处理设备和包括处理设备的电子装置的制作方法

处理设备和包括处理设备的电子装置
1.本技术基于并要求于2020年8月11日在韩国知识产权局提交的第10-2020-0100631号韩国专利申请的优先权，所述韩国专利申请的公开通过引用全部包含于此。
技术领域
2.本公开涉及用于执行处理的设备和包括该设备的电子装置。


背景技术：

3.神经网络设备可执行重复乘法和加法的乘法累加(mac)运算。神经网络在特定节点重复地执行将前一层的节点的输出与映射到该节点的权重相乘并将乘法结果相加的mac运算，并且执行将激活函数应用于mac运算的结果值的算术运算。在这方面上，在期望的时间加载权重和合适的输入的存储器访问操作可被一起执行。通过使用另外的硬件架构而不是使用通常已知的数字计算机处理神经网络来执行神经网络的算术运算(诸如，mac运算)的各种方法已经被尝试。


技术实现要素：

4.提供本发明内容以简要的形式介绍在以下具体实施方式中进一步描述的构思的选择。本发明内容不意在确定要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不意在用于帮助确定要求保护的主题的范围。
5.在一个总体方面，提供了一种处理设备，所述处理设备包括：位单元线，包括串联连接的位单元；镜像电路单元，被配置为：通过按比率复制流过位单元线的电流来生成镜像电流；电荷充电单元，被配置为：当由镜像电路单元复制的镜像电流被施加时，充入与镜像电流对应的电压；以及电压测量单元，被配置为基于由电荷充电单元充入的电压，输出与施加到位单元线的权重和输入的乘法累加(mac)运算对应的值。
6.镜像电路单元可包括连接到位单元线的第一晶体管和连接到电荷充电单元的第二晶体管，以将镜像电流提供给电荷充电单元，并且第一晶体管的栅极与第二晶体管的栅极可彼此连接。
7.第二晶体管的沟道纵横比可小于或等于第一晶体管的沟道纵横比。
8.镜像电路单元可包括放大器，放大器连接到位单元线以恒定地维持位单元线的一端处的电压，并且放大器的输出端子可连接到第一晶体管的栅极和第二晶体管的栅极。
9.镜像电路单元可包括放大器，放大器连接到位单元线以恒定地维持位单元线的一端处的电压。
10.放大器的负(-)输入端子可连接到位单元线。
11.比率可等于或小于1。
12.比率可等于或小于1/2。
13.电荷充电单元可包括：电容器，被配置为基于镜像电流可被施加的时间进行充电；以及充电晶体管，被配置为控制电容器可通过镜像电流被充电的时间。
14.电压测量单元可包括比较器，比较器被配置为将参考电压与电容器两端的电压进行比较。
15.与mac运算对应的值可包括与施加到位单元线的权重和输入的mac运算的结果对应的激活函数值。
16.每个位单元可包括并联连接的两个可变电阻器以及分别串联连接到可变电阻器的开关。
17.响应于开关中的一个开关断开，另一个开关可闭合。
18.所述两个可变电阻器中的每个可包括设置在钉扎层与自由层之间的隧道层，其中，钉扎层的磁化方向可被固定，并且自由层的磁化方向可与钉扎层的磁化方向相同或不同。
19.位单元线可包括：位数据线，发送用于改变可变电阻器中的每个的电阻值的信号；以及位数据线开关，用于将位数据线连接到可变电阻器中的每个。
20.在另一总体方面，提供了一种处理方法，所述处理方法包括：将第一输入和第一权重施加到包括串联连接的位单元的位单元线；将第一镜像电流发送到电荷充电单元，第一镜像电流通过根据第一比率复制通过施加到位单元线的第一电压流过位单元线的电流被获得；利用第一镜像电流对电容器充电第一时间；将第二输入和第二权重施加到位单元线；将第二镜像电流发送到电荷充电单元，第二镜像电流通过根据第二比率复制通过施加到位单元线的第二电压流过位单元线的电流被获得；利用第二镜像电流对电容器充电第二时间；以及使用在电容器中充入的电容器电压来输出与施加到位单元线的权重和输入的乘法累加(mac)运算对应的值。
21.第一比率和第二比率可等于或小于1。
22.第一比率和第二比率可等于或小于1/2。
23.利用第二镜像电流对电容器充电第二时间的步骤可包括：在利用第一镜像电流充电的电容器中累积和充入电荷。
24.输出的步骤可包括：通过将参考电压与充入的电容器电压进行比较来输出所述值。
25.与mac运算对应的值可包括与施加到位单元线的权重和输入的mac运算的结果对应的激活函数值。
26.在另一总体方面，提供了一种电子装置，所述电子装置包括：神经网络设备；以及处理单元，被配置为控制神经网络设备的功能，其中，神经网络设备包括：位单元线，包括串联连接的位单元；镜像电路单元，被配置为：通过按比率复制流过位单元线的电流来生成镜像电流；电荷充电单元，被配置为：当由镜像电路单元复制的镜像电流被施加时，充入与镜像电流对应的电压；以及电压测量单元，被配置为基于由电荷充电单元充入的电压，输出与施加到位单元线的权重和输入的乘法累加(mac)运算对应的值。
27.镜像电路单元可包括连接到位单元线的第一晶体管和连接到电荷充电单元的第二晶体管，以将镜像电流提供给电荷充电单元，并且第一晶体管的栅极与第二晶体管的栅极可彼此连接。
28.第二晶体管的沟道纵横比可小于或等于第一晶体管的沟道纵横比。
29.镜像电路单元可包括放大器，放大器连接到位单元线以恒定地维持位单元线的一
端处的电压，并且放大器的输出端子可连接到第一晶体管的栅极和第二晶体管的栅极。
30.镜像电路单元可包括放大器，放大器连接到位单元线以恒定地维持位单元线的一端处的电压。
31.放大器的负(-)输入端子可连接到位单元线。
32.比率可等于或小于1。
33.电荷充电单元可包括：电容器，被配置为基于镜像电流被施加的时间进行充电；以及充电晶体管，被配置为控制电容器可通过镜像电流被充电的时间。
34.电压测量单元可包括比较器，比较器被配置为将参考电压与电容器两端的电压进行比较。
35.与mac运算对应的值可包括与施加到位单元线的权重和输入的mac运算的结果对应的激活函数值。
36.每个位单元可包括并联连接的两个可变电阻器以及分别串联连接到可变电阻器的开关。
37.位单元线可包括：位数据线，发送用于改变可变电阻器中的每个的电阻值的信号；以及位数据线开关，用于将位数据线连接到可变电阻器中的每个。
38.从下面的具体实施方式、附图和权利要求，其他特征和方面将是清楚的。
附图说明
39.图1是示出神经网络的示例的示图。
40.图2是示出在处理设备中使用的位单元的示例的电路图。
41.图3a和图3b是示出用于描述应用于图2的位单元的可变电阻器的结构和操作的示例的示图。
42.图4是示出处理设备的示例的示图。
43.图5是示出图4的镜像电路单元的晶体管的示例的示图。
44.图6是示出神经网络的示例的示图。
45.图7是示出处理方法的示例的示图。
46.图8是示出图7的处理方法中的输出部分和的示例的示图。
47.图9是示出处理方法的示例的示图。
48.图10是示出图9的电容器的电压变化的示例的示图。
49.图11是示出用于描述图9的处理方法中的输出总和的示例的示图。
50.图12是示出处理方法的示例的示图。
51.图13是示出用于描述图12的处理方法中的输出激活函数值的示例的示图。
52.图14示出处理设备的芯片框图的示例。
53.图15是示出电子装置的示例的示图。
54.贯穿附图和具体实施方式，相同的参考标号表示相同的元件。附图可不按比例，并且为了清楚、说明和方便，附图中的元件的相对尺寸、比例和描绘可被夸大。
具体实施方式
55.提供下面的具体实施方式以帮助读者获得对在此描述的方法、设备和/或系统的
全面理解。然而，在理解本技术的公开之后，在此描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改和等同物将是清楚的。例如，在此描述的操作的顺序仅是示例，并且不限于在此阐述的操作的顺序，而是除了必须以特定的次序发生的操作之外，操作的顺序可如在理解本技术的公开之后将是清楚的那样被改变。此外，为了更加清楚和简明，可省略在理解本技术的公开之后已知的特征的描述。
56.在此描述的特征可以以不同的形式来实现，而将不被解释为限于在此描述的示例。相反，在此描述的示例已被提供，以仅示出在理解本技术的公开之后将是清楚的实现在此描述的方法、设备和/或系统的许多可行方式中的一些可行方式。
57.在此使用的术语仅用于描述特定示例的目的，并且将不用于限制示例。除非上下文另有清楚地指示，否则单数形式也意在包括复数形式。还将理解，术语“包括”和/或“包含”在此被使用时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
58.如在此使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项中的任何一个以及任何两个或更多个的任何组合。除非以单数形式使用的表述在上下文中具有明显不同的含义，否则以单数形式使用的表述可包含复数形式的表述。
59.尽管在此可使用诸如“第一”、“第二”和“第三”的术语来描述各种构件、组件、区域、层或部分，但是这些构件、组件、区域、层或部分不应被这些术语所限制。相反，这些术语仅用于将一个构件、组件、区域、层或部分与另一构件、组件、区域、层或部分区分开。因此，在不脱离示例的教导的情况下，在此描述的示例中所称的第一构件、第一组件、第一区域、第一层或第一部分也可被称为第二构件、第二组件、第二区域、第二层或第二部分。诸如“a或b”或者“a和/或b”的表述可包括一起列出的项的所有可能组合。
60.贯穿说明书，当组件被描述为“连接到”或“结合到”另一组件时，该组件可直接“连接到”或“结合到”该另一组件，或者可存在介于其间的一个或多个其他组件。相反，当元件被描述为“直接连接到”或“直接结合到”另一元件时，可不存在介于其间的其他元件。同样地，相似的表述(例如，“在
……
之间”和“紧接在
……
之间”以及“与
……
邻近”和“与
……
紧邻”)也应以相同的方式解释。此外，除非另有陈述，否则当部件“包括”一个元件时，所述部件还可包括另外的元件而不是排除所述另外的元件。
61.以下描述的实施例涉及处理设备(例如，神经形态处理器、神经处理器等)的技术领域，并且关于技术领域中广泛已知的元件或特征的详细描述将被省略。
62.与通过使用公共数据总线交换信息的通用数字计算机不同，处理设备可包括用于处理乘法运算和加法运算的模拟电路。换言之，处理运算可执行存储器内处理或内部处理。因此，处理设备可被称为诸如存储器内处理装置、存储器内处理器(pim)和存储器内功能(fim)的各种术语。
63.图1是示出神经网络20的示例的示图。
64.参照图1，神经网络20是人工神经网络的示例，人工神经网络是用于通过学习或训练处理来识别一组数据的潜在的关系的具有解决问题的能力的一系列算法。人工神经网络(ann)包括通过突触组合形成网络并通过训练改变突触的连接强度的人工神经元(节点)。因为通过突触连接构成网络的人工神经元或节点通过学习改变突触连接的强度，所以人工神经网络可指示具有解决问题的能力的整体模型。在人工神经网络中，每个神经元可将输
入值与权重相乘并与偏置相加，并且随后应用激活函数以获得输出值。激活函数可确定通过这样的人工神经网络的值的形式。
65.神经网络可包括多个层。多个层可包括输入层、至少一个隐藏层和输出层。在一个示例中，除了卷积层之外，神经网络还可包括子采样层、池化层、全连接层等。神经网络可基于深度学习映射具有非线性关系的输入数据和输出数据，以执行任务(诸如，以语音识别和图像识别为例)。
66.神经网络可被训练为：通过经由深度学习映射其间具有非线性关系的输入数据和输出数据来执行期望的操作，以执行各种任务。深度学习是用于解决从大数据集给出的问题的机器学习方法。深度学习还可被解释为用于在使用提供的训练数据训练神经网络时寻找能量被最小化的点的用于优化的问题解决处理。通过深度学习(例如，监督学习或无监督学习)，可获得与神经网络的架构或模型对应的权重，并且可基于获得的权重将输入数据和输出数据彼此映射。在一个示例中，在由输出层输出的结果的误差沿着神经网络反向传播的同时，神经网络的每个节点的参数可被调节。
67.神经网络可包括深度神经网络(dnn)。例如，神经网络可包括卷积神经网络(cnn)、循环神经网络(rnn)、感知器、前馈(ff)网络、径向基函数(rbf)网络、深度ff(dff)网络、长短期记忆(lstm)、门控循环单元(gru)、自编码器(ae)、变分ae(vae)、去噪ae(dae)、稀疏ae(sae)、马尔可夫链(mc)、霍普菲尔德网络(hn)、玻尔兹曼机(bm)、受限bm(rbm)、深度信念网络(dbn)、深度卷积网络(dcn)、解卷积网络(dn)、深度卷积逆图形网络(dcign)、生成式对抗网络(gan)、液体状态机(lsm)、极端学习机(elm)、回声状态网络(esn)、深度残差网络(drn)、可微神经计算机(dnc)、神经图灵机(ntm)、胶囊网络(cn)、kohonen网络(kn)和注意力网络(an)。
68.为了便于描述，神经网络20被示出为包括两个隐藏层(例如，隐藏层1和隐藏层2)，但是神经网络20可包括任何数量的隐藏层。此外，在图1中，神经网络20被示出为包括用于接收输入数据的单独的输入层21，但是输入数据可直接被输入到隐藏层。
69.神经网络20中的除了输出层之外的层的人工节点可经由用于发送输出信号的链路连接到下一层的人工节点。通过这样的链路，通过将分配给每条链路的权重与包括在前一层中的每个人工节点的节点值相乘而获得的值可被输入到一个人工节点。前一层的节点值对应于轴突值，并且权重对应于突触权重。权重可被称为神经网络20的参数。激活函数可包括s型(sigmoid)、双曲正切(tanh)和整流线性单元(relu)，并且非线性可通过激活函数在神经网络20中形成。
70.包括在神经网络20中的任意节点22的输出可如以下等式1被表示。
71.[等式1]
[0072][0073]
等式1可指示在任意层中第i节点22针对m个输入值的输出值yi。xj可表示前一层的第j节点的输出值，w
j,i
可表示施加到当前层的第i节点22与前一层的第j节点的连接的权重。f()可表示激活函数。如等式1中所示，输入值xj和权重w
j,i
的乘法累加结果可针对激活
函数被使用。换言之，在期望的时间的适当的输入值xj和权重w
j,i
的乘法累加(mac)运算可被重复。此外，存在需要mac运算的各种应用领域，在这方面，能够在模拟电路域中处理mac运算的处理设备可被使用。
[0074]
图2示出在处理设备中使用的位单元(bitcell)bc的示例的电路图，将参照图2描述位单元bc的结构和操作。
[0075]
图2的位单元bc可以是包括在用于实现神经形态处理器、神经处理器等的处理设备中的电路配置。处理设备可以是例如将数据存储在存储器(电阻式存储器装置等)中并且在算术运算被需要时使用存储的数据的存储器内处理单元。
[0076]
位单元bc可包括并联连接的第一可变电阻器ra和第二可变电阻器rb的对、分别串联连接到第一可变电阻器ra和第二可变电阻器rb的第一开关sa和第二开关sb、以及分别连接到第一位数据线bdla和第二位数据线bdlb的下面的位数据线开关s
bdla
和上面的位数据线开关s
bdlb
。然而，图2的位单元bc的电路配置仅是示例，并且位单元bc可被实现为使用其他电路器件的等效电路。
[0077]
第一可变电阻器ra和第二可变电阻器rb的对是可变装置，在可变装置，不同的电阻值可被设置，并且第一可变电阻器ra和第二可变电阻器rb的电阻值可由施加到位单元bc的权重来确定。例如，第一可变电阻器ra和第二可变电阻器rb中的每个可具有两个电阻值之中的任意一个电阻值，例如，可具有电阻值15mω或10mω。例如，当可施加到位单元bc的权重是1时，第一可变电阻器ra可被设置为15mω，并且第二可变电阻器rb可被设置为10mω。在另一示例中，当权重-1被施加时，第一可变电阻器ra可被设置为10mω，并且第二可变电阻器rb可被设置为15mω。如以上示例中那样，第一可变电阻器ra和第二可变电阻器rb的对可互补地设置为具有不同的电阻值。
[0078]
在一个示例中，第一可变电阻器ra和第二可变电阻器rb可以是电阻式存储器装置。电阻式存储器装置可以是这样的装置：可根据施加在电阻式存储器装置的两端的电压或电流而在不同的电阻状态之间切换并且可具有多个电阻状态。电阻式存储器装置可具有单层结构或多层结构，单层结构或多层结构包括例如过渡金属氧化物、金属氧化物(诸如，钙钛矿类材料)、相变材料(诸如，硫属化物类材料)、铁电材料或铁磁材料等。电阻式存储器装置从高阻态改变到低阻态的操作可被称为置位操作，电阻式存储器装置从低阻态改变到高阻态的操作可被称为复位操作。
[0079]
将进一步描述改变第一可变电阻器ra和第二可变电阻器rb的电阻值的方法。首先，将被改变的可变电阻器的两端可分别连接到第一位数据线bdla和第二位数据线bdlb。参照第一可变电阻器ra，第一可变电阻器ra的一端(图2中的第一可变电阻器ra的上端部)可经由上面的位数据线开关s
bdlb
连接到第二位数据线bdlb，并且第一可变电阻器ra的另一端(图2中的第一可变电阻器ra的下端部)可经由第一开关sa和下面的位数据线开关s
bdla
连接到第一位数据线bdla。
[0080]
上面的位数据线开关s
bdlb
可以是不包括在图2的位单元bc中的开关。例如，上面的位数据线开关s
bdlb
可以是包括在与图2的位单元bc相邻的位单元(未示出)中的开关，或者可以是不包括在另外的位单元中的独立开关。
[0081]
当第一可变电阻器ra连接到位数据线bdla和bdlb时，可通过经由第一位数据线bdla和第二位数据线bdlb控制第一可变电阻器ra两端的电压或流过第一可变电阻器ra的电
流，来对第一可变电阻器ra执行置位操作或复位操作。在另一示例中，当在位单元bc两端的上面的位数据线开关s
bdlb
和下面的位数据线开关s
bdla
以及第二开关sb闭合时，由于第二可变电阻器rb连接到第一位数据线bdla和第二位数据线bdlb，因此，置位操作或复位操作可对第二可变电阻器rb执行。
[0082]
与被施加以读取第一可变电阻器ra和第二可变电阻器rb的电阻值的电压和/或电流相比，被施加以改变第一可变电阻器ra和第二可变电阻器rb的电阻值的电压和/或电流可相对大得多。被施加以读取第一可变电阻器ra和第二可变电阻器rb的电阻值的电压和/或电流不会改变第一可变电阻器ra和第二可变电阻器rb的电阻值。
[0083]
以下将参照图3a和图3b描述第一可变电阻器ra和第二可变电阻器rb被实现为磁性隧道结(mtj)装置的示例。
[0084]
串联连接到第一可变电阻器ra和第二可变电阻器rb的第一开关sa和第二开关sb的对可根据施加到位单元bc的输入而执行闭合操作/断开操作。第一开关sa和第二开关sb可互补地操作，使得当一个开关闭合时另一开关断开。例如，当输入1被施加到位单元bc时，第一开关sa可闭合并且第二开关sb可断开，并且当输入-1被施加到位单元bc时，第一开关sa可断开并且第二开关sb可闭合。
[0085]
根据上述可变电阻器和开关的操作方法，位单元bc的两端测量的电阻值可根据施加到图2的位单元bc的权重和输入而变化。例如，权重、输入和位单元bc两端的电阻值之间的关系可如以下表1中那样。
[0086]
表1：
[0087]
输入权重输入
×
权重电阻值mω111151-1-110-11-110-1-1115
[0088]
参照表1，当通过将输入与权重相乘获得的值是1时，位单元bc的电阻值是15mω，并且当通过将输入与权重相乘获得的值是-1时，位单元bc的电阻值是10mω。换言之，当位单元bc的电阻值被测量或者根据恒定值的电流的位单元bc的压降被测量时，施加到位单元bc的输入和权重的乘积可被确定。通过使用位单元bc的这种特性计算输入和权重的乘积之和的处理设备(例如，神经形态处理器等)可被实现。
[0089]
图3a和图3b是示出用于描述可应用于图2的位单元bc的可变电阻器的结构和操作的示例的示图。第一可变电阻器ra和第二可变电阻器rb可被实现为mtj装置，并且可具有电阻值根据电流(或电压)的大小和方向而改变并且即使在输入电流(或电压)被切断时电阻值也被维持的非易失性特征。
[0090]
参照图3a和图3b，mtj装置可包括钉扎层(pinned layer)layer 3、自由层layer 1、以及它们之间的隧道层layer 2。钉扎层layer 3的磁化方向被固定，并且自由层layer 1的磁化方向可根据条件与钉扎层layer 3的磁化方向相同或不同。
[0091]
在图3a中，在mtj装置中自由层layer 1和钉扎层layer 3的磁化方向平行。这样，当磁化方向平行时，mtj装置可具有低电阻值(例如，10mω的电阻)。在图3b中，在mtj装置中自由层layer 1和钉扎层layer 3的磁化方向反向平行。这样，当磁化方向反向平行时，mtj
装置可具有高电阻值(例如，15mω的电阻)。因此，可变电阻器的电阻值可通过改变自由层layer1的磁化方向而改变。
[0092]
自由层layer 1的磁化方向可通过设置在电阻式存储器单元内部和/或外部的电/磁因子而改变。自由层layer 1可包括具有可改变的磁化方向的材料(例如，铁磁材料(诸如，以cofeb、feb、fe、co、ni、gd、dy、cofe、nife、mnas、mnbi、mnsb、cro2、mnofe2o3、feofe2o3、niofe2o3、cuofe2o3、mgofe2o3、euo、y3fe5o
12
和/或它们的组合为例)。
[0093]
隧道层layer 2可具有比自旋扩散距离(spin diffusion distance)更薄的厚度，并且可包括非磁性材料(诸如，以镁(mg)、钛(ti)、铝(al)、镁-锌(mgzn)或镁-硼(mgb)的氧化物、钛(ti)的氧化物、钒(v)的氧化物和/或它们的组合为例)。
[0094]
钉扎层layer 3可具有由反铁磁层固定的磁化方向。钉扎层layer 3可包括铁磁材料(例如，以cofeb、feb、fe、co、ni、gd、dy、cofe、nife、mnas、mnbi、mnsb、cro2、mnofe2o3、feofe2o3、niofe2o3、cuofe2o3、mgofe2o3、euo、y3fe5o
12
和/或它们的组合为例)，并且还可包括用于固定磁化方向的反铁磁层和/或合成反铁磁层。反铁磁层可包括反铁磁材料(诸如，ptmn、irmn、mno、mns、mnte、mnf2、fec
l2
、feo、coc
l2
、coo、nic
l2
、nio、cr和/或它们的组合)。合成反铁磁层可包括cu、ru、ir和/或它们的组合。
[0095]
图4是示出处理设备100的示例的示图。
[0096]
参照图4，处理设备100可包括位单元线110、镜像电路单元130、电荷充电单元150、以及电压测量单元170，位单元线110包括三个位单元(即，串联连接的第一位单元bc
11
至第三位单元bc
13
)，镜像电路单元130复制流过位单元线110的电流，电荷充电单元150包括利用从镜像电路单元130发送的镜像电流充入电荷的电容器c1，电压测量单元170测量电容器c1两端的电势差。在图4中，x和w可分别表示输入和权重。
[0097]
位单元线110可包括串联连接的多个位单元(例如，第一位单元bc
11
至第三位单元bc
13
)，并且每个位单元可具有与图2的位单元bc的结构相同的结构。图4的位单元线110包括三个位单元(即，第一位单元bc
11
至第三位单元bc
13
)，但是包括在一条位单元线110中的位单元的数量可多于三个(例如，从64到256)。因为第一位单元bc
11
至第三位单元bc
13
串联连接，所以流过第一位单元bc
11
至第三位单元bc
13
的电流的量是相同的。例如，当1a的电流在第一位单元bc
11
中流动时，1a的电流也在第二位单元bc
12
和第三位单元bc
13
中流动。在位单元线110中流动的电流的大小可通过欧姆定律根据位单元线110的上端处的位单元线电压v
bc
和第一位单元bc
11
至第三位单元bc
13
的组合电阻值来确定。如以上参照图2的位单元bc所述，位单元线110的组合电阻值可由通过施加到每个位单元的权重和输入从每个位单元示出的电阻值来确定。当第一位单元bc
11
和第二位单元bc
12
的电阻值是15mω并且第三位单元bc
13
的电阻值是10mω时，位单元线110的组合电阻值是40＝(15 15 10)mω，并且当位单元线电压v
bc
是80v时，2μa的电流可在位单元线110中流动。
[0098]
镜像电路单元130可包括第一晶体管tr
m1
和第二晶体管tr
m2
以及放大器131，并且可复制在位单元线110中流动的电流并将复制的电流发送到电荷充电单元150。由镜像电路单元130复制的电流是通过第一晶体管tr
m1
在位单元线110中流动的位单元线电流i，并且复制后的电流可以是通过第二晶体管tr
m2
在电荷充电单元150中流动的镜像电流i'。
[0099]
换言之，镜像电路单元130可通过以特定比例复制在位单元线中流动的电流来生成镜像电流，并且镜像电路单元130复制电流所通过的操作将在以下被描述。
[0100]
镜像电路单元130的第一晶体管tr
m1
可以是p型金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，并且在第一晶体管tr
m1
中流动的位单元线电流i可满足以下等式2。
[0101]
[等式2]
[0102][0103]
在等式2中，k
p1
是第一晶体管tr
m1
的器件特性的常数，该常数通过栅极氧化物层的介电常数和厚度以及由栅极氧化物膜产生的电容器的每单位面积的电容而确定。w1/l1表示沟道纵横比(即，第一晶体管tr
m1
的沟道宽度w1与沟道长度l1(参见图5)的比率)。v
gs
表示栅极电压vg与源极电压vs之差，v
th1
表示第一晶体管tr
m1
的阈值电压。包括在等式2中的除v
gs
之外的其他元素(例如，k
p1
、v
th1
等)可以是在晶体管的制造完成之后不改变的值。换言之，在第一晶体管tr
m1
被制造之后在第一晶体管tr
m1
中流动的电流的量可由v
gs
确定。
[0104]
第二晶体管tr
m2
也可以是p型mosfet，并且在第二晶体管tr
m2
中流动的镜像电流i'可满足以下等式3。
[0105]
[等式3]
[0106][0107]
如参照等式2所述，k
p2
和v
th2
是关于第二晶体管tr
m2
的器件特性的常数，并且v
th2
表示第二晶体管tr
m2
的阈值电压。w2/l2表示第二晶体管tr
m2
的沟道纵横比(参见图5)。
[0108]
参照等式2和等式3，将在第一晶体管tr
m1
中流动的位单元线电流i和在第二晶体管tr
m2
中流动的镜像电流i'的大小进行比较，因为第一晶体管tr
m1
和第二晶体管tr
m2
通常使用相同的材料和类似的工艺来制造，所以k
p1
和v
th1
的值可与k
p2
和v
th2
的值相同。此外，参照图4，因为第一晶体管tr
m1
的源极电压vs和栅极电压vg与第二晶体管tr
m2
的源极电压vs和栅极电压vg相同，所以确定位单元线电流i和镜像电流i'的大小的因子可以是每个晶体管的沟道纵横比(w/l)。例如，当第一晶体管tr
m1
的沟道纵横比w1/l1大于第二晶体管tr
m2
的沟道纵横比w2/l2时，位单元线电流i大于镜像电流i'，并且当第一晶体管tr
m1
的沟道纵横比w1/l1与第二晶体管tr
m2
的沟道纵横比w2/l2相同时，位单元线电流i可与镜像电流i'相同。换言之，可通过调节第二晶体管tr
m2
的沟道纵横比w2/l2与第一晶体管tr
m1
的沟道纵横比w1/l1的比率，来获得期望比率的镜像电流i'。例如，当第二晶体管tr
m2
的沟道纵横比w2/l2被调节为第一晶体管tr
m1
的沟道纵横比w1/l1的1/2时，镜像电流i'的大小可减小到位单元线电流i的1/2。在一个示例中，第一晶体管的沟道纵横比与第二晶体管的沟道纵横比的比率可等于或小于1，或者等于或小于1/2。在下文中，除非另有说明，否则假设第一晶体管tr
m1
的沟道纵横比w1/l1和第二晶体管tr
m2
的沟道纵横比w2/l2相同。
[0109]
放大器131可包括两个输入端子(即，正输入端子131
i
和负输入端子131
i-)以及一个输出端子131o，并且可将位单元线电压v
bc
维持为恒定的值。放大器131可以是运算放大器，该运算放大器以增益g对正输入端子131
i
的电压v
in
与负输入端子131
i-的电压v
in-之间的差进行放大，并且输出放大后的差作为输出端子131o的电压v
out
。正输入端子131
i
的电压v
in
和负输入端子131
i-的电压v
in-以及输出端子131o的电压v
out
可满足以下等式4。
[0110]
[等式4]
[0111]
g*(v
in -v
in-)＝v
out
[0112]
在等式4中，g表示放大器的增益，并且理想运算放大器可具有无穷的增益g。当假设图4的放大器131是具有无穷的增益g的理想运算放大器，并且等式4的左手侧和右手侧除以增益g时，右手侧收敛到0，并且放大器131的正输入端子131
i
的电压v
in
和负输入端子131
i-的电压v
in-具有相同的值。这样，位单元线电压v
bc
可通过使用正输入端子131
i
的电压和负输入端子131
i-的电压相同的放大器131的特性来维持恒定的值。例如，如图4中所示，当放大器131的负输入端子131
i-连接到位单元线110的上部并且正输入端子131
i
维持在5v时，因为负输入端子131
i-的电压v
in-与正输入端子131
i
的电压v
in
相同，所以负输入端子131
i-的电压v
in-为5v，并且因为位单元线电压v
bc
与负输入端子131
i-的电压v
in-相同，所以位单元线电压v
bc
可维持5v。
[0113]
因为运算放大器具有不存在流到输入端子的电流的特性，所以在第一晶体管tr
m1
中流动的电流不会泄漏到负输入端子131
i-，而是可流过位单元线110。因此，在第一晶体管tr
m1
中流动的电流可被维持为与位单元线电流i相同。
[0114]
当位单元线110的操作和镜像电路单元130的操作相关联时，在位单元线110中流动的电流可由位单元线电压v
bc
和位单元线110的组合电阻来确定，并且与在第一晶体管tr
m1
中流动的电流相同。因为第一晶体管tr
m1
和第二晶体管tr
m2
的沟道纵横比(w/l)相同，所以在第一晶体管tr
m1
中流动的电流与在第二晶体管tr
m2
中流动的电流相同。因此，与在位单元线110中流动的位单元线电流i具有相同大小的镜像电流i'可被发送到电荷充电单元150。
[0115]
电荷充电单元150可包括电容器c1、充电晶体管trc和复位晶体管trr，并且可对从镜像电路单元130发送的镜像电流i'充电达到期望的时间。换言之，当由镜像电路单元130复制的镜像电流i'被施加时，电荷充电单元150可充入与镜像电流i'对应的电压。电荷充电单元150的充电晶体管trc和复位晶体管trr可根据控制器(未示出)的控制信号导通或截止。
[0116]
镜像电流i'在其期间对电容器c1充电的时间可通过充电晶体管trc的导通/截止操作来控制。例如，当镜像电流i'为5μa并且充电晶体管trc维持导通状态2ns时，在电容器c1中可充入10fc的电荷。因为当充电晶体管trc处于截止状态时，电容器c1中充入的电荷不会泄漏，所以电容器c1两端的电势差(即，电容器电压)可被恒定地维持。
[0117]
电容器c1中充入的电荷可通过复位晶体管trr的导通/截止操作被移除。在一个示例中，当复位晶体管trr导通时，电容器c1两端的电压变为地电压(0v)，并且充入的电荷可被移除。
[0118]
电压测量单元170基于在电荷充电单元150中充入的电荷(即，电容器c1的电容器电压)，输出与施加到位单元线110的权重和输入的mac运算结果对应的值。
[0119]
在一个示例中，电压测量单元170可将电荷充电单元150的电容器c1的电压与参考电压v
ref
进行比较，并输出比较的结果。参考电压v
ref
是被预先确定为被提供以相对地测量电容器c1的电压的大小的值的电压，并且一个或多个参考电压v
ref
可被提供。电压测量单元170可包括用于生成参考电压v
ref
的参考电压生成单元(未示出)或用于从外部源接收参考电压v
ref
的接收单元(未示出)。电压测量单元170可包括用于以数字值输出将电容器c1的电压和参考电压v
ref
进行比较的结果的模数转换器(adc)171。电压测量单元170的输出可以是指示施加到位单元线110的输入和权重的乘积之和的值，并且以下将参照图7描述电压测量单元170的具体操作。
[0120]
图6是示出神经网络的示例的示图。
[0121]
图6是示出在第一层701中包括六个节点并且在第二层702中包括两个节点的神经网络的示例的示图。
[0122]
参照图6，可如以下等式5中那样，在第二层702的第一节点a1中执行将来自第一层701的节点的输入x1、x2、x3、x4、x5和x6分别与权重w
11
、w
21
、w
31
、w
41
、w
51
和w
61
相乘的六个乘法运算并且将乘法结果值相加的mac运算，并且可如以下等式6中那样，在第二节点a2中执行将来自第一层701的节点的输入x1、x2、x3、x4、x5和x6分别与权重w
12
、w
22
、w
32
、w
42
、w
52
和w
62
相乘的六个乘法运算并且将乘法结果值相加的mac运算。
[0123]
[等式5]
[0124]
a1＝x1·w11
x2·w21
x3·w31
x4·w41
x5·w51
x6·w61
[0125]
[等式6]
[0126]
a2＝x1·w12
x2·w22
x3·w32
x4·w42
x5·w52
x6·w62
[0127]
通过将等式5和等式6的算术运算结果应用于如以上等式1中那样的激活函数(诸如，s形函数)而获得的结果可作为输入被提供给第三层703的节点b1。
[0128]
图7是示出驱动图4的处理设备100的方法的示例的示图，并且在下文中，将参照图7描述通过使用图4的处理设备100执行如等式5中那样的mac运算的方法。图7中的操作可以以如所示的顺序和方式来执行，但是在不脱离描述的说明性示例的精神和范围的情况下，可改变一些操作的次序或者省略一些操作。图7中示出的操作中的许多操作可被并行或同时执行。除了以下图7的描述之外，图1至图6的描述也可适用于图7，并且通过引用包含于此。因此，这里可不重复以上描述。
[0129]
将利用以下表2的示例来描述等式5的输入和权重。
[0130]
[表2]
[0131][0132]
参照表2，因为输入的数量和权重的数量均为6，所以图4的处理设备100(其中，只存在三个位单元(即，第一位单元bc
11
至第三位单元bc
13
))不能一次完成等式5的算术运算。换言之，能够通过使用图4的处理设备100一次执行的乘法的数量是三，但是因为等式5包括六个乘法运算，所以算术运算不能一次完成。因此，可将等式5的算术运算划分成两个部分，并且可通过以下步骤来执行算术运算：首先计算三个输入x1、x2和x3与权重w
11
、w
21
和w
31
的乘
积的第一部分和，计算剩余的三个输入x4、x5和x6与权重w
41
、w
51
和w
61
的乘积的第二部分和，然后通过将第一部分和和第二部分和相加得到总和。
[0133]
参照图7，处理方法可包括：将权重和输入施加到位单元(操作s801)，将电压施加到位单元线并利用由镜像电路复制后的电流对电容器充电(操作s802)，通过将电容器的电压和参考电压进行比较来输出部分和并将部分和存储在存储器中(操作s803)，对电容器进行复位(操作s804)，确定对所有输入和权重的算术运算是否完成(操作s805)，以及当对所有部分和的运算完成时，通过将部分和相加来输出总和(操作s806)。
[0134]
在操作s801中，将第一部分和的算术运算所需的输入x1、x2和x3以及权重w
11
、w
21
和w
31
分别施加到第一位单元bc
11
至第三位单元bc
13
。以上已参照图2的位单元bc描述了针对每个位单元施加权重和输入的方法。被施加输入x1、x2和x3以及权重w
11
、w
21
和w
31
的第一位单元bc
11
至第三位单元bc
13
的状态如以下表3中所示。
[0135]
[表3]
[0136][0137]
当将输入x1、x2和x3以及权重w
11
、w
21
和w
31
施加到第一位单元bc
11
至第三位单元bc
13
完成时，在操作s802中，1.008v的电压被施加到放大器131的正输入端子131
i
，并且高于1.008v的电压(例如，源极电压vs)被施加到第一晶体管tr
m1
和第二晶体管tr
m2
的源极端子。电压的施加可由控制器(未示出)执行。如上所述，因为位单元线电压v
bc
与施加到放大器131的正输入端子131
i
的1.008v相同，所以根据欧姆定律电流在位单元线110中流动。参照表3，因为位单元线110的组合电阻是40mω，所以25.2na的位单元线电流i可流动。
[0138]
位单元线电流i可被镜像电路单元130复制，因此相同大小的镜像电流i'可被发送到电荷充电单元150。控制器可使电荷充电单元150的充电晶体管trc导通，使得镜像电流i'对电容器c1充电达到特定时间。在图7的实施例中，电容器c1被充电1ns。因为q＝i
×
t，所以当充入的电荷为25.2ac且电容器c1的电容为20f[f]时，可在电容器c1中充入1.26mv的电压。用于计算第一部分和的电容器c1的充电状态可总结为以下表4。在图7的实施例中，电容为20f[f]，但是电容器c1的电容也可以是10至100f[f]或20至80f[f]。
[0139]
[表4]
[0140]
电容(f[f])电流(na)充电时间(ns)电荷量(ac)电容器电压mv
2025.2125.21.26
[0141]
在操作s803中，可通过将电容器的电压和参考电压进行比较来输出部分和，并且可将部分和存储在存储器中。在电容器c1中充入的电压可对应于位单元线110的组合电阻值，并且位单元线110的组合电阻值对应于第一部分和，因此，部分和可根据在电容器c1中充入的电压来确定。电容器c1的电压、位单元线110的组合电阻与部分和之间的关系可被总结为以下表5。
[0142]
[表5]
[0143]
电容器电压mv组合电阻mω部分和1.124531.264011.4435-11.6830-3
[0144]
图8是示出用于描述图7的处理方法中的输出部分和的示例的示图。
[0145]
参照图8，示出了电压测量单元170根据电容器c1的电压输出部分和所通过的处理。
[0146]
电压测量单元170可通过使用内部比较器将电容器c1的电压与参考电压进行比较，以确定电容器c1的电压。参考电压可被确定为能够区分电容器c1中可测量的电压的值，并且可以是可由电容器c1的电压指示的值之间的中间值。参照以上表5，用于识别可由电容器c1指示的电压是否为1.12mv的参考电压可以是作为1.12mv和与1.12mv邻近的1.26mv的中间值的1.19mv。当电容器c1的电压小于参考电压1.19mv时，电压测量单元170可认为电容器c1的电压为1.12mv，并输出与其对应的部分和3。参考电压、参考电压之间的区间以及与图7的实施例中的每个区间对应的部分和可总结为以下表6。
[0147]
[表6]
[0148][0149]
参照表4，用于图7的实施例的第一部分和的电容器c1的电压为1.26mv。参照图8和表6，因为该电压值属于大于参考电压1.19mv且小于参考电压1.35mv的区间，所以电压测量单元170可输出第一部分和“1”作为结果值，并且第一部分和可被存储在存储装置(诸如，存储器)中。在图7的实施例中，电压测量单元170输出第一部分和，但是电压测量单元170可输出与第一部分和对应的另外的形式的结果。例如，电压测量单元170可输出与第一部分和对应的数字值(例如，诸如00、01、10或11的2位数)，并且部分和可从以下表7得到。
[0150]
[表7]
[0151][0152][0153]
当第一部分和的算术运算完成时，在操作s804中对电容器c1进行复位。这里，电容器c1可使图4的复位晶体管trr导通以匹配电容器c1两端的电势，从而对电容器c1进行复位。
[0154]
在操作s805中，确定所有输入和权重的算术运算是否完成。因为第二部分和的算术运算尚未完成，所以重复操作s801至s804以计算第二部分和。
[0155]
首先，将输入x4、x5和x6以及权重w
41
、w
51
和w
61
分别施加到第一位单元bc
11
至第三位单元bc
13
。被施加输入x4、x5和x6以及权重w
41
、w
51
和w
61
的第一位单元bc
11
至第三位单元bc
13
的
状态如以下表8所示。
[0156]
[表8]
[0157][0158]
当将输入x4、x5和x6以及权重w
41
、w
51
和w
61
施加到第一位单元bc
11
至第三位单元bc
13
完成时，1.008v的电压被施加到放大器131的正输入端子131
i
，并且高于1.008v的电压(例如，源极电压vs)被施加到第一晶体管tr
m1
和第二晶体管tr
m2
的源极端子。参照表8，因为位单元线110的组合电阻是35mω，所以根据欧姆定律28.8na的位单元线电流i可流动。
[0159]
位单元线电流i可被镜像电路单元130复制，因此相同大小的镜像电流i'可被发送到电荷充电单元150。用于计算第二部分和的电容器c1的充电状态可总结为以下表9。
[0160]
[表9]
[0161][0162]
参照表9，电容器c1的电压为1.44mv。再次参照图8和表6，因为1.44mv属于大于参考电压1.35mv且小于参考电压1.56mv的区间，所以电压测量单元170可输出结果值
“‑
1”并将结果值作为第二部分和存储在存储装置(诸如，存储器)中。
[0163]
当确定第一部分和以及第二部分和的算术运算完成时(操作s805)，在操作s806中，处理单元(未示出)可输出作为通过将所有部分和(第一部分和以及第二部分和)相加而获得的值的总和。总和可以是以上等式5的算术运算结果，并且将部分和相加并且输出总和可由处理单元(诸如，包括处理设备100的电子系统的中央处理器(cpu))执行。因为第一部分和是“1”并且第二部分和是
“‑
1”，所以总和“0”可被输出并存储在存储装置(诸如，存储器)中。
[0164]
通过将激活函数(诸如，如以上等式1中那样的s形函数)应用于总和而获得的激活函数值可被提供为下一点的输入(激活)。例如，以上等式5的激活函数值可作为输入提供给包括在第三层703中的节点b1。激活函数的算术运算可由处理器(诸如，cpu)执行。
[0165]
在图7的实施例中，仅包括一条位单元线110的处理设备100的操作方法被描述，但
是处理设备100可包括多条位单元线，并且可并行地处理多个节点所需的算术运算。当处理设备包括例如两条位单元线时，第一位单元线可执行图6的第二层702的第一节点a1所需的等式5的算术运算，而第二位单元线可执行图6的第二层702的第二节点a2所需的等式6的算术运算。包括在处理设备100中的位单元线的数量可以是例如40至100，但不限于此。
[0166]
图9是示出驱动图4的处理设备100的方法的示例的示图。
[0167]
在下文中，将参照图9描述通过使用图4的处理设备100执行等式5的算术运算的方法。图9中的操作可以以如所示的顺序和方式来执行，但是在不脱离描述的说明性示例的精神和范围的情况下，可改变一些操作的次序或者省略一些操作。图9中示出的操作中的许多操作可被并行或同时执行。除了以下图9的描述之外，图1至图8的描述也可适用于图9，并且通过引用包含于此。因此，这里可不重复以上描述。
[0168]
在图9的实施例中，将利用以上表2的示例来描述等式5的输入和权重。图9的实施例与图7的实施例的不同之处在于，在等式5的第一部分和的算术运算与第二部分和的算术运算之间不对电容器c1进行复位。图9的实施例与图7的实施例的区别在于，针对三个输入x1、x2和x3与权重w
11
、w
21
和w
31
的电压被充入电容器c1中，并且针对剩余的三个输入x4、x5和x6与权重w
41
、w
51
和w
61
的电压被累积并充入电容器c1中。
[0169]
参照图9，处理方法可包括：将权重和输入施加到位单元(操作s1001)，将电压施加到位单元线并利用由镜像电路复制的电流对电容器充电(操作s1002)，确定对所有输入和权重的算术运算是否完成(操作s1003)，以及在重复执行操作s1001和s1002直到对所有输入和权重的算术运算完成之后，通过将电容器的电压与参考电压进行比较来输出总和(操作s1004)。
[0170]
首先，在操作s1001中，将在第一时间段t1中进行算术运算的输入x1、x2和x3以及权重w
11
、w
21
和w
31
分别施加到第一位单元bc
11
至第三位单元bc
13
。被施加将在第一时间段t1中进行算术运算的输入x1、x2和x3以及权重w
11
、w
21
和w
31
的第一位单元bc
11
至第三位单元bc
13
的状态如以上表3。
[0171]
在将输入以及权重施加到第一位单元bc
11
至第三位单元bc
13
之后，在操作s1002中通过使用放大器131施加1.008v的位单元线电压v
bc
。因为位单元线110的组合电阻是40mω，所以25.2na的位单元线电流i可通过施加的电压而流动。
[0172]
位单元线电流i被镜像电路单元130复制，并且镜像电流i'被发送到电荷充电单元150，并且电容器c1可通过充电晶体管trc的操作被充电1ns。在图9的实施例中，20f[f]的电容器c1可通过25.2na的电流被充电到1.26mv的电压。第一时间段t1中的电容器c1的充电状态可如以上表4。
[0173]
可重复操作s1001和s1002，直到确定对所有输入和权重的算术操作完成(操作s1003)。具体地，首先，将在第二时间段t2中进行算术运算的输入x4、x5和x6以及权重w
41
、w
51
和w
61
分别施加到第一位单元bc
11
至第三位单元bc
13
。当输入x4、x5和x6以及权重w
41
、w
51
和w
61
被施加到第一位单元bc
11
至第三位单元bc
13
时，充电晶体管trc截止。因此，存储在电容器c1中的电荷被保留，并且电容器c1的电压可维持为在第一时间段t1中充入的电压。当包括在第一位单元bc
11
至第三位单元bc
13
中的可变电阻器是mtj装置时，将输入和权重施加到一个可变电阻器所需的时间通常为约20ns至40ns，并且在第二时间段t2中输入和权重进行算术运算的同时电容器c1中充入的电荷被放电的放电量可被忽略。被施加将在第二时间段t2中进
行算术运算的输入x4、x5和x6以及权重w
41
、w
51
和w
61
的第一位单元bc
11
至第三位单元bc
13
的状态如以上表8所示。
[0174]
在将输入和权重施加到第一位单元bc
11
至第三位单元bc
13
之后，通过使用放大器131施加1.008v的位单元线电压v
bc
。因为位单元线110的组合电阻是35mω，所以28.8na的位单元线电流i可在第二时间段t2中流动。
[0175]
位单元线电流i被镜像电路单元130复制，并且镜像电流i'被发送到电荷充电单元150，并且当充电晶体管trc导通时，电容器c1可被充电1ns。通过28.8na的电流在1ns在电容器c1中充入的电荷量为28.8ac，并且因为在第一时间段t1中充入的25.2ac的电荷保留在电容器c1中，所以当在第二时间段t2中充入的电荷量被累积时，54ac的电荷可被充入。因为q＝cv，所以在第二时间段t2之后的电容器c1的电压可以是2.7mv。图10是示出在第一时间段t1和第二时间段t2中电容器c1的电压的变化的曲线图的示例的示图，并且在第一时间段t1和第二时间段t2期间充入的电荷和电压可总结为以下表10。
[0176]
[表10]
[0177]
时间段电流(na)充电时间(ns)充电电荷(ac)电容器电压mvt125.2125.21.26t228.8128.81.44t1 t2‑‑
542.7
[0178]
当确定对所有输入和权重的算术运算完成时(操作s1003)，在操作s1004中，通过将电容器c1的电压与参考电压进行比较来输出总和。因为在电容器c1中充入的电压可对应于通过将第一时间段t1中的位单元线的组合电阻值与第二时间段t2中的位单元线的组合电阻值相加而获得的值，所以总和可根据电容器c1中充入的电压来确定。
[0179]
图9的实施例与图7的实施例的不同之处在于：总和从电容器c1的最终电压输出，而不输出作为在第一时间段t1和第二时间段t2中施加的输入和权重的乘积之和的部分和。电容器c1的电压(通过将第一时间段t1中的组合电阻与第二时间段t2中的组合电阻相加而获得的值)与总和之间的关系可总结为以下表11。
[0180]
[表11]
[0181]
电容器电压mv组合电阻的相加后的值(mω)总和2.249062.388542.528022.77502.8870-23.1265-43.3660-6
[0182]
图11是示出用于描述图9的处理方法中的电压测量单元170根据电容器c1的电压输出总和所通过的处理的示例的示图。
[0183]
电压测量单元170可通过使用内部比较器(未示出)将电容器c1的电压与参考电压进行比较，以确定电容器c1的电压。可通过参考电压来区分的区间和与每个区间对应的总和可总结为以下表12。
[0184]
[表12]
[0185][0186][0187]
在图9的实施例中，直到第二时间段t2完成充电的电容器c1的2.7mv的电压对应于大于参考电压2.61mv且小于参考电压2.79mv的区间，因此电压测量单元170可参照图11和表12输出结果值“0”。由电压测量单元170得到的结果值“0”可以是等式5的算术运算结果，并且激活函数可被应用于结果值以作为输入提供给图6的第三层703的节点b1。激活函数的值可以是如从图6的第一层701提供给第二层702的二进制值-1或1。
[0188]
在图9的实施例中，在第一时间段t1和第二时间段t2中，在电容器c1中累积并充入电荷两次，但是可选地，可以累积并充入电荷三次或更多次。例如，为了通过使用其中存在三个位单元的图4的处理设备100来计算包括12个乘法的等式，累积并充电四次的值可被使
用。当电容器c1的容量不足累积并充入算术运算中所需的电荷时，镜像电路单元130可被设计为使得镜像电流i'小于位单元线电流i。例如，当算术运算中累积的电荷量为20μc但电容器c1的最大存储容量为10μc时，镜像电路单元130可被设计为使得镜像电流i'是位单元线电流i的1/2。如以上参照图5所述，可通过调节包括在镜像电路单元130中的晶体管的沟道纵横比(w/l)来减小镜像电流i'，并且当镜像电流i'减小1/2时，电容器c1的存储容量可加倍。
[0189]
图12和图13是示出用于描述图4的电压测量单元170输出激活函数值所通过的处理方法的操作的示例的示图。
[0190]
如以上参照等式1所述，因为在下一节点中使用通过将激活函数(诸如，s形函数)应用于如等式5的mac运算结果而获得的值，所以当图4的电压测量单元170输出激活函数值而不是总和时，运算效率可提高。换言之，当电压测量单元170输出总和的激活函数值而不是总和时，输出总和、将总和存储在存储器中以及通过使用处理器(诸如，cpu)计算总和的激活函数的处理可被跳过。可以以与图9的处理方法的操作s1001至s1003类似的方式执行图12的处理方法的操作s1301至s1303。然而，在图9的处理方法中，输出总和(操作s1004)可被改变为图12的输出激活函数值(操作s1304)(或替换为图12的输出激活函数值(操作s1304))。
[0191]
参照电压测量单元170输出激活函数值1或-1而不是如图9的实施例中那样输出总和的示例，当总和为2或更大时，激活函数值“1”可被输出，并且当总和为0或更小时，激活函数值
“‑
1”可被输出。以下表13是参照表11的电容器c1的电压、总和以及激活函数值的总结。
[0192]
[表13]
[0193]
电容器电压mv总和激活函数值2.24612.38412.52212.700-12.88-2-13.12-4-13.36-6-1
[0194]
参照表13，当总和为2或更大时，电容器c1的电压小于2.52mv，并且当总和为0或更小时，电容器c1的电压大于2.70mv，作为2.52mv和2.70mv的中间值的2.61mv被确定为参考电压。然后，电压测量单元170可通过在电容器c1的电压超过参考电压时输出-1并且在电压等于或小于参考电压时输出1，来输出以上表13的激活函数值。电压测量单元170的参考电压和输出可总结为以下表14。
[0195]
[表14]
[0196]
[0197][0198]
参照图13和表14，因为图9的实施例的直到第二时间段t2完成充电的电容器c1中充入2.70mv的电压，所以电压测量单元170可输出激活函数值
“‑
1”。激活函数值可存储在存储器中以稍后被使用，或者可作为输入立即提供给图6的第三层703的节点b1。
[0199]
图14示出处理设备700的芯片框图的示例。
[0200]
参照图14，处理装置700可包括位单元阵列710、控制器720、行解码器730、列解码器740、权重驱动器750、电源控制器760、数据缓冲器770和数据输出单元780。
[0201]
控制器720可对处理设备700的驱动和操作所需的命令进行解码。例如，控制器720可对命令(诸如，权重设置、权重设置检查、输入施加、电压测量、部分和输出/总和输出和激活函数值输出)进行解码，并将信号发送到执行命令所需的组件。
[0202]
位单元阵列710可以是包括上述可变电阻器和开关的位单元的阵列。这里，可变电阻器可以是包括磁性材料的mtj装置。
[0203]
行解码器730可通过接收行地址和输入信号来将输入值施加到位单元阵列710。行解码器730可包括数模转换器(dac)(或模数转换器(adc))，并且基于输入值将驱动电压施加到串联连接到可变电阻器的开关。此外，行解码器730可改变在位单元阵列710中的位单元中包括的可变电阻器的电阻值，并且此时，可将驱动电压施加到相关联的开关以选择目标可变电阻器。
[0204]
列解码器740可通过接收列地址和权重设置信号来将电压/电流施加到可变电阻器。列解码器740可选择需要电压测量的位单元线和连接到需要权重设置的位单元的权重线。
[0205]
权重驱动器750可将权重数据发送到由行解码器730和列解码器740选择的位单元。权重驱动器750可基于从数据缓冲器770接收的数据来驱动连接到列解码器740的权重线，以设置权重并检查设置的权重。权重驱动器750可包括电流源，电流源将检查电流施加到权重线，以检查在可变电阻器中是否设置了期望的电阻值。
[0206]
电源控制器760通过从控制器720接收信号来驱动电源，并且可将电压施加到放大器的正输入端子并将源极电压施加到镜像电路单元的晶体管。
[0207]
数据输出单元780可包括图4的电压测量单元170，并且可测量位单元线或连接到位单元线的一端的电容器的电压，并将测量的值存储在外部存储器(未示出)中。数据输出单元780可包括以数字值输出测量的值的adc。
[0208]
图15是示出电子装置800的示例的示图。
[0209]
参照图15，电子装置800可通过基于包括处理设备的神经网络装置830分析输入数据来提取有效信息，并且基于提取的信息来确定情况，或者控制安装有电子装置800的电子设备的组件。例如，电子装置800可应用于机器人装置(诸如，无人机或高级驾驶员辅助系统(adas))、智能tv、智能电话、医疗装置、移动装置、图像显示装置、安全验证/认证装置、测量
装置或物联网(iot)装置、智能家居装置，并且可安装在各种其他类型的电子设备上。
[0210]
除了神经网络装置830之外，电子装置800还可包括处理单元810、随机存取存储器(ram)820、存储器840、传感器模块850和通信(tx/rx)模块860。此外，电子装置800还可包括输入/输出模块、安全模块、电源控制设备。电子装置800的一些硬件组件可安装在半导体芯片上。神经网络装置830可以是以片上类型实现的根据上述实施例的处理设备，或者可以是包括作为装置的一部分的处理设备的装置。
[0211]
处理单元810可控制电子装置800的整体操作。处理单元810可以是cpu，并且可包括一个处理器核(单核)或多个处理器核(多核)。处理单元810可处理或执行存储在存储器840中的程序和/或数据，并且可通过执行存储在存储器840中的程序来控制神经网络装置830的功能。处理单元810可被实现为不同的处理配置中的任何一个或多个，不同的处理配置的示例包括：单个处理器、独立处理器、并行处理器、单指令单数据(sisd)多处理、单指令多数据(simd)多处理、多指令单数据(misd)多处理和多指令多数据(mimd)多处理、控制器和算术逻辑单元(alu)、dsp、微型计算机、fpga、可编程逻辑单元(plu)、中央处理器(cpu)、图形处理器(gpu)、神经处理器(npu)，或者除了cpu之外的能够以限定的方式响应并执行指令的任何其他装置。
[0212]
ram 820可临时存储程序、数据或指令。例如，存储在存储器840中的程序和/或数据可根据处理单元810的控制或引导代码临时存储在ram 820中。ram 820可被实现为存储器装置(诸如，动态ram(dram)或静态ram(sram))。
[0213]
神经网络装置830可基于接收的输入数据来执行神经网络的操作，并且可基于执行的结果来生成信息信号。神经网络装置830可包括上述实施例的处理设备。神经网络可包括卷积神经网络(cnn)、循环神经网络(rnn)、深度信念网络或受限玻尔兹曼机，但不限于此。神经网络装置830可对应于神经网络专用硬件加速器。
[0214]
信息信号可包括各种类型的识别信号(诸如，语音识别信号、对象识别信号、图像识别信号和生物特征信息识别信号)。例如，神经网络装置830可接收包括在视频流中的帧数据作为输入数据，并且可生成关于在由帧数据表示的图像中包括的对象的识别信号。神经网络装置830可根据安装有电子装置800的电子设备的类型或功能接收各种类型的输入数据，并且可根据输入数据生成识别信号。
[0215]
存储器840是用于存储数据的存储空间，并且可存储操作系统(os)、各种程序和各种类型的数据。存储器840可包括易失性存储器或非易失性存储器。非易失性存储器包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)、闪存、相变随机存取存储器(pram)、磁性ram(mram)、电阻式ram(rram)或铁电ram(feram)。易失性存储器包括动态ram(dram)、静态ram(sram)、同步dram(sdram)、相变ram(pram)、磁性ram(mram)、电阻式ram(rram)或铁电ram(feram)。存储器840可包括例如硬盘驱动器(hdd)、固态驱动器(ssd)、紧凑型闪存(cf)、安全数字(sd)卡、微型sd卡、迷你sd卡、极限数字(xd)卡或记忆棒。
[0216]
传感器模块850可收集安装有电子装置800的电子设备周围的信息。传感器模块850可从电子设备外部感测或接收信号(例如，图像信号、语音信号、磁信号、生物特征信号或触摸信号)，并且可将感测的信号或接收的信号转换为数据。在这方面，传感器模块850可包括任何类型的感测装置(诸如，麦克风、成像装置、图像传感器、光检测和测距(lidar)传
感器、超声波传感器、红外传感器、生物传感器或触摸传感器)。
[0217]
传感器模块850可向神经网络装置830提供转换的数据作为输入数据。例如，传感器模块850可包括图像传感器，图像传感器通过捕获电子设备的外部环境的图像来生成视频流，并向神经网络装置830提供视频流的按照次序的连续数据帧作为输入数据。然而，实施例不限于此，并且传感器模块850可将各种类型的数据提供给神经网络装置830。
[0218]
tx/rx模块860可包括能够与外部设备通信的各种有线或无线接口。例如，tx/rx模块860可包括能够访问局域网(lan)、无线lan(wlan)(诸如，无线保真(wi-fi))、无线个域网(wpan)(诸如，蓝牙)、无线通用串行总线(usb)、zigbee、近场通信(nfc)、射频识别(rfid)、电力线通信(plc)或移动蜂窝网络(诸如，第三代(3g)、4g、长期演进(lte)或5g)的通信接口。
[0219]
电子装置800不仅还可包括处理器、用于存储程序数据并执行程序数据的存储器装置、永久存储装置(诸如，磁盘驱动器)、与外部装置的通信的通信端口，而且还可包括用户接口装置(诸如，触摸面板、键、按钮)。由软件模块或算法实现的方法可作为可在处理器上执行的计算机可读代码或程序指令存储在计算机可读记录介质中。
[0220]
上述实施例是具有改进的模拟算术运算可靠性和功率效率的处理设备以及包括该处理设备的电子系统。
[0221]
上述实施例仅是示例，并且不以任何方式限制技术范围。为了说明书的简洁，省略了公知的电子配置、控制系统、软件和其他功能方面。此外，附图中示出的组件之间的线的连接或连接构件示例性地表示功能性连接和/或物理或电路连接，并且在实际设备中，可被替换或可被实现为各种附加功能连接、物理连接或电路连接。
[0222]
虽然本公开包括特定的示例，但是在理解本技术的公开之后将清楚，在不脱离权利要求及它们的等同物的精神和范围的情况下，可在这些示例中进行形式和细节上的各种改变。在此描述的示例将被认为仅是描述性的，而不是出于限制的目的。每个示例中的特征或方面的描述将被认为可适用于其他示例中的类似特征或方面。如果描述的技术以不同的顺序被执行，和/或如果描述的系统、架构、装置或电路中的组件以不同的方式被组合，和/或由其他组件或它们的等同物替换或补充，则可实现合适的结果。因此，公开的范围不是由具体实施方式限定，而是由权利要求及它们的等同物限定，并且在权利要求及它们的等同物的范围内的所有变化应被解释为包括在公开中。