[发明专利]一种基于STDP学习规则的低功耗非对称性可调突触电路

说明书

本发明请求保护一种基于STDP(Spiking‑Timing‑Dependent‑Plasticity)学习规则的低功耗非对称性可调突触电路，属于集成电路设计领域。该电路主要包括控制开关、信号变化电路以及权重更新电路等。控制开关接收来自神经元的脉冲信号后传递给信号变化电路，将脉冲信号转换成呈指数性变化的模拟信号，并在下一次脉冲信号到来时将变化后的信号传递给权重更新电路改变突触权重，其中突触权重电压存储在电容C3中。本突触电路整体呈上下对称的结构，上半部分结构用于实现STDP学习规则中突触权重增加的情况，下半部分结构用于实现突触权重减小的情况，上下两部分通过对电容C3进行充放电改变突触权重电压值，并通过调整偏置电压V_AP、V_AN和V_leakn、V_leakp改变突触权重学习窗口的形状，实现非对称性可调学习窗口。

技术领域

本发明属于集成电路设计领域，具体涉及一种基于STDP(Spike-Timing-Dependent-Plasticity)学习规则的低功耗非对称性可调突触电路。

背景技术

在神经网络结构中，大量不同神经元的轴突末梢可以到达同一个神经元的树突并形成大量突触。突触作为神经元之间的连接，可以调节神经网络结构中任意两个神经元之间的连接强度，突触的连接强度也称为突触权重，突触权重越大代表两个神经元之间的连接强度越强，反之突触权重越小代表连接强度越弱。大脑中的学习可以理解为突触连接强度随时间的变化过程，这种能力称为突触可塑性(Synaptic Plasticity)。对于突触可塑性的模拟，目前广泛采用的学习规则是脉冲时间依赖可塑性(Spike-timing DependentPlasticity,STDP)学习规则，突触权重将根据神经元发放脉冲的时间差改变，突触前后脉冲发放的相对时序将导致不同的突触变化过程，并且突触权重变化的结果可表示为突触前后脉冲时间差的函数，称为学习窗口(Learning Window)。

在构建脉冲神经网络的过程中，搭建一个简单、可复用的突触电路是至关重要的一步。对于突触电路的实现，目前存在有忆阻器，但忆阻器种类多，每一种忆阻器都需要不同的制作方法且具有不同的行为，对于突触电路的特性实现缺乏统一性。之前本发明人提出了一种根据STDP学习规则设计的结构简单的突触电路，但对于突触电路学习窗口的实现只体现了固定形状，为增加生物可行性以及电路的可扩展性，本发明在前发明的基础上改进了突触电路，使突触电路权重变化更稳定，并实现了突触电路的非对称性可调学习窗口。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种将突触权重电荷存储在电容上，并基于STDP学习规则计算突触权重，且可实现非对称性可调的权重学习窗口的突触电路。本发明的技术方案如下：

一种基于STDP学习规则的低功耗非对称性可调突触电路，所述突触电路包括上下结构对称的两部分电路，即上半部分电路和下半部分电路，上下两部分电路均包括：控制开关、信号变化电路以及权重更新电路，控制开关用于接收连接突触电路的神经元电路输出的脉冲信号，信号变化电路用于将接收的脉冲信号转换成呈指数变化的模拟信号，权重更新电路用于在脉冲信号到来时将经信号变化电路转换后的电压信号转换成电流信号对电容C3进行充放电，从而将突触接收的突触后神经元与突触前神经元发射的脉冲时间差转换成突触权重的变化，其中上半部分电路的信号变化电路为信号衰减电路，下半部分电路的信号变化电路为信号增加电路，其中所述上半部分电路的信号衰减电路的输入端与PMOS管M1的漏极相连接，信号衰减电路与权重更新电路通过控制开关相连接；其中所述下半部分电路的信号增加电路的输入端与PMOS管M8相连接，信号增加电路与权重更新电路通过控制开关相连接；所述权重更新电路通过对电容C3进行充放电改变电容C3上存储的电荷，从而改变突触权重电压值。