Bauelementen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Durchführung einer Vektor-Matrix Multiplikation mit synaptischen Bauelementen, bestehend aus einer Matrixanordnung von kapazitiven oder resistiven oder kapazitiv-resistiven synaptischen Bauelementen in einer differentiellen Anordnung, welche periodisch geladen und entladen werden, und einem Taktgenerator, welcher die Bitleitungen abwechselnd mit einem

Ladungsintegrationsverstärker oder einer Masse über einen Wechselschalter verbindet.

Ebenfalls betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung der Anordnung, um die Vektor-Matrix Multiplikation zu erzielen.

Unter einem synaptischen Bauelement wird ein Bauelement zur gewichteten Multiplikation in künstlichen neuronalen Netzen verstanden .

Vektor-Matrix Multiplikationen kommen häufig in künstlichen neuronalen Netzen zum Einsatz und sind extrem rechenintensiv bei der Implementierung auf konventionellen digitalen Rechnerarchitekturen.

Künstliche Neuronalen Netze haben in den vergangenen Jahren eine steigende Bedeutung in Bild- und Objekterkennung und Datenverarbeitung gewonnen und werden zukünftig eine wichtige Relevanz haben in der Implementierung von künstlicher Intelligenz.

In künstlichen Neuronalen Netzten werden die Ausgänge von künstlichen Neuronen über synaptische Verknüpfungen mit Eingängen von weiteren künstlichen Neuronen verbunden. Die synaptischen Verknüpfungen bewerkstelligen eine gewichtete Multiplikation mit den Ausgangssignalen der künstlichen pre- Neuronen. Als eine günstige Anordnung von künstlichen synaptischen Bauelementen hat sich in den vergangenen Jahren eine Matrixanordnung herausgestellt, da jedes pre-Neuron über die Wortleitungen mit jedem post-Neuron über die Bitleitungen verbunden ist, und somit eine hohe Verbindungsdichte erzielt werden kann (Tsai et al.: Recent progress in analog memory-based accelerators for deep learning) . An den Bitleitungen werden die einzelnen Multiplikationen aufsummiert, und somit wird eine Multiplikations- und Akkumulationsoperation erzielt. Die Neuronen sind häufig nichtlineare Funktionen (z.B. Sigmoid oder ReLU) oder können eine zeitliche Integration mit Schwellwert sein.

Zur physikalischen Implementation werden häufig resistive Bauelemente, wie z.B. Memristoren (US20180019011A1), Phase- Change-Memory oder Floating Gate Transistoren eingesetzt. Ebenso denkbar ist die Ausnutzung memkapazitiver Bauelemente (US20120014170A1, W02011025495A1, DE102014105639B3, US5524092A1, US2019303744A1, Ventra et al.: Circuit elements with memory- memristors, memcapacitors, and meminductors, Proceedings of the IEEE), welche den Vorteil eines geringeren statischen Stromverbrauches haben und dynamische Verluste können mit einer adiabatischen Aufladung zum Großenteil beseitigt werden.

Es ist ebenso bereits bekannt, dass die Eingangssignale zur Erzielung einer gewichteten Multiplikation unterschiedlich kodiert werden können: Als Variation der Eingangsspannung oder als Variation einer zeitlichen Länge eines Eingangspulses (Tsai et al.: Recent progress in analog memory-based accelerators for deep learning).

In US20120014170A1 wurde bereits eine Matrixanordnung von kapazitiven synaptischen Bauelementen vorgeschlagen und ebenso ein Verfahren zum Beschreiben und Auslesen beschrieben. Das Auslesen erfolgt dabei über Spannungspulse.

In WO2016068886A1 wurde die Nutzung eines Wechselsignals beim Auslesen vorgeschlagen und, dass kapazitive Bauelemente unter Ausnutzung dynamischer Größen Vorteile gegenüber resistiven synaptischen Bauelementen besitzen. Auch wurde die Ausgangsstromabhängigkeit von der Frequenz der Eingangsgröße erläutert.

In US5343555 wurde eine switched capacitor Anordnung für das Auslesen von exhibitorischen und inhibitorischen Synapsen vorgeschlagen. Bei den Synapsen handelt sich nach wie vor nicht um memkapazitive Bauelemente direkt, sondern es werden Aufladungen von gewöhnlichen Kapazitäten genutzt und der Speicherinhalt von Floating Gate Transistoren. Das synaptische Bauelement nimmt damit noch deutlich mehr Fläche ein. Der Erfindung liegt aber bereits zu Grunde, dass ein Ladungsintegrationsverstärker genutzt wird, und die synaptischen Kapazitäten durch zwei nicht überlagernde Taktpulse periodisch geladen und entladen werden und die Ladung auf den Ladungsintegrationsverstärker übertragen wird. Ebenso werden die unterschiedlichen Phasen der exhibitorischen und inhibitorischen Synapse beschrieben. Die Erfindung nutzt jedoch noch als Eingangssignal eine zeitliche Pulsweitenänderung, nicht jedoch ein

Wechselsignal. Dementsprechend wird in dem Eingangssignal oder den Gewichten keine Phasenänderung ausgenutzt und entsprechend keine Vier-Quadranten Multiplikation durchgeführt, welche jedoch häufig nötig ist in künstlichen neuronalen Netzen. Da das Patent jedoch der hier beschriebenen Erfindung am Nächsten kommt, wird diese als Stand der Technik hier benutzt.

Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zu Grunde, eine switched capacitor Anordnung zu implementieren, welche kapazitive, resistive oder kapazitiv-resistive Bauelemente nutzt und verschiedene Variationen eines

Wechselspannungssignals als Eingangsgröße nutzt. Mit diesem Schema soll eine Vier-Quadranten Multiplikation ermöglicht werden und der Oszillator für das Wechselspannungssignal, sowie die Frequenz, sollen so gestaltet sein, dass ein minimaler Energieverbrauch möglich wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe anordnungsseitig durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Ausführungsformen hierzu sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 10 dargestellt.

Weiterhin wird die erfindungsgemäße Aufgabenstellung durch ein Verfahren gemäß Anspruch 11 bis 13 gelöst. Verfahrensseitige Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen 14 bis 19 dargestellt. Eine Anordnung der eingangsgenannten Art wird erfindungsgemäß dadurch gestaltet, dass die Wortleitungen der Matrix mit einer oder mehreren Oszillatoren verbunden werden und der Taktgenerator entweder auf steigende oder fallende Spannungen der Oszillatoren reagiert oder auf einen positiven oder negativen Wertebereich der Spannung der Oszillatoren reagiert.

In einer Ausführungsform für kapazitive synaptische Bauelemente reagiert der Taktgenerator auf steigende oder fallende Flanken, bei denen die Kapazitäten aufgeladen bzw. entladen werden, das heißt der Stromfluss und damit Ladungszu- und abfluss ist abhängig von der Ableitung der Spannungsänderung im Falle von kapazitiven synaptischen Bauelementen:

Da dieser Ladungszu- und abfluss letztlich an den Bitleitungen von den Ladungsintegrationsverstärkern integriert wird, ist bei kapazitiven synaptischen Bauelementen die steigende und abfallende Spannung des Oszillators entscheidend.

Ebenso denkbar ist in einer weiteren Ausführungsform, dass die Bitleitung im Falle von kapazitiven synaptischen Bauelementen, insbesondere von positiv und negativ definierten Kapazitäten, über eine feste Kapazität mit Masse verbunden ist und der Taktgenerator auf den positiven und negativen Wertebereich der Spannung des Oszillators reagierend ausgebildet ist. Der Spannungsabfall über die Kapazität ist 90° phasenverschoben zu dem Auflade- bzw. Entladestromes, weshalb diesmal der Taktgenerator nicht 90° phasenverschoben reagieren muss, wie beim vorherigen Ausführungsbeispiel. Die erwähnte Kapazität kann auch die parasitäre Kapazität der Bitleitung sein. In dem Fall muss der Ladungsintegrationsverstärker auf den Spannungsabfall über der festen Kapazität reagieren.

In einer Ausführungsform ist der Taktgenerator im Falle von resistiven synaptischen Bauelementen, insbesondere von positiv und negativ definierten Widerständen, auf den positiven und negativen Wertebereich der Spannung des

Oszillators reagierend ausgebildet ist. In diesem Fall ist der Stromfluss nicht von der Ableitung der Spannung abhängig, sondern zu ihr proportional. Entsprechend braucht der Taktgenerator wieder keine 90° Phasenverschiebung. In einer Ausführungsform besteht der

Ladungsintegrationsverstärker aus einem Stromspiegel, in einer weiteren Ausführungsform aus Gate-Schaltung, und in einer weiteren wird die Ladung direkt auf einen Kondensator auf integriert. Zudem besteht die Möglichkeit in einer Ausführungsform eine Millerkapazität auszunutzen um eine niedrige eingangsseitige Impedanz zu erzielen.

Entscheidend für den Ladungsintegrationsverstärker ist eine niedrige Eingangsimpedanz, damit die Ladungen auf der Bitleitung hauptsächlich von dem Ladungsintegrationsverstärker aufgenommen werden und nicht in parasitären Kapazitäten oder Widerständen verloren geht.

Dies wird mit den 4 dargestellten Ausführungsformen ermöglicht. Parasitäre Kapazitäten können jedoch auch genutzt werden, wie zum Beispiel im Falle von Anspruch 3. In einer weiteren Ausführungsform kann der Oszillator einen Energiespeicher enthalten, welcher in einer weiteren Ausführungsform aus einer Induktivität bestehen kann.

Hiermit können gespeicherte Ladungen in der Matrixanordnung effektiv zurückgewonnen werden und dynamische Verluste können mit einer adiabatischen Aufladung zum Großenteil beseitigt werden. Dies ermöglicht eine extrem hohe Energieeffizienz bei der Berechnung von künstlichen neuronalen Netzen. Die verfahrensseitige Lösung der erfindungsgemäßen

Aufgabenstellung zur Durchführung einer Vektor-Matrix- Multiplikation einer erfindungsgemäßen Anordnung besteht in folgenden fallweise definierten Schritten:

Im Falle einer Matrix von kapazitiven synaptischen Bauelementen und einem Taktgenerator, welcher auf den positiven oder negativen Gradienten reagiert: die Wechselspannungen einen festen Phasenbezug besitzen, im Falle einer abwechselnden Verbindung zwischen Masse und Eingang des Ladungsintegrationsverstärkers die Bitleitungen der positiv vorgesehenen Kapazitäten dann mit dem Eingang eines Ladungsintegrations verstärkers verbunden wird, wenn ein positiver Gradient in dem positiv definierten Wechselspannungssignal der Wortleitung vorliegt, ansonsten mit Masse verbunden wird, was einen positiven Stromfluss in den Ladungsintegrations verstärker bewirkt und zu einem positiven Spannungsabfall führt, die Bitleitung der als negativ vorgesehenen Kapazitäten, dann mit dem Eingang des Ladungsintegrationsverstärkers verbunden wird, wenn ein negativer Gradient im positiv definierten Wechselspannungssignal der Wortleitung vorliegt, ansonsten mit der Masse verbunden wird, was einen negativen Stromfluss in den Ladungsintegrations verstärker bewirkt und zu einem negativen Spannungsabfall führt. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Wechselstromsignal an der Bitleitung effektiv gleichgerichtet und aufintegriert wird.

Im Falle eines differentiellen Ladungsintegrations verstärkers können auch beide Phasen gleichgerichtet werden und ausgenutzt werden, wodurch die effektive Verstärkung verdoppelt wird: im Falle einer abwechselnden Verbindung zwischen invertierendem und nichtinvertierendem Eingang des LadungsintegrationsVerstärkers · die positiv vorgesehenen Kapazitäten dann mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Ladungsintegrationsverstärkers verbunden wird, wenn ein positiver Gradient in dem positiv definierten Wechselspannungssignal der Wortleitung vorliegt, ansonsten mit dem invertierenden Eingang und

• die negativ vorgesehenen Kapazitäten dann mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Ladungsintegrationsverstärkers verbunden wird, wenn ein negativer Gradient in dem positiv definierten Wechselspannungssignal der Wortleitung vorliegt, ansonsten mit dem invertierenden Eingang.

Im Falle eines negativ definierten Wechselspannungssignals wird an der Wortleitung der positive und negative Gradient zeitlich vertauscht, sodass die positiven und negativen Ströme vertauscht sind. Auf diese Weise kann eine Vierquadranten-Multiplikation erzielt werden.

In einem anderen Ausführungsbeispiel für resistive Bauelemente oder kapazitive Bauelemente mit zusätzlicher Kapazität an der Bitleitung wird entweder der Strom in Phase oder der Spannungsabfall in Phase über die zusätzliche

Kapazität zum angelegten periodischen Wechselspannungssignal effektiv gleichgerichtet. Hierbei reagiert der Taktgenerator auf den positiven und negativen Wertebereich des Wechselspannungssignals . In einem weiteren Ausführungsbeispiel für gemischt kapazitiv-resistiven synaptischen Bauelemente ist der Zeitpunkt für eine Verbindung zwischen Masse und Eingang des Ladungsintegrationsverstärkers beliebig gewählt, jedoch exakt eine halbe Periodendauer lang. Gleiches gilt für den Fall eines differentiellen Verstärkers mit nichtinvertierendem und invertierendem Eingang. Da ein gemischt kapazitiv-resistives synaptischen Bauelement keine feste Phasenbeziehung mehr hat, kann der Zeitpunkt für die Taktsignal Reaktion nicht genau definiert werden. Abhängig von der Phasenverschiebung ist die im Ladungsintegrations verstärker akkumulierte Ladung unterschiedlich und somit kann die Phase/Zeitpunkte des Wechselspannungssignals an der Wortleitung beliebig gewählt werden. Bevorzugt ist es die Zeitpunkte/Phase entweder dem rein kapazitiven oder resistiven Fall entsprechend zu wählen.

In einer Ausführungsform sind die Wechselspannungssignale harmonisch und positive und negative Wechselspannungssignale sind um 180° phasenverschoben. Harmonische Wechselspannungs signale haben den Vorteil, dass keine Oberwellen auftreten und die Abschirmschicht die Signale gut abschirmen kann und weniger Ladungen in parasitären Kapazitäten verloren gehen. Zudem sind resistive Verluste im Falle von kapazitiven synaptischen Bauelementen geringer, sodass mehr Energie über die vorher erwähnte adiabatische Aufladung zurückgewonnen werden kann.

In einer Ausführungsform kann die Eingangsgröße entweder als veränderliche Anzahl der Perioden, oder als Phasenverschiebung, oder als Amplitudenänderung, oder als Frequenzänderung des Wechselspannungssignals, oder als veränderte DC Komponente des Wechselspannungssignals, oder als Kombination der vorher genannten Änderungen dargestellt werden kann. Da der Ladungsintegrationsverstärker die Aufladung bzw. Endladung über mehrere Perioden auf integriert, kann die Anzahl von Perioden im Wechselspannungssignal dazu benutzt werden, die Eingangsgröße darzustellen. Bisher wurden für positive und negative Eingangssignale nur zwei Phasen benutzt (Phasenverschiebung von 180°). Auch möglich ist es beliebige Phasenverschiebungen dazwischen zu benutzen, zur Darstellung des Eingangssignals zu benutzen: Der Ladungsintegrations verstärker integriert dabei nicht nur die abfallenden oder aufsteigenden Flanken des Wechselspannungssignales, sondern auch über beide Phasen hinweg, oder über einen geringeren Zeitraum in einer Phase. Dies ermöglicht eine Analogwertdarstellung des Eingangssignals. Ebenfalls ist eine Amplitudenänderung des Wechselspannungssignals denkbar, da hierdurch die Auf- und Entladung geringer oder stärker ausfällt. Eine Frequenzänderung des Wechselspannungssignals führt bei einem festen Integrationszeitraum zu mehr oder weniger Auf- bzw. Entladungen und damit zu einem kleineren bzw. größeren Ausgangssignal von dem Ladungsintegrations verstärker. Eine veränderte DC Komponente des Wechselspannungssignals kann bei nichtlinearen Bauelementen zu einem veränderten Arbeitspunkt und damit stärkeren oder schwächeren Ausgangssignal führen. Ebenfalls denkbar ist eine Kombination der fünf genannten Möglichkeiten der Eingangswerteinsteilung .

In einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Gewichte in einer gemischt kapazitiv-resistiven Matrix auch durch den komplexen und realen Anteil bei gleichbleibender Impedanz eingestellt werden können und eine Phasenverschiebung des Wechselspannungssignals bewirken. Die gängige Weise den Gewichtswert zu verändern ist die absolute Impedanz zu variieren, jedoch können gemischt kapazitiv-resistive Gewichtswerte auch in der Phasenbeziehung verändert werden, da das oben erklärte Integrationsschema phasenempfindlich ist. Dies eröffnet eine weitere Möglichkeit den Gewichtswert zu verändern, neben dem absoluten Impedanzwert.

In einer Ausführungsform können mehrere Wechselspannungssignale parallel an die Wortleitungen angelegt werden und diese unterscheiden sich in der Frequenz, und an den Bitleitungen befinden sich jeweils mehrere Ladungsintegrationsverstärker, welche jeweils für die einzelnen Frequenzbänder zuständig sind. Insbesondere in convolutional neural networks wird dieselbe Gewichtsmatrix für mehrere Eingangspixelfelder verwendet. Diese ist normalerweise ein serieller Prozess, indem die Eingangspixelfelder nacheinander angelegt werden. Durch die Verwendung von mehreren Bändern, welche jeweils ein

Eingangspixelfeld kann dieser Prozess parallelisiert werden. Die Ladungsintegrationsverstärker müssen dann im Stande sein die Frequenzbänder zu unterscheiden.

In einer weiteren Ausführungsform wird für die Selektion der Bänder ein Bandpassfilter, z.B. in Form eines Lock-in- Verstärker benutzt.

In einer letzten verfahrensseitigen Ausführungsform wird die Frequenz des angelegten Wechselspannungssignals im Falle von kapazitiven synaptischen Bauelementen soweit minimiert wird, dass resistive Verluste in den Zuleitungen der

Matrixanordnung und dem kapazitiven synaptischen Bauelement selber um mindestens eine Größenordnung kleiner sind, als die kapazitive Energiezufuhr. Hiermit wird sichergestellt, dass ein großer Teil der zugeführten dynamischen Energie mit dem adiabatischen Ansatz zurückgewonnen werden kann.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Schaltungstechnischer Aufbau mit Oszillator, Taktgenerator, Wechselschalter,

Ladungsintegrationsverstärker und kapazitiver Matrix, sowie die an die Wortleitungen angelegten Wechselsignale

Fig. 2: Schaltungstechnischer Aufbau und Wechselsignal Relationen für eine resistive Matrix

Fig. 3: Schaltungstechnischer Aufbau und Wechselsignal Relationen für eine kapazitive Matrix mit Ladungsintegrationsverstärker, welcher über einen invertierenden und nichtinvertierenden Eingang verfügt

Fig. 4: Schaltungstechnischer Aufbau und Wechselsignal Relationen für eine kapazitive Matrix mit zusätzlicher fester Kapazität an jeder Bitleitung

Fig. 5: Harmonische Wechselsignale für eine kapazitive Matrix

Fig. 6: Harmonische Wechselsignale für eine gemischt kapazitive-resistive Matrix

Fig. 7: Ladungsintegrationsverstärker mit Stromspiegel

Fig. 8: Ladungsintegrationsverstärker mit Gate-Schaltung

Fig. 9: Einfluss der Phasenverschiebung auf die integrierte Ladung für ein beliebiges Wechselsignal, sowie die Variation der Periodenanzahl und der Amplitude

Fig. 10: Einfluss der Phasenverschiebung auf die integrierte Ladung für ein harmonisches Wechselsignal, sowie die Variation der Periodenanzahl und der Amplitude

Fig. 11: Applikation mehrerer Wechselsignale in verschiedenen Frequenzbändern

Wie in Fig. 1 dargestellt, werden mehrere Wechselspannungen (12) an die Wortleitungen (3) angelegt, welche sich in der Phase, Amplitude oder der Periodenanzahl unterscheiden. Da in diesem Falle eine kapazitive Matrixanordnung (2) vorliegt, reagieren die kapazitiven synaptischen Bauelemente (2) auf steigende oder fallende Flanken und der Taktgenerator (5) gibt dann ein positives Signal aus, wenn im positiv definierten Wechselspannungssignal (14) eine steigende Flanke vorliegt. In diesem Fall wird der Wechselschalter (Sl) die positiv definierten synaptischen Bauelemente (13) mit dem Ladungsintegrationsverstärker (9) verbinden. Der Wechselschalter (S2) verbindet die negativ definierten synaptischen Bauelemente (15) mit Masse (8) in dieser Position, d.h. Sl und S2 schalten entgegengesetzt.

Die negativ definierten synaptischen Bauelemente (15) werden dann mit dem Ladungsintegrationsverstärker (9) verbunden, wenn eine fallende Flanke im positiv definierten Wechselspannungssignal (14) vorliegt. Insgesamt führt dies dazu, dass ein positiv definiertes Wechselspannungssignal, eine Aufladung im Ladungsintegrationsverstärker (9) für die positiv definierten synaptischen Bauelemente (13) bewirkt, und eine Entladung für die negativ definierten synaptischen Bauelemente (15) bewirkt. Für negativ definierte Wechselspannungssignal (16) werden die steigende und fallende Flanke zeitlich vertauscht, d.h., die positiv definierten synaptischen Bauelemente (13) bewirken eine Entladung, während die negativ definierten synaptischen Bauelemente (15) eine Aufladung bewirken. Auf diese Weise wird eine Vier-quadranten Multiplikation realisiert. Die Wechselspannungssignale werden durch Oszillatoren (4) realisiert. Ebenfalls in Fig. 1 dargestellt ist beispielhaft eine kleinere Periodenanzahl für das negativ definierte Wechselspannungssignal (16), als für die positiv definierten Wechselspannungssignale (14). Dies ist eine Möglichkeit den Betrag von dem Eingangssignal zu der Wortleitung (3) einzustellen, da in diesem Beispiel die positiv definierten synaptischen Bauelemente (13) einmal häufiger geladen, als entladen werden.

In Fig. 2 wird der Fall für resistive synaptische Bauelemente (19) erläutert. In diesem Fall bewirken die Bauelemente eine Auf- und Entladung für

Wechselspannungssignale (12) im positiven und negativen Wertebereich. Entsprechend reagiert der Taktgenerator (5) in dem resistiven Fall auf den positiven und negativen Wertebereich des Wechselspannungssignals, und nicht auf die steigende oder fallende Flanke. Ansonsten ist die Funktionsweise der Wechselschalter (6) identisch zu Fig. 1.

Fig. 3 wird der Fall für einen Ladungsintegrationsverstärker (9) mit nichtinvertierenden (26) und invertierenden (27) Eingang gezeigt. Hierbei wird zwischen den beiden Eingängen hin- und her geschalten, wodurch beide Phasen genutzt werden und die effektive Verstärkung verdoppelt wird.

Fig. 4 illustriert den Fall, dass die kapazitive Matrix mit einer festen Kapazität (28) an der Bitleitung (7) mit Masse verbunden. Dies kann beispielsweise die parasitäre Bitleitungskapazität sein. Hierdurch wird der Spannungsabfall über diese Kapazität an den Ladungsintegrationsverstärker (9) geschalten, sodass der Taktgenerator (5) auf den positiven und negativen Wertebereich des Wechselspannungssignals (12) reagiert. Fig. 5 illustriert dasselbe Prinzip für ein harmonisches Signal.

Fig. 6 zeigt das Schema für eine gemischt kapazitiv- resistive Matrix. In diesem Fall reagiert der Taktgenerator (5) mit einer beliebigen Phase zu dem Wechselspannungssignal

(12). Die kapazitiv-resistiven Bauelemente (20) führen zu einer beliebig einstellbaren Phasenverschiebung der Auf- und Entladung. Damit kann der Gewichtswert nicht nur durch den absoluten Impedanzwert eingestellt werden, sondern auch durch den komplexen und realen Anteil der Impedanz.

Fig. 7 zeigt einen Ladungsintegrationsverstärker (9) mit einer Stromspiegeltopologie. Der Stromspiegel hat eine niedrige Eingangsimpedanz und spiegelt die Ladung (10) auf einen Integrationskondensator (11) Fig. 8 zeigt einen Ladungsintegrationsverstärker (9) mit einer Gate-Schaltung, welche ebenfalls eine niedrige Eingangsimpedanz besitzt.

Fig. 9 zeigt die Möglichkeiten für eine

Eingangswertdarstellung für das Wechselspannungssignal (12). Eine Möglichkeit ist Änderung der Amplitude (25), weiterhin kann wie bereits erklärt die Periodenanzahl verändert werden. In beiden Fällen werden mehr oder weniger Ladungen über einen Zeitraum auf dem Ladungsintegrationsverstärker (9) akkumuliert. Weiterhin kann auch die Phase (24) verändert werden, da das Wechselspannungssignal (12) wie dargestellt immer nur über bestimmte zeitliche Abschnitte integriert wird. Im obersten Fall wird die komplette ansteigende Flanke integriert. Für die darunterliegenden Wechselspannungssignale (12) wird der Integrationszeitraum (dargestellt als gestrichelte Linie), welcher von der ansteigenden Flanke abgedeckt wird immer geringer. Hierdurch wird die akkumulierte Ladung ebenfalls geringer.

Fig. 10 zeigt denselben Zusammenhang, wie in Fig. 7, nur mit einem harmonischen Signal, wobei der Integrationszeitraum nun die ansteigende und abfallende Flanke umfassen kann. Die unterste Kurve stellt eine 180° Phasenverschiebung dar und umfasst die abfallende Flanke, wohingegen die oberste Kurve die ansteigende Flanke umfasst. In der mittleren Kurve werden die abfallende Flanke und ansteigende Flanke zu gleichen Teilen umfasst, sodass der Integrationswert Null ist in diesem Fall.

Fig. 11 zeigt die Applikation von mehreren Wechselspannungssignalen (12) auf einmal an die Wortleitungen (3) mit unterschiedlicher Frequenz. Für jedes Frequenzband gibt es einen getrennten

Ladungsintegrationsverstärker (9), wodurch mehrere Vektoren mit denselben Gewichten multipliziert werden können. Dieser Fall ist besonders bei convolutional neural networks relevant.

Anordnung und Verfahren zur Durchführung einer Vektor-Matrix Multiplikation mit kapazitiven oder resistiven synaptischen

Bauelementen

Bezugs zeichenliste

1 kapazitives synaptisches Bauelement

2 Matrixanordnung

3 Wortleitungen

4 Oszillator

5 Taktgenerator

6 Wechselschalter

7 Bitleitungen

8 Masse

9 Ladungsintegrationsverstärker

10 Ladung

11 Integrationskondensator

12 Wechselspannungssignal

13 positiv definiertes kapazitives synaptisches Bauelement

14 positiv definiertes Wechselspannungssignal

15 negativ definiertes kapazitives synaptisches Bauelement

16 negativ definiertes Wechselspannungssignal

17 positiv definiertes resistives synaptisches Bauelement

18 negativ definiertes resistives synaptisches Bauelement

19 resistives synaptisches Bauelement

20 gemischt kapazitiv-resistives synaptisches Bauelement

21 positiv definiertes kapazitiv-resistives synaptisches Bauelement

22 negativ definiertes kapazitiv-resistives synaptisches Bauelement

23 Anzahl von Perioden 24 Phasenverschiebung

25Amplitudenänderung

26 nichtinvertierender Eingang

27 invertierender Eingang 28 feste Kapazität