基于憶阻器的神經(jīng)突觸的設(shè)計(jì)

高 暢，李 彤，李 泉，王鐵鋼，范其香，倪曉昌

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津 300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

憶阻器是一個(gè)具有記憶功能的納米級(jí)器件[1]，它自問(wèn)世以來(lái)就被應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如超高熱度的人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、存儲(chǔ)器等，但是基于憶阻器對(duì)神經(jīng)突觸模擬的研究較少，特別是在神經(jīng)網(wǎng)路電路的仿真及硬件的實(shí)現(xiàn)方面，因此關(guān)于憶阻器對(duì)神經(jīng)突觸的模擬是科學(xué)家們向往的研究方向[2-3]。在生物學(xué)中，神經(jīng)系統(tǒng)具有高效敏捷的處理能力，這是源于突觸在神經(jīng)元之間進(jìn)行信息傳遞的作用[4]。憶阻器是與神經(jīng)突觸非常接近的仿生器件，憶阻器的摻雜層相當(dāng)于突觸前膜，不完全摻雜層相當(dāng)于突觸后膜，中間的交換層可以視為突觸間隙。當(dāng)憶阻器的外加電壓變化時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)使摻雜層的氧離子發(fā)生移動(dòng)，導(dǎo)致?lián)诫s層與不完全摻雜層所含的氧空位的數(shù)量發(fā)生變化，從而使憶阻器的電阻隨之變化。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，若神經(jīng)元受到刺激，神經(jīng)遞質(zhì)會(huì)傳遞給與其相連的后一個(gè)神經(jīng)元，導(dǎo)致后一個(gè)神經(jīng)元的狀態(tài)發(fā)生改變；若斷電憶阻器的阻值仍保持不變，神經(jīng)遞質(zhì)最后也會(huì)保留下來(lái)[5-6]。過(guò)去模擬一個(gè)神經(jīng)突觸的功能需使用多個(gè)電容和晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在僅需使用一個(gè)憶阻器就可以進(jìn)行神經(jīng)突觸的模擬。憶阻器的出現(xiàn)不僅減少了功耗，降低了成本，優(yōu)化了電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)還提高了實(shí)驗(yàn)效果[7]。

近幾年，各研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)憶阻器的特點(diǎn)建立各種模型，并根據(jù)模型建立相應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路，如2017年，西南大學(xué)的馮廣[8]對(duì)于憶阻值漂移現(xiàn)象提出了利用雙極性脈沖的對(duì)稱(chēng)性減少憶阻器因離子漂移產(chǎn)生的誤差。2018年，東北師范大學(xué)的林亞[9]提出了一種基于肖特基勢(shì)壘寬度調(diào)節(jié)的憶阻模型，通過(guò)調(diào)節(jié)耗盡層區(qū)的寬度，從而能夠連續(xù)地調(diào)節(jié)憶阻器的阻值。但是，目前關(guān)于利用憶阻器實(shí)物構(gòu)建電路的報(bào)道還很少。本文建立憶阻器的SPICE 模型，將其與其他器件連接，構(gòu)建突觸電路并進(jìn)行仿真，利用NiO 憶阻器實(shí)物進(jìn)行硬件電路的連接并驗(yàn)證突觸電路的特性。

1 憶阻器模型的建立及NiO憶阻器的制備

1.1 電路模型的建立及在PSPICE中的描述

二氧化鈦雙層憶阻器模型是由惠普公司研發(fā)的，摻雜層是摻雜氧空位的二氧化鈦層，即缺氧二氧化鈦層，電阻較小為RON；不完全摻雜層是無(wú)缺氧二氧化鈦層，電阻較大為ROFF。摻雜層的線性長(zhǎng)度用W 表示，憶阻器的長(zhǎng)度用D 表示。憶阻器兩端電壓計(jì)算公式為：

憶阻器的SPICE 模型原理圖如圖1所示。

圖1 憶阻器SPICE 模型原理圖

圖1中涉及的電壓源均由電壓控制，電流源均由電流控制。電阻Rser 相當(dāng)于式（1）中的RON，阻值為10 Ω，因阻值較小所以在串聯(lián)電路中可以忽略不計(jì)；電阻 Rstep 相當(dāng)于式（1）中的 ROFF，阻值為 1 kΩ，電流源Fcopy 為憶阻器的電流，流經(jīng)電阻Rstep 后可以得到Rstep 兩端的電壓，該電壓作為輸入端對(duì)電壓源Eres 進(jìn)行反饋，這樣阻值固定的ROFF與一個(gè)可控電壓源串聯(lián)，則能得到一個(gè)阻值可以由外部電壓控制的電阻，電阻Rstep兩端電壓為：

電阻Rsp 阻值無(wú)限大，這里采用1 000 MΩ 的電阻，因中間連接的電阻Rser 阻值很小，電流源Fcopy與電流源Gmem 上的電流值幾乎相同；電容Cmem 與電流源Gmem 連接組成一個(gè)積分器，對(duì)該電流進(jìn)行積分可得電容Cmem 兩端的電壓值[10-11]，電壓源Ecopy也表示該電壓，作為電壓源Eres 的另一個(gè)輸入端，由此構(gòu)建的模型使SPICE 的仿真更加穩(wěn)定。

采用PSPICE 語(yǔ)言對(duì)憶阻器的物理模型進(jìn)行描述，憶阻器作為一種新型器件，作為子電路連接于電路中，定義為＜.SUBCKT 子電路名 節(jié)點(diǎn) N1 N2 N3...＞[12-16]。憶阻器電路構(gòu)建程序如下：

.SUBCKT memristor1 1 2 6

Eres 1 9 POLY（2）（8，0）（10，0）0 0 0 0 1

Vsense 9 4 DC 0

Fcopy 0 8 Vsense 1

Rstep 8 0 1K

Rser 2 4 10

Gmem 6 0 VALUE={I（Vsense）*max（v（6，0）*（1-v（6，0）），0）}

Cmem 6 0 50nF

Ecpy 10 0 VALUE={min（max（v（6，0），0），1）}

Rsp 6 0 1000Meg

.ENDS

在PSPICE 軟件中對(duì)其進(jìn)行仿真，得到憶阻器電流與電壓之間的關(guān)系滯回曲線如圖2所示。

圖2 滯回曲線

1.2 NiO憶阻器的制備

在實(shí)驗(yàn)室中，利用磁控濺射方法在Si 襯底上制備N(xiāo)iO 憶阻器薄膜，濺射功率為150 W，工作氣壓為2 Pa，沉積時(shí)間為1 h，然后在400 ℃條件下退火30 min，得到NiO 憶阻器實(shí)物。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該電阻呈現(xiàn)出電阻隨著電壓變化也發(fā)生變化，得到了典型的帶有回環(huán)的V-I特性曲線，即為憶阻器實(shí)物。NiO 薄膜電學(xué)特性曲線如圖3所示。

圖3 NiO薄膜電學(xué)特性曲線

2 憶阻器的神經(jīng)突觸的建立及仿真

2.1 憶阻器的神經(jīng)突觸的建立

1983年，Henry Markram 提出突觸可塑性STDP 規(guī)則，即脈沖時(shí)間依賴(lài)可塑性規(guī)則[17-19]。他指出，神經(jīng)突觸興奮或抑制強(qiáng)度取決于前后神經(jīng)元被激勵(lì)的先后順序。若前神經(jīng)元先活動(dòng)，后神經(jīng)元接收到前神經(jīng)元傳來(lái)的信號(hào)后再活動(dòng)，則會(huì)增加前后兩神經(jīng)元之間的銜接水平，稱(chēng)為長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)（LTP）效應(yīng)；若后神經(jīng)元首先產(chǎn)生活動(dòng)然后再?gòu)那吧窠?jīng)元那里接收信號(hào)，這將削弱前后兩神經(jīng)元之間的銜接水平，稱(chēng)為長(zhǎng)時(shí)程抑制（LTD）效應(yīng)。憶阻器、外圍電路和突觸權(quán)重調(diào)整模塊組合的突觸裝置如圖4所示[20-21]。

圖4 突觸裝置

最初的SD 和SP 均為低電平，狀態(tài)節(jié)點(diǎn)SD 經(jīng)過(guò)非門(mén)I3 變?yōu)楦唠娖剑?dāng)突觸前神經(jīng)元信號(hào)PRE 先輸入權(quán)值增強(qiáng)電路時(shí)，與非門(mén)I4 輸出低電平，與之相連的晶體管MP1 導(dǎo)通，電壓V2 對(duì)電容C1 充電使其上升為高電平，因此只要有脈沖輸入就會(huì)一直保持高電平，與電容C1 相連的狀態(tài)節(jié)點(diǎn)SP 也上升為高電平。在權(quán)值抑制電路中高電平的SP 經(jīng)過(guò)非門(mén)I7 變?yōu)榈碗娖?，所以與非門(mén)I8 必定輸出高電平，晶體管MP2斷開(kāi)，突觸權(quán)值抑制電路不工作。當(dāng)停止PRE 脈沖信號(hào)的輸入時(shí)，電容C1 最先放電，經(jīng)過(guò)2 個(gè)晶體管MN2 和MN1。放電過(guò)程中突觸后神經(jīng)元信號(hào)POST到達(dá)電路，晶體管MN3 導(dǎo)通，使電容C1 通過(guò)晶體管MN3 對(duì)電容C2 進(jìn)行充電，電容C1 與電容C2 迅速變?yōu)橄嗤碾妷骸ｋ娐分械姆聪嗥鱅1 和I2 均有一定的翻轉(zhuǎn)電壓，在此充電過(guò)程中，當(dāng)電容C2 上的電壓比反相器I1 的翻轉(zhuǎn)電壓高時(shí)，反相器I2 則會(huì)輸出高電平。當(dāng)停止POST 脈沖信號(hào)的輸入時(shí)，晶體管MN3 斷開(kāi)，電容C1 則停止對(duì)電容C2 充電，電容C2 上的電壓逐漸降低，當(dāng)電容C2 上的電壓比反相器I1 翻轉(zhuǎn)電壓低時(shí)，反相器I2 則會(huì)輸出低電平，經(jīng)過(guò)一系列的過(guò)程，輸出端則會(huì)輸出相應(yīng)寬度的LTP 脈沖。

當(dāng)突觸后神經(jīng)元信號(hào)POST 先輸入權(quán)值抑制電路時(shí)，與非門(mén)I8 輸出低電平，與之相連的晶體管MP2 導(dǎo)通，電壓V3 對(duì)電容C3 充電使其上升為高電平，因此只要有脈沖輸入就一直保持高電平，與電容C1 相連的狀態(tài)節(jié)點(diǎn)SD 也上升為高電平。在權(quán)值增強(qiáng)電路中高電平的SD 經(jīng)過(guò)非門(mén)I3 變?yōu)榈碗娖剑耘c非門(mén)I4必定輸出高電平，晶體管MP1 斷開(kāi)，突觸權(quán)值增強(qiáng)，電路不工作。當(dāng)停止POST 脈沖信號(hào)的輸入時(shí)，電容C3最先放電，經(jīng)過(guò)2 個(gè)晶體管MN4 和MN5。放電過(guò)程中突觸后神經(jīng)元信號(hào)PRE 到達(dá)電路，晶體管MN6 導(dǎo)通，使電容C3 經(jīng)過(guò)晶體管MN6 對(duì)電容C4 進(jìn)行充電，電容C3 與電容C4 迅速變?yōu)橄嗤碾妷?。電路中的反相器I1 和I2 都有一定的翻轉(zhuǎn)電壓，充電過(guò)程中，當(dāng)電容C4 上的電壓比反相器I5 的翻轉(zhuǎn)電壓高時(shí)，反相器I6就會(huì)輸出高電平。當(dāng)停止PRE 脈沖信號(hào)的輸入時(shí)，晶體管MN6 斷開(kāi)，電容C3 則停止對(duì)電容C4 的充電，電容C4 上的電壓逐漸降低，當(dāng)電容C4 上的電壓比反相器I5 的翻轉(zhuǎn)電壓還低時(shí)，反相器I6 則會(huì)輸出低電平，經(jīng)過(guò)這一系列的過(guò)程，輸出端則會(huì)輸出相應(yīng)寬度的LTD 脈沖。

權(quán)值增強(qiáng)電路和權(quán)值抑制電路不能同時(shí)進(jìn)行操作，因?yàn)镾D 和SP 這2 個(gè)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)會(huì)通過(guò)電壓狀態(tài)來(lái)控制電路。如果PRE 信號(hào)先輸入，權(quán)值增強(qiáng)電路工作，高電平的SP 使權(quán)值抑制電路不工作，最終輸出LTP信號(hào)；如果POST 信號(hào)先輸入，權(quán)值抑制電路工作，高電平的SD 使權(quán)值增強(qiáng)電路不工作，最終輸出LTD 信號(hào)。在LTP 和LTD 電路中，一個(gè)周期分為9 個(gè)時(shí)間段，電壓V1～V9 對(duì)應(yīng)周期T1～T9，且電路中的電壓源V4、V5 的電壓在各個(gè)時(shí)間段的變化是相同的。對(duì)于V4和V5的設(shè)定值如表1所示，其中LTP 前神經(jīng)元刺激信號(hào)V4 的周期用（a）表示，后神經(jīng)元刺激信號(hào)V5 的周期用（b）表示；LTD 后神經(jīng)元刺激信號(hào)V5 的周期用（c）表示，前神經(jīng)元刺激信號(hào)V4 的周期用（d）表示。

表1 V4和V5的設(shè)定值

2.2 基于憶阻器的神經(jīng)突觸的仿真

突觸權(quán)值調(diào)整電路在不同PRE 和POST 信號(hào)間隔下的仿真如圖5所示。

圖5 突觸權(quán)值調(diào)整電路在不同PRE 和POST 信號(hào)間隔下的仿真

在 LTP 和 LTD 電路中，LTP 輸入電壓為 V（LTP input），LTD 輸入電壓為 V（LTD input），SP 點(diǎn)電壓為V（SP），SD 點(diǎn)電壓為 V（SD），LTP 輸出電壓為 V（LTP output），LTD 輸出電壓為 V（LTD output）。從圖5可知，仿真分為4 個(gè)時(shí)間段，在前2 個(gè)時(shí)間段中，第1 個(gè)是PRE 信號(hào)先到達(dá)，POST 信號(hào)間隔1 ms 后到達(dá)，節(jié)點(diǎn)SP 迅速上升為高電平，使得權(quán)值抑制電路不工作，權(quán)值增強(qiáng)電路產(chǎn)生12 ms 的LTP 脈沖；第2 個(gè)是PRE 信號(hào)到達(dá)，POST 信號(hào)間隔15 ms 到達(dá)，節(jié)點(diǎn)SP 又升為高電平，權(quán)值抑制電路仍不工作，權(quán)值增強(qiáng)電路產(chǎn)生11 ms 的LTP 脈沖。在后2 個(gè)時(shí)間段中，當(dāng)?shù)? 個(gè)POST 信號(hào)先到達(dá)，PRE 信號(hào)間隔1 ms 后到達(dá)，節(jié)點(diǎn)SD 迅速上升為高電平，使得權(quán)值增強(qiáng)電路不工作，權(quán)值抑制電路產(chǎn)生11 ms 的LTD 脈沖；第2 個(gè)POST 信號(hào)到達(dá)，PRE 信號(hào)間隔15 ms 后到達(dá)，節(jié)點(diǎn)SD 又升為高電平，權(quán)值增強(qiáng)電路仍不工作，權(quán)值抑制電路產(chǎn)生11 ms 的 LTD 脈沖。

3 神經(jīng)突觸硬件電路的實(shí)現(xiàn)

結(jié)合仿真電路及實(shí)驗(yàn)室制備N(xiāo)iO 憶阻器實(shí)物，搭建模擬神經(jīng)突觸實(shí)際電路，實(shí)際電路連接如圖6所示。硬件主要有P 溝道場(chǎng)效應(yīng)管、N 溝道場(chǎng)效應(yīng)管、2 個(gè)74LS00與非門(mén)和4 個(gè)74LS04 反相器。電路板I 為長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)電路和長(zhǎng)時(shí)程抑制電路，電路板II 用于連接憶阻器的外圍電路，電路板III 為實(shí)驗(yàn)室制備的NiO 憶阻器。采用0.01 pF 的貼片電容，借助連接板連接到電路中。

圖6 實(shí)際電路連接

在對(duì)電路板進(jìn)行調(diào)試時(shí)，主要用到信號(hào)發(fā)生器、示波器和直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源分別設(shè)置為1 Vdc、5 Vdc、2.5 Vdc 和 0.1 Vdc。在進(jìn)行周期脈沖激勵(lì)信號(hào)波形的調(diào)試時(shí)，首先要對(duì)信號(hào)發(fā)生器的通道進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置：CH1 通道和CH2 通道都選擇矩形波，周期設(shè)置為20 ms，占空比設(shè)置為0.048 82%，分別對(duì)應(yīng)示波器的黃色和藍(lán)色脈沖波形。然后對(duì)LTP 電路的輸出點(diǎn)out1 進(jìn)行測(cè)試，長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)模塊LTP 輸出波形如圖7所示。

圖7 長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)模塊LTP 輸出波形

示波器中out1 點(diǎn)輸出波形與仿真過(guò)程中LTP 電路中out1 點(diǎn)輸出波形（圖5）大致相同。當(dāng)前神經(jīng)元收到激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生活動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)電路（LTP）工作，長(zhǎng)時(shí)程抑制電路（LTD）不工作，SP 點(diǎn)產(chǎn)生放電效果，out1 輸出端口產(chǎn)生相應(yīng)波形。由于2 個(gè)模塊為互補(bǔ)關(guān)系，一個(gè)工作，另一個(gè)則不工作，所以產(chǎn)生的波形相同，只是波形對(duì)應(yīng)的周期不同。

通過(guò)上述仿真實(shí)驗(yàn)和硬件電路設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，憶阻器可以很好地進(jìn)行神經(jīng)突觸的模擬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的納米級(jí)憶阻器與傳統(tǒng)的CMOS 相比，減少了很多功耗，使電路更加簡(jiǎn)單。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于物理公式，編寫(xiě)了電路描述程序，并繪制了憶阻器的SPICE 模型原理圖。利用PSPICE 軟件對(duì)憶阻器進(jìn)行建模，并對(duì)電路進(jìn)行仿真，驗(yàn)證LTP、LTD 模塊在前后神經(jīng)元激勵(lì)順序不同以及間隔時(shí)間不一的作用下，電容的充放電效果和LTP、LTD 模塊的輸出情況。仿真結(jié)果表明：該方法不僅解決了硬件繁瑣、電路復(fù)雜的問(wèn)題，還優(yōu)化了電路的設(shè)計(jì)，使神經(jīng)突觸電路的仿真結(jié)果更加精準(zhǔn)。同時(shí)，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模式識(shí)別和關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)等方面的優(yōu)勢(shì)更好地顯現(xiàn)出來(lái)。