發(fā)布時間：2018-10-05 13:23

【摘要】：現(xiàn)如今,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一直是眾多研究者關(guān)注的重大課題,但其發(fā)展大多基于神經(jīng)信息演算的原理和法則,在馮諾依曼機(jī)上構(gòu)造具有生物神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征與功能的神經(jīng)計算理論模型。但人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的最終目標(biāo)在于,在神經(jīng)細(xì)胞的水平上,研究并理解生物神經(jīng)系統(tǒng)的智能原理以及智能行為,從而以生物神經(jīng)系統(tǒng)的方式構(gòu)造具有智能行為的智能機(jī)器,這與馮諾依曼體系計算機(jī)具有本質(zhì)的區(qū)別,可定義為第五代智能計算機(jī)。在硬件水平上實現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),最重要的問題是解決神經(jīng)元電路與突觸電路集成度與連接度。隨著近年來在新型元器件的研究領(lǐng)域的發(fā)展,納米級元件的出現(xiàn)為此帶來了新的突破口。比傳統(tǒng)CMOS更小尺寸的納米級硅薄膜晶體管(Nc-Si TFT)的出現(xiàn)保證原有性能的基礎(chǔ)上提升了反應(yīng)速度,降低了功耗。突觸電路作為神經(jīng)元之間連接的重要部件,不僅擔(dān)負(fù)著神經(jīng)元間信息傳遞的功能,同時其自身應(yīng)具有很高的可塑造性來以實現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)的記憶與學(xué)習(xí)。憶阻器的出現(xiàn)為此提供了基礎(chǔ),憶阻器是具有動態(tài)特性的電阻,阻值可依賴于激勵電壓來變化,同時具有低能耗、納米級、長久記憶等特性,使其具有類似于生物神經(jīng)突觸連接強(qiáng)度與可塑造的特性,可用作為突觸電路的基礎(chǔ)部件存儲突觸連接強(qiáng)度。本文首先介紹了課題研究的背景,對憶阻器的發(fā)展以及應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)介紹,并對HP型憶阻器進(jìn)行了SPICE環(huán)境下的仿真與性能分析;然后對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展以及對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展有重要影響的聯(lián)想學(xué)習(xí)算法進(jìn)行了介紹;最后詳細(xì)給出了納米級TFT SPICE模型的過程,并進(jìn)行了電氣環(huán)境下的性能仿真。在此基礎(chǔ)上為實現(xiàn)憶阻器突觸電路的學(xué)習(xí)功能,建立了“整合—激發(fā)”型神經(jīng)元SPICE仿真電路,分析了電路中每個部件的工作特性,完善了原始Mead神經(jīng)元電路結(jié)構(gòu),并對電路的脈沖信號產(chǎn)生過程進(jìn)行了SPICE仿真。同時結(jié)合TFT及憶阻器的特性提出了新型可實現(xiàn)HEBB學(xué)習(xí)的神經(jīng)元突觸電路結(jié)構(gòu),使突觸電路更符合真實生物神經(jīng)突觸特征,同時提高了突觸電路的控制靈活性與可擴(kuò)展性。在應(yīng)用此設(shè)計的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了兩個神經(jīng)元所構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間的基于單脈沖HEBB學(xué)習(xí)與平均激發(fā)率的學(xué)習(xí)規(guī)則。并進(jìn)一步基于多個神經(jīng)元的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成了Pavlov實驗,證明了此神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計在聯(lián)想學(xué)習(xí)方面的可用性。同時,為證實此電路可提供與傳統(tǒng)邏輯門電路相同的比較功能,進(jìn)行了自學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上輸入信號重合檢測功能的仿真實驗,實現(xiàn)傳統(tǒng)電路基本功能是神經(jīng)計算型智能計算機(jī)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。
[Abstract]:Nowadays, artificial neural network (Ann) has always been a major concern of many researchers, but its development is mostly based on the principles and rules of neural information calculus. A neural computational model with the structural characteristics and functions of the biological nervous system was constructed on the von Neumann computer. But the ultimate goal of the development of artificial neural networks is to study and understand the intelligent principles and behaviors of the biological nervous system at the nerve cell level, so as to construct intelligent machines with intelligent behavior in the way of the biological nervous system. This is essentially different from the Von Neumann system computer, which can be defined as the fifth generation intelligent computer. The most important problem in the implementation of artificial neural networks at the hardware level is to solve the integration and connectivity of neuronal circuits and synaptic circuits. With the development of new components in recent years, the appearance of nanometer components has brought a new breakthrough. The appearance of nanocrystalline silicon thin film transistor (Nc-Si TFT) which is smaller than the traditional CMOS can improve the reaction speed and reduce the power consumption. As an important part of neuron connection, synaptic circuit not only bears the function of transmission of information between neurons, but also has the ability to be molded to realize the memory and learning of the nervous system. The appearance of the resistor provides the basis for this. The resistor is a resistor with dynamic characteristics, the resistance value can depend on the excitation voltage to change, at the same time, it has the characteristics of low energy consumption, nanometer level, long memory, etc. It can be used as the basic part of the synaptic circuit to store the synaptic connection strength. In this paper, the background of the research is introduced, the development and application of the resistor are introduced in detail, and the simulation and performance analysis of the HP type resistor under the SPICE environment is carried out. Then, the development of artificial neural network and the associative learning algorithm which has important influence on the development of artificial neural network are introduced. Finally, the process of nano-scale TFT SPICE model is given in detail, and the performance simulation in electrical environment is carried out. On this basis, in order to realize the learning function of the memory device synaptic circuit, a "integration-excitation" type neuron SPICE simulation circuit is established. The working characteristics of each component in the circuit are analyzed, and the original Mead neuron circuit structure is improved. The pulse signal generation process of the circuit is simulated by SPICE. At the same time, combining the characteristics of TFT and amnesia, a new type of synaptic circuit structure for HEBB learning is proposed, which makes the synaptic circuit more consistent with the real biological synaptic characteristics, and improves the control flexibility and extensibility of the synaptic circuit. On the basis of this design, the learning rules based on monopulse HEBB learning and average excitation rate between two neural networks are realized. Furthermore, the Pavlov experiment based on neural network with multiple neurons is carried out, which proves the usability of the neural structure design in associative learning. At the same time, in order to prove that the circuit can provide the same function as the traditional logic gate circuit, the simulation experiment is carried out to detect the coincidence of input signal on the basis of self-learning. Realizing the basic functions of traditional circuits is an important basis for the development of neural computing intelligent computer.
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN702;TP183

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本文編號：2253545