СИНАПТИЧЕСКИЙ РЕЗИСТОР Российский патент 2019 года по МПК G06N3/63 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к широкому кругу электронных устройств памяти для искусственных нейронных сетей (ИНС), особенно таких, которые способны к программируемому изменению величины силы (весового коэффициента) синаптической связи в процессе своей работы.

Уровень техники

ИНС нашли широкое применение в устройствах адаптивного управления и распознавания образов. Возможности ИНС во многом определяются количеством содержащихся в ней узлов, и наблюдается тенденция к их увеличению для решения всё более сложных задач. Применение ИНС в конкретных устройствах предполагает их предварительное обучение. Организация обучения при всё возрастающем количестве узлов в сети является ключевой проблемой всей парадигмы использования ИНС. Обучение заключается в решении задачи оптимизации величин сил синаптических связей между узлами при воздействии на ИНС входного паттерна для получения известного выходного паттерна. Эта задача может быть решена в рамках цифровых компьютерных технологий, однако скорость обучения в таких системах катастрофически падает с ростом количества узлов. Другой подход заключается в эмулировании работы нейрона с использованием аналоговых транзисторных схем. В этих схемах синаптическая связь между узлами строится на основе КМОП транзисторов и электрических (сегнетоэлектрических) конденсаторов, выполняющих роль кратковременных запоминающих ячеек аналоговой памяти при обучении ИНС. Однако и этот подход в силу недостаточной точности и большой сложности электрических схем не даёт существенного преимущества перед цифровыми компьютерными технологиями. Третий подход заключается в использовании вместо КМОП транзисторов и конденсаторов плёнок редокс-активных материалов, электрическая проводимость которых может изменяться на несколько порядков при насыщении их ионами определённого типа. Основной недостаток синаптических резисторов из таких материалов заключается в их низком быстродействии из-за низкой подвижности ионов в твёрдых телах при комнатных температурах. Подход, предлагаемый в заявляемом изобретении, заключается в использовании явления фазового перехода изолятор-металл в поликристаллических плёнках диоксида ванадия (VO₂).

В VO₂ температура фазового перехода составляет около 341 К. При одной и той же температуре, близкой к температуре фазового перехода, удельное сопротивление VO₂ может быть различным в широком диапазоне (около 40 дБ). Предлагаемое устройство основано на поликристаллических плёнках VO₂, сопротивление которых при температуре вблизи температуры фазового перехода изолятор-металл можно контролируемо изменять путём теплового воздействия электрическим током.

Аппаратная реализация ИНС сталкивается с проблемой создания простого и быстродействующего устройства, выполняющего функцию синапса в биологических нейронах. Синаптические устройства (устройства, имитирующие синапс) были реализованы на основе КМОП технологии (например, патент US6023422A) и с использованием редокс-активных материалов (например, патенты US4839700A, US4945257A, US2011182108A1 и WO2015154695A1). В настоящее время ведутся попытки создать устройства синаптической связи на основе многоуровневых ReRAM ячеек (например, патент WO2010085241A1). Однако пока такие устройства обладают малым количеством состояний (~10-12 состояний), что недостаточно для эффективной работы ИНС.

Наиболее подходящим прототипом заявляемого изобретения является твердотельное электрически программируемое резистивное устройство на основе редокс-активного материала, описанное в патенте US4839700A. Устройство состоит из входного, выходного и управляющего металлических электродов, расположенных на диэлектрической подложке. Входной и выходной электроды электрически соединены между собой слоем диэлектрического редокс-активного материала. Проводимость этого материала изменяется при изменении концентрации в нём заряженной примеси. Концентрацию заряженной примеси в слое диэлектрического материала можно изменять путём подачи положительного или отрицательного напряжения на управляющий электрод относительно входного или выходного электрода. Быстродействие устройства ограничено дрейфовой скоростью ионов в редокс-активном материале и составляет порядка 1 минуты для изменения сопротивления устройства в 10 раз. Такие скорости мало приемлемы для существующих в настоящее время электронных устройств. Кроме этого, наличие в данном устройстве управляющего электрода требует формирования в матрице ИНС дополнительных электрических шин, что усложняет изготовление сети. В отличие от прототипа, предлагаемое синаптическое устройство обладает в ~10⁵ раз более высоким быстродействием, и, хотя формально является трёхполюсником, фактически соединяет вход и выход как двухполюсник, поскольку общий электрод, относительно которого подаются все электрические потенциалы, является общим для всех синаптических устройств в ИНС. Поэтому нет необходимости изготовления дополнительных управляющих шин, как в прототипе. Эти преимущества, заявляемого синаптического устройства, обусловлены использованием в устройстве функционального материала, изменяющего своё сопротивление под действием внешних электрических импульсов – поликристаллической пленки VO₂, которая обладает фазовым переходом изолятор-металл при температуре чуть выше комнатной (341 К). Более того, наличие главной и малых петель гистерезиса на зависимости сопротивления от температуры позволяет управлять сопротивлением плёнки VO₂ посредством входного или выходного электрода устройства.

Раскрытие сущности изобретения

Устройство представляет собой электрический трёхполюсник, состоящий из трёх компонентов (Фиг. 1): двух нагревательных элементов H1 и H2 (компоненты H1 и H2) и плёночного резистора V (компонент V) на основе поликристаллической плёнки VO₂. Все три компонента находятся в непосредственной близости друг от друга, допускающей теплообмен между ними. Схема электрического соединения компонентов в устройстве показана на Фиг. 2. B1 и B2 – входной (выходной) и выходной (входной) электроды, на которые подаются (принимаются) электрические сигналы. Волнистыми стрелками показаны направления теплопередачи между компонентами устройства. Все три компонента имеют общую точку соединения X (соединение компонентов по типу «звезда»). Компонент V соединён с общим электродом G, относительно которого подаются (принимаются) электрические сигналы с электродов B1 и B2. Устройство помещено в термостат с температурой T₀, которая ниже температуры T_C – температуры середины гистерезиса сопротивления при переходе изолятор-металл в плёнке VO₂ (компонент V) (Фиг. 3). Сопротивления R_H1 и R_H2 нагревателей H1 и H2 выбираются намного больше сопротивления R_V компонента V, то есть R_H1,H2>>R_V. Сопротивление плёнки VO₂ (компонент V) при фиксированной температуре в области фазового перехода может принимать непрерывный спектр значений, ограниченный размерами главной петли гистерезиса. Сущность технического решения заключается в близком расположении компонента V и нагревательных элементов H1 и H2, допускающем взаимный эффективный теплообмен, и в способе управления этим теплообменом. Способ управления теплообменом электрическими импульсами показан на Фиг. 4. Термостат разогревает устройство внешним тепловым источником до температуры T₀, которая, в качестве примера, выбрана вблизи начала гистерезиса сопротивления плёнки VO₂ (около 320 К). На входной электрод устройства относительно общего электрода подаётся постоянное напряжение U₀. В цепи появляется ток через нагреватель H1 и компонент V. Поскольку сопротивление нагревателя H1 значительно больше сопротивления плёнки VO₂ (компонент V), то ток разогревает нагреватель H1 значительно сильнее, чем компонент V. Напряжение U₀ подбирается таким, чтобы из-за пространственной близости компонента V и нагревателя H1 и эффективного теплообмена компонент V разогревался до температуры вблизи температуры середины гистерезиса сопротивления T_C (около 335 К), при которой сопротивление компонента V соответствует точке 0 на Фиг. 4. При температуре T_C компонент V может иметь любое значение сопротивления внутри главной петли гистерезиса и находиться в этом состоянии сколь угодно долго. При дополнительной подаче на вход B1 импульсов напряжения разной полярности и амплитуды U_P можно двигаться вдоль вертикальной прямой T=T_C как вверх, так и вниз. Например, при подаче импульса U_P1 той же полярности, что и U₀ (то есть, положительного импульса), происходит переход из точки 0 в точку 1 по малой петле гистерезиса. Последовательно увеличивая амплитуду импульса, можно перейти в точку 2, а затем – в точку 3. Для того чтобы сместиться по сопротивлению в обратную сторону, например, в точку 4, необходимо подать импульс обратной полярности (отрицательный импульс). Увеличив амплитуду отрицательного импульса, можно перейти в точку выше по сопротивлению – точку 5. Однако амплитуда отрицательного импульса U_P должна удовлетворять условию |U_P|≤|U₀|. При подаче отрицательного импульса амплитуды U_P такой, что выполняется равенство |U_P|=|U₀|, сопротивление компонента V вернётся в точку 0. Чем выше амплитуда импульса напряжения, тем больше разность между текущим сопротивлением и последующим сопротивлением компонента V. Второй нагревательный элемент H2 используется аналогично первому H1 при подстройке сопротивления компонента V со стороны выхода B2 устройства. Эта возможность важна для реализации алгоритма обучения ИНС методом обратного распространения ошибки.

Устройство способно выполнять функцию синаптической связи, которая заключается в том, что, если на входной электрод подать электрический сигнал, то на выходном электроде появится электрический сигнал, пропорциональный сопротивлению компонента V. При использовании устройства в качестве синаптической связи в ИНС вход B1 и выход B2 соединяют два узла сети. В ИНС возможны два режима функционирования устройства: режим обучения сети и режим обработки информации. В режиме обучения сети амплитуда входного сигнала должна быть достаточной для заметного разогрева нагревательных элементов (H1, H2) и изменения величины сопротивления компонента V. В режиме обработки информации амплитуда входного сигнала должна быть значительно ниже обучающих импульсов, чтобы быть недостаточной для заметного разогрева нагревательных элементов (H1, H2) и изменения величины сопротивления компонента V. В процессе работы ИНС при подаче входного информационного сигнала в виде импульса напряжения на входной электрод B1 выходным сигналом будет импульс напряжения на выходном электроде B2 относительно общего электрода G. Амплитуда выходного импульса напряжения будет пропорциональна текущему сопротивлению плёнки VO₂ (компонента V). Таким образом, величина силы синаптической связи между узлами ИНС определяется величиной сопротивления компонента V.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1. Основные компоненты устройства. H1 – нагревательный элемент 1, H2 – нагревательный элемент 2, V – поликристаллическая плёнка VO₂.

Фиг. 2. Электрическая схема включения компонентов устройства. B1 – входной (выходной) электрод, B2 – выходной (входной) электрод, X – средний электрод, G – общий электрод. Волнистыми стрелками показаны направления теплопередачи. T₀ – температура термостата.

Фиг. 3. Зависимость сопротивления R_V плёнки VO₂ (компонент V) от температуры. Сопротивление плёнки при температуре 296 К принято за 100%.

Фиг. 4. Последовательное изменение сопротивления R_V плёнки VO₂ (компонент V) управляющими импульсами напряжения U_P. Точка 0 – исходное сопротивление плёнки на главной петле гистерезиса после подачи на вход устройства постоянного напряжения смещения U₀. Точки 1, 2, 3, 4 и 5 – промежуточные значения сопротивления плёнки внутри главной петли гистерезиса при подаче положительного импульса U_P1, затем положительного импульса U_P2, затем положительного импульса U_P3, затем отрицательного импульса U_P4, и, наконец, отрицательного импульса U_P5. T₀ – температура термостата.

Фиг. 5. Пример осуществления изобретения. 1 – поликристаллическая плёнка VO₂ (компонент V), 2 – сапфировая подложка, 3 – металлический электрод Ni/Au к плёнке VO₂ (контакт G), 4 – металлический электрод Ni/Au к плёнке VO₂ (контакт X), 5 – слой оксинитрида тантала TaN_1-yO_y (нагреватель H1), где величиной y задаётся электрическое сопротивление слоя оксинитрида тантала, 6 – слой оксинитрида тантала TaN_1-yO_y (нагреватель H2), 7 – слой диэлектрика SiO₂ между 1 и 5, 8 – слой диэлектрика SiO₂ между 5 и 6, 9 – слой диэлектрика SiO₂ между 6 и внешней средой, 10 – металлический электрод Ni/Au к слою TaN_1-yO_y (контакт X), 11 – металлический электрод Ni/Au к слою TaN_1-yO_y (контакт B1), 12 – металлический электрод Ni/Au к слою TaN_1-yO_y (контакт X), 13 – металлический электрод Ni/Au к слою TaN_1-yO_y (контакт B2).

Фиг. 6. Схема передачи аналогового сигнала в ИНС. Импульс напряжения Us передается c входа B1 (i-ый узел сети) на выход B2 (j-ый узел сети) устройства в виде импульса тока Is=ω_i,j×Us с весовым коэффициентом синаптической связи ω_i,j, который прямо пропорционален сопротивлению R_V (ω_i,j~R_V) поликристаллической плёнки VO₂ – компонента V устройства.

Осуществление изобретения

Пример осуществления изобретения показан на Фиг. 5. На подложке Al₂O₃ (0001) была выращена поликристаллическая плёнка VO₂ методом ионно-лучевого распыления-осаждения (IBSD – Ion Beam Sputtering Deposition). Толщина плёнки составляла 80 нм. Методом фотолитографии была сформирована микроструктура (Фиг. 5). Электроды B1, B2, G и X были нанесены методом термического распыления металлов Ni(10 нм)/Au(50 нм). Нагревательные элементы H1 и H2 были изготовлены в виде полосок из оксинитрида тантала (TaN_1-yO_y, где y – варьируемый параметр ростового процесса, от которого зависит слоевое сопротивление выращенных пленок), причем полоски нагревателей перекрывали область плёнки VO₂ между металлическими электродами G и X. Нагреватели H1, H2 и плёнка VO₂ были разделены слоем диэлектрика SiO₂ толщиной около 50 нм. Сопротивление нагревательных элементов H1 и H2 составляло R_H1=92 кОм и R_H2=114 кОм, а сопротивление плёнки VO₂ (компонент V) при комнатной температуре составляло R_V(296 К)=18.7 кОм. Термостат устройства разогревался до T₀=324 К внешней электрической печью. Сопротивление компонента V уменьшалось до R_V(324 К)=8.42 кОм, а сопротивление нагревателей H1 и H2 практически не изменилось. Затем постоянное напряжение смещения U₀=17.7 В было подано на вход B1 устройства. Сопротивление R_V уменьшилось до 3.47 кОм, что соответствовало температуре плёнки VO₂ равной 335 К. Эта температура попадает в область гистерезиса для выращенной плёнки VO₂. В качестве примера, была поставлена задача: путём подачи импульсов напряжения установить сопротивление компонента V равным 1.50 кОм. Для достижения целевого значения сопротивления сначала был подан положительный импульс амплитудой +8.9 В и длительностью 100 мкс. В результате сопротивление R_V уменьшилось до 0.81 кОм. Учитывая, что полученное сопротивление меньше целевого, был подан отрицательной импульс амплитудой -10.6 В. В результате сопротивление R_V стало равным 3.12 кОм. Затем снова был подан положительный импульс +3.5 В, и сопротивление R_V уменьшилось до 1.94 кОм. Затем импульс +4.6 В: сопротивление R_V стало 1.55 кОм. Затем импульс +4.78 В: R_V=1.52 кОм. Наконец, подав импульс +4.96 В, сопротивление R_V достигло 1.508 кОм. Отсюда видно, что путём последовательного приближения удалось установить сопротивление R_V(335 К)=1.508 кОм, то есть достигнуть целевого значения сопротивления с точностью выше 1%. Полученное значение сопротивления сохранялось неизменным с точностью около 1% в течение 1 часа. Для моделирования работы устройства в составе ИНС в режиме обработки информации выход B2 был соединён с нагрузочным сопротивлением R_L=100 Ом (Фиг. 6). Путём подачи импульсов различной амплитуды и полярности сопротивление R_V было перестроено так, чтобы принять значения близкие к целевым значениям: 150 Ом, 750 Ом и 3000 Ом. После каждой подстройки R_V под целевое сопротивление, информационный импульс амплитудой +0.500 В подавался на вход B1 и измерялась амплитуда импульса тока через нагрузочное сопротивление R_L. Полученные значения амплитуды тока следующие: 7.22 нА, 35.4 нА и 138 нА, соответственно. Видно, что выходной ток на нагрузочном сопротивлении R_L с точностью лучше 2% пропорционален сопротивлению R_V плёнки VO₂.

Изобретение относится к электрическому трёхполюсному устройству. Технический результат заключается в обеспечении управляемой синаптической связи между узлами сети. Устройство используется в аппаратных искусственных нейронных сетях в качестве управляемой синаптической связи между узлами сети и состоит из трёх компонентов, соединенных по схеме «звезда» и находящихся в непосредственной близости друг от друга для обеспечения теплообмена между ними: двух электрически нагреваемых элементов и плёночного резистора на основе поликристаллической плёнки диоксида ванадия, обладающей фазовым переходом изолятор-металл, при этом управление величиной силы синаптической связи осуществляется импульсами напряжения разной полярности, подаваемыми на электрически нагреваемые элементы. 6 ил.

Электрическое трёхполюсное устройство, которое может быть использовано в аппаратных искусственных нейронных сетях в качестве управляемой синаптической связи между узлами сети, состоящее из трёх компонентов, соединенных по схеме «звезда» и находящихся в непосредственной близости друг от друга для обеспечения теплообмена между ними: двух электрически нагреваемых элементов и плёночного резистора на основе поликристаллической плёнки диоксида ванадия, обладающей фазовым переходом изолятор-металл, и управление величиной силы синаптической связи осуществляется импульсами напряжения разной полярности, подаваемыми на электрически нагреваемые элементы.