M2 that outputs a pulse of the output current and the drain and the source are fixed at the predetermined voltages,
A synapse circuit comprising: a third transistor M3 having a gate connected to the other end of the capacitor and outputting a zero reference current.
【請求項3】ゲートをオンすることにより、ソースまた
はドレインから入力されたシナプスウエイトを表わすア
ナログウエイトの電圧を蓄積し、ドレインまたはソース
が抵抗の一端に接続される第1のトランジスタと、 フローティングゲートを有し、そのフローティングゲー
トを抵抗の他端に接続し、ドレインおよびソースが夫々
所定の電圧にて固定され、ゲートから所定の振幅のアナ
ログ電圧のパルスストリームを入力する第2のトランジ
スタと、 一端が上記第1のトランジスタに接続され、他端が上記
第2のトランジスタのフローティングゲートに接続さ
れ、フローティングゲート構造のアイソレーション材料
より大きな抵抗値を有し、上記フローティングゲートか
らの漏洩電流を最小にする抵抗とを、 備えたことを特徴とするシナプス回路。
3. A first transistor, which stores a voltage of an analog weight representing a synapse weight inputted from a source or a drain by turning on the gate, the drain or the source being connected to one end of a resistor, and a floating gate. A second transistor having a floating gate connected to the other end of the resistor, a drain and a source fixed at a predetermined voltage, and a pulse stream of an analog voltage having a predetermined amplitude input from the gate, Is connected to the first transistor and the other end is connected to the floating gate of the second transistor, has a larger resistance value than the isolation material of the floating gate structure, and minimizes leakage current from the floating gate. The synapse characterized by Circuit.
【請求項4】前段のニューロン回路からのニューロンの
活性を示すアナログ電圧をパルスストリームに変換する
電圧制御発振器と、制御信号を反転させる手段と、上記
電圧制御発振器と上記反転手段の出力のANDをとるA
ND回路を備えたニューロンユニット400と、 ディジタルで与えられたシナプスウエイトを表わすアナ
ログウエイトをアナログ電圧に変換するディジタル−ア
ナログコンバータ300と、 上記制御信号がゲートに与えられ、ゲートをオンするこ
とにより、ソースまたはドレインから入力されたシナプ
スウエイトを表わすアナログウエイトの電圧を蓄積し、
ドレインまたはソースが内部接続点に接続される第1の
トランジスタと、一端が上記内部接続点に接続され、他
端から所定の振幅のアナログ電圧のパルスストリームを
入力し、その振幅に上記アナログウエイトの電圧を負荷
するコンデンサと、ドレインおよびソースが夫々所定の
電圧にて固定され、上記内部接続点に接続されたゲート
の電圧が所定の閾値を越えた場合に、出力電流のパルス
を出力する第2のトランジスタとを備えた複数のシナプ
ス回路100と、 上記複数のシナプス回路から出力された出力電流を合計
し、アナログ電圧の制御を行う電圧源500とを備えた
ニューロ回路を複数個設けたことを特徴とするニューラ
ルネットワークシステム。
4. A voltage controlled oscillator for converting an analog voltage indicating the activity of a neuron from a preceding neuron circuit into a pulse stream, a means for inverting a control signal, an AND of the output of the voltage controlled oscillator and the inverting means. Take A
A neuron unit 400 having an ND circuit, a digital-analog converter 300 for converting an analog weight representing a digitally given synapse weight into an analog voltage, and the control signal given to the gate to turn on the gate. Accumulates the analog weight voltage representing the synaptic weight input from the source or drain,
A first transistor whose drain or source is connected to the internal connection point, and one end of which is connected to the internal connection point and the pulse stream of the analog voltage having a predetermined amplitude is input from the other end, and the amplitude of the analog weight A second capacitor that outputs a pulse of an output current when a voltage-loading capacitor and a drain and a source are fixed at predetermined voltages, respectively, and the voltage of the gate connected to the internal connection point exceeds a predetermined threshold And a plurality of synapse circuits 100 each including a transistor and a voltage source 500 that controls an analog voltage by summing output currents output from the plurality of synapse circuits. Characteristic neural network system.
【請求項5】前段のニューロン回路からのニューロンの
活性を示すアナログ電圧をパルスストリームに変換する
電圧制御発振器と、制御信号を反転させる手段と、上記
電圧制御発振器と上記反転手段の出力のANDをとるA
ND回路を備えたニューロンユニット400と、 ディジタルで与えられたシナプスウエイトを表わすアナ
ログウエイトをアナログ電圧に変換するディジタル−ア
ナログコンバータ300と、 上記制御信号がゲートに与えられ、ゲートをオンするこ
とにより、ソースまたはドレインから入力されたシナプ
スウエイトを表わすアナログウエイトの電圧を蓄積し、
ドレインまたはソースが内部接続点に接続される第1の
トランジスタと、一端が上記内部接続点に接続され、他
端から所定の振幅のアナログ電圧のパルスストリームを
入力し、その振幅に上記アナログウエイトの電圧を負荷
するコンデンサと、ドレインおよびソースが夫々所定の
電圧にて固定され、上記内部接続点に接続されたゲート
の電圧が所定の閾値を越えた場合に、出力電流のパルス
を出力する第2のトランジスタと、ドレインおよびソー
スが夫々所定の電圧にて固定され、ゲートを上記コンデ
ンサの他端に接続し、零基準電流を出力する第3のトラ
ンジスタとを備えた複数のシナプス回路100と、 上記複数のシナプス回路から出力された出力電流を合計
し、アナログ電圧の制御を行う第1の電圧源と、上記複
数のシナプス回路から出力された零基準電流を合計し、
アナログ電圧の制御を行う第2の電圧源と、上記第1の
電圧源と上記第2の電圧源のアナログ電圧の差を出力す
る回路600とを備えたニューロ回路を複数個設けたこ
とを特徴とするニューラルネットワークシステム。
5. A voltage-controlled oscillator for converting an analog voltage indicating the activity of a neuron from the preceding neuron circuit into a pulse stream, a means for inverting a control signal, an AND of the voltage-controlled oscillator and the output of the inverting means. Take A
A neuron unit 400 having an ND circuit, a digital-analog converter 300 for converting an analog weight representing a digitally given synapse weight into an analog voltage, and the control signal given to the gate to turn on the gate. Accumulates the analog weight voltage representing the synaptic weight input from the source or drain,
A first transistor whose drain or source is connected to the internal connection point, and one end of which is connected to the internal connection point and the pulse stream of the analog voltage having a predetermined amplitude is input from the other end, and the amplitude of the analog weight A second capacitor that outputs a pulse of an output current when the voltage-loading capacitor, the drain and the source are fixed at a predetermined voltage, respectively, and the voltage of the gate connected to the internal connection point exceeds a predetermined threshold value A plurality of synapse circuits 100 each having a drain and a source fixed at a predetermined voltage, a gate connected to the other end of the capacitor, and a third transistor outputting a zero reference current; From the first voltage source that controls the analog voltage by summing the output currents output from the plurality of synapse circuits, and the plurality of synapse circuits Sum the output zero reference currents,
A plurality of neuro circuits each including a second voltage source for controlling an analog voltage and a circuit 600 for outputting a difference between analog voltages of the first voltage source and the second voltage source are provided. Neural network system.
【請求項6】所定の振幅のアナログ電圧のパルスストリ
ームを入力し、 シナプスウエイトを表わすアナログウエイトの電圧を上
記パルスストリームに負荷し、 アナログウエイトの電圧が負荷されたパルスストリーム
を、独立の電圧源によって変調し、変調されたパルスス
トリームの電圧に比例した振幅の電流パルスに変換して
出力することを特徴とするシナプスウエイト方法。
6. A pulse stream of an analog voltage having a predetermined amplitude is input, a voltage of an analog weight representing a synapse weight is loaded on the pulse stream, and the pulse stream loaded with the voltage of the analog weight is supplied as an independent voltage source. A synapse weighting method, characterized in that a current pulse having an amplitude proportional to the voltage of the modulated pulse stream is converted and output.
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