[发明专利]基于多值忆阻器的STDP脉冲设计方法和多样化STDP的实现方法

说明书

本发明公开了基于多值忆阻器的STDP脉冲设计方法和多样化STDP的实现方法。该脉冲设计方法将突触前脉冲与突触后脉冲设计为相同波形的三角波，该三角波的幅值与前后三角波的时间间隔选取由测试脉冲的幅值与脉宽阈值响应范围决定，简化了STDP突触可塑性的脉冲设计。该多样化STDP突触可塑性的实现方法通过选取不同阻态作为初始阻态，并将上述设计脉冲叠加作用于忆阻器，实现了生物指数衰减型STDP突触可塑性和有别于生物指数衰减型STDP的突触可塑性，从而实现STDP突触可塑性的多样化。该方法有望被应用到任一种类的多值忆阻器上，进而拓展忆阻器在人工突触及神经形态计算上的应用。

技术领域

本发明属于微电子器件技术领域，更具体地，涉及基于多值忆阻器的STDP脉冲设计方法和多样化STDP的实现方法。

背景技术

忆阻器(Memristor)因其与神经突触类似的独特非线性电学性质，以及结构简单、集成度高等优势，在新型神经突触仿生的电子器件领域引起广泛关注。当利用忆阻器实现电脉冲活动时间依赖的突触可塑性(Spike-timing-dependent plasticity，STDP)功能时，会将施加于上电极和下电极的脉冲信号分别看作突触前刺激和突出后刺激，进而通过设计脉冲信号实现STDP。脉冲信号的设计方式也存在两类，一类利用两个脉冲信号的电压叠加作用，另一类利用两个信号在时域上的相互作用。

Yi Li等人设计了四种用于实现STDP的脉冲信号，如图1所示，突触前和突触后脉冲的幅值、脉宽、种类不完全相同，而且都是不规则波形。

S.Ambrogio等人设计了一种用于实现STDP的脉冲信号，如图2所示，突触前、突触后脉冲为幅值和脉宽不同的方波。

Bernabe等人设计了一种用于实现STDP的脉冲信号，如图3所示，突触前、突出后脉冲为幅值和脉宽不同的指数型衰减波形。

专利CN106098936A公开了叠加矩形波、三角波、正弦波实现电子突触功能STDP，但并未说明具体设计的突触前、后脉冲波形。

专利CN106981567A公开了通过调整脉冲序列的参数来实现诸如PPF、STP、LTD、STDP等生物突触功能，但并未说明具体设计的突触前、后脉冲波形。

由此可知，现有技术中针对忆阻器作为突触器件的研究存在诸多不足之处：(1)用于实现STDP突触可塑性的脉冲各异，且突触前设计脉冲与突触后设计脉冲波形不同，尚没有统一标准；(2)实现的是单一的、传统生物指数衰减型STDP突触可塑性，不能满足不同于生物指数衰减形式的其他种类的STDP可塑性形式需求；(3)实现STDP突触可塑性方法的脉冲设计缺乏具体化手段。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供基于多值忆阻器的STDP脉冲设计方法和多样化STDP的实现方法。该脉冲设计方法将突触前脉冲与突触后脉冲设计为相同波形的三角波，该三角波的幅值与前后三角波的时间间隔选取由测试脉冲的幅值与脉宽阈值响应范围决定，简化了STDP突触可塑性的脉冲设计。该多样化STDP突触可塑性的实现方法通过选取不同阻态作为初始阻态，并将上述设计脉冲叠加作用于忆阻器，实现生物指数衰减型STDP突触可塑性和有别于生物指数衰减型STDP的突触可塑性，从而实现STDP突触可塑性的多样化。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了基于多值忆阻器的STDP脉冲设计方法，包括以下步骤：

S1.以多值忆阻器的中间阻态为初始阻态，将测试脉冲作用于所述多值忆阻器两端，进行Set向脉冲测试和Reset向脉冲测试，得到忆阻器相对于测试脉冲能够同时实现Set向响应和Reset向响应的幅值范围；

S2.以测试脉冲脉宽的整数倍为间隔时间，由脉冲产生模块发出两个相同的三角波脉冲，分别施加在忆阻器两端，两个三角波叠加后的脉冲的最大绝对幅值应在步骤(1)得到的幅值范围内。