Интегральный нейрон

-техниче и икор О,ели и Изобретениефункциональной назначено для области и пред- полупром (ИС). нейроннь тносится лектрони з произ еграл дств ых с с днико вых иИспользов е прин ипов аког н ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ИСАНИЕ ИЗОБР ОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ 21) 3296992/18-2522) 01.06,81(46) 15,05.89. Бюл. Р 18 (71) Московский физ ко ский , институт(56) Свечников С.В., Лопов М.А. М роэлектронный аналоговый процесс для матричного считывания изображений. - Микроэлектроника, 1981, т. 1Ь 1, с. 87-94.Сочивко В,П. Электрические мод нейронов. - М.ф. Энергия, 1965, с. 32-60, 77-79.(54)(57) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ НЕЙРОН, включающий шину питания, возбуждающие и тормозящие входы, сумматор, выполненный на основе переключающих транзисторов, и выход, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что,. с целью расш - рения функциональных возможностей, в нейрон дополнительно введены шина питания и два сумматора, при этом все три сумматора имеют выходы, свои входные, выходные и расположенные между ними буферные транзисторы, выполненные в виде биполярных транзисторов с плазменной связью в общем сетей является одним из перспекти ных направлений развития вычислительных устройств для ЭВМ. Наприм высокоомном полупроводнике, причем первый и второй сумматоры имеют общие возбуждающие транзисторы, эмиттеры которых подсоединены к возбуждающим входам, эмиттеры выходных транзисторов всех трех сумматоров/соединены с соответствующими выходами, через нагрузочные резисторы подключены к первой шине питания и через шунтирующие резисторы соединены с базами этих же транзисторов, эмиттеры буферных транзисторов первого и второго сумматоров через первые шунтирующие резисторы соединены с базами этих же транзисторов и через нагрузочные резисторы подключены ко второй шине питания, эмиттеры буферных транзисторов третьего сумматора через вторые шунтирующие резисторы соединены с базами этих же транзисторов и подключены к эмиттерам соответствующих буферных транзисторов первого .сумматора, причем сопротивление вторых шунтирующих резисторов превышает сопротивление первых шунтирующих резисторов по крайней мере на 20-507, эмиттеры возбуждающих транзисторов третьего сумматора подсоединены к тормозящим входам. вестна модель нейрона, которая соржит входы, выходы и сумматор, уществляющий сложение возбуждающих тормозящих сигналов. Недостаткомо интегрального нейрона являетто, что сумматор в ней,выполнен операционном усилителе, что при менении температуры приводит к74345 10 15 20 30 з 10 сильному дрейфу его характеристик, резко увеличивающему ошибку при сложении сигналов. Для компенсации характеристик используют очень сложные термостабилизирующие цепочки, сводящие на нет преимущества нейронов в качестве очень компактных элементов.Недостатком также является низкая помехоустойчивость и невысокие функциональные возможности.Наиболее близким по своей технической сущности является интегральный нейрон, включающий шину питания, возбуждающие и тормозящие входы, сум матор, выполненный на основе перекгпочающих транзисторов, и выход, Известный интегральный нейрон имеет невысокие функциональные воэможности из-за низкой помехоустойчивости и невозможности выполнения большого числа входов (10-20), ограничиваемого коэффициентом усиления переключающих транзисторов (обычно не более 20-100). При традиционной реализации интегрального нерона на осно" ве, например, И Л-элементов, многойвходовый сумматор занимает большую площадь кристалла, на которой не может быть размещено более 1010 сумматоров при существующих допусках Кроме того, такой сумматор не сможет усиливать сигнал, для усиления ,которого на большом числе выходов потребуется существенное усложнение схемы ячейки и резкое увеличение ее размеров. Низкая нагрузочная способность нейрона не позволяет реализовать большое число связей. ров соединены с соответствующими выходами, через нагрузочные резисторыподключены к первой шине питания ичерез шунтирующие резисторы соединены с базами этих же транзисторов,эмиттеры буферных транзисторов первого и второго сумматоров через первые шунтирующие резисторы соединеныс базами этих же транзисторов и через нагрузочные резисторы подключеныко второй шине питания, эмиттеры бу"ферных транзисторов третьего сумматора через вторые шунтирующие резисторы соединены с базами этих же транзисторов и подключены к эмиттерамсоответствующих буферных транзисторов первого сумматора, причем сопротивление вторых шунтирующих резисторов превышает сопротивление первыхшунтирующих-резисторов по крайнеймере на 20-503, эмиттеры возбуждающих транзисторов третьего сумматора подсоединены к тормозящим входам.В качестве переключающих биполярных транзисторов могут быть использованы модуляционные транзисторыили совмещенные дополняющие и-р-ии р-и-р транзисторы (тиристоры).1На фйг.представлен общий вид(с разрезом) интегрального нейрона;на фиг, 2 " временные диаграммы работы интегрального нейрона при пятиразличных комбинациях входных сигналов.Интегральный нейрон содержит три выхода 1-3, возбуждающие входы 4 и тормозящие входы 5, три сумматора, выполненные на переключающих бипо4045 50 55 Цель изобретения - расширение Функционалвных возможностей.Это достигается тем, что в известном интегральном нейроне, включающем шину питания, возбуждающие и тор мозящиевходы, сумматор, выполненный на основе переключающих транзисторов и выход в нейрон дополнительно введены шина питания и два сумматора, при этом все три сумматора имеют выходы, свои входные выходные и расположенные между ними буферные транзисторы, выполненные в виде биполярных транзисторов е плазменной связью в общем высокоомном полупроводнике, причем первый и второй сумматоры имеют общие возбуждающие транзисторы, эмиттеры которых подсоединены к возбуждающим входам, эмиттеры выходных транзисторов всех трех сумматолярных транзисторах с плазменнойсвязью в общем высокоомном полупроводниКе 6Каждый из трех сумматороввключает выходной транзистор с р-базами 7, 8 и 9 и и-эмиттерами 10, 11и 12 соответственно, эмиттеры выходных транзисторов через нагруэочныйрезистор 13 подключены к первой шине питания 33. При этом эмиттер 10выходного транзистора в первом сумматоре подключен к выходу 1, а эмиттеры 1 и 12 выходных транзисторовво втором и третьем сумматорах подключены соответственно к выходам 2и 3. Каждый сумматор содержит такжевходные и буферные транзисторы, име" ющие общую зону влияния с соответствующими выходными транзисторами,Входные транзисторы первого и второго сумматора являются общими и содержат р-базы 14 и расположенные в них и-эмиттеры 15, соединенные с возбуждающими входами 4, Входные транзисторы третьего сумматора содержат р-базы 16 с расположенными в них и-эмиттерами 17, соединенные с тормозящими входами 5. Между входными и выходными транзисторами в каждом сумматоре расположены буферные транзисторы, образованные базовыми 18, 19 и 20 р-областями с выполненными в них и-эмиттерами 21, 22 и 23 соответственно. Эмиттеры.21 буферных транзисоров первого сумматора через нагрузочные резисторы 24 подключены ко второй шине 25 питания и через первые шунтирующие резисторы 26 соединены с базами 18 этих же транзисторовЭмиттеры 23 буферных транзисторов третьего сумматора соединены через вторые шунтирующие резисторы 27 с их базами 20 и подклю-, чены к эмиттерам 21 буферных тран,зисторов первого сумматора. Эмиттеры 22 буферных транзисторов второго сумматора через нагрузочные резисторы 28 подключены ко второй шине питания 25 и через шунтирующие резисторы 29 соединены с базами 19 этих же транзисторов, Эмиттеры 10, 11 и 12 выходных транзисторов соединены . . с их базами 7, 8 и 9 через шунтирующие резисторы, 30. Под базовыми р-областями всех переключающих транзисторов расположены р-области 31 такого же типа проводимости, выводы 32 от которых заземлены. Сопротивления вторых шунтирующих резисторов 27 выбираются на 20-50% больше сопротивлений первых шунтирующих резисторов 26, что обеспечивает запрещающую связь, направленную от буферных тран. зисторов третьего сумматора к буфер-, ным транзисторам первого сумматора,Сигналы на возбуждающих входах 4 а (д=,М) и на тормозящих входах.5 Ь;(=,И) отрицательное напряжение относительно шины нулевого потенциала принимают лишь два значе- . ния - логического "0", либо логической "1", На выходах 2 и 3 си.налы определяются следующими фуйкциями::Е. (а, -Ь; ) с; Ц=1 10 О, если если где М и Г - число возбуждающих итормозящих входов 4 и 5 соответственно; А, В, С - пороги срабатываниявторого, третьего и первого суммато ров, определяемые сопротивлениямишунтирующих резисторов 30 (либо дополнительным управляющим током положительной или отрицательной полярности, подаваемым на базовые р-области 2 Б 8, 9, и 7 выходных транзисторов)Пороги срабатывания выбираются в пределах А 5 Му сВБ 1 СМ; 1 ЦМ. Сигналам С, С и Сз соответствует протекающий .через выходные транзисторы 30 ток, пропорциональный избыточнойконцентрации носителей заряда (концейтрации электронно-дырочной плазмы) в высокоомном слое полупроводника 6 между соответствующими р-базами 7, 8, 9 и р-областью 31, СигналыС С и 1, пропорциональные падению напряжения на выходах 1, 2 и 3относительно шины нулевого потенци, ала, принимают противоположное логи ческое значение (то есть инвертируются) относительно соответствующихтоковых сигналов С С и С, Прииспользовании в ячейке лишь инвертированных выходных сигналов области 45 31 могут быть выполнены общими длявсей ячейки. Для работы ийтегрального нейрона используется трехфазноеимпульсное питание. Входные сигналыа. и Ъ подаются в первую фазу, вы- .Ф50 ходные сигналы с Сснимаются в третью,фазу (фиг 2)Принцип действия поясним для трехвозбуждающих и трех тормозящих входов (М = Н = 3). Пусть пороги сраба тывания всех сумматоров одинаковыеи равны А=В=С=2, на все тормозящиевходы в первую фазу поданы логические "О", а на один из возбуждающихвходов подана логическая "1", напри74345 О 5 20 7 О мер а = 1. Во вторую фазу электрон-но-дырочная плазма от первого входного транзистора в первом и втором сумматорах достигает первых буферных транзисторов, и к началу третьей фазы часть ее .дистигает выходных транзисторовпервого и второго сумматоровОднако вследствие выбранного порога выходные транзисторы не регенерируют этот сигнал, оставаясь в третью фазу в выключенном состоянии с большим сопротивлением. Также в выключенном состоянии остается выходной транзистор третьего сумматора. Поэтому токовые сигналы С С и С в третьей фазе при рассмотренной комбинации сигналов отсутствуют, соответствуя логическим О (С = С = Сз =0), а напряженные на выходах 1, 1, 3 наоборот соответствуют логическим "1", то есть С = С = С = 1 (первая комбинация на фиг. 1, где символы г и ф соответствуют напряжению импульс 3ного питания на шинах 25 и 33 соответственно)Если возбуждающие сигналы поданы на два входа 4, а тормозящие сигналы по прежнему отсутствуют (Ъ =Ь=Ь =а з =О), то к началу третьей фазы выходных транзисторов в первом и втором сумматорах достигает такое количество электронно-дырочной плазмы, которое при выбранных порогах А = С = 2 оказывается достаточным для регенерации плазмы выходными транзисторами в третьей фазе и их включения. При этом становится С = С = 1 ил лсоответственно С = С = О, Поскольку на тормозящие входы ячейки логические "1" не подавались, то электронно-дырочная плазма в слое полупроводника б, общего для всех транзисторов третьего сумматора, отсутствует, и С = О, а 1 = 1 (2-ая комбинация сигналов на фиг. 2). (Пусть по-прежнему на два возбуждающих входа поданы логические "1" а= а = 1, а = О. Пусть теперь на один из тормозящих входов подается логическая 1 например Ь = 1 Ь = Ь щ О. Теперь по прежнему С = 1, но С, = О, так как теперь вследствие запрета на включение первогобуферного транзистора в первом сумматоре к его выходному транзистору к началу третьей фазы будет поступать плазма лишь от второго буферного транзистора, которой будет недостаточно для регенерации сигналавыходным транзистором в третьей фазе, и он останется в выключенномсостоянии. В таком же состоянии останется и выходной транзистор третьего сумматора, поскольку в негопоступает плазма лишь от первого буферного транзистора, которой привыбранном пороге, срабатывания В = 2 недостаточно для регенерации в третьей фазе. Поэтому, по-прежнему С = Ол И3 и Сэ = 1, и С = 1, С = О (3-я ком-, бинация сигналов на фиг. 2).Если сохранится Ъ = 1, но теперь на все возбуждающие входы будут поданы логические "1", то, очевидно, электронно-дырочкой плазмы будет до-, статочно для включения выходных транзисторов как во втором, так и первом сумматорах. Поэтому станетС, = С = 1, и по-прежнему останетсяС = О; на инвертирующих выходахячейки станет С = С = О и С = 1 25й э 2 (4-я комбинация сигнало в на . фиг. 2),Если же сохранятся сигналы а = а =2= аз = 1, но тормозящие сигналы будут поступать в третью фазу на двавхода 5, например (для определенно сти) Ь, = О и Ъ = Ьз = .1, то в третью фазу логические "1" появляетсяна плазменных выходах второго и третьего сумматора. 1-,"а первом выходебудет С = О,так как в выходнойтранзистор плазма поступает лишь отпервого (а = 1) буферного транзистора, но при выбранном пороге А = 2ее иедостаточно для регенерации сигнала. Соответственно, на втором, тре тьем и первом выходах ячейки 2, 3и 1 будут сигналы С = Сз = О и С1 (5-я комбинация сигналов нафиг. 2)Расширение функциональных возмож ностей интегрального нейрона связанос тем, что помимо пороговой суммывозбуждающих и тормозящих сигналов,формируются их пороговые суммы в отдельности, что достигается практически беэ увеличения транзисторов засчет физической (функциональной). интеграции активных элементов. Всевходные и выходные сигналы являютсяоднополярными,. что упрощает согласование интегрального нейрона с известными схемами, например, с приборами с плазменной связью на основе модуляционных транзисторов или тиристоров. Использование в качестве ак20 10743 тивных элементов (буферных и выходных транзисторов) приборов с Б-образной ВАХ приводит к регенерации сигнала за счет очень большого внутреннего усиления тока (до 1 О раэ), что резко увеличивает нагрузочную способность и расширяет функциональные возможности.Закон суммирования может изменяться при соединении вывода от какого-либо эмиттера буферного травзистора третьего сумматора не с одним, а с нескдлькимй эмиттерами буферных транзисторов первого сумматораДля изменения веса входных сигналов (для обеспечения приоритета) входы 4 или 5.могут одновременно соединяться с эмиттерами нескольких входных транзисторов, (при этом в общем случае может быть М ф Б). Последние могут использоваться как с оборванной базой (как показано на фиг 1), так и с зашунтированным/ эмиттерным переходом,. Модуляционные 25 транзисторы, без шунта в эмиттерном переходе имеют, как правило, одно-значную по напряжению ВАХ, тиристоры - наоборот, неоднозначную по напряжению ВАХ, Введение шунтов в эмит- З 0 терные переходы составляющих тиристоры и-р-и-транзисторов приводит к некоторому увеличению .тока включения тиристоров, не нарушая (а улучшая) функционирование предлагаемой ячей" ки. Резисторы 13 могут у различных выходных транзисторов иметь как одинаковое, так и различное сопротивление (для обеспечения различной величины выходного тока), Сопротивления шунтирующих резисторов 29 у буферных транзисторов второго сумматора выби 45 1 Ораются, как правило, такими же каки сопротивление резисторов 26 у буферных транзисторов первого сумматора. Однако следует отметить, чтонагрузочные резисторы (во всех ееузлах, кроме транзисторов, охваченных запрещающей связью) могут отсутствовать,Аналогичным образом (с точки зрения схемотехники) интегральный нейрон может быть выполнен на основедругих приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением, например, однопереходных транзисторов, аБ - диодов на компенсированных полупроводниках и др. Во всех случаяхрасстояние между охваченными плазменной связью транзисторами не превышает несколько диффузионных длин/неосновных носителей заряда в слоеполупроводника 6.Пример конкретного выполнения;удельное сопротивление р-слоя 6 сос"тавляет 1 кОм,см; р-базы 7, 8, 9,14, 16, 18, 19, 20 и р-области 31выполнены на глубину 1,1 - 1,6 мкмс поверхностной концентрацией акцепторной примеси 51 Оф сми расстоянием между ниии 520 мкм;и-области 10, 11, 12, 15, 17, 21,22, 23 выполнены на глубину 0,6О, 9 мкм с поверхностной концент-,рацией донорной примеси до 10 смг -э.Расширение функциональных воэможностей интегрального нейрона позволяет применять его для создания ВИС сложных вычислительных устройств при разработке нового поколения радиоэлектронной аппаратуры, в первую очередь ЭВМ.1074345 Редактор Л,Письман Техред М.Ходаннч Корректор Н, Король 73 Т ж 694 одписно иэводственно-иэдательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина,ЗаказВНИИПИ осударственного113035,омитета по иэоб осква, Ж, Ра тениям и открытиям при ГКНТ СССР ская наб., д. 4/5