Brevet FR3059805A1 — publié le 20180608

DISPOSITIF ET PROCEDE DE MODULATION, SYNAPSE ARTIFICIELLE COMPORTANT LEDIT DISPOSITIF DE MODULATION, PROCEDE DE PLASTICITE A COURT TERME DANS UN RESEAU DE NEURONES ARTIFICIELS COMPORTANT LADITE SYNAPSE ARTIFICIELLE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION Le domaine technique de l'invention est celui des réseaux de neurones artificiels, ou circuits neuromorphiques. La présente invention concerne un dispositif et un procédé de modulation, ainsi qu'une synapse artificielle comportant ledit dispositif de modulation et un procédé de plasticité à court terme dans un réseau de neurones artificiels comportant ladite synapse artificielle. Un domaine d'application de la présente invention est notamment le traitement du signal, par exemple le traitement d'images ou le traitement de signaux neuronaux. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION D'une manière générale, un réseau de neurones artificiels comporte une pluralité de neurones artificiels et une pluralité de synapses artificielles. Chaque synapse artificielle assure une connexion entre deux neurones artificiels. Chaque neurone artificiel est connecté à une pluralité d'autres neurones artificiels. Chaque synapse artificielle présente typiquement une conductance électriquement réglable et un poids synaptique proportionnel à sa conductance. Chaque neurone artificiel présente typiquement un potentiel, également appelé potentiel de membrane ou potentiel transmembranaire. Lorsqu'une synapse artificielle transmet une impulsion à un neurone artificiel, le potentiel du neurone artificiel est modifié en fonction du poids synaptique de la synapse artificielle. Par exemple, dans le cas d'une synapse artificielle excitatrice, plus le poids synaptique est important, plus le potentiel du neurone artificiel augmente. Au contraire, dans le cas d'une synapse artificielle inhibitrice, plus le poids synaptique est important, plus le potentiel du neurone artificiel diminue. 3059805 2 Si l'on considère une synapse artificielle donnée, connectant un premier neurone artificiel à un deuxième neurone artificiel, on entend par « impulsion présynaptique » une impulsion émise par le premier neurone artificiel et transmise par ladite synapse artificielle au deuxième neurone artificiel, et on entend par 5 « impulsion postsynaptique » une impulsion émise par le deuxième neurone artificiel. Dans ce cas, le premier neurone artificiel est également appelé neurone présynaptique, et le deuxième neurone artificiel est également appelé neurone postsynaptique. Plusieurs études se sont attachées à implémenter un mécanisme de plasticité à 10 long terme LTP (de l'anglais « long term plasticity ») pour les synapses artificielles. Selon ce mécanisme, le poids synaptique d'une synapse artificielle est modifié en fonction des impulsions émises par le neurone postsynaptique : - si, peu avant l'émission de l'impulsion postsynaptique, le neurone présynaptique a émis une impulsion, alors le poids synaptique de la 15 synapse artificielle augmente ; - sinon, le poids synaptique de la synapse artificielle diminue. Un tel mécanisme contribue en effet à permettre un apprentissage non-supervisé du réseau de neurones artificiels. On entend généralement par « apprentissage » le fait que le réseau de neurones artificiels apprend à traiter différents types de 20 motifs d'entrée, en convergeant vers un état final propre à chaque type de motif d'entrée. Un apprentissage est dit « non-supervisé » lorsque le réseau de neurones artificiels, à partir d'un motif qui lui est présenté, n'est pas forcé de converger vers un état final précis mais est laissé libre de converger vers n'importe quel état final. 25 Les articles intitulés « Variability-tolerant convolutional neural network for pattern recognition applications based on OxRAM synapses » (D. Garbin et al., IEDM 2014) et « Real-time decoding of brain activity by embedded Spiking Neural Networks using OxRAM synapses » (T. Werner et al., ISCAS 2016) ont par exemple décrit l'implémentation d'un mécanisme de plasticité à long terme LTP pour des synapses artificielles réalisées au moyen de mémoires résistives non- volatiles ayant chacune uniquement deux états résistifs distincts. Les articles 3059805 3 intitulés « Phase change memory as synapse for ultra-dense neuromorphic systems : application to complex visual pattern extraction » (M. Suri et al., IEDM 2011) et « Visual pattern extraction using energy-efficient "2-PCM Synapse" neuromorphic architecture » (O. Bichler et al., TED 2012) ont quant à eux décrit 5 l'implémentation d'un mécanisme de plasticité à long terme LTP pour des synapses artificielles réalisées au moyen de mémoires résistives non-volatiles ayant chacune au moins trois états résistifs distincts. Les réseaux de neurones artificiels connus sont toutefois sensibles au bruit. Ils ont en effet tendance, lorsque les motifs d'entrée sont bruités, à « apprendre du 10 bruit », ce qui dégrade leurs performances. RESUME DE L'INVENTION L'invention contribue avantageusement à permettre un apprentissage non-supervisé d'un réseau de neurones artificiels tout en améliorant la robustesse au 15 bruit dudit réseau de neurones artificiels. Un premier aspect de l'invention concerne un dispositif de modulation comportant : - au moins un dispositif memristif, et 20 - un bloc de contrôle, le dispositif de modulation ayant une conductance équivalente yi(t) réalisée par le au moins un dispositif memristif, et le bloc de contrôle ayant des moyens pour : - recevoir un signal d'horloge et réaliser une première modification de la conductance équivalente yi(t) à la réception de chaque signal d'horloge, 25 - recevoir une impulsion de tension d'entrée et réaliser une deuxième modification de la conductance équivalente yi(t) à la réception de chaque impulsion de tension d'entrée, les première et deuxième modifications étant de sens opposé. 3059805 4 Le dispositif de modulation selon le premier aspect de l'invention est avantageusement apte à implémenter un mécanisme de plasticité à court terme STP (de l'anglais « Short Term Plasticity »). 5 Outre les caractéristiques qui viennent d'être évoquées dans le paragraphe précédent, le dispositif de modulation selon le premier aspect de l'invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : 10 - La première modification en valeur absolue est préférentiellement strictement inférieure à la deuxième modification en valeur absolue. - Les moyens du bloc de contrôle pour réaliser la première modification de la conductance équivalente yi(t) comprennent des moyens pour 15 émettre une impulsion d'un premier type à destination du au moins un dispositif memristif, et les moyens du bloc de contrôle pour réaliser la deuxième modification de la conductance équivalente yi(t) comprennent des moyens pour émettre une impulsion d'un deuxième type à destination du au moins un dispositif memristif. Le bloc de contrôle n'est 20 ainsi apte à émettre que deux types distincts d'impulsions, ce qui simplifie l'électronique associée. - Le au moins un dispositif memristif est préférentiellement un dispositif CBRAM ou un dispositif OxRAM. 25 - Le dispositif de modulation comporte une pluralité de dispositifs memristifs réalisant la conductance équivalente yi(t) et les moyens du bloc de contrôle pour réaliser les première et deuxième modifications de la conductance équivalente yi(t) comprennent des moyens pour recevoir 30 une consigne d'un générateur de nombres pseudo-aléatoires. - Le dispositif de modulation comporte une pluralité de dispositifs memristifs réalisant la conductance équivalente yi(t) et les moyens du 3059805 5 bloc de contrôle pour réaliser les première et deuxième modifications de la conductance équivalente yi(t) comprennent des moyens pour émettre des impulsions à destination de la pluralité de dispositifs memristifs de manière que la pluralité de dispositifs memristifs se place dans un mode 5 de fonctionnement particulier dans lequel ils ont une stochasticité interne, lesdites impulsions étant déterminées en choisissant une combinaison des paramètres suivants : o largeur d'impulsion, o temps de montée et de descente de l'impulsion, 10 o amplitude de l'impulsion. Un deuxième aspect de l'invention concerne une synapse artificielle comportant un dispositif de modulation selon l'une quelconque des revendications précédentes. 15 Un troisième aspect de l'invention concerne un réseau de neurones artificiels comportant au moins un premier neurone artificiel apte à émettre une impulsion de tension d'entrée et connecté à un deuxième neurone artificiel par une synapse artificielle selon le deuxième aspect de l'invention. 20 Un quatrième aspect de l'invention concerne un procédé de modulation au moyen d'un dispositif de modulation selon le premier aspect de l'invention, le procédé comportant les étapes suivantes : - le bloc de contrôle réalise la première modification de la conductance 25 équivalente yi(t) à la réception de chaque signal d'horloge ; - le bloc de contrôle réalise la deuxième modification de la conductance équivalente yi(t) à la réception de chaque impulsion de tension d'entrée. Un cinquième aspect de l'invention concerne un procédé de plasticité à court 30 terme dans un réseau de neurones artificiels selon le troisième aspect de l'invention, le procédé comportant les étapes suivantes : 3059805 6 - le bloc de contrôle réalise la première modification de la conductance équivalente yi(t) à la réception de chaque signal d'horloge ; - le bloc de contrôle réalise la deuxième modification de la conductance équivalente yi(t) à la réception de chaque impulsion de tension d'entrée 5 émise par le premier neurone artificiel. L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. 10 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. - La figure 1 a montre un dispositif de modulation selon un premier mode de réalisation de l'invention. - La figure 1 b montre un dispositif de modulation selon un deuxième mode 15 de réalisation de l'invention. - La figure 2a montre une implémentation particulière du dispositif de modulation de la figure I a. - La figure 2b montre une implémentation particulière du dispositif de modulation de la figure I b. 20 - La figure 3 illustre un procédé de modulation au moyen d'un dispositif de modulation selon l'un des modes de réalisation de l'invention. - La figure 4a montre une synapse artificielle comportant un dispositif de modulation selon l'un des modes de réalisation de l'invention ainsi qu'un deuxième dispositif de modulation. 25 - La figure 4b montre une implémentation particulière de la synapse artificielle de la figure 2a. - La figure 5a montre une représentation schématique d'un réseau de neurones artificiels comportant des première, deuxième et troisième couches de neurones artificiels. 30 - La figure 5b montre un exemple de connexion des première et deuxième couches du réseau de neurones artificiels de la figure 5a, au moyen de synapses artificielles selon la figure 2a. 3059805 7 DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION DE L'INVENTION Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures 5 différentes présente une référence unique. Les figures 1 a et lb montrent respectivement un dispositif de modulation 11 selon des premier et deuxième modes de réalisation. Elles sont décrites conjointement. Le dispositif de modulation 11 selon l'un quelconque des modes de réalisation 10 comporte un bloc de contrôle Ct1 apte à : - recevoir un signal d'horloge clk, et - recevoir une impulsion de tension d'entrée Vin. Le signal d'horloge clk a une fréquence moyenne fixée et peut être régulier ou aléatoire, par exemple selon une loi de Poisson. 15 Le dispositif de modulation 11 selon l'un quelconque des modes de réalisation présente une conductance équivalente yi(t). Selon le premier de réalisation, le dispositif de modulation 11 comporte un unique dispositif memristif Mr1 et la conductance équivalente yi(t) est réalisée par cet unique dispositif memristif Mr1. 20 Selon le premier mode de réalisation, l'unique dispositif memristif Mr1 est préférentiellement de type multivalué, c'est-à-dire qu'il a au moins trois états résistifs distincts. Dans le cadre de la présente invention, les termes « multivalué » et « analogique » sont indifféremment employés. Un tel dispositif multivalué est par exemple une combinaison de deux mémoires résistives à changement de 25 phase PCRAM. Selon le deuxième mode de réalisation, le dispositif de modulation 11 comporte des premier et deuxième dispositifs memristifs Mr1, Mr2, qui réalisent la conductance équivalente yi(t). Selon le deuxième mode de réalisation, chaque dispositif memristif est préférentiellement de type binaire, c'est-à-dire n'ayant chacun que deux états résistifs distincts. De tels dispositifs binaires sont par 30 exemple des mémoires résistives OxRAM ou des mémoires résistives CBRAM. Selon une alternative non illustrée, le dispositif de modulation 11 pourrait 3059805 8 comporter trois dispositif memristifs ou plus, qui réaliseraient la conductance équivalente yi(t). Un dispositif memristif est un composant électronique à deux terminaux qui se 5 comporte comme une résistance ou une conductance, dont la valeur change dynamiquement avec l'application d'un courant ou d'une tension à ses bornes. Un dispositif de ce type peut être caractérisé par les équations suivantes : 1 = 1 .1 11 -= 1 (1,1 11 où G est la conductance du dispositif qui relie son courant d'entrée i à la tension à ses bornes y. Des dispositifs memristifs sont par exemple : 10 - les dispositifs RRAM (de l'anglais « Resistive Random Access Memory »), parmi lesquels les dispositifs CBRAM (de l'anglais « Conductive-Bridging RAM) et les dispositifs OxRAM (de l'anglais « Oxide resistive RAM ») ; - les dispositifs PCRAM (de l'anglais « Phase-Change RAM ») ; - les dispositifs MRAM (de l'anglais « Magnetic RAM »). 15 Chaque dispositif memristif du dispositif de modulation 11 est préférentiellement un dispositif CBRAM ou un dispositif OxRAM. Selon l'un quelconque des modes de réalisation, le bloc de contrôle Ct1 est apte à. 20 - réaliser une première modification de la conductance équivalente yi(t) à la réception de chaque signal d'horloge clk, et - réaliser une deuxième modification de la conductance équivalente yi(t) à la réception de chaque impulsion d'entrée Vin 25 Les première et deuxième modifications sont de sens opposé. Deux cas particuliers sont donc possibles : - soit la première modification est une augmentation de la conductance équivalente et la deuxième modification est une diminution de la conductance équivalente ; 3059805 9 - soit la première modification est une diminution de la conductance équivalente et la deuxième modification est une augmentation de la conductance équivalente. 5 La première modification qui a lieu à chaque signal d'horloge clk est préférentiellement strictement inférieure, en valeur absolue, à la deuxième modification qui a lieu à chaque impulsion d'entrée Vin. Selon l'un quelconque des modes de réalisation, le bloc de contrôle Ctl est 10 avantageusement apte à : - émettre une impulsion d'un premier type à destination de chaque dispositif memristif afin de réaliser la première modification de la conductance équivalente yi(t), et - émettre une impulsion d'un deuxième type à destination de chaque 15 dispositif memristif afin de réaliser la deuxième modification de la conductance équivalente yi(t). Le bloc de contrôle Ctl n'émet ainsi que deux types distincts d'impulsions électriques de programmation. Chaque première modification de la conductance équivalente yi(t) est obtenue grâce à une ou plusieurs impulsions du premier type, 20 et chaque deuxième modification de la conductance équivalente yi(t) est obtenue grâce à une ou plusieurs impulsions du deuxième type. Chaque impulsion du premier type présente notamment une même première durée et une même première amplitude. Chaque impulsion du deuxième type présente notamment une même deuxième durée et une même deuxième amplitude. On permet ainsi 25 que l'électronique associée au bloc de contrôle Ctl soit particulièrement simple. Selon le deuxième mode de réalisation, le bloc de contrôle Ctl réalise avantageusement les première et deuxième modifications de la conductance équivalente yi(t) via une consigne qu'il reçoit d'un générateur de nombres pseudo- 30 aléatoires PRNG. Les moyens du bloc de contrôle Ctl pour réaliser les première et deuxième modifications de la conductance équivalente yi(t) comprennent donc avantageusement des moyens pour recevoir une consigne d'un générateur de 3059805 10 nombres pseudo-aléatoires PNRG. Le bloc de contrôle Ct1 peut comporter le générateur de nombres pseudo-aléatoires PNRG, ou bien le générateur de nombres pseudo-aléatoires PNRG peut être séparé du bloc de contrôle Ct1. 5 La figure 2a montre un exemple d'implémentation du dispositif de modulation 11 selon le premier mode de réalisation de l'invention. Selon cet exemple, le dispositif de modulation 11 comporte un unique dispositif memristif Mr1 de type multivalué. La figure 2b montre un exemple d'implémentation du dispositif de modulation 11 10 selon le deuxième mode de réalisation de l'invention. Selon cet exemple, le dispositif de modulation 11 comporte une pluralité de dispositifs memristifs Mr1, Mr2, MrN de type binaire. Chaque mémoire résistive binaire est typiquement agencée en série avec un transistor. Alternativement, le dispositif de modulation 11 pourrait comporter une pluralité de dispositifs memristifs de type multivalué. 15 Le dispositif de modulation 11 selon l'un quelconque des modes de réalisation présente un premier mode, dit « mode lecture » et un deuxième mode, dit « mode écriture ». Le mode lecture est un mode durant lequel la conductance équivalente yi(t) ne peut pas être modifiée, à la différence du mode écriture. Quand le bloc de 20 contrôle Ct1 du dispositif de modulation 11 reçoit un signal d'horloge clk, il génère en mode écriture au moins une première impulsion de tension d'écriture qui réalise la première modification de la conductance équivalente yi(t). Quand le bloc de contrôle Ct1 du dispositif de modulation 11 reçoit une impulsion de tension d'entrée Vin, il génère en mode lecture une impulsion de tension de lecture qui se 25 propage à travers chaque dispositif memristif, et il génère en mode écriture au moins une deuxième impulsion de tension d'écriture qui réalise la deuxième modification de la conductance équivalente yi(t). La figure 3 illustre un procédé de modulation au moyen du dispositif de 30 modulation 11 selon l'un quelconque des modes de réalisation, dans le premier cas particulier où : 3059805 11 - la première modification de la conductance équivalente yi(t), qui est réalisée à la réception de chaque signal d'horloge clk, est une augmentation de la conductance équivalente yi(t), et - la deuxième modification de la conductance équivalente yi(t), qui est 5 réalisée à la réception de chaque impulsion de tension d'entrée Vin, est une diminution de la conductance équivalente yi(t). En l'absence de toute impulsion de tension d'entrée Vin, la conductance équivalente yi(t) du dispositif de modulation 11 passe typiquement de sa valeur minimale yrni,-, à sa valeur maximale ymax dans un temps de relaxation proportionnel 10 à TD, grâce aux premières impulsions de tension d'écriture 201 émises à la réception de chaque signal d'horloge clk. Deux signaux d'horloge consécutifs sont typiquement séparés par une durée AT. Dès que le dispositif de modulation 11 reçoit une impulsion de tension d'entrée Vin, sa conductance équivalente yi(t) diminue grâce à une ou plusieurs deuxièmes impulsions de tension d'écriture 202. 15 La diminution de la conductance équivalente yi(t), et donc les caractéristiques de la ou des deuxièmes impulsions de tension d'écriture 202, sont fonction d'un coefficient de diminution fp et du temps de relaxation TD. Le coefficient de diminution fp est tel que : 0 REVENDICATIONS1. Dispositif (11) de modulation comportant : - au moins un dispositif memristif (Mr1, Mr2), et - un bloc de contrôle (Ct1), le dispositif de modulation (11) ayant une conductance équivalente yi(t) réalisée par le au moins un dispositif memristif (Mr1, Mr2) et le bloc de contrôle (Ct1) ayant des moyens pour : - recevoir un signal d'horloge (clk) et réaliser une première modification de la conductance équivalente yi(t) à la réception de chaque signal d'horloge (clk), - recevoir une impulsion de tension d'entrée (Vin) et réaliser une deuxième modification de la conductance équivalente yi(t) à la réception de chaque impulsion de tension d'entrée (Vin), les première et deuxième modifications étant de sens opposé. 2. Dispositif (11) de modulation selon la revendication précédente caractérisé en ce que la première modification en valeur absolue est strictement inférieure à la deuxième modification en valeur absolue. 3. Dispositif (11) de modulation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que : - les moyens du bloc de contrôle (Ct1) pour réaliser la première modification de la conductance équivalente yi(t) comprennent des moyens pour émettre une impulsion d'un premier type à destination du au moins un dispositif memristif (Mr1, Mr2), et - les moyens du bloc de contrôle (Ct1) pour réaliser la deuxième modification de la conductance équivalente yi(t) comprennent des moyens pour émettre une impulsion d'un deuxième type à destination du au moins un dispositif memristif (Mr1, Mr2). 3059805 18 4. Dispositif (11) de modulation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le au moins un dispositif memristif (Mr1, Mr2) est un dispositif CBRAM ou un dispositif OxRAM. 5 5. Dispositif (11) de modulation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de dispositifs memristifs (Mr1, Mr2) réalisant la conductance équivalente yi(t) et en ce que les moyens du bloc de contrôle (Ct1) pour réaliser les première et deuxième modifications de la conductance équivalente yi(t) comprennent 10 des moyens pour recevoir une consigne d'un générateur de nombres pseudo-aléatoires (PRNG). 6. Dispositif (11) de modulation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de dispositifs 15 memristifs (Mr1, Mr2) réalisant la conductance équivalente yi(t) et en ce que les moyens du bloc de contrôle (Ct1) pour réaliser les première et deuxième modifications de la conductance équivalente yi(t) comprennent des moyens pour émettre des impulsions à destination de la pluralité de dispositifs memristifs (Mr1, Mr2) de manière que la pluralité de dispositifs 20 memristifs (Mr1, Mr2) se place dans un mode de fonctionnement particulier dans lequel ils ont une stochasticité interne, lesdites impulsions étant déterminées en choisissant une combinaison des paramètres suivants : - largeur d'impulsion, - temps de montée et de descente de l'impulsion, 25 - amplitude de l'impulsion. 7. Synapse artificielle (1) comportant un dispositif de modulation (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 30 8. Réseau de neurones artificiels comportant au moins un premier neurone artificiel apte à émettre une impulsion de tension d'entrée (Vin) et connecté à un deuxième neurone artificiel par une synapse artificielle (1) selon la revendication précédente. 3059805 19 9. Procédé de modulation au moyen d'un dispositif de modulation (11) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comportant les étapes suivantes : 5 - le bloc de contrôle (Ct1) réalise la première modification de la conductance équivalente yi(t) à la réception de chaque signal d'horloge (clk) ; - le bloc de contrôle (Ct1) réalise la deuxième modification de la conductance équivalente yi(t) à la réception de chaque impulsion de 10 tension d'entrée (Vin). 10. Procédé de plasticité à court terme dans un réseau de neurones artificiels selon la revendication 8, comportant les étapes suivantes : - le bloc de contrôle (Ct1) réalise la première modification de la 15 conductance équivalente yi(t) à la réception de chaque signal d'horloge (clk) ; - le bloc de contrôle (Ct1) réalise la deuxième modification de la conductance équivalente yi(t) à la réception de chaque impulsion de tension d'entrée (Vin) émise par le premier neurone artificiel. 20