Способ взаимодействия в системе связанных осцилляторов на базе оксидных структур с эффектом электрического переключения

Область применения

Изобретение относится к области систем связанных осцилляторов на базе оксидных структур с эффектом электрического переключения на основе диоксида ванадия, представляющие собой осцилляторные нейронные сети (ОНС). Осцилляторные нейронные сети могут использоваться для распознавания образов.

Уровень техники

Использование искусственных нейронных сетей [1] при обработке информации позволяет преодолеть трудности, возникающие при применении традиционных вычислительных схем в таких областях, как распознавание изображений и речи [2]. Одним из важных направлений развития является изучение колебательных режимов нейронных сетей, например, на основе слабо связанных фазовых осцилляторов (модель Курамото) [3]. В ОНС при определенной величине параметра связи система демонстрирует частотную и фазовую синхронизацию [3].

Одним из технических решений для реализации осцилляторных контуров на основе переключателей электрических является использование материалов, обладающих температурным фазовым переходом металл-полупроводник (ФПМП), таких как VO₂, V₂O₃, NbO₂, Ti₂O₃, и т.д. [4]. Благодаря наличию ФПМП структуры обладают эффектом электрического переключения с S-образной ВАХ (Фиг. 1). Схемы с подобными переключателями демонстрируют широкий спектр колебательных режимов, применяемых для ОНС [5, 7-11].

Существует способ [6] организации работы нейрокомпьютера на ОНС, содержащего N осциллирующих элементов, которые обмениваются данными через общую среду по схеме «звезда», реализуя при этом топологию связи «все со всеми». При этом требуются только N электрических соединений вместо N²/2. Таким образом, динамическая связь между различными нейрокомпьютерными осцилляторами возникает из-за частотно-фазовой модуляции общей среды. При этом также существует возможность введения внешнего воздействия через воздействие на общую среду, которая, в свою очередь, передает возмущение N осцилляторам. В качестве рабочих элементов могут использоваться осцилляторы, на основе электрических переключателей, оптические осцилляторы, микроэлектромеханические системы (МЭМС), джозефсоновские переходы или другие виды осцилляторов известные в данной области техники.

Недостатком данного способа является наличие N электрических соединений, что в случае 3D интеграции электрических нейроцепей сильно усложняет схему и ее реализацию. С другой стороны, связь двух осцилляторов через общую среду передается минимум по двум соединениям и один общий узел, что увеличивает время передачи сигнала и вероятность сбоя при выходе из строя общей среды.

В качестве электрических соединений как правило используются резистивные или емкостные элементы, тогда как индуктивные не используются ввиду высокого реактивного сопротивления к высокочастотным колебаниям осцилляторов.

Известен способ резистивного взаимодействия в системе осцилляторов на основе VO₂ переключателей, реализованный в работе [7]. Осцилляторы представляют собой автоколебательные контура на основе планарного VO₂ переключателя, параллельной емкости и последовательного сопротивления. Каждый осциллятор генерирует автоколебания на собственной частоте и воздействует на частоту, фазу и спектр остальных осцилляторов через связующее сопротивление.

Недостатком данного способа является присутствие взаимного влияния осцилляторов по постоянному току, в этом случае рабочие точки схем смещаются при изменении питания или нагрузочных сопротивлений в соседних контурах. Этот эффект значительно снижает область параметров существования осцилляторной активности.

Наиболее близким способом, к заявляемому способу, который принят за прототип, является способ емкостного взаимодействия в системе осцилляторов, согласно работе [8]. В данной работе реализована система связанных, осцилляторов с использованием емкостной связи по схеме «звезда». Осцилляторы представляют собой автоколебательные контура на основе VO₂ переключателей, которые взаимодействуют между собой, изменяя частоту, фазу и спектр. Емкостная связь позволяет исключить взаимное влияние постоянного тока (потенциала).

Недостатком данного способа является частотная зависимость силы связи, искажение формы сигнала при прохождении через емкость (дифференцирование), а также сложность миниатюризации схемы, из-за необходимости использования габаритных конденсаторов и их большого количества, например, для топологии связи «все со всеми».

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в том, что представленный способ взаимодействия позволяет увеличивать плотность компоновки осцилляторов на определенной площади, за счет уменьшения числа электрических элементов, а также обеспечить электрическую развязку по постоянному и переменному току. Кроме того, представленный способ позволяет осуществить топологию связи «все со всеми» естественным образом, в пределах эффективного радиуса действия тепловой связи.

Достигается технический результат за счет того, что электрически изолированные друг от друга переключатели располагают на единой диэлектрической подложке, теплопроводностью не менее 10 Вт/(м⋅К), на расстояниях друг от друга до 100 мкм, характерных для распространения существенных тепловых потоков, вызывающих изменения температуры подложки более 0.1 K. Также на единой диэлектрической подложке, на расстояниях до 100 мкм от переключателей располагают резистивные элементы цепей других осцилляторов.

Перечень фигур

Фиг. 1. Вольт-амперная характеристика электрического переключения структуры на основе диоксида ванадия, R_on и R_off, - сопротивления в открытом и закрытом состоянии, ОДС - отрицательно дифференциальное сопротивление. Напряжение и ток включения (V_th, I_th) и удержания (V_h, I_h) структуры в открытом состоянии.

Фиг. 2. Общая схема двух осцилляторов, связанных путем теплообмена, на базе оксидных структур с эффектом электрического переключения, реализация теплообмена осуществляется через подложку (Al₂O₃). V_DD - питание осцилляторов, R_s - нагрузочные сопротивления, C - параллельные емкости.

Формирование переключательных структур (1, Фиг. 2) на диэлектрических подложках (2, Фиг. 2) с высокой теплопроводностью (Al₂O₃, Si/SiO2 и т.д.), расположенных на дистанциях менее 100 мкм позволяет реализовывать связь между осцилляторами изготовленных на основе материалов в которых эффект электрического переключения обусловлен температурным ФПМП - VO₂, V₂O₃, NbO₂, Ti₂O₃, и т.д. [4]. При генерации колебаний переключателей на основе ФПМП происходит Джоулев разогрев канала переключателя протекающим током до температуры фазового перехода T_th. Поток тепла, распространяясь по подложке, может нагревать соседние переключательные элементы, и влиять на такие параметры как пороговые напряжения (V_th и V_h Фиг. 1) и сопротивление в высокоомном состоянии (R_off Фиг. 1). Это приводит к возникновению связи осцилляторных схем без использования электрических элементов (резисторов, конденсаторов и т.д.).

Диэлектрическая подложка и отсутствие электрических соединений между осцилляторами обеспечивает наличие развязки по постоянному и переменному току. Наличие развязки не смещает рабочие точки осцилляторов, расширяя область параметров их устойчивой работы, и снижая вероятность выхода из строя элементов цепи при возникновении случаев искровых пробоев и шумов источников напряжения.

Также на единой диэлектрической подложке, на расстояниях до 100 мкм от переключателей можно расположить резистивные элементы цепей соседних осцилляторов. Это позволяет воздействовать на соседние осцилляторы, меняя частоту их колебаний посредством изменения нагрузочного сопротивления R_s (3, Фиг. 2).

Данное обстоятельство значительно упрощает практическую реализацию ОНС, позволяет увеличивать плотность компоновки осцилляторов. Кроме того, теплообмен осуществляет топологию связи «все со всеми» естественным образом, в пределах эффективного радиуса действия тепловыделения (до 100 мкм), обусловленного сильной обратной зависимостью наводимой температуры от расстояния до источника тепла. Другим преимуществом является отсутствие взаимодействия осцилляторов не только по постоянному току, но и переменному, т.к. используется не электрический канал связи.

Пример исполнения

Способ теплообмена в системе связанных осцилляторов представляет собой реализацию на диэлектрической подложке (например, сапфира), переключательных структур на основе диоксида ванадия, расположенных на дистанции характерной для тепловых процессов (до 100 мкм). Активные области переключателей представляют собой электрически изолированные площадки тонкой пленки диоксида ванадия микрометровых размеров, изготовленные при помощи литографии.

Простейший одиночный осцилляторный контур содержит переключатель на основе диоксида ванадия, параллельную емкость C и последовательное сопротивление R_s. Колебания осциллятора представляют собой последовательную разрядку и зарядку параллельной емкости C при переключении VO₂-структуры из закрытого в открытое состояние и обратно. Возникновение автоколебаний обусловлено наличием в схеме переключателя с S-образной ВАХ, имеющей область отрицательного дифференциального сопротивления, и выводом рабочей точки схемы на этот участок подбором сопротивления R_s.

Взаимодействие двух осцилляторов, изображено на схеме Фиг. 2, и осуществляется за счет их взаимного теплового влияния на параметры S-образной ВАХ (Фиг. 1). В итоге это ведет к появлению сложной динамики связанных осцилляторов, эффектов фазовой и частотной синхронизации.

В данном примере элементы R_s и C (3 и 4 Фиг. 2) были выполнены в виде внешних подключений. Однако следует отметить, что реализация сопротивления на подложке и его масштабирование не представляет принципиальной проблемы, тогда как в качестве электрической емкости может использоваться собственная емкость переключателя.

Следует отметить, что теплообмен осуществляется по диэлектрической подложке, естественным образом, что значительно упрощает ее практическую реализацию, и повышает пределы масштабируемости.

Таким образом, представленный способ взаимодействия путем теплообмена позволяет реализовывать связь осцилляторов без использования электрических элементов (резисторов, конденсаторов и т.д.), тем самым упрощая задачу масштабирования - увеличения плотности компоновки осцилляторов на определенной площади. Другим преимуществом является наличие электрической развязки по постоянному и переменному току, т.к. используется не электрический канал связи. Кроме того, представленный способ осуществляет топологию связи «все со всеми» естественным образом, в пределах эффективного радиуса действия связи.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Heaton J. Artificial Intelligence for Humans. Vol. 3. Deep Learning and Neural Networks, Heaton Research, Inc., 2015. 345 pp.

2. Bishop C.M. Neural Network Pattern Recognition, Oxford: Clarendon Press, 1995. 482 pp.

3. Strogatz S.H. // Physica D: Nonlinear Phenomena. 2000. V. 143. P. 1-20.

4. Mott N.F. Metal-Insulator Transitions. 2nd ed. Tayor & Francis: London. 1990. 345 pp.

5. Hoppensteadt F, Izhikevich E. Patent WO No. 2000029970 A1 Oscillatary neurocomputers with dynamic connectivity (2000)

6. Velichko A.A., Belyaev M.A., Putrolaynen V.V., Pergament A.L. and Perminov V.V. // Int. J. of Modern Phys. В 2017. V. 31. I. 02.

7. Shukla N. et al. // Sci. Rep. 2014. V. 4, P. 4964.

8. Kaka S., Pufall M.R., Rippard W.H., Silva T.J., Russek S.E., Katine J. // Nature. 2005. V. 437. P. 389.

9. Sharma A.A., Bain J.A., Weldon J.A. // IEEE J. Explor. Solid-State Comput. Devices Circuits. 2015. V. 1. P. 58-66.

10. P. Maffezzoni, L. Daniel, N. Shukla, S. Datta, and A. Raychowdhury, // IEEE Trans. Circuits and Systems. 2015. V. 62, 9, P. 2207-2215.

11. Pickett M.D., Medeiros-Ribeiro G., Williams R.S. // Nature Mater. 2013. V. 12. P. 114-117.