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JP6985993B2 - Learning method of electronic circuit and neural network using it - Google Patents
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Description

本発明は,人工知能あるいはその機械学習技術に関する。 The present invention relates to artificial intelligence or a machine learning technique thereof.

従来,量子ドット(Quantum Dot,略してQD)という技術が知られている。例えば半導体において,結晶成長や微細加工により原子のド・ブロイ波長に相当する大きさの粒状の構造を作ると,電子はその領域に閉じこめられる。一般に,3次元全ての方向から電子またはホールを閉じ込めたものを量子ドットという(例えば非特許文献1)。 Conventionally, a technique called a quantum dot (Quantum Dot, abbreviated as QD) is known. For example, in a semiconductor, when a granular structure having a size corresponding to the de Broglie wavelength of an atom is formed by crystal growth or microfabrication, electrons are confined in that region. Generally, a quantum dot is a quantum dot in which electrons or holes are confined from all three-dimensional directions (for example, Non-Patent Document 1).

また,近年,人工知能の人工ニューロン,ニューラルネットワーク,機械学習といった技術が盛んに研究されている(例えば非特許文献2)。 In recent years, technologies such as artificial neurons, neural networks, and machine learning for artificial intelligence have been actively studied (for example, Non-Patent Document 2).

非特許文献3は,後述の実施例で参照される電流ミラー素子に関する文献である。 Non-Patent Document 3 is a document relating to a current mirror element referred to in Examples described later.

M. Sugawara, “Self-Assembled InGaAs/GaAs Quantum Dots”, Semiconductors and Semmimetals, Vol. 60 (1999).M. Sugawara, “Self-Assembled InGaAs / GaAs Quantum Dots”, Semiconductors and Semmimetals, Vol. 60 (1999). P. Smolensky, M. C. Mozer , D. E. Rumelhart, “Mathematical Perspectives on Neural Network,” Lawrence Erlbaum Associates (1996).P. Smolensky, M. C. Mozer, D. E. Rumelhart, “Mathematical Perspectives on Neural Network,” Lawrence Erlbaum Associates (1996). D. Nandi, A. D. K. Finck, J. P. Eisenstein, L. N. Pfeiffer and K. W. West,” Exciton condensation and perfect Coulomb drag”, Vol. 488, pp.481-.484 (2012).D. Nandi, A. D. K. Finck, J. P. Eisenstein, L. N. Pfeiffer and K. W. West, "Exciton condensation and perfect Coulomb drag", Vol. 488, pp.481-.484 (2012).

人工知能は,脳の神経構造を参考にして人工ニューロンをネットワーク状に結合させたニューラルネットワークによって人間の知的能力のような機能をコンピュータ上で実現する技術である。人工知能によって,例えば,写真の被写体が猫か犬かを判別したり,音声から文字を書き起こしたりできる。こうした機能を発揮させるためには,予めニューラルネットワーク中の人工ニューロン間の結合強度を調整し,最適値に設定する必要がある。現在,人工ニューロン数は100万程度,人工ニューロン同士の結合の数は10億にも及ぶニューラルネットワークも実装されるようになってきているが,ニューラルネットワークの規模の増大に伴って,前述した結合強度の最適値探索(機械学習と呼ばれる)に要する時間が問題になっている。 Artificial intelligence is a technology that realizes functions such as human intelligence on a computer by means of a neural network in which artificial neurons are connected in a network with reference to the neural structure of the brain. With artificial intelligence, for example, it is possible to determine whether the subject of a photograph is a cat or a dog, or to transcribe characters from voice. In order to exert these functions, it is necessary to adjust the connection strength between artificial neurons in the neural network in advance and set it to the optimum value. Currently, neural networks with about 1 million artificial neurons and 1 billion connections between artificial neurons have been implemented, but with the increase in the scale of neural networks, the above-mentioned connections have been implemented. The time required to search for the optimum value of intensity (called machine learning) has become a problem.

この問題に対する解決アプローチとして,最適値探索のアルゴリズムの改良とハードウェアによる処理の並列化がある。前者には,遺伝的アルゴリズムを採用したものや最急降下法を用いた例が知られている。後者には,グラフィックスプロセッシングユニット(GPU)の様に並列処理を得意とするプロセッサを利用した並列計算が知られている。どちらも計算時間の短縮に関して一定の効果はあるが,ニューラルネットワークの規模に対する指数関数的な計算時間の増大する問題の解決には至っていない。 As a solution approach to this problem, there are improvements in the algorithm for finding the optimum value and parallelization of processing by hardware. The former is known to use a genetic algorithm or a steepest descent method. For the latter, parallel computing using a processor that is good at parallel processing such as a graphics processing unit (GPU) is known. Both have a certain effect on shortening the calculation time, but have not yet solved the problem of increasing the exponential calculation time with respect to the scale of the neural network.

一般的に,ニューラルネットワークは,入力および結合強度から出力を求めることは容易である一方で,その一種の逆問題である入力と出力から結合強度を解析的に求めることは困難である。そのため,既存の機械学習では,所望の出力が得られるように結合強度の最適値を試行錯誤しながら探索せざるを得ない。このことがニューラルネットワークの規模に対する機械学習の所要時間の指数関数的増加の要因となっている。なお,バックプロパゲーションなどのアルゴリズムの改良によって,一定程度の高速化はなされているが,依然として指数関数的な問題の範疇にとどまっている(例えば非特許文献2)。 In general, while it is easy to obtain the output from the input and the bond strength in a neural network, it is difficult to analytically obtain the bond strength from the input and the output, which is a kind of inverse problem. Therefore, in the existing machine learning, the optimum value of the bond strength must be searched by trial and error so that the desired output can be obtained. This is a factor in the exponential increase in the time required for machine learning with respect to the scale of the neural network. Although the speed has been increased to some extent by improving algorithms such as backpropagation, it is still in the category of exponential problems (for example, Non-Patent Document 2).

機械学習を,数学的手法のみで効率化を図るのはのは困難であると考えられるので,まったく別のアプローチでニューラルネットワークの結合強度の最適値を求める方法が期待される。 Since it is considered difficult to improve the efficiency of machine learning using only mathematical methods, a completely different approach is expected to find the optimum value of the coupling strength of the neural network.

本発明が解決しようとする課題は,人工ニューラルネットワークの学習において,結合強度を効率的に特定することができる技術を提供することにある。 An object to be solved by the present invention is to provide a technique capable of efficiently specifying the coupling strength in the learning of an artificial neural network.

本発明の好ましい一側面は,量子ドット,静電容量部,電気抵抗部を備える電子回路である。この電子回路では,量子ドットは第1の電極,第2の電極,および第3の電極を備え,第1の電極は第1の電位に接続され,第2の電極は第1の電流源に接続され,第3の電極は第2の電流源に接続されている。そして,電気抵抗部に流れる電子あるいはホールの電流量を測定可能な構成となっている。 A preferred aspect of the present invention is an electronic circuit including quantum dots, a capacitance section, and an electrical resistance section. In this electronic circuit, the quantum dot comprises a first electrode, a second electrode, and a third electrode, the first electrode is connected to the first potential, and the second electrode is the first current source. Connected, the third electrode is connected to the second current source. The structure is such that the amount of current of electrons or holes flowing in the electric resistance portion can be measured.

本発明の好ましい他の一側面は,量子ドット,静電容量部,電気抵抗部を備える電子回路を用いたニューラルネットワークの学習方法である。この電子回路では,量子ドットは第1の電極,第2の電極,および第3の電極を備え,第1の電極は第1の電位に接続され,電気抵抗部に流れる電子あるいはホールの電流量を測定可能な構成となっている。ニューラルネットワークの学習においては,第2の電極に接続した第1の電流源に教師データの問題に対応する電流値を設定する第1のステップ,第3の電極に接続した第2の電流源に教師データの解答に対応する電流値を設定する第2のステップ,電気抵抗部に流れる電子あるいはホールの電流量を測定する第3のステップ,電子回路に対応したニューラルネットワークを構成する第4のステップ,ニューラルネットワークの結合強度として,電流量に対応した値を設定する第5のステップ,を含む。 Another preferred aspect of the present invention is a method for learning a neural network using an electronic circuit including quantum dots, a capacitance section, and an electrical resistance section. In this electronic circuit, the quantum dot includes a first electrode, a second electrode, and a third electrode, and the first electrode is connected to the first potential, and the amount of current of electrons or holes flowing in the electric resistance section. It has a structure that can measure. In the learning of the neural network, the first step of setting the current value corresponding to the problem of the teacher data to the first current source connected to the second electrode, and the second current source connected to the third electrode. The second step of setting the current value corresponding to the answer of the teacher data, the third step of measuring the current amount of the electron or hole flowing in the electric resistance part, and the fourth step of constructing the neural network corresponding to the electronic circuit. , A fifth step of setting a value corresponding to the amount of current as the coupling strength of the neural network is included.

上記両側面において、より具体的かつ好ましい態様では、第1の電位から量子ドットを介して第1の電極と第2の電極に電子あるいはホールを安定して流し,量子ドットと第2の電極の間に流れる電子あるいはホールの電流量と,量子ドットと第3の電極の間に流れる電子あるいはホールの電流量とを,非線形の関係にする。 On both sides, in a more specific and preferred embodiment, electrons or holes are stably flowed from the first potential through the quantum dots to the first electrode and the second electrode, and the quantum dots and the second electrode are connected. The amount of electron or hole current flowing between them and the amount of electron or hole current flowing between the quantum dot and the third electrode have a non-linear relationship.

人工ニューラルネットワークの学習において,結合強度を効率的に特定することができる。 In the learning of artificial neural networks, the bond strength can be specified efficiently.

実施例1にかかるQD人工ニューロンの一例の回路図。A circuit diagram of an example of a QD artificial neuron according to Example 1. 実施例1にかかるQD人工ニューロンの他の例の回路図。The circuit diagram of another example of the QD artificial neuron according to Example 1. 実施例1にかかる解決原理を説明する模式図。The schematic diagram explaining the solution principle concerning Example 1. FIG. 実施例1にかかる解決原理を説明するグラフ図。The graph which explains the solution principle which concerns on Example 1. FIG. 実施例1にかかる効果を説明するグラフ図。The graph which explains the effect which concerns on Example 1. FIG. 実施例1にかかる効果を説明するグラフ図。The graph which explains the effect which concerns on Example 1. FIG. 実施例2にかかるQD人工ニューロンの一例の回路図。A circuit diagram of an example of a QD artificial neuron according to Example 2. 実施例2にかかるQD人工ニューロンの他の例の回路図。The circuit diagram of another example of the QD artificial neuron according to Example 2. 実施例2にかかる解決原理を説明するグラフ図。The graph which explains the solution principle which concerns on Example 2. 実施例3にかかるQD人工ニューロンの一例の回路図。A circuit diagram of an example of a QD artificial neuron according to Example 3. 実施例3にかかる人工ニューロンの模式図。The schematic diagram of the artificial neuron according to Example 3. 実施例3にかかるQD人工ニューロンの一例の回路図。A circuit diagram of an example of a QD artificial neuron according to Example 3. 実施例3にかかるQD人工ニューロンの一例の回路図。A circuit diagram of an example of a QD artificial neuron according to Example 3. 実施例3にかかるQD人工ニューロンの一例の回路図。A circuit diagram of an example of a QD artificial neuron according to Example 3. 実施例3にかかる人工ニューロンの学習処理の流れを説明するフロー図。The flow diagram explaining the flow of the learning process of the artificial neuron which concerns on Example 3. FIG. 実施例4にかかる入力と出力の関係を示すグラフ図。The graph which shows the relationship between the input and the output which concerns on Example 4. FIG. 実施例4にかかる効果を示すグラフ図。The graph which shows the effect which concerns on Example 4. FIG. 実施例5にかかるQD人工ニューロンの一例の回路図。A circuit diagram of an example of a QD artificial neuron according to Example 5.

上記した以外の課題、構成、および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。以下では実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。 Issues, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the description of the following embodiments. Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the description of the embodiments shown below. It is easily understood by those skilled in the art that a specific configuration thereof can be changed without departing from the idea or purpose of the present invention.

以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。 In the configuration of the invention described below, the same reference numerals may be used in common among different drawings for the same parts or parts having similar functions, and duplicate description may be omitted.

同一あるいは同様な機能を有する要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、複数の要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。 When there are a plurality of elements having the same or similar functions, they may be described by adding different subscripts to the same reference numerals. However, if it is not necessary to distinguish between multiple elements, the subscript may be omitted for explanation.

本明細書等における「第1」、「第2」、「第3」などの表記は、構成要素を識別するために付するものであり、必ずしも、数、順序、もしくはその内容を限定するものではない。また、構成要素の識別のための番号は文脈毎に用いられ、一つの文脈で用いた番号が、他の文脈で必ずしも同一の構成を示すとは限らない。また、ある番号で識別された構成要素が、他の番号で識別された構成要素の機能を兼ねることを妨げるものではない。 Notations such as "first", "second", and "third" in the present specification and the like are attached to identify components, and do not necessarily limit the number, order, or contents thereof. is not it. Further, the numbers for identifying the components are used for each context, and the numbers used in one context do not always indicate the same composition in the other contexts. Further, it does not prevent the component identified by a certain number from having the function of the component identified by another number.

図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。 The position, size, shape, range, etc. of each configuration shown in the drawings and the like may not represent the actual position, size, shape, range, etc. in order to facilitate understanding of the invention. Therefore, the present invention is not necessarily limited to the position, size, shape, range and the like disclosed in the drawings and the like.

本願の発明者は,入力と出力を与えると自発的に結合強度を与えるような特別な人工ニューロン素子を作り,これによってニューラルネットワークを構成すれば,試行錯誤による探索なしで結合強度を求められるのではないかと構想した。この構想のためにエネルギー的に安定な状態になろうとする自然の力に従って与えた入力と出力の下で結合強度が自発的に適切な大きさになるような特別な人工ニューロンを考案した。なお,従来の一般的な人工ニューロン素子は,入力と結合強度に依存して出力を決定する方式であり,発明者の考案した人工ニューロン素子とは機能も使い方も異なる。 The inventor of the present application creates a special artificial neuron element that spontaneously gives a bond strength when an input and an output are given, and if a neural network is constructed by this, the bond strength can be obtained without searching by trial and error. I thought it might be. For this concept, we devised a special artificial neuron in which the bond strength spontaneously becomes an appropriate size under the input and output given according to the natural force to become energetically stable. The conventional general artificial neuron element is a method of determining the output depending on the input and the bond strength, and its function and usage are different from those of the artificial neuron element devised by the inventor.

以下の実施例では,入力と出力を与えた時に自発的に結合強度が最適値となるような人工ニューロン素子を作ることと,これのネットワーク化手法について説明する。実施例においては,量子ドット(QD)の非線形電気伝導を利用する。量子ドットは典型的なサイズが数十ナノメートルの半導体あるいは金属の微小構造である。通常の導体が電圧と電流が比例するオーム抵抗性を持つのに対して量子ドットは,電圧に対して電流が比例しない非オーム抵抗性をもつ。 In the following examples, we will explain how to create an artificial neuron element that spontaneously optimizes the bond strength when inputs and outputs are given, and how to network them. In the embodiment, the non-linear electrical conduction of quantum dots (QD) is used. Quantum dots are microstructures of semiconductors or metals typically tens of nanometers in size. Quantum dots have non-ohm resistance in which current is not proportional to voltage, whereas ordinary conductors have ohm resistance in which voltage and current are proportional.

量子ドット,静電容量,電気抵抗,電源を組み合わせた構造あるいは構成(以下,QD人工ニューロンと呼ぶ)を利用すると,入力電流に対する出力電流の関係が非線形関数となるように入出力関係を設計できる。入出力関係がこの非線形関数から外れた条件では,静電容量の帯電エネルギーが不安定であるため,エネルギーの安定化作用によって,入出力関係が設計された非線形関数上に乗るように変化する。このとき,抵抗を介して外部へと電流を排出したり,逆に,外部から電流を供給したりする流れが自発的に発生する。この電流は,人工ニューロンの結合強度に対応づけることができるので,電流を測ることで入出力に応じた最適な結合強度を知ることができる。 By using a structure or configuration that combines quantum dots, capacitance, electrical resistance, and power supply (hereinafter referred to as QD artificial neuron), the input / output relationship can be designed so that the relationship between the output current and the input current is a non-linear function. .. When the input / output relationship deviates from this nonlinear function, the charging energy of the capacitance is unstable, so the energy stabilizing action changes the input / output relationship so that it rides on the designed nonlinear function. At this time, a flow is spontaneously generated in which a current is discharged to the outside through a resistor, and conversely, a current is supplied from the outside. Since this current can be associated with the bond strength of the artificial neuron, the optimum bond strength according to the input and output can be known by measuring the current.

QD人工ニューロンを構成要素とするニューラルネットワークには,電流源,電流計,および電流ミラー効果を有する構造あるいは素子(例えば非特許文献3)を設けた回路を構成する。電流源に電流を流した時に回路に流れる電流を測定し,そこからネットワークの結合強度を得ることができる。 A neural network having a QD artificial neuron as a component constitutes a circuit provided with a current source, an ammeter, and a structure or element having a current mirror effect (for example, Non-Patent Document 3). The current flowing in the circuit when the current is passed through the current source can be measured, and the connection strength of the network can be obtained from it.

実施例1では,量子ドットを利用した最小規模の人工ニューロンの構成,原理そして結果を記述する。まず,実施例1の構成を記述する。 In Example 1, the composition, principle, and result of the smallest-scale artificial neuron using quantum dots are described. First, the configuration of the first embodiment will be described.

図1は,QD人工ニューロンの基本的な回路構成例を示した図である。QD人工ニューロンの構成要素は,量子ドット001,電気抵抗002,静電容量003,電位004,電流計008,009,電流源010,011である。量子ドット001は,例えば非特許文献1などの公知の方法で実現する。量子ドット001を含め,図1に示すような回路構成は,半導体プロセスを適用して作成することができる。 FIG. 1 is a diagram showing an example of a basic circuit configuration of a QD artificial neuron. The components of the QD artificial neuron are quantum dots 001, electrical resistance 002, capacitance 003, potential 004, ammeter 008,009, and current source 010, 011. The quantum dot 001 is realized by a known method such as Non-Patent Document 1. The circuit configuration as shown in FIG. 1, including the quantum dots 001, can be created by applying a semiconductor process.

量子ドットの特徴は,ナノスケールの空間領域を持つこと,トンネル効果によって空間領域を出入りできること,量子ドットと外部との間の電子の出入りを制御できることである。この特徴を利用して多様な電気特性を設計することができる。量子ドットは,例えば,化合物半導体を用いることで作られる。 The characteristics of quantum dots are that they have a nanoscale spatial region, that they can enter and exit the spatial region by tunnel effect, and that they can control the ingress and egress of electrons between quantum dots and the outside. Various electrical characteristics can be designed by utilizing this feature. Quantum dots are made, for example, by using compound semiconductors.

例えば,AlGaAsとGaAsの2種類の化合物半導体層の積層構造において,AlGaAsにSiをドープするとAlGaAsとGaAsの境界に2次元電子ガスと呼ばれる伝導電子が蓄積した層が形成される。この電子は,x,y面内は伝導することができるが,z方向には伝導できない。すなわち,電子はz方向に閉じ込められている。またAlGaAs/GaAs積層構造の表面に設けたゲート電極に負電圧を印可すると,2次元電子ガス層面内でゲート電極直下付近に静電ポテンシャルの壁を作ることができる。これによってx,y方向の閉じ込めが可能となる。電子が閉じ込められた静電ポテンシャルのくぼ地が量子ドットに対応する。量子ドットの外側に広がる電子の存在領域は,量子ドットの電気的な端子として働く。 For example, in a laminated structure of two types of compound semiconductor layers of AlGaAs and GaAs, when Si is doped in AlGaAs, a layer in which conduction electrons called two-dimensional electron gas are accumulated is formed at the boundary between AlGaAs and GaAs. This electron can conduct in the x and y planes, but not in the z direction. That is, the electrons are confined in the z direction. Further, by applying a negative voltage to the gate electrode provided on the surface of the AlGaAs / GaAs laminated structure, a wall of electrostatic potential can be formed in the vicinity of the gate electrode in the two-dimensional electron gas layer surface. This enables confinement in the x and y directions. The cavity of the electrostatic potential in which the electron is confined corresponds to the quantum dot. The region where electrons exist outside the quantum dot acts as an electrical terminal for the quantum dot.

静電容量003は,設計事項であり,寄生容量を含んでも良い。同様に抵抗002も設計事項である。電気抵抗は,チップ抵抗などの集積部品だけでなく,公知の半導体プロセスによる,量子細線や量子ポイントコンタクトといった構造や形状に由来する抵抗性も想定している。また,電極005,006,007は,それぞれ,電流源010,電流源011,電位004に接続されている。電極005,006,007は,たとえば上述の量子ドットの外側に広がる2次元電子ガスであってもよく,物理的な電極構造の有無を問わない。 Capacitance 003 is a design matter and may include parasitic capacitance. Similarly, resistance 002 is also a design matter. Electrical resistance is assumed not only for integrated components such as chip resistors, but also for resistance derived from structures and shapes such as quantum wires and quantum point contacts by known semiconductor processes. Further, the electrodes 005, 006, 007 are connected to the current source 010, the current source 011 and the potential 004, respectively. The electrodes 005,006,007 may be, for example, a two-dimensional electron gas spreading outside the above-mentioned quantum dots, and may or may not have a physical electrode structure.

図2は,QD人工ニューロンの他の回路構成例を示した図である。図1の電流計008,009に代えて,電気抵抗と電圧計を並列接続した組み合わせによる電流計012,013で間接的に電流を測定する。 FIG. 2 is a diagram showing another circuit configuration example of a QD artificial neuron. Instead of the ammeters 008 and 009 in FIG. 1, the current is indirectly measured by the ammeter 012, 013, which is a combination of an electric resistance and a voltmeter connected in parallel.

電位004は,電極007の電位を時間に対して一定に保っていることを示しているに過ぎず,必ずしも電圧源と量子ドットの近接関係を示しているわけではない。電流源010,011や電流計008,009や電圧計は,単に接続関係を図示したに過ぎず,量子ドット001の近傍に存在するとは限らない。 The potential 004 merely indicates that the potential of the electrode 007 is kept constant with respect to time, and does not necessarily indicate the close relationship between the voltage source and the quantum dots. The current sources 010, 011 and ammeters 008,009 and voltmeters merely illustrate the connection relationship and do not always exist in the vicinity of the quantum dot 001.

電流源010,電流源011,電気抵抗002や静電容量003が接続されているグラウンド019−1〜019−3,1900は基準の電位を意味し,必ずしも大地の電位ではなくとも本実施例の想定内である。また,それぞれが異なった電位でもよい。電流源010,011は,時間的に対して一定な使い方だけでなく,変動する使い方をすることも本実施例の想定内である。また,本実施例はミニマムの構成要件のみを記載しているので,図1あるいは図2の回路に対して電気抵抗,静電容量,インダクタンス,電流計,電圧計等の回路要素を付け加えた場合や電位の測定により電流を推定する手段をとる場合も本実施例の想定内である。 The grounds 019-1 to 019-3, 1900 to which the current source 010, the current source 011 and the electric resistance 002 and the capacitance 003 are connected mean the reference potentials, and the potentials of the present embodiment are not necessarily the potentials of the earth. It is within expectations. Moreover, each may have a different potential. It is within the assumption of this embodiment that the current sources 010 and 011 are used not only in a constant manner with respect to time but also in a variable manner. Further, since this embodiment describes only the minimum configuration requirements, when circuit elements such as electric resistance, capacitance, inductance, ammeter, and voltmeter are added to the circuit of FIG. 1 or 2. It is also within the assumption of this embodiment that the means for estimating the current is taken by measuring the electric potential or the electric potential.

図1や図2等の構成において,図示された構成全てを半導体装置として例えば1つの半導体チップで構成してもよい。あるいは,量子ドット001,電極005〜007,抵抗や容量の一部または全部を半導体装置で構成し,電流源010,011や電流計008,009,012,013等は半導体装置外の別装置とし、半導体装置に設けた端子を介して測定してもよい。 In the configurations shown in FIGS. 1 and 2, all of the illustrated configurations may be configured as a semiconductor device, for example, by one semiconductor chip. Alternatively, the quantum dots 001, electrodes 005 to 007, a part or all of the resistance and capacitance are composed of a semiconductor device, and the current sources 010, 011 and the ammeters 008, 009, 012, 013 are used as separate devices outside the semiconductor device. , May be measured via a terminal provided in the semiconductor device.

次に,QD人工ニューロンの動作と結合強度が特定される原理を記述する。図1や図2に示したように,量子ドット001は,3つの電極005,006,007を持つ。発明者は,量子ドットのトンネル障壁の厚みや電源の電圧を適切に調整すると,静電容量003の帯電エネルギーUが,図1および図2の電流iinと出力電流Iout(=iout)が特定の条件で最小となるような,エネルギーの谷構造を設計できることを見出した。 Next, we describe the principle that the movement and connection strength of QD artificial neurons are specified. As shown in FIGS. 1 and 2, the quantum dot 001 has three electrodes 005,006,007. When the inventor appropriately adjusts the thickness of the tunnel barrier of the quantum dots and the voltage of the power supply, the charging energy U of the capacitance 003 is the current i in and the output current I out (= i out ) in FIGS. 1 and 2. We have found that it is possible to design an energy valley structure that minimizes under certain conditions.

調整手法の一例を挙げると,図1において量子ドット001と電極007とのトンネル障壁の厚みを,量子ドット001と電極005,電極006とのトンネル障壁の厚みに比べて十分薄くする。また,電位004に関しては電極005や006の電圧に比べて十分に負あるいは正(量子ドットに閉じ込めるのが電子かホールかによって符号が反転する)とする。 As an example of the adjustment method, in FIG. 1, the thickness of the tunnel barrier between the quantum dot 001 and the electrode 007 is made sufficiently thinner than the thickness of the tunnel barrier between the quantum dot 001 and the electrode 005 and the electrode 006. Further, the potential 004 is sufficiently negative or positive as compared with the voltage of the electrodes 005 and 006 (the sign is inverted depending on whether the electron or hole is confined in the quantum dot).

調整を行なうことにより,図1の回路構成で,電位004から量子ドット001を介して電極005と006に電子あるいはホールを安定して流し,電流iinと電流ioutの関係を非線形関数にすることができる。非線形関数の例としては,後に示す図4のような関係である。量子ドットにより実現される非線形関数は,人工ニューロンのノードにおける活性化関数に対応づけることができる。 By making adjustments, in the circuit configuration of FIG. 1, electrons or holes are stably flowed from the potential 004 to the electrodes 005 and 006 via the quantum dots 001, and the relationship between the current i in and the current i out becomes a non-linear function. be able to. An example of a nonlinear function is the relationship shown in FIG. 4, which will be shown later. The nonlinear function realized by the quantum dot can be associated with the activation function in the node of the artificial neuron.

図3は,当該エネルギーの谷構造を示す概念図である。発明者の研究によると,図3においてエネルギー最小(谷底301)となる条件は,図1あるいは図2の電流iinと出力電流Iout(=iout)が式1を満たすときである。 FIG. 3 is a conceptual diagram showing the valley structure of the energy. According to the research of the inventor, the condition for the minimum energy (valley bottom 301) in FIG. 3 is when the current i in and the output current I out (= i out ) in FIG. 1 or 2 satisfy Equation 1.

Figure 0006985993
Figure 0006985993

ここでe=+−1.602×10−19クーロン(正負は電子,ホールの別による)は電気素量,Γは量子ドット001と電極005,006の間の障壁に着目したときに,その障壁を電子あるいはホールが1秒間にトンネルできる平均の回数である。なお,調整方法の一例として挙げたように,量子ドット001と電極007とのトンネル障壁の厚みを,量子ドット001と電極005,電極006とのトンネル障壁の厚みに比べて十分薄くした場合,量子ドット001と電極007との間で電荷が1秒間にトンネルできる平均の回数は上記Γの約100倍以上になる。 Here, e = + -1.602 × 10 -19 Coulomb (positive or negative depends on the electron and hole) is the elementary charge, and Γ is the barrier between the quantum dot 001 and the electrode 005,006. The average number of times an electron or hole can tunnel through a barrier per second. As an example of the adjustment method, when the thickness of the tunnel barrier between the quantum dot 001 and the electrode 007 is sufficiently thinner than the thickness of the tunnel barrier between the quantum dot 001 and the electrode 005 and the electrode 006, the quantum is quantum. The average number of times an electric charge can be tunneled between the dot 001 and the electrode 007 in one second is about 100 times or more the above-mentioned Γ.

ところで,電流の保存則からIin=iin+diだから,式1は式2の様にも書くこともできる。 By the way, since I in = i in + di f from the conservation law of electric current, Equation 1 can also be written as Equation 2.

Figure 0006985993
Figure 0006985993

図4は,QD人工ニューロンの入力電流Iin(iin)と出力電流Ioutを定めた時の,エネルギー的に安定な状態に至る過程を説明するための図であり,図中の曲線401は図3のエネルギーの谷構造を上方から見た時の谷底301に相当する。黒い丸印は,t=0の状態,白い丸印はt>>0の状態を表している。時刻t=0でdi=0とすると,iin=Iinである。一般に,iin=Iinは式1で示す安定の条件は満たさないので,エネルギー的に不安定な状態となる。そこで,diの電流が流れることで,式1を満たすようにQD人工ニューロンが自発的にiinを調整する作用が働く。 FIG. 4 is a diagram for explaining the process of reaching an energetically stable state when the input current I in (i in ) and the output current I out of the QD artificial neuron are determined, and the curve 401 in the figure is shown. Corresponds to the valley bottom 301 when the energy valley structure of FIG. 3 is viewed from above. The black circles represent the state of t = 0, and the white circles represent the state of t >> 0. Assuming that time t = 0 and di f = 0, i in = I in . In general, i in = I in does not satisfy the stability condition shown in Equation 1, so that the state is energetically unstable. Therefore, when the current of di f flows, the QD artificial neuron voluntarily adjusts i in so as to satisfy Equation 1.

ところで,人工ニューロンの入出力関係は,一般に式3のように記述される。 By the way, the input / output relationship of an artificial neuron is generally described by Equation 3.

Figure 0006985993
Figure 0006985993

ここで、xは入力,yは出力,wは結合強度,hは非線形関数を表す。式3は,dx=(w−1)xによって,y=h(x+dx)とも書き直すことができる。従って式2は式3をx→Iin,dx→−diと読み替えたものである。以上の通り,QD人工ニューロンは,人工ニューロンとして働き,その結合強度wは,電流diによって知ることができる。 Here, x is an input, y is an output, w is a bond strength, and h is a nonlinear function. Equation 3 can also be rewritten as y = h (x + dx) by dx = (w-1) x. Therefore, Equation 2 is obtained by rereading the equation 3 x → I in, and dx → -di f. As described above, the QD artificial neuron functions as an artificial neuron, and its connection strength w can be known from the current di f.

図5を参照して,上記の原理をシミュレーションで確認した結果を記す。図5は,QD人工ニューロンに様々な入力電流IinとIoutを与えたときに,一定時間経過後に測定した(iin,Iout)をiin−Ioutグラフ上にプロットしたものである。全ての点が原理で予想した式1で示す理論線上に乗っていることを確認できる。この結果は逆に,(iin,Iout)が式1の条件上に乗るようにdiが自発的に調整する働きをしていることも意味している。 With reference to FIG. 5, the result of confirming the above principle by simulation is described. FIG. 5 is a plot of i in − I out graphs measured after a certain period of time (i in , I out ) when various input currents I in and I out were applied to the QD artificial neuron. .. It can be confirmed that all the points are on the theoretical line shown by Equation 1 predicted by the principle. This result is the opposite, which means also have a function of di f spontaneously adjusted to ride on (i in, I out) is of the formula 1 conditions.

図5のシミュレーションでは,説明を簡単にするために,図1や図2の抵抗002の値Rが十分に小さな場合としていた。 In the simulation of FIG. 5, in order to simplify the explanation, it is assumed that the value R f of the resistor 002 in FIGS. 1 and 2 is sufficiently small.

図6には,Rを十分に大きくした場合のシミュレーション結果を示す。図6では,Γ=10Hz,R=10Ωの条件でシミュレーションをしている。図5のシミュレーションとの違いは,安定になる条件(iin,Iout)が入力電流Iinに依存することである。シミュレーションによれば,全体的にIinに依存してiin軸方向にシフトする結果となっている。シミュレーションの結果をもとにすると,式1は式4の様に修正される。 FIG. 6 shows the simulation results when R f is sufficiently increased. In Figure 6, Γ = 10 8 Hz, has a simulation under the condition of R f = 10 6 Ω. The difference from the simulation in FIG. 5 is that the conditions for stabilization (i in , I out ) depend on the input current I in. According to the simulation, the result is that it shifts in the i- in axis direction as a whole depending on I-in. Based on the result of the simulation, Equation 1 is modified as Equation 4.

Figure 0006985993
Figure 0006985993

kやδsftは,Rに依存するパラメータである。なお,本実施例で用いる量子ドットは,従来公知の手法で実現するものとする。実現方法は例えば,先に述べた半導体積層構造を用いるもの,非特許文献1に記されている自己形成によるものなど種々のものが知られている。本実施例において量子ドットの実現方法は特に限定する必要はない。また,上記においてキャリアは電子だけでなくホールも想定している。図3〜図6は,電子の動く方向を電流の正の流れと定義して表示している。 k and δ sft are parameters that depend on R f. The quantum dots used in this embodiment shall be realized by a conventionally known method. As a realization method, for example, various methods such as those using the semiconductor laminated structure described above and those by self-formation described in Non-Patent Document 1 are known. In this embodiment, the method of realizing the quantum dots is not particularly limited. Moreover, in the above, the carrier is assumed to be a hole as well as an electron. FIGS. 3 to 6 define and display the direction in which electrons move as a positive current flow.

実施例2では,QD人工ニューロンの別の構成を記述する。図7と図8はそれぞれ図1と図2の一部の配置を変更したものである。 In Example 2, another configuration of the QD artificial neuron is described. 7 and 8 are partially rearranged versions of FIGS. 1 and 2, respectively.

図7は図1の構成と比較して,電流計008を出力側に配置して,電流dibを測定するものである。 FIG. 7 shows that the ammeter 008 is arranged on the output side and the current dib is measured as compared with the configuration of FIG.

図8は図2の構成と比較して,電気抵抗と電圧計を並列接続した組み合わせ012を出力側に配置して,電流dibを測定するものである。 In FIG. 8, as compared with the configuration of FIG. 2, a combination 012 in which an electric resistance and a voltmeter are connected in parallel is arranged on the output side, and the current dib is measured.

図9は,図7と図8の場合においてQD人工ニューロンの入力電流iinと出力電流Iout(iout)を定めた時の,エネルギー的に安定な状態に至る過程を説明するための図であり,図中の曲線901はエネルギーの谷底に相当する。黒い丸印は,t=0の状態,白い丸印はt>>0の状態を表している。図7や図8の構成でも,図9に示すように,自発的に電流diの調節がなされて,安定状態に至る。このとき,安定する電流状態は,式5の通り記述できる。 FIG. 9 is a diagram for explaining the process of reaching an energetically stable state when the input current i in and the output current I out (i out ) of the QD artificial neuron are determined in the cases of FIGS. 7 and 8. The curve 901 in the figure corresponds to the valley bottom of energy. The black circles represent the state of t = 0, and the white circles represent the state of t >> 0. Also in the configuration of FIGS. 7 and 8, as shown in FIG. 9, adjustment is made voluntarily current di b, reaching a stable state. At this time, the stable current state can be described as shown in Equation 5.

Figure 0006985993
Figure 0006985993

自発的に電流diの調節がなされて,安定状態に至るという点では,実施例1と同様であり,人工ニューロンとして用いることができる。 Adjustment is made voluntarily current di b, in that reaching a stable state is the same as in Example 1, it can be used as an artificial neuron.

実施例3では,実施例1や実施例2で説明したQD人工ニューロンを利用した,ニューラルネットワークの例を記す。 In Example 3, an example of a neural network using the QD artificial neuron described in Example 1 and Example 2 will be described.

図10は,QD人工ニューロンを構成要素とするニューラルネットワークの一例を示している。電流源101〜104は,時間に対して一定あるいは変動する電流源を表している。抵抗002,105〜108,113〜116は,チップ抵抗などの集積部品だけでなく,固体中で電子の動きを1次元方向に拘束するいわゆる量子細線や導体の間に挟まれた狭いくびれで,幅が電子波長と同程度であるいわゆる量子ポイントコンタクトといった構造や形状に由来する抵抗性も想定している。電流計109〜112,117〜120は,図2のように抵抗と電圧計の組み合わせで構成したものも含む。電流計の配置は一例であって,この構成に限るものではないが,抵抗002に流れる電流値を求められることが望ましい。 FIG. 10 shows an example of a neural network having a QD artificial neuron as a component. The current sources 101 to 104 represent current sources that are constant or fluctuate with respect to time. Resistors 002, 105-108, 113-116 are not only integrated parts such as chip resistors, but also narrow constrictions sandwiched between so-called quantum wires and conductors that constrain the movement of electrons in one-dimensional direction in a solid. Resistance derived from the structure and shape such as so-called quantum point contact whose width is about the same as the electron wavelength is also assumed. The ammeters 109 to 112 and 117 to 120 include those configured by a combination of a resistor and a voltmeter as shown in FIG. The arrangement of the ammeter is an example and is not limited to this configuration, but it is desirable to obtain the current value flowing through the resistor 002.

点線で囲まれる部分は電流ミラー素子(それと等価な働きをする電流ミラー構造の概念を含む。以下同様)121−1,121−2をあらわしている。これは,一方に電流が流れるとそれと同じだけの電流がもう一方にも電流が流れることを特徴とする素子(あるいは構造)である。すなわち,対称に構成された回路に電子またはホール1000が対称的に流れる。実験による例として,非特許文献3などがある。 The part surrounded by the dotted line represents a current mirror element (including the concept of a current mirror structure having an equivalent function thereof; the same applies hereinafter) 121-1 and 121-2. This is an element (or structure) characterized in that when a current flows through one side, the same amount of current flows through the other side. That is, electrons or holes 1000 flow symmetrically in a symmetrically configured circuit. Non-Patent Document 3 is an example of an experiment.

斜線を施したブロックは,QD人工ニューロン123〜126を示しており,図1での電流源010,011,電流計008,009,電気抵抗002を除いた部分をブラックボックスとして表示している。QD人工ニューロン123〜126は,図1などに示したように,電気抵抗002を介して基準電位1900に接続される。複数の基準電位1900は必ずしも同一電位である必要はない。 The shaded blocks show the QD artificial neurons 123 to 126, and the part excluding the current sources 010,011, ammeter 008,009, and electrical resistance 002 in FIG. 1 is displayed as a black box. The QD artificial neurons 123 to 126 are connected to the reference potential 1900 via the electric resistance 002 as shown in FIG. 1 and the like. The plurality of reference potentials 1900 do not necessarily have to be the same potential.

図10で,QD人工ニューロン123,125および124,126の間に電流ミラー素子121−1,121−2を配置した理由は次のようなものである。図1に示したQD人工ニューロンでは,電位004に接続された電極007から量子ドット001へ流れ込んだ電子あるいはホールが,電極005,006へと抜けていく構成になっている。そのため,量子ドット001の入力側と出力側で電流の向きが逆になる。このため,QD人工ニューロンを多段にしてネットワーク化をする際に,構成が複雑になるのを避けるため,電流ミラー素子121で電流の向きを反転させ,電流源010から電流源011へ一方向に電流が流れるようにしている。 In FIG. 10, the reason why the current mirror elements 121-1 and 121-2 are arranged between the QD artificial neurons 123, 125 and 124, 126 is as follows. In the QD artificial neuron shown in FIG. 1, the electrons or holes that have flowed from the electrode 007 connected to the potential 004 to the quantum dots 001 are configured to escape to the electrodes 005,006. Therefore, the directions of the currents are opposite on the input side and the output side of the quantum dot 001. Therefore, in order to avoid complicated configuration when networking QD artificial neurons in multiple stages, the direction of the current is reversed by the current mirror element 121, and the current source 010 is unidirectionally directed to the current source 011. The current is allowed to flow.

図11には一般的に知られている,2層のニューラルネットワークの模式図を示す。周知のようにニューラルネットワークでは,人工ニューロン1100の入力が複数あるとき,各入力と結合強度の積の総和が人工ニューロンの入力xとなり,非線形関数σ(x)が出力となる。 FIG. 11 shows a schematic diagram of a generally known two-layer neural network. As is well known, in a neural network, when there are a plurality of inputs of the artificial neuron 1100, the sum of the products of each input and the connection strength is the input x of the artificial neuron, and the nonlinear function σ (x) is the output.

図10の構成は,図11のニューラルネットワークと対応させることができる。ニューラルネットワークにおいて人工ニューロン1100の数および接続関係は,千差万別であり,図10,図11はその一例に過ぎない。図10,図11に示した構成において,並列数を増やすことにより入力数を増やすことができる。また、直列数を増やすことにより階層数を増やすことができる。並列,直列の接続関係が図10と同様であるニューラルネットワークはすべて実施例3の想定内である。最後に,QD人工ニューロンを構成要素とするニューラルネットワークで機械学習が可能であることを示すために,一例を挙げる。 The configuration of FIG. 10 can correspond to the neural network of FIG. The number and connection relationships of artificial neurons 1100 in neural networks vary widely, and FIGS. 10 and 11 are just examples. In the configurations shown in FIGS. 10 and 11, the number of inputs can be increased by increasing the number of parallels. In addition, the number of layers can be increased by increasing the number of series. All the neural networks having the same parallel and serial connection relations as in FIG. 10 are within the assumption of the third embodiment. Finally, an example is given to show that machine learning is possible with a neural network whose component is a QD artificial neuron.

図12は,8つのQD人工ニューロン203−1〜203−8を構成要素とする2入力6層のニューラルネットワークである。電流源201と電流源202の間に,QD人工ニューロン203−1〜203−8が配置される。QD人工ニューロン203は,図1において電流源010,011,電流計009,抵抗002を除いた部分に相当するものである。各QD人工ニューロン203は,図1や図10と同様,電気抵抗002を介して基準電位1900に接続される。各層のQD人工ニューロン203の間には,電流ミラー素子121が配置される。 FIG. 12 is a 2-input 6-layer neural network having eight QD artificial neurons 203-1 to 203-8 as components. A QD artificial neuron 203-1 to 203-8 is arranged between the current source 201 and the current source 202. The QD artificial neuron 203 corresponds to the portion of FIG. 1 excluding the current sources 010, 011 and ammeter 009 and resistor 002. Each QD artificial neuron 203 is connected to the reference potential 1900 via the electrical resistance 002, as in FIGS. 1 and 10. A current mirror element 121 is arranged between the QD artificial neurons 203 in each layer.

機械学習のフローは,まず,このニューラルネットワークの入力電流iinおよび出力電流Ioutに電流を流すことから始める。iinとIoutは,時間的に変動する場合も想定しているが,ここでは説明を簡単にするためにIin=−15pA,Iout=5pAとした。このように電流を流し始めるとネットワーク内の各経路にも電流が流れ始める。そうした電流量は,最終的には,図4や図9で説明した通り,各QD人工ニューロンの帯電エネルギーが最小になる条件で安定化する。 The machine learning flow begins by passing current through the input current i in and the output current I out of this neural network. It is assumed that i in and I out fluctuate with time, but for the sake of simplicity, I in = -15pA and I out = 5pA. When the current starts to flow in this way, the current also starts to flow in each path in the network. Such a current amount is finally stabilized under the condition that the charging energy of each QD artificial neuron is minimized, as described with reference to FIGS. 4 and 9.

図13は,図12に示した回路において,充分時間が経過した後の各経路の電流量を示している。どの程度の時間で安定状態に至るかは電気抵抗や静電容量の設計次第であるが,1マイクロ秒でも安定状態に至らせることは可能であるし,設計次第ではそれより短い時間で安定状態に至らせることも可能である。安定状態に至ったときの各経路の電流を,図13中の矢印に対応付けて示した。図13中の矢印に添えられた数字は電流量を,矢印は電流の正の方向を表している。 FIG. 13 shows the amount of current in each path after a sufficient time has elapsed in the circuit shown in FIG. How long it takes to reach a stable state depends on the design of electrical resistance and capacitance, but it is possible to reach a stable state even in 1 microsecond, and depending on the design, it will reach a stable state in a shorter time. It is also possible to reach. The currents of each path when the stable state is reached are shown in association with the arrows in FIG. The numbers attached to the arrows in FIG. 13 indicate the amount of current, and the arrows indicate the positive direction of the current.

最後に,各電流量を記録する。特に重要な電流量は,図12のdif1〜dif8の電流量である。dif1〜dif8の電流は,QD人工ニューロンと基準電位1900の間に流れる電流である。各基準電位1900は必ずしも同電位でなくてもよい。機械学習としては以上である。ニューラルネットワークの動作時には,記録したdif1〜dif8の電流を設定すると,所望の入力に対して所望の出力が得られる。 Finally, record each amount of current. A particularly important amount of current is the amount of current of di f1 to di f8 in FIG. The currents of di f1 to di f8 are the currents flowing between the QD artificial neuron and the reference potential 1900. Each reference potential 1900 does not necessarily have to be the same potential. That's all for machine learning. When the neural network is operating, the recorded currents of di f1 to di f8 are set to obtain a desired output for a desired input.

最後に,機械学習ができていることを確かめるために,図12のニューラルネットワークのモデルに電流値を設定して,Iin=−15pAを入力したときに,所望のIout=5pAが得られるかを確かめる。図12のニューラルネットワークのモデルとは,具体的には式6〜式13で表現される数式モデルである。式6〜式13から分かるように,各QD人工ニューロンはニューラルネットワークのノードに相当し,入力に対するノードの出力は電流値dif1〜dif8で決まる。よって,ノード間の結合強度(重み)は電流値dif1〜dif8に対応しているといえる。 Finally, in order to confirm that machine learning is possible, when the current value is set in the model of the neural network in FIG. 12 and I in = -15pA is input, the desired I out = 5pA is obtained. Make sure. The model of the neural network in FIG. 12 is specifically a mathematical model represented by equations 6 to 13. As can be seen from Equations 6 to 13, each QD artificial neuron corresponds to a node of the neural network, and the output of the node with respect to the input is determined by the current values di f1 to di f8. Therefore, it can be said that the coupling strength (weight) between the nodes corresponds to the current values di f1 to di f8.

Figure 0006985993
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ここで, here,

Figure 0006985993
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であり,δは補正係数である。このケースでは,k=3,η=0.68,δ=0.08pAである。式6〜式13を連鎖的に計算すると,IinからIoutが求められる。このとき,変数であるdif1〜dif8には,図13で示したQD人工ニューロンのニューラルネットワークで測定した電流量を設定する。 And δ i is the correction coefficient. In this case, k = 3, η = 0.68, δ i = 0.08pA. Calculating Equation 6 Equation 13 a chain reaction, I out is determined from I in. At this time, the amount of current measured by the neural network of the QD artificial neuron shown in FIG. 13 is set in the variables di f1 to di f8.

実際に計算してみると,Iin=−15pAのときに,所望のIout=5pAに対して,Iout=4.91pAが得られ,QD人工ニューロンのニューラルネットワークで機械学習ができていたことが確かめられる。 When I actually calculated, at the time of I in = -15pA, for the desired I out = 5pA, obtained I out = 4.91pA, had been able to machine learning in the neural network of the QD artificial neuron Can be confirmed.

図14には,式6〜式13に基づいて計算した各経路の電流量を示している。その他の電流値は図13と同じである。図14を図13と比較すると最終的な出力だけでなく,中間の電流まで,良く再現できている。 FIG. 14 shows the amount of current of each path calculated based on the equations 6 to 13. Other current values are the same as in FIG. Comparing FIG. 14 with FIG. 13, not only the final output but also the intermediate current can be reproduced well.

上記の機械学習において最も強調すべき点は,バックプロパゲーションなどの既存の機械学習では,結合強度の最適値を試行錯誤しながら探索しなければならないが,本実施例の機械学習は試行錯誤による最適地探索ではなく,単にエネルギー的に安定になる状態になるまで待つだけという点である。機械学習がニューラルネットワークの規模に対して指数関数的に増大する問題は試行錯誤による探索に起因しているので,本実施例の機械学習を用いればこれを回避することができ,機械学習の質的な高速化が見込める。 The most important point in the above machine learning is that in existing machine learning such as backpropagation, the optimum value of the bond strength must be searched by trial and error, but the machine learning of this embodiment is based on trial and error. The point is not to search for the optimum location, but simply to wait until it becomes energetically stable. The problem that machine learning increases exponentially with respect to the scale of the neural network is caused by a search by trial and error. Therefore, this can be avoided by using the machine learning of this embodiment, and the quality of machine learning can be avoided. Expected to speed up.

図15に,以上の機械学習の流れをまとめた。本実施例による人工ニューラルネットワークの学習は,2つの段階を経て行なわれる。第1段階1501は,図10や図12に示したQD人工ニューロンを用いたデバイスによる処理である。第1段階1501の処理においては,先ず,QD人工ニューロンにおいて,所望の入力データおよび出力データを,QD人工ニューロンに与える電流値Iin,Ioutとして設定する(S1502)。一般には入力データは教師データの問題に,出力データは教師データの解答に対応する。 FIG. 15 summarizes the above flow of machine learning. The learning of the artificial neural network according to this embodiment is performed in two steps. The first step 1501 is a process by a device using the QD artificial neuron shown in FIGS. 10 and 12. In the process of the first step 1501, first, in the QD artificial neuron, desired input data and output data are set as current values I in and I out given to the QD artificial neuron (S1502). In general, the input data corresponds to the problem of teacher data, and the output data corresponds to the answer of teacher data.

次に,QD人工ニューロンの各部を流れる電流値が安定した後,電流値difあるいはdibを読み取る(S1503)。電流値difあるいはdibは,人工ニューラルネットワークに設定されるパラメータとして別途記録される。なお,第1段階は後述のように、計算機を用いたシミュレーターで代用することもできる。 Next, after the current value flowing through each part of the QD artificial neuron is stabilized, the current value dif or dib is read (S1503). The current value dif or dib is recorded separately as a parameter set in the artificial neural network. The first stage can be replaced by a simulator using a computer, as will be described later.

第2段階1504は,問題を処理させるべくプログラムされた人工ニューラルネットワークに対する処理である。人工ニューラルネットワークは,図10や図12に示した回路を模してソフトウェア的に構成することができる。また,図11に示した人工ニューラルネットワークは,たとえばFPGA(Field-Programmable Gate Array)のようなハードウェアに実装できることが知られている。人工ニューラルネットワークの具体的な構成は,公知技術を踏襲してよい。 The second step 1504 is a process for an artificial neural network programmed to process the problem. The artificial neural network can be configured in software by imitating the circuits shown in FIGS. 10 and 12. Further, it is known that the artificial neural network shown in FIG. 11 can be implemented in hardware such as FPGA (Field-Programmable Gate Array). The specific configuration of the artificial neural network may follow the known technique.

第2段階1504においては,ソフトウェアあるいはハードウェアで構成した人工ニューラルネットワークのパラメータとして,第1段階1501で記録した電流値difあるいはdibを設定することにより,結合強度の学習が行なわれる。 In the second stage 1504, the coupling strength is learned by setting the current value dif or dib recorded in the first stage 1501 as the parameters of the artificial neural network configured by software or hardware.

実施例1の学習の説明では,原理説明のため電流値Iin,Ioutを一定に設定したときの処理を例に説明した。しかし,ニューラルネットワークに学習させる教師データは複数あるのが一般的である。教師データが多数ある場合は,Iin,Ioutの電流量を時間的に変化させることで対応が可能である。具体的には,例えば図10の電流源101〜104を,時間に対して変動する電流源として用い,教師データの問題と回答に対応する複数のIin,Ioutの電流量を一定時間ごとに切り替える。 In the explanation of the learning of the first embodiment, the processing when the current values I in and I out are set to be constant has been described as an example for explaining the principle. However, it is common that there are multiple teacher data to be trained by the neural network. If there is a large amount of teacher data, it can be dealt with by changing the amount of I in and I out currents over time. Specifically, for example, the current sources 101 to 104 in FIG. 10 are used as current sources that fluctuate with respect to time, and the current amounts of a plurality of I in and I out corresponding to the problem and answer of the teacher data are applied at regular time intervals. Switch to.

このように動作させると,QD人工ニューロンの帯電エネルギーは時間に対して変化する。このようにエネルギー(ポテンシャル)を時間に対して変調する例としてはイオントラップが挙げられる。イオントラップにおいては,時間的に変調するポテンシャルに対してイオンはその平均であるポテンシャルに従って動き,ポテンシャルにくぼみがあればそこにトラップされることが知られている。同様に,QD人工ニューロンの場合も,入出力を繰り返し変調したならば,帯電エネルギーはその平均が最小になるように振る舞うはずである。 When operated in this way, the charging energy of the QD artificial neuron changes with time. An example of such modulation of energy (potential) with respect to time is an ion trap. In an ion trap, it is known that ions move according to the average potential with respect to the temporally modulated potential, and if there is a dent in the potential, it is trapped there. Similarly, in the case of QD artificial neurons, if the input and output are repeatedly modulated, the charging energy should behave so that its average is minimized.

したがって,教師データが多数ある場合は,多数組のIin,Ioutの電流量を一定時間ごとに切り替え,所定時間の後dif1〜dif8の値が安定することをもって、学習終了とすればよい。 Therefore, if there are a large number of teacher data , the current amount of I in and I out of a large number of sets is switched at regular intervals, and after a predetermined time, the values of di f1 to di f8 stabilize, and the learning is completed. good.

図16は,複数の教師データを扱うために,IinとIoutに時間的変化を与えた例を示す概念図である。この例では,解答であるIoutを一定とし,問題であるIinを0からHまで変調させ,それを複数回繰り返す単純なモデルを扱っている。Iinの変調のため,例えば図12中の電流源201を変調させる。 FIG. 16 is a conceptual diagram showing an example in which I in and I out are changed over time in order to handle a plurality of teacher data. This example deals with a simple model in which the answer I out is constant, the problem I in is modulated from 0 to H, and this is repeated multiple times. For I in modulation, for example, the current source 201 in FIG. 12 is modulated.

図17は,図16の入出力を与えたときに,初期の状態と充分に時間が経過した時点の状態をシミュレーションした結果を示す概念図である。横軸がiin,縦軸がIout
であり,安定条件を線1700で示している。曲線の向きが異なるが,これは図4〜図6のグラフと同様のものである。グラフ中の複数の丸印は回路中のQD人工ニューロンの電流値(図12であればdif1〜dif8)を示す。
FIG. 17 is a conceptual diagram showing the results of simulating the initial state and the state at the time when a sufficient time has passed when the input / output of FIG. 16 is given. The horizontal axis is i in and the vertical axis is I out.
The stability condition is shown by line 1700. The direction of the curve is different, but this is similar to the graphs of FIGS. 4 to 6. The plurality of circles in the graph indicate the current values of the QD artificial neurons in the circuit (di f1 to di f8 in FIG. 12).

初期の状態である(a)では,QD人工ニューロンの電流値は安定状態である線1700には収束していない。しかし,時間経過とともに「学習」が進み,充分な待機時間の後に測定した電流値は,安定条件である線1700に収束することがわかる。 In the initial state (a), the current value of the QD artificial neuron does not converge to the stable line 1700. However, it can be seen that "learning" progresses with the passage of time, and the current value measured after a sufficient standby time converges to the line 1700, which is a stable condition.

従って,複数の教師データがある場合には,それに応じて入力Iinおよび出力Ioutの少なくとも一つを変調させることを複数回繰り返し,所定時間の経過を待って電流値を測定すればよい。 Therefore, if there are a plurality of teacher data , the modulation of at least one of the input I in and the output I out may be repeated a plurality of times, and the current value may be measured after a predetermined time elapses.

図10に示したように,実施例3ではQD人工ニューロン同士を,電流ミラー素子121を配置して組み合わせており,キャリアは例えば電流ミラー素子121の接地電位に流れている。それに対して,実施例5では電流ミラー素子を配置しない例を説明する。 As shown in FIG. 10, in the third embodiment, the QD artificial neurons are combined by arranging the current mirror element 121, and the carrier flows to the ground potential of the current mirror element 121, for example. On the other hand, in the fifth embodiment, an example in which the current mirror element is not arranged will be described.

図18は,実施例5の基本的な構造を示す図である。図18の通りニューラルネットワークをホール(または電子)1001をキャリアとする回路部1601と,電子(またはホール)1002をキャリアとする回路部1602を組み合わせて構成する。図18に示すように電子1002とホール1001は互いに逆の方向に伝搬あるいは伝導するので,図10中に示す電流ミラー素子121と同様のキャリアの動きを作り出すことができる。なお,ホール1001と電子1002は,回路部1601と回路部1602の境界で再結合により消滅する。 FIG. 18 is a diagram showing a basic structure of the fifth embodiment. As shown in FIG. 18, the neural network is configured by combining a circuit unit 1601 having a hole (or electron) 1001 as a carrier and a circuit unit 1602 having an electron (or hole) 1002 as a carrier. As shown in FIG. 18, since the electrons 1002 and the hole 1001 propagate or conduct in opposite directions to each other, it is possible to create the same carrier movement as the current mirror element 121 shown in FIG. The holes 1001 and the electrons 1002 disappear by recombination at the boundary between the circuit unit 1601 and the circuit unit 1602.

なお,図18はホールをキャリアとする回路部1601と電子をキャリアとする回路部1602を組み合わせて構成するニューラルネットワークの一例を描いたものに過ぎない。ホールをキャリアとする回路部1601と電子をキャリアとする回路部1602をどのように構成するかは設計事項に過ぎない。 Note that FIG. 18 is merely an example of a neural network configured by combining a circuit unit 1601 having a hole as a carrier and a circuit unit 1602 having an electron as a carrier. How to configure the circuit unit 1601 having a hole as a carrier and the circuit unit 1602 having an electron as a carrier is only a design matter.

実施例1〜4のデバイスあるいは回路のビヘイビア(ふるまい)をシミュレーションすることもできる。すなわち、図12等の電子回路に代えて,電子回路の動作を計算機上でシミュレーションするシミュレーターを用い,電流量の計算をシミュレーター上で行うことができる。そのような場合も,前述の実施例のアイディアに基づき,同様の効果が期待できるので,実施例の1つとして含まれる。 The behavior of the device or circuit of Examples 1 to 4 can also be simulated. That is, instead of the electronic circuit shown in FIG. 12, a simulator that simulates the operation of the electronic circuit on a computer can be used, and the calculation of the amount of current can be performed on the simulator. Even in such a case, since the same effect can be expected based on the idea of the above-mentioned embodiment, it is included as one of the examples.

従来のコンピュータ上での機械学習は,互いに非独立な結合強度を1つずつ調整しながら,所望の出力が得られるまでトライ&エラーを繰り返しながら探索する必要があり,そのことによって非効率かつ結合強度の数に対して計算時間が指数関数的に増大する問題があった。それに対して,以上詳細に説明した実施例によれば,QDニューラルネットワークを利用することにより,より短時間での学習が可能となる。すなわち,QDニューラルネットワークでは,結合強度の最適化に相当するQD人工ニューロン同士の接続点における電流の過不足の調整は自発的かつすべてのQD人工ニューロンで同時並行に行われるため,結合強度を試行錯誤無しに効率的に特定することができる。 Machine learning on a conventional computer requires searching by repeating trials and errors until the desired output is obtained, adjusting the bond strengths that are independent of each other one by one, which is inefficient and coupling. There was a problem that the calculation time increased exponentially with respect to the number of intensities. On the other hand, according to the embodiment described in detail above, learning can be performed in a shorter time by using the QD neural network. That is, in the QD neural network, the adjustment of the excess and deficiency of the current at the connection point between the QD artificial neurons, which corresponds to the optimization of the connection strength, is spontaneously and simultaneously performed in all the QD artificial neurons, so the connection strength is tried. It can be identified efficiently without error.

001・・・量子ドット
002・・・電気抵抗
003・・・静電容量
004・・・電位
005,006,007・・・電極
008,009・・・電流計
010,011・・・電流源
012,013・・・電流計
101,102,103,104・・・電流源
121・・・電流ミラー構造または素子
001 ... Quantum dot 002 ... Electric resistance 003 ... Capacitance 004 ... Potential 005,006,007 ... Electrodes 008,009 ... Ammeter 010,011 ... Current source 012 , 013 ... Ammeter 101, 102, 103, 104 ... Current source 121 ... Current mirror structure or element

Claims (15)

量子ドット,静電容量部,電気抵抗部を備え,
前記量子ドットは第1の電極,第2の電極,および第3の電極を備え,
前記第1の電極は第1の電位に接続され,
前記第2の電極は第1の電流源に接続され,
前記第3の電極は第2の電流源に接続され,
前記電気抵抗部に流れる電子あるいはホールの電流量を測定可能な,
電子回路。
Equipped with quantum dots, capacitance section, electrical resistance section,
The quantum dots include a first electrode, a second electrode, and a third electrode.
The first electrode is connected to the first potential and
The second electrode is connected to the first current source.
The third electrode is connected to a second current source.
The amount of current of electrons or holes flowing through the electric resistance section can be measured.
Electronic circuit.
前記第1の電位から前記量子ドットを介して前記第1の電極と前記第2の電極に電子あるいはホールを安定して流し,
前記量子ドットと前記第2の電極の間に流れる電子あるいはホールの電流量と,前記量子ドットと前記第3の電極の間に流れる電子あるいはホールの電流量とが,非線形の関係にある,
請求項1記載の電子回路。
Electrons or holes are stably flowed from the first potential to the first electrode and the second electrode via the quantum dots.
The amount of electron or hole current flowing between the quantum dot and the second electrode and the amount of electron or hole current flowing between the quantum dot and the third electrode have a non-linear relationship.
The electronic circuit according to claim 1.
前記量子ドットと前記第1の電極の間のトンネルレートは,前記量子ドットと前記第2の電極の間のトンネルレートおよび前記量子ドットと前記第3の電極の間のトンネルレートより大きい,
請求項1記載の電子回路。
The tunnel rate between the quantum dot and the first electrode is larger than the tunnel rate between the quantum dot and the second electrode and the tunnel rate between the quantum dot and the third electrode.
The electronic circuit according to claim 1.
前記第2の電極と前記第1の電流源の間の経路に並列に,前記静電容量部および前記電気抵抗部が配置される,
請求項1記載の電子回路。
The capacitance section and the electrical resistance section are arranged in parallel with the path between the second electrode and the first current source.
The electronic circuit according to claim 1.
前記第2の電極と前記第1の電流源の間の経路に並列に,前記静電容量部が配置され,前記第3の電極と前記第2の電流源の間の経路に並列に,前記電気抵抗部が配置される,
請求項1記載の電子回路。
The capacitance section is arranged in parallel with the path between the second electrode and the first current source, and in parallel with the path between the third electrode and the second current source. The electric resistance part is arranged,
The electronic circuit according to claim 1.
第2の量子ドット,第2の静電容量部,第2の電気抵抗部をさらに備え,
前記第2の量子ドットは第3の電極,第4の電極,および第5の電極を備え,
前記第3の電極は第2の電位に接続され,
前記第4の電極は前記第3の電極に接続され,
前記第5の電極は前記第2の電流源に接続され,
前記第4の電極と前記第3の電極の間に電流ミラー素子を配置して,ネットワーク構成とした,
請求項1記載の電子回路。
Further provided with a second quantum dot, a second capacitance section, and a second electrical resistance section.
The second quantum dot comprises a third electrode, a fourth electrode, and a fifth electrode.
The third electrode is connected to the second potential and
The fourth electrode is connected to the third electrode, and the fourth electrode is connected to the third electrode.
The fifth electrode is connected to the second current source.
A current mirror element was arranged between the fourth electrode and the third electrode to form a network configuration.
The electronic circuit according to claim 1.
第2の量子ドット,第2の静電容量部,第2の電気抵抗部をさらに備え,
前記第2の量子ドットは第3の電極,第4の電極,および第5の電極を備え,
前記第3の電極は第2の電位に接続され,
前記第4の電極は前記第3の電極に接続され,
前記第5の電極は前記第2の電流源に接続され,
前記量子ドット,静電容量部,電気抵抗部に流れるキャリアを電子(またはホール)とし,前記第2の量子ドット,第2の静電容量部,第2の電気抵抗部に流れるキャリアをホール(または電子)として,ネットワーク構成とした,
請求項1記載の電子回路。
Further provided with a second quantum dot, a second capacitance section, and a second electrical resistance section.
The second quantum dot comprises a third electrode, a fourth electrode, and a fifth electrode.
The third electrode is connected to the second potential and
The fourth electrode is connected to the third electrode, and the fourth electrode is connected to the third electrode.
The fifth electrode is connected to the second current source.
The carriers flowing through the quantum dots, the capacitance section, and the electric resistance section are electrons (or holes), and the carriers flowing through the second quantum dots, the second capacitance section, and the second electrical resistance section are holes (holes). Or electronic), with a network configuration,
The electronic circuit according to claim 1.
前記第1の電流源および前記第2の電流源の少なくとも一つを時間的に変調させる,
請求項1記載の電子回路。
Modulates at least one of the first current source and the second current source in time.
The electronic circuit according to claim 1.
量子ドット,静電容量部,電気抵抗部を備え,
前記量子ドットは第1の電極,第2の電極,および第3の電極を備え,
前記第1の電極は第1の電位に接続され,
前記電気抵抗部に流れる電子あるいはホールの電流量を測定可能な,
電子回路,
を用いたニューラルネットワークの学習方法であって,
前記第2の電極に接続した第1の電流源に教師データの問題に対応する電流値を設定する第1のステップ,
前記第3の電極に接続した第2の電流源に教師データの解答に対応する電流値を設定する第2のステップ,
前記電気抵抗部に流れる電子あるいはホールの電流量を測定する第3のステップ,
前記電子回路に対応したニューラルネットワークを構成する第4のステップ,
前記ニューラルネットワークの結合強度として,前記電流量に対応した値を設定する第5のステップ,
を含むニューラルネットワークの学習方法。
Equipped with quantum dots, capacitance section, electrical resistance section,
The quantum dots include a first electrode, a second electrode, and a third electrode.
The first electrode is connected to the first potential and
The amount of current of electrons or holes flowing through the electric resistance section can be measured.
Electronic circuit,
It is a learning method of a neural network using
The first step of setting the current value corresponding to the problem of the teacher data to the first current source connected to the second electrode.
The second step, in which the current value corresponding to the answer of the teacher data is set in the second current source connected to the third electrode.
The third step of measuring the amount of current of electrons or holes flowing in the electric resistance portion,
Fourth step of constructing a neural network corresponding to the electronic circuit,
Fifth step of setting a value corresponding to the amount of current as the coupling strength of the neural network,
How to learn neural networks including.
前記電子回路を複数準備し,
前記第2の電極および前記第3の電極を接続することにより多段構成とし,
初段の電子回路の前記第2の電極に前記第1の電流源を接続し,
終段の電子回路の前記第3の電極に前記第2の電流源を接続し,
前記第2の電極および前記第3の電極の間には電流ミラー素子を配置し,
前記第3のステップでは,各段を構成する前記電子回路の前記電気抵抗部に流れる電流量を測定し,
前記第4のステップでは,前記ニューラルネットワークとして,多層ニューラルネットワークを構成し,
前記第5のステップでは,前記多層ニューラルネットワークの各層の結合強度として,前記各段を構成する前記電子回路の前記電気抵抗部に流れる電流量に対応した値を設定する,
請求項9記載のニューラルネットワークの学習方法。
Prepare multiple electronic circuits
By connecting the second electrode and the third electrode, a multi-stage configuration is formed.
The first current source is connected to the second electrode of the first stage electronic circuit.
The second current source is connected to the third electrode of the final stage electronic circuit.
A current mirror element is arranged between the second electrode and the third electrode.
In the third step, the amount of current flowing through the electric resistance portion of the electronic circuit constituting each stage is measured.
In the fourth step, a multi-layer neural network is configured as the neural network.
In the fifth step, the coupling strength of each layer of the multi-layer neural network is set to a value corresponding to the amount of current flowing through the electric resistance portion of the electronic circuit constituting each stage.
The method for learning a neural network according to claim 9.
前記電子回路を複数準備し,
前記第2の電極および前記第3の電極を接続することにより多段構成とし,
初段の電子回路の前記第2の電極に前記第1の電流源を接続し,
終段の電子回路の前記第3の電極に前記第2の電流源を接続し,
前記多段構成の前記電子回路のキャリアは,電子とホールを交互に用いる構成とし,
前記第3のステップでは,各段を構成する前記電子回路の前記電気抵抗部に流れる電流量を測定し,
前記第4のステップでは,前記ニューラルネットワークとして,多層ニューラルネットワークを構成し,
前記第5のステップでは,前記多層ニューラルネットワークの各層の結合強度として,前記各段を構成する前記電子回路の前記電気抵抗部に流れる電流量に対応した値を設定する,
請求項9記載のニューラルネットワークの学習方法。
Prepare multiple electronic circuits
By connecting the second electrode and the third electrode, a multi-stage configuration is formed.
The first current source is connected to the second electrode of the first stage electronic circuit.
The second current source is connected to the third electrode of the final stage electronic circuit.
The carrier of the electronic circuit having the multi-stage configuration has a configuration in which electrons and holes are alternately used.
In the third step, the amount of current flowing through the electric resistance portion of the electronic circuit constituting each stage is measured.
In the fourth step, a multi-layer neural network is configured as the neural network.
In the fifth step, the coupling strength of each layer of the multi-layer neural network is set to a value corresponding to the amount of current flowing through the electric resistance portion of the electronic circuit constituting each stage.
The method for learning a neural network according to claim 9.
前記電気抵抗部は,前記第2の電極と前記第1の電流源の間の経路と所定電位の間,および,前記第3の電極と前記第2の電流源の間の経路と所定電位の間の少なくとも一つに配置される,
請求項9記載のニューラルネットワークの学習方法。
The electric resistance portion has a path between the second electrode and the first current source and a predetermined potential, and a path and a predetermined potential between the third electrode and the second current source. Placed in at least one in between,
The method for learning a neural network according to claim 9.
前記電子回路に代えて,前記電子回路の動作を計算機上でシミュレーションするシミュレーターを用い,前記第1ないし第3のステップを前記シミュレーター上で行う,
請求項9記載のニューラルネットワークの学習方法。
Instead of the electronic circuit, a simulator that simulates the operation of the electronic circuit on a computer is used, and the first to third steps are performed on the simulator.
The method for learning a neural network according to claim 9.
前記量子ドットと前記第1の電極の間のトンネルレートは,前記量子ドットと前記第2の電極の間のトンネルレートおよび前記量子ドットと前記第3の電極の間のトンネルレートより大きい,
請求項9記載のニューラルネットワークの学習方法。
The tunnel rate between the quantum dot and the first electrode is larger than the tunnel rate between the quantum dot and the second electrode and the tunnel rate between the quantum dot and the third electrode.
The method for learning a neural network according to claim 9.
前記教師データとして,複数の問題と解答の組を用いる際に,
前記第1の電流源に設定する電流値を変調させ,前記変調を複数回繰り返し,所定の時間の後に,前記第3のステップを行なう,
請求項9記載のニューラルネットワークの学習方法。
When using a set of multiple questions and answers as the teacher data,
The current value set in the first current source is modulated, the modulation is repeated a plurality of times, and after a predetermined time, the third step is performed.
The method for learning a neural network according to claim 9.
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