Устройство для моделирования нейрона Советский патент 1992 года по МПК G06G7/60 

/ Изобретение относится к бионике и вычислительной технике и может быть использовано в качестве элемента нейроподобных сетей-для моделирования нейрофизиологических процессов в нервной системе, в устройствах обработки, анализа и распознавания образов, в системах управления интеллектуальными роботами, в параллельных нейрокомпьютерах.

Известно устройство, содержащее блоки формирования входных сигналов, генератор импульсов, усилитель, сумматоры, пороговый .блок, блоки согласования, дифференциальный усилитель и токоразрядный блок.

Недостатком указанного устройства является низкая стабильность параметров и.

как следствие, низкая точность моделирования, что обусловлено реализацией устройства на элементах аналоговой техники.

Известна также модель нейрона, содержащая N блоков изменения сйнаптических весов, сумматор, схемы управления величиной порога,.блок сравнения уровня ритмической активности и блок усиления.

Недостатком данной модели является ее сложность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для моделирования нейрона, содержащее N блочков изменения сйнаптических весов, первые входы которых являются входами устройства, а выходы соединены с входами первого сумматора, второй сумматор и пять

интеграторов, выход первого сумматора подключен к первому входу первого интегратора, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход которого подключен к первому входу второго-интегратора, выход которого соединен с первыми входами третьего и четвертого интеграторов, выход третьего интегратора является выходом устройства, выход четвертого интегратора подключен к второму входу второго сумматора, к третьему входу которого подключен выход пятого интегратора, первый вход которого и второй вход второго интегратора подключены к одному управляющему входу устройства, вторые входы N блоков изменения синаптических весов и вторые входы первого, третьего, четвертого и пятого интеграторов соединены с другими управлякзщими входами устройства соответственно.,

Недостатком известного устройства является его высокая аппаратурная сложность, обусловленная использованием цифровых интеграторов. Каждь1й цифровой интегратор в своей минимальной конфигурации (работающий по формуле прямоугольников) содержит два сумматора, два регистра сдвига (подынтегральной функции и остатка), множительное устройство и квантователь. В результате аппаратурные затраты составят: 2+2(п+5) сумматоров, 2(п+5) регистров сдвига, (п+5) множительных устройств, (п+5) квантователей. Такой уровень сложности не позволяет при современном состоянии микроэлектронной технологии реализовать устройство в виде одной большой интегральной схемы, а следовательно, делает невозможным построение моделирующей нейроподобной сети, достаточной для практических целей размерности (10-10 элементов).

Целью изобретения является повышение достоверности моделирования путем представления переменных стохастическими последовательностями.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее N блоков изменения синаптических весов, где N количество синапсов в моделируемом нейроне, первые входы которых являются входами устройства, пространственный сумматор, входы которого подключены к выходам блоков изменения синаптических весов, введены первый и второй стохастические вычитатели, стохастический умножитель, стохастический преобразователь, регистр, компаратор, Логический блок, генератор стохастических констант и генератор случайных чисел, причем вход уменьшаемого первого стохастического вычитателя подключен к выходу пространственного сумматора, а выход подключен к первому входу стохастического умножителя, первый вход стохастического преобразователя подключен к выходу стохастического умножителя, второй вход подключен к первому выходу генератора случайных чисел, числовой выход стохастического преобразователя подключен к первому входу компаратора, а стохастический выход- к входу вычитаемото первого стохастического вычитателя и входу уменьшаемогр второго стохастического вычитателя, второй вход компаратора подклк)чен к выходу регистра, а выход компаратора подключен к первому входу логического блока, второй вход которого подключен к выходу второго стохастического вычитателя, а выход логического блока является выходом устройства, N+2 выходов генератора стохастических констант подключены соответственно к вторым входам N блоков изменения синаптических весов, второму входу стохастического умножителя и входу вычитаемого второго стохастического вычитателя, а вход генератора стохастических констант подключен к второму выходу генератора случайных чисел, третий и четвертый выходы которого подключены к стохастическим входам первого и второго стохастических вычитателей,

Для реализации предлагаемого устройства требуется 3 сумматора (из них 2 вычитателя), (fsI+1) умножителей (в том числе N блоков изменения синаптических весов, представляющих собой стохастические умножители), стохастический преобразователь, регистр, компаратор, логический блок, генератор стохастических констант и генератор случайных чисел, что в значительной степени упрощает его в сравнении с прототипом.

Кроме того, стохастический принцип организации вычислений в предлагаемом устройстве повышает его устойчивость к случайным сбоям (повышение надежности) и предотвращает тенденцию к нэкоплению ошибок округления, характерную для прототипа, как детерминированного устройства. ,л

На фиг. 1 приведена структурная схемй устройства для моделирования нейрона; на фиг. 2 - структурно-функциональная схема блоков изменения синаптических весов и пространственного сумматора; на фиг. 3 функциональная схема стохастического вычитателя; на фиг. 4 - функциональная сх;ема стохастического умножителя; на фиг. 5 функциональная схема стохастического преобразователя; на фиг. 6 - функциональная схема компаратора; на фиг. 7 -.фнукциональная схема логического блока; на фиг. 8 - функциональная схема генератора стохастических констант; на фиг. 9 - функциональная схема генератора случайных чисел.

Устройство для моделирования нейрона (фиг. 1) содержит N информационных входов 11, ..... 1м, которые подключены к первым входам соответствующих N блоков изменения синаптических весов 2i, ..., 2ы. Выходы последних подключены к N входам пространственного сумматора 3, выход которого подключен к входу уменьшаемого первого стохастического вычитателя 4. Выход первого стохастического вычитателя 4 подключен к первому входу стохастического умножителя 5, выход которого подключен к первому входу стохастического преобразователя 6. Числовой выход этого преобразователя подключен к первому входу компаратора 7, а стохастический выход - к входу вычитаемого первого стохастического вычитателя 4 и входу уменьшаемого второго стохастического вычитателя 8. Выход регистра 9 подключен к второму входу компаратора 7, выход которого подключен к первому входу логического блока 10, второй вход которого подключен к выходу второго стохастического вычитателя 8, а выход 11 логического блока 10 является выходом устройства. В устройство входит также генератор 12 стохастических кон.стант, N выходов 13i, 132, ..., 13ы которого подключены к вторым входам соответственно N блоков изменения синаптических весов 2i, 22, ... 2м. выход 14 подключен к второму входу стохастического умножителя 5, а выход 15 - к входу вычитаемого второго стохастического вычитателя 8. Устройство содержит также генератор 16 случайных чисел, имеющий четыре выхода. Первый выход reHepatopa 16 подключен к второму входу стохастического преобразователя 6, второй выход-к входу генератора 12 стохастических констант, третий и четвертый выходы - к стохастическим входам первого и второго стохастических вычитателей 4 и 8.

Каждый из N блоков изменения синаптических весов2i,22,...,2м(фиг.2) представляет собой стохастический умножитель (фиг. 4), в котором каждый из сомножителей представлен двумя линиями положительной и отрицательной полярности. Первые пары входов 111, 1i2, l2i, l22, ..., lNi, 1м2 блоков изменения синаптических весов 2i, 22...., 2N (фиг. 2) являются информационными входами устройства. Вторые napbi входов этих блоков являются входами синаптических весов и подключены соответственно к выходам 13ii, 13i2, 1321. 1322. .... 13N1. 13ы2 генератора 12 стохастических

констант 1. Выходы блоков 2i, 22 2ы

положительной полярности собраны на элементе ИЛИ 3i, а выходы отрицательной полярности - на элементе ИЛИ 32. Элементы ИЛИ 3i и 32 выполняют роль пространственного сумматора для стохастических переменных. Выходы 17i и 172 являются соответственно положительный и отрицательным выходами пространственного сумматора 3.

Стохастические вычитатели 4 и 8 (фиг. 3) содержат вход 18 уменьшаемого (18i - положительной и 182-отрицательной полярностей), вход 19 вычитаемого (19i отрицательной и 192 - положительной полярностей), стохастический вход 20, который подключен к входу элемента НЕ 21, элементы И 22i. 222, 22з, 224, элементы ИЛИ 23i и 232, выходы 24i и 242 которых являются соответственно положительными и отрицательными выходами стохастического вычитателя.

Стохастический умножитель 5 (фиг. 4) содержит вход 25 первого сомножителя (25i - положительной и 252 - отрицательной полярностей), вход 26 второго сомножителя (26i - положительной, 2б2 - отрицатель ной полярностей),элементы И 27i, 272. 27з, 27, элементы ИЛИ 28i и 282,выходы 29i и 292 которых являются соответственно положительным и отрицательным выходами стохастического умножителя 5.

Стохастический преобразователь б (фиг. 5) содержит первый вход 30 (30т положительной и ЗОа - отрицательной полярностей, которые подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам реверсивного счетчика 31), второй вход 32, являющийся входом случайных двоичных символов, который подключен к входу сдвигающего регистра 33, тактирующий вход 34, который подключен к тактирующим входам реверсивного счетчика 31 и сдвигающего perufCTpa 33, элементы И 35i, 352, ..., 35i no числу разрядов I реверсивного счетчика 31 и сдвигающего регистра 33, элемент ИЛИ 36, I входов которого подключены к выходам элементов И 35i, 352, ..., 35i, элементы И 37r и 372, выходы 38i и 382, которых являются соответственно положительным и отрицательным стохастическими выходами стохастического преобразователя 6, элемент НЕ 39, разрядные выходы 40i, 402, ..., 40i и знаковый выход 41 счетчика 31, в совокупности представляющие собой числовой выход стохастического преобразователя 6.

Компаратор 7 может быть реализован многими способами. Один из вариантовсхемы компаратора 7 для четырехразрядных чисел приведен на фиг. 6. Он содержит разрядные входы - прямые 42i, 422, 42з, 424 и инверсные 421,422,42з первого сравниваемого числа; разрядные входы - прямые 43i, 432,43з и инверсные 43i, 432,43з, 43 второго сравниваемого числа, входы знакового разряда - прямой 44,и инверсный 44 первого сравниваемого числа, первую группу элементов И 45i, 452, 45з, вторую группу элементов И 46i, 4б2,4бз; 4б4, элемент ИЛИ 47, третью группу элементов И 48i и 482, ВЫХОДЫ491 и 492 которых являются соответственно положительным и отрицательным выходами компаратора 7.

Логический блок 10 (фиг. 7) в простейшем случае содержит стохастические входы 50i - положительной и 502 - отрицательной полярностей, разрешающие входы 511 для положительной и 512 для отрицательной полярностей, два элемента И 52i и 522 для коммутации соответственно положительной и отрицательной-полярностей, выходы 53i - положительной и 532 - отрицательной полярностей.

Генератор 12 стохастических констант. (фиг. 8), вырабатывающий, например, семь стохастических констант (пять констант, соответствующих пяти синаптическим весам обеих полярностей, и две константы, соответствующие параметру инерционности а и порогу Q также обеих полярностей), содержит разрядные входы 54i. 542, 54з, 544 случайных чисел тактирующий вход 55, дешифратор 56, элементы ИЛИ 57i, 572, 57з, элементы задержки 58i, 582, 58з, 584, коммутатор 59, который имеет входы 60i, 602, ..., бОа стохастических констант, управляющие входы 611, 612, 61з для подачи кода номера входа коммутатора 59, управляющие входы 62i, 622, 62з, 624 для подачи кода номера выхода коммутатора 59 и выходы 63i, 632 положительной и отрицательной полярностей константы, соответствующей первому синаптическому весу, выходы бЗз, 634 положительной и отрицательной полярностей константы, соответствующей второму синаптическому весу и т.д. выходы бЗв, 63б,..., 63i4 соответственно положительной и.отрицательной полярностей констант трех оставшихся синаптических весов, параметра инерционности а и порога ft

Генератор 16 случайных чисел на I разрядов (фиг. 9) содержит I триггеров Т-типа 641, 642,..., 64|, (m-l) триггеров Д-типа 65n-i, 65i+265m, тактирующий вход 66, к которому подключены синхронизирующие входы всех m триггеров, выходы первых I триггеров 64i, 64264| являются разрядными выходами 67i, 672, ..., 67i генератора 16 случайных чисел.

Функционирование предлагаемого устройства основано на принципе стохастических вычислений, при котором все переменные и константы, участвующие в вычислениях, представляются в виде соответствующих стохастических последовательностей, в которых вероятность появления

единичного символа в каждой тактовой позиции отражает текущий уровень соответствующей переменной или константы, масштабируемых в фиксированном диапазоне (О, 1). Кодирование знака стохастических

последовательностей в предлагаемом устройстве осуществляется путем использования двух линий. Одна линия предназначена для передачи стохастических последовательностей положительной полярности, другая - для отрицательной полярности (на фиг. 1-9 они помечены знаками + ).

Устройство работает следующим образом.

В фиксированные моменты времени А t,, 1, 2, ..., синхронизируемые серией тактовых импульсов, на информационные входы 1i, 12, ....TN устройства (фиг. 1) поступает входные двуполярные стохастические последовательности-г/х11, 7х21,..., J/xni с выходов 11 других аналогичных устройств, входящих в общую моделирующую нейронную сеть. Эти последовательности поступают на первые входы соответствующих N

блоков изменения синаптических весов 2i, 22, ..., 2N, в качестве которых используются стохастические умножители (фиг. 2 и 4), В блоках 2i, 22,..., 2N осуществляется умножение входных последовательностей г/хи, J7x2,

..., j/xNi на соответствующие стохастические константы ,7/«, ;/л,-,г;/л/, которые играют роль синаптических весов нейрона и также представлены в виде стохастических последовательностей, поступающих на вторые входы блоков 2i, 22,.... 2ы с выходов 13i, 132, ..., 13N генератора 12 стохастических констант. Образованные в результате умножения взвеш.енные последовательности поступают далее на N входов (каждый представлен двумя линиями) пространственного сумматора 3, где они суммируются с образованием суммарной стохастической последовательности Щгл . Эта последоват ельность по двум линиям поступает на

вход уменьшаемого первого стохастичег ского вычитауеля 4. На вход вычитаемого блока 4 с выхода стохастического преобразователя 6 поступает стохастическая последовательность Jju, которая несет информацию о мембранном потенциале Ui моделируемой нервной клетки. Для функционирования стохастического вычитателя ему необходима опорная стохастическая последовательность с равномерным в диапазоне (О,1)законом распределения единичных символов. Такая последовательность вырабатывается генератором 16 случайных чисел и с его третьего выхода поступает на стохастический вход вычитателя 4. Последний формирует стохастическую последовательность разности , - j/ui, которая далее в стохастическом умножителе 5 умножается на стохастическую константу г, поступающую с выхода 14 генератора 12 стохастических констант и несущую информацию об инерционных свойствах нервной клетки. Полученная таким образом стохастическая последовательность с выхода умножителя 5 поступает на первый вход стохастического преобразователя 6, который путем накопления (интегрирования) выполняет функцию преобразования ее в цифровую величину мембранного потенциала Ui. Эта величина Ui затем снова преобразуется в блоке б в стохастическую последовательность ц1 и поступает на стохастическ,ий выход блока 6. Как и стохастический вычитатель, преобразователь 6 требует для своего функционирования опорную стохастическую последователь.ность с равномерным в диапазоне (О, 1) законом распределения единичных символов. Последняя вырабатывается также в генераторе 16 случайных чисел и с первого его выхода поступает на второй вход преобразователя 6. Для моделирования порогового зффекта нервной клетки из последовательности во втором стохастическом вычитателе 8 вычитается стохастическая последовательность rjftj, несущая информацию об уровне порога Сданного нейрона. Величина порога 6 является константой для данного нейрона и позтому в предлагаемом устройстве вырабатывается генератором 12 стохастических констант на его выходе 15. На стохастический вход вычитателя 8 с четвертого выхода генератора 16 случайных чцсел поступает опорная стохастическая последовательность с равномерным в диапазоне (О, 1) законом распределения единичных символов, С выхода стохастического выЧитателя 8 последовательность разности - поступает на выход 11 устройства только в том случае, если уровень мембранного потенциала Ui нейрона превышает величину порога в нейрона. Для этого в устройство введены блоки 7, 9 и 10. При .подготовке начальных

условий в регистр 9 в цифровой форме заносится величина порога О, равная цифровому зквивапенту стохастической константы вводимой в генератор 12 стохастических

5 констант. Компаратор 7 осуществляет сравнения уровней мембранного потенциала Ui, поступающего на его первый вход с числового выхода стохастического преобразователя 6, и порога в, поступающего

0 на второй вход компаратора 7 с разрядных выходов регистра 9. При превышении уровня мембранного потенциала Ui над уровнем порога дна выходе компаратора 7 появляется единичный сигнал, который

5 поступает на первый вход логического блока 10, разрешая выдачу на выход 11 устройства стохастической последовательности - 17е(. поступающей на второй вход логического блока 10.

0 Блоки изменения синаптических весов , 22, ,.., 2N и пространственный сумматор 3 (фиг. 2) работают следующим образом.

На каждый из N входов 1i, l2 1|м

устройства,-каждый из которых представлен

5 двумя линиями положительной и отрицательной полярностей In, 1l2, 121. 122, ...,

INI, 1N2, на первые пары входов блоков изменения синаптических весов 2i, 22, ...4 2м поступают входные стохастические последовательности , x2i,..., t/xNi. На вторые пары входов блоков 2i, 22, ..., 2м с парных выходов 13ii, 13i2, 1321, 1322, .... 13N1, 13м2 генератора стохастических констант поступают стохастические константы

5 у/)/ , , , соответствующие синаптическим весам yV, ), ..., уы. Блоки 2i, 22, .... 2м, функционирующие как стохастические умножители, осуществляют перемножение соответствующих пар последовательной0 стей J/X1I, 77/11, 21, /xNi V/NJ.

Положительные составляющие последовательностей произведений собираются затем элементом ИЛИ 3i, а отрицательные элементом ИЛИ 32. В соответствии с правилами стохастических вычислений элементы ИЛИ 3i и За выполняют неполное сложение стохастических последовательностей. Методическая погрешность, возникающая При такой организации

0 суммирования, компенсируется соответствующей корректировкой величин констант

rjp, JJifZi J//NI на этапе подготовки

устройства к работе. На выходах 17i ц 172 элементов ИЛИ 3i и 32 формируются положительная и отрицательная составляющие суммарной пocлeдoвateльнocти Jjy.

Работа стохастического сумматора (вычитателя) (фиг. 3) основана на случайном (С вероятностью ,5) выборе одной из еходных линий одной полярности в каждый такт времени. Элементы И 22i и 222 выбирают одну из линий 18i и 19i положительной полярности и сигналы с их выходов собираются элементом ИЛИ 23i, выход 24i которого является выходом положительной составляющей стохастической последовательности суммы, элементы И 22з и 224 выбирают одну из линий 182 и 192 отрицательной полярности и сигналы с их выходов собираются элементом ИЛИ 222, выход 242 которого является выходом отрицательной составляющей стохастической последовательности суммы. Элемент НЕ 21 инвертирует опорную случайную с равномерным законом распределения последовательность fi, поступающую на вход 20 сумматора с выхода генератора 16 случайных чисел. Отличие в организации стохастического вычитателя от сумматора заключается в перемене местами положительной и отрицательной линий уменьшаемого.

Работа стохастического умножителя 5 (фиг. 4) основана на свойстве элемента И осуществлять перемножение вероятностей. Элементы 1/127i и 272 служат для получения произведения однополярмых сомножителей, элементы И 27з и 274 - для получения произведения разнополярных сомножителей. Произведения последовательностей положительной полярности собираются элементом ИЛИ 28i, на выходе 29i которого формируется положительная составляющая последовательности произведения. Произведения последовательностей отрицательной полярности собираются элементом ИЛИ 282, на выходе 292 которого формируется отрицательная составляющая последовательности произведения.

Стохастический преобразователь 6 (фиг. 5) работает следующим образом.

Стохастическая последовательность с выхода умножителя 5 по положительной и отрицательной линиям поступает соответственно на счетные входы 30i и 302 реверсивного .счетчика 31, который осуществляет накопление (интегрирование) двоичных символов и тем самым преобразует входную последовательность в цифровую величину мембранного потенциал Ui. По входу 32 в сдвигающий генератор 33 с первого выхода генератора 16 случайных чисел поступает случайная с равномерным законом распределения последовательность двоичных символов, которая, сдвигаясь в регистре 33. образует на его разрядных выходах 2 , 2 ,..., 2 набор из I случайных равномерно распределенных последовательностей. Работа преобразователя 6 синхронизируется тактовыми импульсами,

поступающими на .его вход 34. В каждом временном такте Ati (, 1, 2, ...) двоичные переменные с разрядных выходов счетчика 31 поступают на первые входы элементов И 35i, 352, ..., 35i. На вторые входы этих элементов поступают двоичные переменные с разрядных выходов регистра 33 сдвига. Кроме того, элемент И 35i имеет (1-1) запрещающих входов, на которые поступают двоичные переменные с разрядных выходов 2 регистра 33

сдвига, элемент И 352 имеет (1-2) запрещающих входа,°на которые поступают двоичные переменные с разрядных выходов 2

2 , .... 2 регистра сдвига 33 и так далее, элемент И 35i-i имеет только один запрещающий вход, на который поступает двоичная переменная с разряда регистра 33 сдвига. Такое распределение запрещающих входов элементов И 35 позволяет обеспечить пропорциональность частоты опроса разрядов счетчика их весу, а также несовместимость появления единичных сигналов на выходах элементов И 35. Последнее обстоятельство дает возможность выполнять ело-. жение последовательностей, снимаемых с выходов элементов И 35, с помощью элемента ИЛИ 36. В результате функционирования схемы цифровая величина мембранного

потенциала Ui. формируемая в счетчике 31, вновь преобразуется в стохастическую последовательность г)ц, снимаемую с выхода элемента ИЛИ 36. Кодирование знака этой последовательности (разделение на

две линии) осуществляется с помощью элементов И 37i и 372 W элемента НЕ 39 при условии, что число Ui в счетчике 31 представлено в дополнительном коде.

Работа компаратора 7 (фиг. 6) основана

на цифровом сравнении величин Ui и 0в течение одного временного такта с помощью комбинационной логической схемы, реализующей логическую формулу (в качестве примера использованы четырехразрядные числа Ui и в

C 4 2j43i V 3i422432 V V451431422432423432 N/ V42i43i422432423433424434.

Двоичный сигнал с формируется на выходе элемента ИЛИ 47. Кодирование знака сигнала с осуществляется на элементах И 48i и 482 .в соответствии с логическим выражением

с сх44;. . X 44,

где 44 и 44 - соответственно прямой и инверсный входы знакового разряда числа Ui. Генератор 12 стохастических констант (фиг. 6) работает следующим образом. Э фиксированные моменты времени ti, задаваемые серией тактовых импульсов на входе 55, из генератора 16 случайных чисел на разрядные входы 54i, 542..S43, 54 дешифратора 56 поступают случайные числа )U| (для примера четырехразрядные). Возбуждение любого входа дешифратора 56 разрядом равномерно распределенного случайного числа являтся независимым событием, происходящим с вероятностью 0,5. При зтом случайные события, заключающиеся в возбуждении того или иного выхода дещифратора 56, будут происходить с вероятностью (0,5) (где m - число входов дешифратора 56). Случайные события, состоящие в возбуждении различных выходов дешифратора 56. являются несовместимыми и образуют полную группу, позтому вероятности появления зтих событий можно суммировать с помощью элементов ИЛИ 57i, 572, 57з. В приведенном примере реализации генератора стохастических констант , позтому вероятность появления единичного сигнала на любом выходе дешифратора 56 равна 2 . Из двоичных переменных, снимаемых с первого выхода дешифратора В6 (вход 60i; коммутатора 59), с выходов злёментов ИЛИ 57i, 572, 57з, и с входа 55 тактовых импульсов, .можно сформировать следующий набор констант, отличающихся между собой сепенью двойки: 2 - на первом выходе дещифратора 56 (вход 60i коммутатора); 2 - на выходе злемента ИЛИ 57i; 2 - на выходе элемента ИЛИ 572; 2 - На выходе злемента ИЛИ 57з; 2° на входе 55 тактовых импульсов. В описываемом примере генератор 12 должен выдавать семь стохастических констант (желательно статистически независимых), позтому в его схему введены элементы задержки 58i, 582, 58з, 584, кото. рые выполняют роль стохастической развязки и позволяют по крайней мере дважды (в различных точках схемы устройства) использовать одну величину константы на раз1ных выходах 63 коммутатора 59 (генераторо|и 12). Такимобразом, на входы 601,602. ...,688 коммутатора 59, а также по входу 55 генератора 12.поступают стохастические последовательности, соответствующие стоxactичecким константам 2, , 2, 2, . Коммутатор 59 должен обеспечить подклюг чение необходимых констант из указанного набора к своим выходам 3i, 32, ...,3t4(по две полярности на каждый Для этого у коммутатора 59 имеются адресные входы номера входа 611,612, 61з и номера выхода 621, 622, 62з, 624. Число адресных входов определяется ближайшим большим целым числом 1, удовлетворяющим неравенству 1 1од2 К (где 1( - количество входов (выходов) коммутатора 59). Программирова- .. ние коммутатора 59 осуществляется заранее путем установления соответствия между его входами 60 и выходами 63 с помощью адресных входов 61 и 62. В качестве koMMyTaTOpa 59 можйо использовать, например, серийную отечественную микросхему 1509 КП1, позволяющую скоммутировать в произвольном порядке 16 входов на 16 выходов по заданной программе. Работа генератора 16 случайных чисел (фиг. 7), выполненного на регистре, описывается соотношениями: -Zt : ; Z H;ZWrnH.,2I; Z, .... m, где Z - состояние разряда регистра. В целом процессы, протекающие в предлагаемом устройстве, описываются системой уравнений: (ui); ;4i Q(; ( //ii Q(Xl); / М /д Л Ги 7х1}; J i U1-H UI + 2 ( 7ui); /Yi(7ui)0( символом Q(YO обозначена операция преобразования некоторой цифровой величины YI, изменяющейся в диапазоне -1 5 YI S1, в соответствующую ей стохастическую последовательность „,, fslgnYi, если jUi lYil, , если; lYil где fi - случайные числа, равномерно распределенные в диапазоне (0,1); -л., если g(Ui-)-|o. если . Использование изобретения позволяет значительно (не менее, чем в 6 раз) упростить устройство при сохранении его функциональных возможностей. Кроме того. Применение стохастического принципа обработки информации делает предлагаемое устройство более адекватным моделируемому объекту - нейрону, повышает его над жность за счет большей устойчивости к случайным сбоям, предотвращает тенденцию к накоплению ошибок округления, характерной для детерминированных устройств, к которым принадлежит, в частности, и Ьрототип.

Формула изобретения Устройство для моделирования нейрона, содержащее N блоков изменения синаптических весов (где N - количество входных сигналов в моделирубмом нейроне), первые входы которых являются входами устройства, пространственный сумматор, N входов которого подключены к/ ыходам N блоков изменения синаптических весов, отличаю щ е е с я тем, что, с целью повышения достоверности моделиррв|Е1ния путем представления переменных стохастическими последовательностями, оно содержит первый и второй стохастические вычитатели, стохастический умножитель, стохастический npeoбpaэoвдтeлЬi регистр, компаратор, логический блок, генератор Стохастических констант и генератор случайных чисел, при чем вход уменьшаемого первого стохастического вычитателя подключен к выходу

пространственного сумматора, а выход подкл ючен к первому входу стохастического умножителя, первый вход стохастического преобразователя подключен к выходу стохастйческого умножителя, второй вход подключен к первому выходу генератора случайных чисел, числовой вход стохастического преобразователя подключен к первому входу компаратора, а стохастический

выход - к входу вычитаемого первого стохастического вычитателя и входу уменьшаемого второго стохастического вычитателя, второй вход компаратора подключен к выходу регистра, а выход компаратора подключен к первому выходу логического блока, второй вход которого подключен к выходу второго стохастического вычитателя, а выход логического блока является выходом устройства, N+2 выходов генератора

стохастических констант подключены соответст1зенно к вторым входам N блоков изменения синаптических весов, второму входу стохастического умножителя и входу вычитаемого второго стохастического вычитателя, а вход генератора стохастических констант подключен к второму выходу генератора случайных чисел, третий и четвертый выходы которого подключены к стохастическим входам первого и второго стохастических вычитателей.

J&

-I.

itt

Изобретение относится к бионике и вычислительной технике, и может быть использовано в качестве элемента нейроподобных сетей для моделирования нейрофизиологических процессов в нервной системе, в устройствах обработки, анализа и распознавания образов, в системах управления интеллектуальными роботами, в параллельных нейрокомпьютерах. Цель изобретения - повышение достоверности моделирования путем представления переменных стохастическими последовательностями. Для этого в устройство, содержащее блоки изменения сйнаптических весов, первые входы которых являются входами устройства, пространственный сумматор, N входов которого подключены к выходам N блоков из- ^менения сйнаптических весов, введены первый и второй стохастические вычитатели, стохастический преобразователь, регистр, компаратор, логический блок, генератор стохастических констант и генератор случайных чисел. При существенном упрощении устройство сохраняет все функциональные возможности прототипа, обладает более высокой надежностью, не содержит • механизм накопления ошибок округления. 9 ил.,

фцг,2

by 11

16i

fdz

20

Ш- Г9г

Фиг.з

2J,

222

232

22

а, 4fli Wfl Si «

SL

3

ЧииоМ ItrnH

Ы

;jji

л

зг

}}

3,

2,4

37,

Wi

:

34

Фиг. 7

фи8.В

Код f/ вшодо

I 62М2№

TfST

код

Фиг.З

«