Наноразмерный искусственный нейрон "интегрировать-и-сработать"
NANO-SIZED ARTIFICIAL NEURON "INTEGRATE-AND-FIRE"

Изобретение относится к области микроэлектроники, а именно к созданию интегрального элемента логики на основе многослойных структур из наноразмерных слоев металлов и изоляторов, который может выполнять роль искусственного нейрона в нейроморфных схемах.
Известно изобретение «Метод и система для нейронной цепи, основанной на мемристоре» (патент US №20120011092, опубл. 12.01.2012), которое содержит мемристор, интегрирующий входной ток и тем самым имитирующий изменение потенциала мембраны, и цепь, генерирующую выходной сигнал при достижении определенного потенциала. Устройство работает следующим образом. При подаче на вход токового сигнала мемристор начинает уменьшать свое сопротивление, в результате чего напряжение на его выходе начинает повышаться. При этом поскольку состояние мемристора после снятия напряжения сохраняется для имитации постепенного падения потенциала при отсутствии внешнего сигнала, через мемристор пропускается небольшой ток в обратном направлении, что приводит к постепенному увеличению его сопротивления. Если же в момент подачи очередного импульса напряжение на выходе превышает пороговое значение, то это вызывает срабатывание генератора выходного импульса. Таким образом, данное устройство позволяет имитировать функционал «интегрировать-и-сработать», то есть данное изобретение является аналогом предлагаемого технического решения. Однако недостатком данного изобретения является то, что это устройство является составным - то есть содержит в себе несколько разных компонентов, среди которых есть МОП-транзисторы. Это приводит к тому, что оно занимает большую площадь на чипе, может располагаться только в нижнем слое - на полупроводниковой подложке и, таким образом, сильно ограничивает компоновку конечного устройства. К тому же, данное устройство требует непрерывной подачи питания, что увеличивает энергопотребление.
Известно изобретение «Искусственный нейрон для искусственных нейронных сетей, имеющий транзистор с несколькими входами, подключенными к параллельно первому транзистору через резистивный элемент, содержащий материал, демонстрирующий варисторный эффект» (патент DE №10056283, опубл. 14.11.2000). Данное устройство содержит в себе транзистор, который подключен к нескольким резистивным элементам, имеющим сильную нелинейность вольт-амперной характеристики. Это позволяет реализовывать пороговую функцию срабатывания нейрона и тем самым частично реализует функцию «интегрировать-и-сработать», то есть данное изобретение является аналогом предлагаемого технического решения. Однако данное устройство не содержит механизма запоминания и релаксации накопленного сигнала, то есть не полностью реализует функционал биологического нейрона.
Известно изобретение «Искусственный ионный нейрон» (патент US №5172204, опубл. 30.09.1992). Данное устройство содержит в себе несколько МОП-транизисторов, в подзатворном диэлектрике которого содержатся подвижные ионы, которые могут перемещаться в ответ на внешнее электрическое поле, поданное на затвор, и тем самым изменять проводимость канала, приводя в итоге к срабатыванию транзистора. В итоге после накопления определенного заряда канал открывается, что вызывает срабатывание дальнешей цепи. Данное устройство также является аналогом предлагаемого изобретения, однако оно не обладает функционалом постепенного «ослабления» накопленного сигнала и тем самым не позволяет полностью реализовать функционал биологического синапса.
Известно изобретение «Полупроводниковая схема с использованием устройства с плавающим затвором для эмуляции процесса срабатывания нейрона» (патент US №20150254552, опубл. 10.09.2015), которое включает в себя контрольное устройство с плавающим затвором, изолированным от стока и истока, и позволяет аккумулировать заряд, эмулируя процесс накопления сигнала нейроном. Также изобретение содержит триггеры, которые срабатывают при превышении определенного уровня накопленного заряда и возвращающиеся в исходное состояние после срабатывания. Устройство содержит в себе первый и второй р-канальный МОП-транзистор, имеющие исток/сток, подключенные параллельно между первым узлом и линией питания, а также первый и второй инверторы, подключенные последовательно между первым узлом и затвором первого р-канального МОП-транзистора, где выход первого инвертора подключен к затвору второго р-канального МОП-транзистора для формирования первой петли обратной связи, где выход второго инвертора подключен к затвору первого р-канального МОП-транзистора через второй узел для формирования второй петли обратной связи, где сигнал от пресинаптического нейрона подается на затвор контрольного устройства и где выходной сигнал срабатывания берется с выхода первого инвертора. Принцип работы заключается в том, что во время подачи входного сигнала в плавающем затворе контрольного устройства накапливается заряд и при каком-то уровне заряда открывает его канал, что приводит к замыканию первого узла на нулевой потенциал. Это приводит к срабатыванию первого инвертора, закрывая второй р-канальный МОП-транзистор, а он, в свою очередь, открывает первый р-канальный МОП-транзистор, на выходе которого появляется искомый сигнал, и через который потенциал первого узла снова поднимается к исходному значению, возвращая систему в исходное состояние.
Данное изобретение является аналогом предлагаемого технического решения. Недостатком изобретения является то, что оно является составным, т.е. содержит большое число транзисторов. Как известно, высокопроизводительные транзисторы требуют монокристаллической подложки, то есть их необходимо располагать на плоскости, что приводит к большой занимаемой площади, невозможности делать трехмерные устройства, т.е., к примеру, располагать нейроны в слоях металлизации. Вторым недостатком является то, что данное устройство требует постоянной подачи питания для работы инверторов, что увеличивает энергопотребление.
2
3
2
Известно изобретение «Однокомпонентный искусственный нейрон, сделанный на основе мотовского изолятора, сеть искусственных нейронов и метод изготовления заявленного нейрона» (патент FR №3020487, опубл. 30.10.2015; патент WO №2015165809, опубл. 05.11.2015), которое включает в себя трехслойную структуру, содержащую в себе два металлических электрода из Pt, Mo, С, Al, Cu, легированного Si, Cu-Zn, Fe-C, Cu-Sn или RuO, SrRuO, CuS и т.д. Функциональным слоем является изолятор, который обладает моттовским переходом, то есть резким и обратимым увеличением проводимости при достижении определенного значения напряженности электрического поля в нем. Это приводит к тому, что через устройство кратковременно протекает большой ток, который регистрируется во внешней цепи как искомый сигнал срабатывания нейрона.
Данное изобретение является ближайшим аналогом предлагаемого технического решения, т.е. прототипом. Основным недостатком изобретения является то, что для реализации механизма запоминания и релаксации накопленного сигнала необходим внешний компонент - «электронный синапс», который в простейшем случае представляет собой резистор и подключен к нейрону. То есть для полноценной реализации функционала биологического нейрона необходимо составное устройство.
Задачей настоящего изобретения является создание максимально простого двухтерминального устройства, обладающего функционалом «интегрировать-и-сработать» по принципу действия биологического нейрона: накапливать входной сигнал и при превышении им определенного порога выдавать токовый сигнал во внешнюю цепь. При этом оно должно обладать зависимостью от частоты, амплитуды и длительности входных сигналов. Также данное устройство должно быть максимально простым - состоять всего из одной многослойной структуры, которая не требует монокристаллической подложки, могла бы быть сформирована в слоях металлизации и не требовала отдельной линии внешнего питания.
Технический результат достигается тем, что в наноразмерном искусственном нейроне на основе многослойной структуры, содержащем первый слой металла M1, первый слой изолятора И1, слой хранения заряда СХЗ, второй слой изолятора И2 и второй слой метала М2, первый слой изолятора И1 выполнен из материала с высокой степенью нелинейности вольт-амперной характеристики, причем такой, что сопротивление изолятора И1 резко падает при превышении заданной напряженности электрического поля, а второй слой изолятора И2 представляет собой тонкопленочный материал, характеризующийся возможностью обеспечения соответствующего заданного уровня тока (электрического сопротивления) через него для различных направлений протекания тока: из второго слоя металла М2 в слой хранения заряда СХЗ и в противоположном направлении.
Кроме того, первый слой металла M1 и второй слой метала М2 выполнены из проводящего материала, выбранного из группы, включающей: Al, W, Cr, Pt, Ni, NiSi, TiN, TaN, а толщина первого слоя металла M1 и второго слоя металла М2 составляет 5-50 нм.
Кроме того, второй слой металла М2 выполнен в виде отдельных контактных площадок, подключенных к различным входам нейрона.
Кроме того, первый слой изолятора И1 выбран из группы, включающей: материалы, испытывающие переход изолятор-металл на основе фазового перехода (к примеру, EuO), или перехода Пайерлса, или моттовского перехода; оксидные туннельные барьеры на основе одного или нескольких слоев оксидов; вакуумные пороговые переключатели; барьеры Шоттки; материалы с электронно-ионной проводимостью, причем толщина первого слоя изолятора И1 составляет 5-100 нм.
x
x
Кроме того, слой хранения заряда СХЗ не имеет прямого электрического контакта ни с первым слоем металла M1, ни со вторым слоем металла М2; имеет толщину 2-50 нм; выполнен из материала, выбранного из группы, включающей poly-Si, SiN, Al, W, Cr, TiN, TaN, HfO.
Кроме того, второй слой изолятора И2 (толщина и электронные свойства) подобран таким образом, чтобы обеспечить требуемое время зарядки/разрядки СХЗ в диапазоне 1 нс - 10 мин путем любого механизма токопереноса: прямое туннелирование, или туннелирование Фаулера-Нордгейма, или прыжковое туннелирование по ловушкам заряда, или инжекция Шоттки, или эмиссия Пуля-Френкеля.
2
2
3
2
x
2
x
Кроме того, второй слой изолятора И2 выполнен из материала, выбранного из группы, включающей SiO, AlO, HfO, HfAlO, TiO, HfTiO, и имеет толщину 1-10 нм.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена схема искусственного нейрона «интегрировать-и-сработать» в случае подключения к одному источнику входных импульсов.
На фиг. 2 изображена альтернативная схема искусственного нейрона «интегрировать-и-сработать» в случае подключения к нескольким различным источникам входных импульсов.
На фиг. 3 приведены примеры разверток напряжения и тока во время работы нейрона: а) развертка внешнего напряжения по времени, демонстрирующая три импульса напряжения с различными временными задержками; б) зависимость потенциала плавающего затвора от времени, при подаче на устройство импульсов напряжения; в) зависимость тока, регистрируемого во внешней цепи при подаче импульсов напряжения на структуру.
На фиг. 4 изображены профили потенциала через структуру в режиме подачи внешнего напряжения на исходную структуру и в момент срабатывания нейрона (а), а также во время разрядки СХЗ в отсутствие внешнего напряжения (б).
Устройство работает следующим образом.
Ключевыми особенностями для работы данного устройства являются возможность инжекции заряда в слой хранения заряда СХЗ (см. фиг. 1) через изолятор И2 и наличие сильной нелинейности вольт-амперной характеристики у изолятора И1, когда проводимость слоя резко возрастает после определенной напряженности поля.
В исходном устройстве при отсутствии внешнего напряжения в слое хранения заряда СХЗ сохраненного заряда нет и его потенциал равен нулю. При этом в обоих слоях изолятора отсутствует электрическое поле.
В момент подачи отрицательного напряжения на второй слой металла М2 в слоях изоляторов появляется электрическое поле (см. фиг. 3а)), причем напряженности полей пропорциональны диэлектрической проницаемости и толщине каждого слоев. Последнее дает возможность настраивать необходимый профиль потенциала для достижения необходимых напряжений срабатываний устройства.
При появлении напряженности поля в слое изолятора И2 через него происходит перенос заряда в слой СХЗ (см. фиг. 3а)), в результате чего потенциал СХЗ увеличивается (фиг. 3б)) и во внешней цепи регистрируется ток зарядки (фиг. 3в)). Скорость нарастания потенциала зависит от величины поданного напряжения и времени его приложения. Однако если за время подачи внешнего напряжения падение потенциала через слой изолятора И1 не достигло порогового, то срабатывания устройства не происходит. После того как внешнее напряжение убрано, происходит обратный процесс - разрядка СХЗ через изолятор И1 (фиг. 3б)), что приводит к уменьшению его потенциала (фиг. 3б)) и появлению небольшого тока разрядки (фиг. 3в)). Важнейшим параметром является скорость зарядки/разрядки слоя СХЗ через изолятор И1. Она должна настраиваться на требуемую величину путем управления уровня тока через изолятор - комбинацией увеличения или уменьшения толщины, количества дефектов в слое и его диэлектрической проницаемости.
1
2
В случае если скважность внешних сигнала больше, чем время полной разрядки СХЗ (Δ, фиг. 3а)), то во время начала второго импульса состояние структуры аналогично исходному и картина протекающих процессов полностью повторяет описанное выше. Если же до начала второго импульса СХЗ не успел разрядиться до конца (Δ, фиг. 3а)), то во время второго импульса потенциал СХЗ вырастет до больших значений, чем во время первого импульса. При этом в какой-то момент падения потенциала через изолятор И1 может превысить пороговое значение, после которого проводимость слоя резко возрастает, и это приведет к тому, что через него заряд из СХЗ стечет во внешнюю цепь, создав тем самым всплеск тока, или, другими словами, искомый «спайк» (фиг. 3в)). После этого все процессы начинаются заново.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет создать элемент интегральной микросхемы, который обладает функционалом «интегрировать-и-сработать», при этом данное устройство может обладать минимальными размерами, не требует внешнего питания и может быть сформировано в слоях металлизации.
Преимущества данного устройства над прототипом состоят в том, что использование тонкопленочного материала в качестве второго слоя изолятора позволяет получать различные характерные времена зарядки/разрядки цепи слоя хранения заряда - различный RC-параметр, в то время как у прототипа данный параметр не поддается регулировке. Это достигается тем, что через тонкопленочный материал возможна реализация различных механизмов переноса заряда, таких как прямое туннелирование, туннелирование Фаулера-Нордгейма, прыжковое туннелирование по ловушкам заряда, инжекция Шоттки, эмиссия Пуля-Френкеля. В прототипе же для зарядки/разрядки используется прямое протекание тока через резистор, что не дает возможности получать разный RC-параметр для этих процессов.
К примеру, при использовании в предлагаемом устройстве инжекции Шоттки величины токов зависят от высот электронных барьеров на границах раздела М2/И2 и И2/СХЗ, и при использовании различных материалов в качестве М2 и СХЗ возможно получение разных барьеров, а следовательно, токов. Другим примером является использование для инжекции заряда в СХЗ механизма туннелирования Фаулера-Нордгейма, которое достигается при сравнительно большом падении потенциала в слое изолятора И2, в то время как в процессе хранения заряда в СХЗ из-за меньшего падения потенциала в слое изолятора И2 возможна реализация механизма прямого туннелирования электронов, что приводит к существенно меньшему току и большему RC-параметру.
Вне зависимости от конкретного исполнения, различные параметры RC открывают широкие возможности конструирования устройств, содержащих в своем составе предлагаемые искусственные нейроны. Так, к примеру, в искусственных нейронных сетях скважность входных устройств («спайков») может варьироваться в широких пределах, и искусственный нейрон должен быть «настроен» для срабатывания на используемые сигналы сети.
2
2
Вторым преимуществом является то, что в качестве первого слоя изолятора И1 предлагается использование большего класса материалов, имеющих сильную нелинейность вольт-амперной характеристики. Это может позволить сделать устройства с лучшей совместимостью с техническим процессом изготовления современных КМОП-устройств. Так, в качестве изолятора И1 можно использовать слаболегированные оксиды переходных металлов, к примеру HfO, легированный Ag, в которых вызывается энергозависимое образование проводящей дорожки Ag. При этом, так как HfO уже интегрирован в производственный процесс, устройства на его основе требуют гораздо меньших затрат при интеграции.
Перечисленные выше преимущества в сравнении с техническим решением, описанным в прототипе, позволяют упростить устройство, уменьшить в размерах и энергопотреблении, а также упростить схемотехнику конечных устройств, созданных с использованием предлагаемого устройства.