基于憶阻交叉架構(gòu)的圖片均值學習電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及神經(jīng)電路，具體涉及一種基于憶阻交叉架構(gòu)的圖片均值學習電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 憶阻器是一種有記憶功能的兩端元件，其阻值受控于供給電源的強度、極性以及 供電時間。斷電后，它能夠保持斷電時的電阻值。憶阻器作為一個納米級的設備，一個重 要的應用便是用于以憶阻交叉架構(gòu)（MCA)為基礎(chǔ)的存儲器。在憶阻器出現(xiàn)之前，交叉架構(gòu) 通常是在交叉點處以開關(guān)實現(xiàn)數(shù)據(jù)〇和1的存儲，而憶阻器出現(xiàn)后，不僅可以以高阻和低 阻存放數(shù)據(jù)0和1，實現(xiàn)開關(guān)功能，還能實現(xiàn)多級存儲。采用憶阻器作為存儲單元的存儲設 備稱為非易失性阻性隨機訪問存儲器（RRAM)，該存儲器有別于傳統(tǒng)的動態(tài)隨機訪問存儲器 (DRAM)。RRAM可使手機使用數(shù)周或更久而不需充電；使個人電腦開機后立即啟動；筆記本 電腦在電池耗盡之后很久仍記憶上次使用的信息。因為憶阻器具有關(guān)閉電源后仍記憶數(shù)據(jù) 的能力，憶阻器將比當今的閃存速度更快，耗電更少，體積更小。憶阻器的另一個特點是非 易失性。非易失性是指存儲介質(zhì)所存儲的數(shù)據(jù)能夠保持較長的一段時間而無需重復的刷新 操作，是未來節(jié)能型存儲設備的發(fā)展趨勢。憶阻器存儲的信息保持時間遠長于DRAM。DRAM 存儲單元的數(shù)據(jù)會隨時間而消失，因此必須每隔至多16毫秒刷新一次，以保證DRAM正常工 作。相比而言，憶阻器更加穩(wěn)定，相關(guān)實驗數(shù)據(jù)證實其幾天至幾周內(nèi)不需要刷新，憶阻器在 集成電路上集成的密度非常高，因此研制出更堅固耐用的仿生邏輯電路成為可能。
[0003] 美國密歇根大學開發(fā)出一種由憶阻器構(gòu)成的芯片，該芯片能存儲IO3比特信息。此 項研宄成果將有可能改變半導體產(chǎn)業(yè)，使成功研制出體積更小、速度更快、價格更低廉的芯 片或電腦成為可能。但是由于憶阻器是一個納米級元件，基于憶阻交叉架構(gòu)的電路很容易 受到電壓影響，而且當電壓幅值高到一定程度的時候，還會導致毀滅性的破壞，傳統(tǒng)的直接 施加脈沖讀寫憶阻器的方法，在實際中很難達到理想的效果?；趹涀杞徊婕軜?gòu)的電路不 僅需要保護，還需要很強的容噪能力。相對于二級存儲，憶阻器的多級存儲更為困難，因為 對阻值的控制要求更高，而且對噪聲更為敏感。密歇根大學采用憶阻交叉架構(gòu)和CMOS相結(jié) 合的系統(tǒng)成功實現(xiàn)了二值圖像存儲，并通過串聯(lián)不同的電阻實現(xiàn)了十個灰度級的彩色圖像 存儲。這種多級存儲的實現(xiàn)原理是串聯(lián)電阻的分壓性質(zhì)，隨著憶阻器阻值r m接近串聯(lián)的電 阻阻值，作用在憶阻器上的電壓Vm也會隨之降低，也即是，如果串聯(lián)電阻的阻值為r，那么施 加的電壓源V最后作用在憶阻器上的電壓為V m= rmV(rm+r)。這種情況下憶阻器的最終寫 入阻值由串聯(lián)電阻控制，但實際電路里交叉架構(gòu)上的半選憶阻器（與目標憶阻器在同一行 或者同一列的憶阻器）會變相的加大串聯(lián)電阻的阻值，從而導致寫入噪聲。而且由于變換 串聯(lián)電阻的操作不便，使得憶阻交叉架構(gòu)的大規(guī)模讀寫難以實現(xiàn)。因此采用串聯(lián)電阻實現(xiàn) 多級存儲依舊存在很大的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于憶阻交叉架構(gòu)的圖片均值學習電路，本 發(fā)明將非線性憶阻器模型線性化處理，通過均值方法進行圖片寫入和識別，獲得比傳統(tǒng)均 值學習更好的抗噪能力和學習效果。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的，基于憶阻交叉架構(gòu)的圖片均值學習 電路，包括由憶阻器交叉架構(gòu)構(gòu)成的MMCA層和由憶阻器交叉架構(gòu)構(gòu)成的IMCA層，所述MMCA 層與IMCA層之間通過CMOS單元連接；所述CMOS單元根據(jù)輸入像素對應的阻值的均值和 MMCA層里存儲阻值的均值之間的差值，調(diào)整MMCA層里的憶阻器阻值，使MMCA層里存儲的阻 值趨近于輸入像素平均值對應的阻值；所述CMOS單元根據(jù)輸入像素對應的阻值和MMCA層 里存儲的阻值之間的誤差，調(diào)整IMCA層里的憶阻器阻值，當誤差值小于一定閾值時，IMCA 層里憶阻器的阻值增大，反之憶阻器的阻值減小。
[0006] 優(yōu)選的，所述MMCA層中的憶阻交叉架構(gòu)的行線和列線的端口處各設置有一個雙 晶體管結(jié)構(gòu)，與列線連接的雙晶體管結(jié)構(gòu)與CMOS單元連接。
[0007] 優(yōu)選的，所述IMCA層中的憶阻交叉架構(gòu)的行線和列線的端口處各設置有一個雙 晶體管結(jié)構(gòu)，與列線連接的雙晶體管結(jié)構(gòu)與CMOS單元連接；所述行線的端口處還設置有一 個求和電路；當學習電路處于圖片學習階段，行線連接雙晶體管結(jié)構(gòu)，當學習電路處于圖片 識別階段，行線連接求和電路。
[0008] 優(yōu)選的，所述求和電路的輸出端連接一個雙晶體管結(jié)構(gòu)，所述雙晶體管結(jié)構(gòu)的輸 出端連接一個憶阻器。
[0009] 優(yōu)選的，所述CMOS單元包括第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器、第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器、脈沖生成器和微 控制器；輸入信號經(jīng)第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸入到微控制器中，MMCA層里存儲的信息經(jīng)第 二數(shù)轉(zhuǎn)換器變換后輸入到微控制器中；所述CMOS單元根據(jù)輸入像素對應的阻值的均值和 MMCA層里存儲的阻值之間的差異，生成相應的反饋脈沖信號，調(diào)整MMCA層里的憶阻器阻 值，使MMCA層里存儲的阻值趨近于輸入像素平均值對應的阻值；所述CMOS單元根據(jù)輸入像 素對應的阻值和MMCA層里存儲的阻值之間誤差生成前饋脈沖信號，調(diào)整IMCA層里的憶阻 器阻值，當誤差小于一定閾值時，IMCA層里的對應的阻值增大，反之憶阻器的阻值減小。 [0010] 由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點：
[0011] 本發(fā)明所述方法基于多層憶阻交叉架構(gòu)，層與層之間立體疊加，不僅可以直接對 二值圖、灰度圖進行處理，還可以直接對彩色圖片進行處理，高效利用空間。憶阻交叉架構(gòu) 的讀寫電路中，采用時間片技術(shù)和均值學習算法，其中，利用憶阻器的閾值特性，進行時間 片的劃分，能夠使電路得到很好的保護，雙晶體管結(jié)構(gòu)有效抑制潛電路的產(chǎn)生，而均值學習 算法使電路對憶阻器的數(shù)學模型和計算的準確度的要求大大降低，同時也對電路誤差的容 忍程度更高，CMOS單元的并行處理可以有效縮減系統(tǒng)所需時間。
【附圖說明】
[0012] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進 一步的詳細描述，其中：
[0013] 圖1為多層憶阻交叉架構(gòu)的電路結(jié)構(gòu)圖；
[0014] 圖2為CMOS單元結(jié)構(gòu)圖；
[0015] 圖3為雙晶體管結(jié)構(gòu)圖；
[0016] 圖4為圖片處理過程，學習過程由（1) (2)⑶⑷標記，識別過程由（1) (2) (5)標 記；
[0017] 圖5為為憶阻器的讀電流對應的像素和阻值（a)對于二值圖，憶阻值被分為高阻 和低阻，分別表不1和0 ; (b)對16位的灰度圖，憶阻值被分為256個區(qū)間對應256個灰度 值；
[0018] 圖6為本文憶阻交叉架構(gòu)均值圖片學習與傳統(tǒng)均值學習的對比，（a)為原圖，（b) 為初始圖片，（c)為MCA中存儲的圖片，（d)為傳統(tǒng)均值方法存儲的圖片，（e)為MCA中圖片 和原圖的誤差，（f)為傳