一种感受野模块、脉冲耦合电子视网膜及其实现方法

1.本发明属于类脑智能技术领域，涉及一种感受野模块、脉冲耦合电子视网膜及其实现方法。


背景技术：

2.随着后摩尔时代的到来，冯诺依曼架构所面临的存储墙、功耗墙、智能提升困难等问题日益凸显。因此，单一的计算集成芯片逐渐向着智能化的感知集成芯片发展。随着人工智能技术的不断发展，类脑智能感知芯片将成为后摩尔时代的通用算力和强大硬件基础。当前，人工智能已经成为新一轮科技革命和产业变革的核心推动力。基于类脑智能感知芯片的类脑智能机器人必将引领人工智能的发展方向。
3.在感知方面，类脑智能机器人需要敏锐的“眼睛”来获取外界信息。视觉是人类最重要的感知方式，80％以上的外界信息都依靠视觉系统获取。同样地，对于智能机器人，机器视觉系统也扮演着十分重要的角色。然而，当前的机器视觉系统主要基于数字图像传感器，如电荷耦合器件(ccd)和有源像素图像传感器(aps)，面向传统冯诺依曼架构的中央计算单元(cpu)，而非类脑脉冲神经网络(snn)计算单元。图像信息的传输途径要经过光敏单元
→
放大器
→
模数转换器(adc)
→
存储器，将其以数字编码形式传输到cpu。接着，基于冯诺依曼架构的人工神经网络(artificial neural network，ann)进行大量计算，完成图像预处理(如缩放、旋转、归一化等)、图像分割、图像描述等过程，最终，才能实现对外界视觉图像信息的识别。其中，图像分割技术在图像识别过程中担任着十分重要的角色，其结果直接影响到目标识别结果。依据猫、猴等动物大脑皮层上的同步脉冲发放现象而被提出来的脉冲耦合神经网络(pulse coupled neural network，pcnn)是非常强大的图像分割工具，具有信息整合、阈值判断、脉冲产生等功能，不需要学习或者训练，便能从复杂背景下提取有效信息，同时具有同步脉冲发放和全局耦合等特性，其信号形式和处理机制更符合人类视觉神经系统的生理学基础。因此，pcnn被广泛用于图像分割、特征提取、边缘检测等方面。然而，当前的pcnn需要使用数字图像传感器进行图像采集，并通过冯诺依曼架构的cpu进行图像处理，存在着计算速度慢、功耗高等问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种感受野模块、脉冲耦合电子视网膜及其实现方法，该视网膜及其实现方法具有计算速度快以及功耗较低的特点。
5.为达到上述目的，本发明公开了一种感受野模块包括脉冲型电子光感受器阵列以及电子视神经元；
6.脉冲型电子光感受器包括光敏莫特忆阻器及串联电阻，其中，光敏莫特忆阻器的正端连接电源，光敏莫特忆阻器的负端与串联电阻的一端相连接，串联电阻的另一端接地；
7.脉冲型电子光感受器阵列中脉冲型电子光感受器的数目为n个，电子视神经元包括mifg晶体管及莫特忆阻器，其中，mifg晶体管的n+1个栅极输入端分别与n个光敏莫特忆
阻器的输出信号端及公共控制信号端相连接，mifg晶体管的源极接地；
8.莫特忆阻器的正极与电源相连接，莫特忆阻器的负极与mifg晶体管的漏极相连接。
9.光敏莫特忆阻器采用vo
x
作为阻变层，采用两个电极共面的平面结构，vox材料淀积于共面电极上。
10.所述mifg晶体管采用高k栅+浮栅+高k栅堆栈作为叠栅。
11.高k栅采用hflao、talao、al2o3或hfo2材料。
12.浮栅采用ti、al或ni材料。
13.所述莫特忆阻器采用vo
x
或nbo
x
材料作为莫特忆阻器的阻变层。
14.mifg晶体管(t0)采用si、igzo、itzo或者mos2作为沟道材料。
15.所述电子光感受器阵列及电子视神经元阵列采用三维单片集成方式，电子光感受器阵列位于电子视神经元阵列的上方。
16.本发明公开了一种脉冲耦合电子视网膜，包括由感受野模块构成的感受野模块阵列。
17.本发明公开了一种脉冲耦合电子视网膜的实现方法，包括以下步骤：
18.脉冲型电子光感受器阵列中的脉冲型电子光感受器在光照下产生电脉冲信号，电子视神经元将各脉冲型电子光感受器产生的电脉冲信号与公共控制信号端输入的控制信号进行加权求和计算，并根据计算结果判断是否输出电脉冲。
19.当所述计算结果大于mifg晶体管的阈值电压v
t
时，则输出电脉冲。
20.本发明具有以下有益效果：
21.本发明所述的感受野模块以及基于该感受野模块的脉冲耦合电子视网膜在具体操作时，脉冲型电子光感受器在光照下产生电脉冲信号，电子视神经元将各脉冲型电子光感受器产生的电脉冲信号与公共控制信号端输入的控制信号进行加权求和计算，并根据计算结果判断是否输出电脉冲，以实现感光-编码-计算一体化，实现视觉信息的快速处理，具有结构简单、功能多及功耗低的优点，更加适应于类脑脉冲神经网络，解决传统cmosfet构建视觉信息处理系统面临的视觉信息速度慢、功耗高且信息编码方式与类脑snn不兼容等问题。
附图说明
22.图1a为脉冲耦合电子视网膜的3d结构示意图；
23.图1b为单个感受野模块的3d结构示意图；
24.图1c为脉冲耦合电子视网膜的功能示意图；
25.图1d为脉冲耦合电子视网膜的原理图；
26.图2a为脉冲耦合电子视网膜对图形信息的分割原理图；
27.图2b为原始彩色图像提取的红色通道信息的灰度图；
28.图2c为脉冲耦合电子视网膜的图像分割效果图；
29.图3a为电子视神经元的等效电路图；
30.图3b为莫特忆阻器rm的典型i-v曲线图。
具体实施方式
31.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
32.在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
33.参考图1a、图1b、图1c、图1d及图2a所示，本发明所述的脉冲耦合电子视网膜包括感受野模块阵列；
34.所述感受野模块包括m*m个感知编码一体化的脉冲型电子光感受器阵列以及计算编码一体化的电子视神经元，m为大于等于3的奇数。
35.本实施例中，所述脉冲型电子光感受器包括光敏莫特忆阻器r
p
及串联电阻rc，其中，光敏莫特忆阻器r
p
的正端连接电源v
dd
，光敏莫特忆阻器r
p
的负端与串联电阻rc的一端相连接，串联电阻rc的另一端接地。
36.所述电子视神经元包括mifg(多输入端浮栅)晶体管t0及莫特忆阻器rm，其中，mifg晶体管t0的n+1个栅极输入端分别与n个光敏莫特忆阻器r
p
的输出信号端v1～vn及公共控制信号端vc相连接，mifg晶体管t0的源极接地，n为大于等于1的正整数。
37.所述莫特忆阻器rm的正极与电源v
dd
相连接，莫特忆阻器rm的负极与mifg晶体管t0的漏极相连接。
38.本实施例中，所述光敏莫特忆阻器r
p
采用vo
x
作为阻变层，采用两个电极共面的平面结构，vo
x
材料淀积在共面电极上，保证光敏莫特忆阻器r
p
具备较高的光敏特性。
39.本实施例中，所述mifg晶体管t0采用高k栅+浮栅+高k栅堆栈作为叠栅，其中，高k栅采用hflao、talao、al2o3或hfo2材料，浮栅采用ti、al或ni材料，使得mifg晶体管t0具有良好的漏电性能及高稳定性，mifg晶体管t0采用si、igzo、itzo或者mos2作为沟道材料。
40.本实施例中，为获得较好的频率特性，所述莫特忆阻器rm采用vo
x
或nbo
x
材料作为莫特忆阻器rm的阻变层。
41.本实施例中，为制备简单，所述电子光感受器阵列及电子视神经元阵列采用三维单片集成方式，电子光感受器阵列位于电子视神经元阵列的上方。
42.本实施例中，所有电子视神经元的公共控制端与公共控制信号端vc相连接，以接入时间相同的控制信号vc，实现对视觉信息的阈值分割功能。
43.本发明所述脉冲耦合电子视网膜的实现方法包括以下步骤：
44.脉冲型电子光感受器阵列中的脉冲型电子光感受器在光照下产生电脉冲信号，电子视神经元将各脉冲型电子光感受器产生的电脉冲信号与公共控制信号端vc输入的控制信号进行加权求和计算，并根据计算结果判断是否输出电脉冲。
45.当所述计算结果大于mifg晶体管t0的阈值电压v
t
时，则输出电脉冲。
46.实施例一
47.本实施例中，所述脉冲耦合电子视网膜由感受野模块阵列构成。一个感受野模块包括一个3
×
3脉冲型电子光感受器阵列及一个脉冲耦合电子视神经元组成。脉冲型电子光感受器仅在光照下产生振荡脉冲，并将光照信息编码为脉冲频率，因而同时具备事件触发和感光-脉冲编码一体化功能。脉冲耦合电子视神经元包含一个igzo mifg晶体管t0及一个莫特忆阻器rm，可以对感受野内9个脉冲型电子光感受器产生的电脉冲信号及一个公共控制信号端vc输入的控制信号进行加权计算，并根据计算结果判断是否输出电脉冲，同时具备信息整合、阈值输出及脉冲产生等功能，即计算-脉冲输出一体化功能。
48.本实施例所述电子视网膜的具体工作原理为：
49.一个感受野模块内的电子视神经元对以及与其相连的脉冲型电子光感受器阵列所产生的脉冲信号(v1，v2，
…
，v9)与公共控制信号端vc施加的控制信号(vc)进行加权求和运算，然后判断计算结果(即mifg晶体管t0的浮栅电压vf)是否大于mifg晶体管t0的阈值电压v
t
，当大于阈值电压v
t
时，则mifg晶体管t0导通，驱动莫特忆阻器rm产生电脉冲输出，该电子视神经元的状态记作1；否则，则mifg晶体管t0无脉冲输出，该电子视神经元的状态记记作0。同时，所有电子视神经元的公共控制端接收相同的控制信号vc，调节电子视神经神元输出电脉冲的阈值，使得感受野模块只有在接收到的光照强度大于某一个阈值时才输出电脉冲，否则，则无电脉冲输出。通过检测所有电子视神经元在固定时间内的电脉冲输出情况，脉冲型电子光感受器阵列感知到的视觉信息可以被高效地进行二值化处理，从而完成视觉图像信息的阈值分割，另外，感受野模块是并行、同时工作的，因此具备并行计算的功能。
50.电子视网膜对图形信息的分割效果如图2b及图2c所述。
51.电子视神经元的工作原理如图3a及图3b所示，其中，图3a为电子视神经元的等效电路图，c
p
为莫特忆阻器rm的寄生电容；图3b为莫特忆阻器rm的典型i-v曲线图，rh、r
l
、v
th
及v
hold
分别为莫特忆阻器rm的高阻态阻值、低阻态阻值、阈值阻变电压及保持电压。
52.mifg晶体管t0的多个输入端与浮栅之间通过电容耦合(c1，c2，
…
，c9)，浮栅电压vf由输入电压信号(v1,v2,
…
,v9)的加权求和值和浮栅中存储电荷量q决定，即
[0053][0054]
其中，c0为浮栅和mifg晶体管t0沟道之间的电容，wi(＝ci/c
tot
)为相应输入电压信号的权重，wi＝ci/c
tot
，当不使用高电压对浮栅晶体管进行电荷擦除/写入操作，则q＝0，此时
[0055][0056]
当vf大于mifg晶体管t0的阈值电压v
t
时，则mifg晶体管t0的沟道导通，驱动三明治结构的莫特忆阻器rm输出频率编码电脉冲，在d处，根据基尔霍夫定律，得：
[0057]
[0058]
其中，τ＝r
mcp
，id为mifg晶体管t0的漏极电流，rm为莫特忆阻器rm的阻值，c
p
为莫特忆阻器rm的寄生电容。
[0059]
由莫特忆阻器rm的i-v曲线可知，当ud(t)≥v
th
时，rm＝r
l
；当ud(t)≤v
hold
时，rm＝rh。
[0060]
当mifg晶体管t0工作在饱和区，则
[0061]
id＝b(v
f-v
t
)2ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0062]
其中，μ、w、l及c
ox
分别为mifg晶体管t0的沟道载流子迁移率、沟道宽度、沟道长度以及浮栅与沟道之间栅介质的单位面积电容。
[0063]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种感受野模块，其特征在于，包括脉冲型电子光感受器阵列以及电子视神经元；脉冲型电子光感受器包括光敏莫特忆阻器(r
p
)及串联电阻(r
c
)，其中，光敏莫特忆阻器(r
p
)的正端连接电源(v
dd
)，光敏莫特忆阻器(r
p
)的负端与串联电阻(r
c
)的一端相连接，串联电阻(r
c
)的另一端接地；脉冲型电子光感受器阵列中脉冲型电子光感受器的数目为n个，电子视神经元包括mifg晶体管(t0)及莫特忆阻器(r
m
)，其中，mifg晶体管(t0)的n+1个栅极输入端分别与n个光敏莫特忆阻器(r
p
)的输出信号端及公共控制信号端(vc)相连接，mifg晶体管(t0)的源极接地；莫特忆阻器(r
m
)的正极与电源(v
dd
)相连接，莫特忆阻器(r
m
)的负极与mifg晶体管(t0)的漏极相连接。2.根据权利要求1所述的感受野模块，其特征在于，光敏莫特忆阻器(r
p
)采用vo
x
作为阻变层，采用两个电极共面的平面结构，vox材料淀积于共面电极上。3.根据权利要求1所述的感受野模块，其特征在于，所述mifg晶体管(t0)采用高k栅+浮栅+高k栅堆栈作为叠栅。4.根据权利要求3所述的感受野模块，其特征在于，高k栅采用hflao、talao、al2o3或hfo2材料；浮栅采用ti、al或ni材料。5.根据权利要求1所述的感受野模块，其特征在于，mifg晶体管(t0)采用si、igzo、itzo或者mos2作为沟道材料。6.根据权利要求1所述的感受野模块，其特征在于，所述莫特忆阻器(r
m
)采用vo
x
或nbo
x
材料作为莫特忆阻器r
m
的阻变层。7.根据权利要求1所述的感受野模块，其特征在于，所述电子光感受器阵列及电子视神经元阵列采用三维单片集成方式，电子光感受器阵列位于电子视神经元阵列的上方。8.一种脉冲耦合电子视网膜，其特征在于，包括由权利要求1-7任一项所述感受野模块构成的感受野模块阵列。9.一种权利要求8所述脉冲耦合电子视网膜的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：脉冲型电子光感受器阵列中的脉冲型电子光感受器在光照下产生电脉冲信号，电子视神经元将各脉冲型电子光感受器产生的电脉冲信号与公共控制信号端(vc)输入的控制信号进行加权求和计算，并根据计算结果判断是否输出电脉冲。10.根据权利要求9所述的脉冲耦合电子视网膜的实现方法，其特征在于，当所述计算结果大于mifg晶体管(t0)的阈值电压v
t
时，则输出电脉冲。

技术总结
本发明公开了一种感受野模块、脉冲耦合电子视网膜及其实现方法，包括脉冲型电子光感受器阵列以及电子视神经元；脉冲型电子光感受器包括光敏莫特忆阻器及串联电阻，其中，光敏莫特忆阻器的正端连接电源，光敏莫特忆阻器的负端与串联电阻的一端相连接，串联电阻的另一端接地；脉冲型电子光感受器阵列中脉冲型电子光感受器的数目为n个，电子视神经元包括MIFG晶体管及莫特忆阻器，其中，MIFG晶体管的n+1个栅极输入端分别与n个光敏莫特忆阻器的输出信号端及公共控制信号端相连接，MIFG晶体管的源极接地；莫特忆阻器的正极与电源相连接，莫特忆阻器的负极与MIFG晶体管的漏极相连接，该视网膜及其实现方法具有计算速度快以及功耗较低的特点。的特点。的特点。


技术研发人员：韩传余 任文君 王瑞麟 杨世强
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/9/20