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멤리스터 브리지 시냅스 기반 신경망 회로 설계 및 하드웨어적으로 구현된 인공뉴런 시뮬레이션
Memristor Bridge Synapse-based Neural Network Circuit Design and Simulation of the Hardware-Implemented Artificial Neuron 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.21 no.5, 2015년, pp.477 - 481  

양창주 (전북대학교 전자정보공학부(전자공학)) ,  김형석 (전북대학교 전자정보공학부(전자공학))

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Implementation of memristor-based multilayer neural networks and their hardware-based learning architecture is investigated in this paper. Two major functions of neural networks which should be embedded in synapses are programmable memory and analog multiplication. "Memristor", which is a newly deve...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서 제안한 회로는 하드웨어 기반으로 설계된 신경회로망을 이용한 학습 알고리즘 수행 시, 뉴런 간 전달되는 신호의 중요도를 결정하는 가중치 값의 변화에 의해 error값을 누적하고 적합성 여부를 판단할 수 있는 회로이다. CMOS 기반으로 설계된 회로를 Hspice 시뮬레이터를 통해 구현 가능성을 검증하였으며, 업데이트된 Weight 값의 변화에 의해 누적된 error값이 0에 가깝게 수렴되는 결과를 보였다.
  • 본 논문에서는, 학습알고리즘의 멤리스터[1,2]기반 브리지 시냅스 회로[3]를 이용하여 신경회로망을 구성하고, 하드웨어적으로 학습알고리즘 수행이 가능하도록 설계된 인공뉴런의 동작을 Hspice 시뮬레이션을 통해 증명하고자 한다.

가설 설정

  • 은 그림 1(a)의 멤리스터 브리지 시냅스 회로의 차동 출력신호를 나타낸 것으로 그림1(b)의 회로에 전압신호만이 전달된다. 그림 1과 같이 회로를 구성하게 되면 시냅스의 차동 출력신호 전달 시, 단지 전압신호만 FET의 게이트 단자에 인가되므로 부하효과에 의한 신호의 왜곡없이 필요한 뉴런 수만큼 연결할 수 있다는 장점이 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
인공적으로 뇌를 구현한다는 것은 무엇을 의미하는가? 인간의 뇌를 인공적으로 구현하는 일은, 로봇에 인공지능을 탑재하여 인간과 같은 수준의 지적 능력을 부여하려는 연구자들의 궁극적인 염원으로부터 시작되었다. 인공적으로 뇌를 구현한다는 것은 문제 해결을 위한 지능을 갖춘 시스템을 만든다는 것을 의미하고 입력된 신호에 의해 학습 및 정보처리가 가능함을 의미한다.
소프트웨어 기반의 수학적 모델로 구현한 다층 신경회로망을 하드웨어적으로 구현 시 문제가 발생하는데 다층 신경회로망의 어떤 부분 때문인가? 다층 신경회로망은 입력층과 출력층 사이에 하나 이상의 중간층이 존재하는 계층 구조로 되어있기 때문에 어떤 문제도 학습시킬 수 있으나, 각 뉴런 간 시냅스의 아날로그 곱셈기 구현에 많은 트랜지스터 들이 필요하므로, 실제 반도체 칩 크기에 다층 신경회로망을 회로로 구현하는 일은 매우 어려운 문제이다.
인공적으로 뇌를 구현한다는 것에서 기존의 소프트웨어적 학습 방법의 한계는? 기존의 소프트웨어적 학습 방법에서는 별도의 메모리를 통해 학습된 결과 값을 저장하고 다시 읽어 들여 사용하는 시스템적 한계에 의존하는 문제가 있었다. 그러나 실시간으로 어느 상황이든 즉각 대응할 수 있는 상시 학습 상태로의 활성화된 상태를 유지하기 위해서는 하드웨어 기반의 회로로 설계되어야 할 필요가 있다.
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참고문헌 (6)

  1. L. O. Chua, "Memristor-the missing circuit element," IEEE Trans. Circuit Theory, vol. 18, no. 5, pp. 507-519, Sep. 1971. 

  2. D. B. Strukov, G. S. Snider, D. R. Stewart, and R. S. Williams, "The missing memristor found," Nature, vol. 453, no. 7191, pp. 80-83, 2008. 

  3. H. Kim, M. Pd. Sah, C. Yang, T. Roska, and L. O. Chua, "Memristor bridge synapses," Proc. of the IEEE, vol. 100, no. 6, pp. 2061-2070, Jun. 2012. 

  4. K. Hirotsu and M. A. Brooke, "An analog neural network chip with random weight change learning algorithm," Proc. of 1993 International Joint Conference on Neural Networks, vol. 3, pp. 3031-3034, 1993. 

  5. D. E. Rumelhart, G. E. Hinton, and R. J. Williams, "Learning representations by back-propagating errors," Nature, vol. 323, no. 9, pp. 533-536. Oct. 1986. 

  6. C. Yang and H. Kim, "Memristor bridge synapse-based neural network circuit design and simulation for hardware-based learning algorithm implementation," Proc. of ICROS (Institute of Control, Robotics and Systems) 2014 Jeonbuk and Jeju Branch Conference (in Korean), pp. 76-79, Dec. 2014. 

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