[发明专利]基于忆阻器的汉明网电路

摘要

本发明公开了一种基于忆阻器的汉明网电路，要解决的技术问题是提出一种基于忆阻器的汉明网电路，具有简单的电路结构和较高的存储密度，并且非易失地存储样例模式，适于大规模神经网络应用。技术方案是本发明由编程电路、纳米交叉杆、运算放大器电路和胜者通吃电路组成；编程电路由一个地址译码器、N个与门和N个三态门组成，纳米交叉杆中由M条横向纳米线、N条纵向纳米线及M×N个忆阻器组成，运算放大器电路由N个独立的负反馈运算放大器电路组成，胜者通吃电路采用电压模式胜者通吃电路。本发明同时具备存储部件和计算部件的功能，样例模式在断电之后仍然保持在电路中，电路结构简洁，硬件复杂度低，具有更高的集成密度优势。

主权项

1.一种基于忆阻器的汉明网电路，其特征在于基于忆阻器的汉明网电路采用忆阻器和CMOS电路混合设计实现，由编程电路、纳米交叉杆、运算放大器电路和胜者通吃电路组成；电路的输入输出端口包括一个模式选择输入端口、一个编程初始化输入端口、一个编程地址输入端口、一个电压输入端口和一个模式识别输出端口；模式选择输入端口从外部接收模式选择输入信号，模式选择信号为低电平时汉明网电路处于编程模式，此时汉明网的所有样例模式被依次输入到汉明网电路中，并且被非易失地存储到相应的区域，模式选择信号为高电平时汉明网电路处于运算模式，此时电路对输入模式进行模式识别，完成汉明网的运算功能；编程初始化输入端口在编程时从外部接收编程初始化信号；编程地址输入端口在编程模式时从外部接收被编程的样例向量的地址即编程地址；电压输入端口在编程模式时从外部接收编程信号，在运算模式时从外部接收输入模式；模式识别输出端口在运算模式时输出模式识别的结果；编程电路与纳米交叉杆相连，它通过编程地址输入端口接收编程地址，通过模式选择输入端口从外部接收模式选择信号；当模式选择信号为低电平时，编程电路对编程地址进行译码，将译码结果与编程初始化信号按位进行与操作，结果输出给纳米交叉杆；纳米交叉杆与编程电路和运算放大器电路相连，在编程模式下，纳米交叉杆内的忆阻器的电导值根据编程电路提供的输出结果和电压输入端口输入的编程信号发生变化，实现样例模式的输入和存储；在运算模式下，纳米交叉杆接收从电压输入端口输入的输入模式，以忆阻器存储的样例模式为权值，对输入模式进行加权求和运算，运算结果以电流形式输出到运算放大器电路；运算放大器电路与纳米交叉杆和胜者通吃电路相连，在运算模式下将从纳米交叉杆获得的电流信号转换为电压信号，输出到胜者通吃电路；胜者通吃电路与运算放大器电路相连，在运算模式下对从运算放大器电路获得的电压信号进行胜者通吃运算，并通过模式识别输出端口输出汉明网模式识别的最终结果；编程电路由一个带使信号端的n输入、N输出的地址译码器、N个与门和N个三态门组成，其中N为电路中存储的样例模式的个数，N＝2ⁿ，n为编程地址的位数，为正整数；地址译码器选择输出逻辑为负逻辑的二进制译码器；地址译码器的使能信号端与模式选择信号输入端相连，输入端接收从外部输入n位编程地址；地址译码器的每一个输出端分别输入到一个与门的一个输入端；所有与门的另一个输入端都与编程初始化信号输入端相连，每个与门的输出端对应连接一个三态门；当模式选择信号为低电平时，地址译码器被使能，对输入的编程地址进行译码，译码的结果与编程初始化信号通过与门按位进行与操作，然后通过三态门输出到纳米交叉杆；当模式选择信号为高电平时，地址译码器关闭，三态门输出高阻态；纳米交叉杆中包含M条横向纳米线、N条纵向纳米线及M×N个忆阻器，M为样例向量的位数，其中忆阻器应选择具有阈值效应的类型，阈值电压幅度为V_T，电导值可以达到的变化范围是[G_OFF，G_ON]，G_OFF是忆阻器电导值可以达到的最低值，G_ON是忆阻器电导值可以达到的最高值；忆阻器的连接应使得当在与横向纳米线相连一端施加正电压且在与纵向纳米线相连一端施加负电压时忆阻器电导值增加；每条纵向纳米线的一端与编程电路的一个三态门的输出端相连，另一端与运算放大器电路的一个输入端相连；当模式选择信号为低电平时，纵向纳米线接收从编程电路输出的电平信号；当编程电路接收到低电平的编程初始化信号时，编程电路的N位输出信号全部为低电平，所有纵向纳米线都被置为低电平，电压输入端口从外部接收一组编程信号，施加到横向纳米线上，所有忆阻器的电导值在编程信号的作用下被初始化到状态G_OFF；当编程电路接收到高电平的编程初始化信号时，编程电路的N位输出信号中有一位为低电平，其它位为高电平，相应有第i列纵向纳米线被编程电路置为低电平，i为自然数，1≤i≤N，其余纵向纳米线被编程电路置为高电平，电压输入端口从外部接收一组编程信号，施加到横向纳米线上，将与被选中的纵向纳米线相连的一列忆阻器从初始化状态分别编程到状态G_{H_i}或G_{L_i}，第i列M个忆阻器的电导值构成一个长度为M的向量，表示一个二进制样例模式；G_{H_i}是第i列中表示逻辑“1”的忆阻器的电导值，G_{L_i}是第i列中表示逻辑“0”的忆阻器的电导值；当模式选择信号为高电平时，编程电路向纳米交叉杆输出高阻态，电压输入端口从外部接收一组电压幅度小于忆阻器阈值电压幅度的输入模式信号，施加到横向纳米线上，每一个忆阻器的电导值都不发生改变，仅在输入模式信号的作用下产生一个电流信号，每一列忆阻器上产生的电流汇聚到与该列忆阻器相连的纵向纳米线上，并输出到运算放大器电路中；运算放大器电路由N个独立的负反馈运算放大器电路组成，N个负反馈运算放大器电路分别与纳米交叉杆的N个纵向纳米线相连；每个负反馈运算放大器电路由一个带使能信号端EN的运算放大器和负反馈电阻R_F及同向输入端电阻R_T组成；使能信号端EN与模式选择信号输入端相连，当模式选择信号为低电平时，运算放大器的使能端EN被关闭，当模式选择信号为高电平时，运算放大器的反相端与纳米交叉杆的纵向纳米线相连，将纵向纳米线上的输出电流转换为电压信号，输出给胜者通吃电路；胜者通吃电路采用电压模式胜者通吃电路，有N个输入信号和N个输出信号，输入端接收运算放大器电路输出的N个电压信号，对其进行胜者通吃运算，将N位的模式识别结果通过模式识别输出端口输出。