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WO2023018177A1 - Tri-electrode diagonal memtransistor system, and convolution network operation device and operation method which use same - Google Patents

Tri-electrode diagonal memtransistor system, and convolution network operation device and operation method which use same Download PDF

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Publication number
WO2023018177A1
WO2023018177A1 PCT/KR2022/011850 KR2022011850W WO2023018177A1 WO 2023018177 A1 WO2023018177 A1 WO 2023018177A1 KR 2022011850 W KR2022011850 W KR 2022011850W WO 2023018177 A1 WO2023018177 A1 WO 2023018177A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode line
diagonal
memtransistor
convolution
source electrode
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/KR2022/011850
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French (fr)
Korean (ko)
Inventor
왕건욱
장진곤
함성길
장성훈
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Korea University Research and Business Foundation
Original Assignee
Korea University Research and Business Foundation
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Korea University Research and Business Foundation filed Critical Korea University Research and Business Foundation
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    • H10B63/80Arrangements comprising multiple bistable or multi-stable switching components of the same type on a plane parallel to the substrate, e.g. cross-point arrays
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10Complex mathematical operations
    • G06F17/15Correlation function computation including computation of convolution operations
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
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    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
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    • H10N70/883Oxides or nitrides
    • H10N70/8836Complex metal oxides, e.g. perovskites, spinels

Definitions

  • the present invention relates to a three-electrode diagonal memtransistor system, and a convolutional network calculation device and method using the same.
  • the present invention is a conductive type of the Ministry of Science and ICT (Task number: 2022M3H4A1A01009656, title of the research project: Implementation of one-step convolution operation through the development of a novel diagonal-gate memtransistor array element, project management agency: National Research Foundation of Korea, research period: 2022.01.01 ⁇ 2025.12.31) was derived from a study conducted as part of the study.
  • the present invention is a mid-career follow-up study of the Ministry of Science and ICT (Task number: 2022R1A2B5B02001455, title of the research project: Development of probabilistically controlled synapse and neuron material/device array capable of ultra-low power learning and 3D integration, project management institution: National Research Foundation, research period : 2022.03.01 ⁇ 2025.02.28) from a study conducted as part of
  • the present invention is a new concept device basic technology development of the Ministry of Science and ICT (Task number: 2020M3F3A2A03082825, research task title: Development of an artificial synapse device based on single-molecule-2D heterojunction capable of ultra-low power and high-efficiency learning, project management institution: National Research Foundation , Study period: 2020.07.01 ⁇ 2023.02.28) It was derived from a study conducted as part of the study.
  • Image/video recognition technology occupies a large part of big data application fields such as face recognition, autonomous driving, and waveform analysis.
  • face recognition autonomous driving
  • waveform analysis waveform analysis.
  • the most advanced recognition system is highly reliable input data processing technology regardless of location through convolutional neural networks. It is being used.
  • the convolutional network system creates a new convolutional feature map by converting an input signal through several filter networks, and shows accurate and high learning performance through an operation process based on its average.
  • Memristors and memtransistors capable of analog switching are in the spotlight as base elements of such a convolutional network, and have high energy efficiency due to the advantage of being able to operate and store data without a signal transmission medium.
  • the current convolution technology requires extreme energy consumption as the range to be calculated increases as the size of the image or filter increases or the number of layers increases, and the information storage and re-computation process in the pooling process to extract the average value of each This entails difficulties in an efficient recognition process.
  • the present invention provides a diagonal memtransistor system and method of manufacturing the same, which can increase the efficiency of the entire system by reducing the time and energy consumed in the convolution operation and pooling process, and a convolution network operation device and operation method using the diagonal memtransistor system. intended to provide
  • a diagonal memtransistor system includes a plurality of source electrode lines formed in a first direction and arranged along a second direction different from the first direction; a plurality of drain electrode lines formed in the second direction, intersecting the source electrode line, and having an intersection area intersecting the source electrode line stacked on the source electrode line, and arranged along the first direction; A semiconductor layer provided at intersections between the plurality of source electrode lines and the plurality of drain electrode lines, and a control layer for adjusting the Fermi level and conductance of the source electrode line and the drain electrode line in the intersection area
  • a plurality of synaptic elements including; and at least one gate electrode line formed in a direction between the first direction and the second direction, crossing the source electrode line and the drain electrode line in the crossing area, and stacked on the control layer.
  • the gate electrode line may be configured to cross synaptic elements to be simultaneously trained with the same weight among the plurality of synaptic elements.
  • the gate electrode line may be formed in a diagonal direction between the first direction and the second direction.
  • It may be configured to apply a weight control signal to the gate electrode line in order to simultaneously learn the same weight to a plurality of synaptic elements arranged along the gate electrode line.
  • a control unit configured to determine an input signal to be applied to each drain electrode line or each source electrode line and the weight control signal to be applied to each gate electrode line, wherein the control unit: determining the weight control signal based on filter values of a convolution filter; It may be configured to generate the input signal based on input values of the input data.
  • the drain electrode line may include a graphene layer formed on the semiconductor layer in the crossing area.
  • the adjustment layer may be configured to adjust the Fermi level of the graphene layer according to the voltage applied through the gate electrode line and to adjust the conductance of the source electrode line and the drain electrode line in the crossing region.
  • the control layer is: configured to be stacked on the drain electrode line intersecting the semiconductor layer; A top surface of the drain electrode intersecting the semiconductor layer and a side surface of the semiconductor layer may be covered.
  • the semiconductor layer may be configured to include at least one of ZnO, NiO, SnO, IGZO, SiOx, TiOx, and WOx.
  • the control layer may include: an organic ferroelectric including at least one of PVDF-TrFE and PVDF; or an inorganic ferroelectric including at least one of HZO and PZT.
  • a convolution network operating device for convolution processing input data using a convolution filter comprising the diagonal memtransistor system, wherein the diagonal memtransistor system: of the input data generate input signals based on the input values; determining weight control signals based on filter values of the convolution filter; applying the input signals to the plurality of drain electrode lines or the plurality of source electrode lines; applying the weight control signals to the plurality of gate electrode lines; A convolution operation result is calculated based on output signals output to the plurality of source electrode lines or the plurality of drain electrode lines.
  • the diagonal memtransistor system Extracts feature signals related to convolution operation values according to the sliding of the convolution filter among the output signals based on the size of the input data and the size of the convolution filter, and the feature It may be configured to pool the signals to generate a convolutional feature map.
  • a convolution network operation method for performing convolution processing on input data using a convolution filter comprising the step of performing the convolution processing by the diagonal memtransistor system, wherein the convolution
  • the performing of the solution process may include: generating input signals based on input values of the input data; determining weight control signals based on filter values of the convolution filter; applying the input signals to the plurality of drain electrode lines or the plurality of source electrode lines; applying the weight control signals to the plurality of gate electrode lines; and calculating a convolution operation result based on output signals output to the plurality of source electrode lines or the plurality of drain electrode lines.
  • a diagonal memtransistor system and its A manufacturing method and a convolutional network calculation device and method using a diagonal memtransistor system are provided.
  • the pooling operation process and energy consumption can be reduced to 1/(n ⁇ n) compared to conventional methods.
  • FIG. 1 is a diagram showing a diagonal memtransistor system 10 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged view of one diagonal memtransistor element 11 included in the diagonal memtransistor system 10 .
  • FIG. 3 is a diagram sequentially illustrating a process of manufacturing a diagonal memtransistor system 10 by a method of manufacturing a diagonal memtransistor element system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a driving method of an existing CNN array under the condition of 4x4 input data and a 3x3 kernel (convolution filter).
  • FIG. 5 is a diagram showing the process of FIG. 4 in more detail, sequentially showing a process in which a convolution operation is performed on input data according to the sliding of the convolution filter.
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating an operation method of the diagonal memtransistor system 10 under the same condition as in FIG. 4 .
  • FIG. 7 is a diagram showing the process of FIG. 6 in more detail, wherein the diagonal memtransistor system 10 having a diagonal array (when the gate electrode line is formed in a diagonal direction) stores separate information using feature map data. It is a diagram showing how the convolution operation result is output at once through the pooling process without any process.
  • FIG. 8 is an exemplary diagram illustrating how input data is received through the source electrode 120 and output through the drain electrode 220 in the manner shown in FIGS. 6 and 7 .
  • FIG. 9 is a view showing how two pulse sequences are input in order to learn a weight in any one of the memtransistor elements of the existing synapse array.
  • FIG. 10 is a diagram showing how weights are learned for a plurality of diagonal memtransistor elements 11 with one pulse sequence input in the diagonal memtransistor system 10 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing a state in which polarization occurs in a ferroelectric layer.
  • FIG. 12 is a diagram showing drain-source current change characteristics according to gate voltage of the diagonal memtransistor device 11 .
  • FIG. 13 is a diagram showing a change characteristic of postsynaptic currents (PSC) according to application of a pulse gate voltage to the diagonal memtransistor device 11 .
  • PSC postsynaptic currents
  • FIG. 1 is a diagram showing a diagonal memtransistor system 10 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an enlarged view of one diagonal memtransistor element 11 included in the diagonal memtransistor system 10. .
  • the diagonal memtransistor system 10 includes a plurality of source electrode lines 110, a plurality of drain electrode lines 210, a plurality of synaptic elements 600, and a gate electrode line 510.
  • Each source electrode line 110 may be formed in a predetermined first direction.
  • the plurality of source electrode lines 110 may be arranged parallel to each other along a second direction different from the first direction.
  • the source electrode line 110 may be configured to extend from one side of the source electrode 120 in the first direction.
  • a preset voltage may be applied to the source electrode line 110 and the source electrode 120 .
  • a reference voltage eg, ground voltage
  • an input value corresponding to input data may be applied to the source electrode 120 and the source electrode line 110 .
  • Each drain electrode line 210 may be formed to extend from the drain electrode 220 in the second direction.
  • the plurality of drain electrode lines 210 may be formed to cross the plurality of source electrode lines 110 .
  • the plurality of drain electrode lines 210 may be arranged parallel to each other along the first direction.
  • the drain electrode line 210 may be formed on the semiconductor layer 300 of the synaptic device 600 .
  • a portion of the drain electrode line 210 crossing the source electrode line 110 (intersection area) may be stacked on a portion of the source electrode line 110 .
  • a portion of the drain electrode line 210 is perpendicular to a portion of the source electrode line 110 and is stacked on the source electrode line 110. It can be. Therefore, as shown in FIG. 1, a lattice shape (crossbar array structure) can be achieved.
  • a preset voltage may be applied to the drain electrode line 210 and the drain electrode 220 .
  • a reference voltage eg, ground voltage
  • an input value corresponding to input data may be applied to the drain electrode 220 and the drain electrode line 210 .
  • the source electrode line 110 and the drain electrode line 210 may be formed of a conductive material such as metal.
  • the drain electrode line 210 may include a graphene layer.
  • the synaptic device 600 may be provided at intersections between the plurality of source electrode lines 110 and the plurality of drain electrode lines 210, respectively.
  • the synaptic device 600 includes a semiconductor layer 300 provided in the intersection area between the source electrode line 110 and the drain electrode line 210, and the source electrode line 110 and the drain electrode line 210 in the intersection area. It may include a control layer 400 for adjusting the Fermi level and conductance of .
  • the semiconductor layer 300 may be provided between the source electrode line 110 and the drain electrode line 210 . More specifically, the semiconductor layer 300 is stacked on the source electrode line 110 and the source electrode line 110 in the intersection area where the source electrode line 110 and the drain electrode line 210 overlap each other. It may be provided between the drain electrode lines 210 .
  • the semiconductor layer is ZnO (zinc oxide), NiO (nickel oxide), SnO (tin oxide), IGZO (indium gallium zinc oxide), SiOx (silicon oxide), TiOx (titanium oxide), and WOx (tungsten oxide)
  • the material constituting the semiconductor layer 300 is not limited thereto.
  • the control layer 400 may be configured to cover the upper surface of the semiconductor layer 300 .
  • control layer 400 may cover the semiconductor layer 300 and the drain electrode line 210 provided on the semiconductor layer 300 together.
  • the adjustment layer 400 is configured to be stacked on the drain electrode line 210 crossing the semiconductor layer 300, or the upper surface of the drain electrode 210 crossing the semiconductor layer 300 and the semiconductor layer 300 It may be configured to cover the side of the.
  • the control layer 400 adjusts the Fermi level of the graphene layer of the drain electrode line 210 by the gate voltage applied through the gate electrode line 510 to form a Schottky barrier between the semiconductor layer 300 and the graphene layer.
  • the control layer 400 can be formed of a material that can control.
  • control layer 400 may be composed of an organic ferroelectric or an inorganic ferroelectric.
  • the organic ferroelectric may include at least one of polyvinylidene fluoride trifluoro ethylene (PVDF-TrFE) and polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • the ferroelectric may include at least one of HZO (Hf0.5Zr0.5O2) and PZT (lead zirconate titanate).
  • HZO Hf0.5Zr0.5O2
  • PZT lead zirconate titanate
  • the gate electrode line 510 may be formed to cross the source electrode line 110 and the drain electrode line 210 at an intersection area between the source electrode line 110 and the drain electrode line 210 .
  • the gate electrode line 510 may be stacked on the control layer 400 at an intersection area between the source electrode line 110 and the drain electrode line 210 .
  • the gate electrode line 510 may contact the upper surface of the control layer 400 and be formed in a third direction.
  • the third direction may be a direction between the first direction and the second direction.
  • the length direction of the gate electrode line 510 may be formed in a direction between the length direction of the source electrode line 110 and the length direction of the drain electrode line 210 . Accordingly, as shown in FIG. 1 , looking at the shape of the diagonal memtransistor system 10 as a whole, the gate electrode line 510 may be formed in a diagonal direction.
  • the gate electrode line 510 may be formed in a non-diagonal direction so as to intersect with synaptic elements to be simultaneously trained with the same weight among a plurality of synaptic elements. That is, the gate electrode line 510 may be formed in a direction between the first direction and the second direction while being bent or bent so that it can be stacked on synaptic elements to be simultaneously trained with the same weight rather than in a diagonal straight direction. there is.
  • the diagonal memtransistor system 10 may further include a source electrode 120 , a drain electrode 220 and a gate electrode 520 .
  • the gate electrode 520 may be configured to apply a weight control signal to the gate electrode line 510 in order to simultaneously learn the same weight for a plurality of synaptic devices 600 arranged along the specific gate electrode line 510.
  • the source electrode 120 may be provided at an end of the source electrode line 110 .
  • the drain electrode 220 may be provided at an end of the drain electrode line 210 .
  • the gate electrode 520 may be provided at an end of the gate electrode line 510 .
  • the diagonal memtransistor system 10 may further include a controller (not shown).
  • the controller may be configured to determine an input signal to be applied to each drain electrode line 210 or each source electrode line 110 and a weight control signal to be applied to each gate electrode line 510 .
  • One of the drain electrode line 210 and the source electrode line 110 may be used as an input and the other as an output.
  • control unit determines a weight control signal based on filter values of a convolution filter for convolving input data, applies it to the gate electrode 520 and the gate electrode line 510, and applies the input value of the input data.
  • An input signal may be generated based on and applied to the drain electrode 220 or the source electrode 120 .
  • the diagonal memtransistor system 10 may calculate a convolution operation result based on output signals output to the plurality of source electrode lines 110 or the plurality of drain electrode lines 210 .
  • the diagonal memtransistor system 10 is based on the size of the input data and the size of the convolution filter, among the output signals of the plurality of source electrode lines 120, related to the convolution operation values according to the sliding of the convolution filter.
  • a convolutional feature map may be generated by extracting feature signals and pooling the extracted feature signals.
  • FIG. 3 is a diagram sequentially illustrating a process of manufacturing the diagonal memtransistor system 10 by the manufacturing method S10 of the diagonal memtransistor element system according to an embodiment of the present invention.
  • the diagonal memtransistor device system manufacturing method ( S10 ) includes steps S100 to S500 .
  • a plurality of source electrodes 120 , a plurality of source electrode lines 110 having a first direction as a longitudinal direction, and a plurality of drain electrodes 220 may be formed on the substrate.
  • step S100 the SiO2 / Si substrate is ultrasonically cleaned in ethanol for 15 minutes and acetone for 15 minutes, followed by washing with flowing pure water (DI water), followed by nitrogen air blowing (S110), AZ5214 Photoresist After spin-coating, baking at 120 ° C for 1 minute (S120), corresponding to the source electrode 120, the source electrode line 110 and the drain electrode 220 using a photo mask After exposing the pattern part to be exposed, developing for 15 seconds in MIF300 developer (S130) and depositing aluminum (Al) to a thickness of 3 nm using a thermally evaporator, and then gold (Au) to a thickness of 22 nm After the deposition, a lift-off process using acetone is performed to remove photoresist (PR) (S140).
  • DI water pure water
  • S110 nitrogen air blowing
  • S110 AZ5214 Photoresist
  • SiO2 / Si substrate is ultrasonically cleaned in ethanol for 15 minutes and acetone for 15 minutes, followed
  • the semiconductor layer 300 may be formed in a partial area (an area where the drain electrode line and the gate electrode line intersect) on the source electrode line 110 .
  • step S200 is a step of performing photolithography for the semiconductor layer 300 (S210) and IGZO using an RF-sputtering system to form the semiconductor layer 300 having a size of 80 um2.
  • step S300 a plurality of drain electrode lines 210 connecting a partial region on the semiconductor layer 300 and a partial region on the drain electrode 220 may be formed in a second direction.
  • step S300 a large-area graphene layer is transferred on the semiconductor layer 300 corresponding to the intersection area between the source electrode line 110 and the drain electrode line 210, and immersed in acetone for 20 minutes.
  • Step S330 may be included.
  • step S400 an adjustment layer 400 configured to cover both the semiconductor layer 300 and the graphene layer of the drain electrode line 210 provided on the semiconductor layer 300 may be formed.
  • step S400 a solution in which polyvinylidene-trifluoroethylene (PVDF-TrFE) (70:30), an organic ferroelectric polymer, is dissolved in a DMF solvent at 8 wt% is spin-coated, and then , crystallization by annealing at 135 °C for 2 hours.
  • PVDF-TrFE polyvinylidene-trifluoroethylene
  • the gate electrode line 510 may be formed in a third direction (diagonal direction) between the first and second directions so as to contact a partial region of the upper surface of the control layer 400 .
  • step S500 after developing the gate electrode line 510 through photolithography to cover the channel area of each synaptic element including the semiconductor layer 300, depositing Al to a thickness of 25 nm by thermal evaporation. (S510) and lift-off of the gate pattern on PVDF-TrFE, an organic material, by exposing to PGMEA (Propylene glycol monomethyl ether acetate) solvent that can selectively remove only the photoresist for 10 minutes to perform lift-off (S520) can include
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a driving method of an existing CNN array under the condition of 4x4 input data and a 3x3 kernel (convolution filter), and FIG. 5 is a diagram showing the process of FIG. 4 in more detail, showing the convolution filter It is a diagram sequentially showing the convolution operation process for input data according to sliding.
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a convolution operation process by the diagonal memtransistor system 10 according to an embodiment of the present invention under the same conditions as in FIG. 4, and FIG. 7 is a diagram showing the process of FIG. 6 in more detail.
  • the diagonal memtransistor system 10 may derive a feature map through one input of input data, and the process of separately storing the derived feature map Without, the convolution operation result data can be directly output through a pooling process.
  • each input value corresponds to each source electrode 120
  • the number of source electrodes must be 16 equal to the number of input values constituting the input data (eg, the number of pixels in an image that is a unit of convolution processing) or more.
  • the number of source electrode lines 110 and drain electrode lines 120 may be implemented as N2, respectively.
  • Output data generated through the feature map derivation and pooling process is output through the drain electrode 220.
  • the A output is output through the first drain electrode 220, and the output data is output through the second drain electrode 220.
  • a B output may be output, a C output may be output through the fifth drain electrode 220 , and a D output may be output through the sixth drain electrode 220 .
  • the outputs A to D may be simultaneously output through the plurality of drain electrodes 220 by the diagonal memtransistor system 10 . That is, in a 16x4 array element structure sharing a gate line, A, B, C, and D operation values are extracted at once through vector operation through Ohm's law and Kirchhoff's law. Accordingly, according to an embodiment of the present invention, a fast and efficient convolution operation is possible.
  • FIG. 9 is a view showing inputting two pulse sequences in order to learn a weight in any one memtransistor element of an existing synaptic array
  • FIG. 10 is a diagonal memtransistor system (10) according to an embodiment of the present invention. ), it is a diagram showing how weights are learned to a plurality of diagonal memtransistor elements 11 with one pulse sequence input.
  • a pulse sequence in order to learn a weight for one memtransistor element corresponding to (a), a pulse sequence must be input to each of the source electrode line and the drain electrode line.
  • the diagonal memtransistor system 10 generates a plurality of memtransistor elements (a specific gate electrode line) by applying a pulse sequence once through a specific gate electrode line.
  • a weight control signal used for learning may be simultaneously transmitted to a plurality of synaptic elements arranged according to the synaptic element).
  • the diagonal memtransistor element 11 has a three-terminal structure, and the source electrode line 110 and the drain electrode line 210 are a semiconductor layer 300 (eg, an IGZO layer) as a channel layer. ) can intersect vertically.
  • the control layer 400 may be provided to cover the upper surface of the drain electrode line 210 provided on the semiconductor layer 300, and in other cases, the drain electrode line 210 provided on the semiconductor layer 300. It may be provided to cover both the upper surface and the side surface of the semiconductor layer 300 .
  • the gate electrode line 510 may be provided in a direction between a direction in which the source electrode line 110 is provided and a direction in which the drain electrode line 210 is provided.
  • the diagonal memtransistor system 10 can be applied as a convolutional network calculation apparatus and method for performing convolutional network calculation.
  • the convolution network operation device generates input signals based on input values of input data, applies them to a plurality of drain electrode lines (or a plurality of source electrode lines), and determines weight control signals based on filter values of a convolution filter. and applied to a plurality of gate electrode lines.
  • the convolution network calculator may calculate a convolution operation result based on output signals output to a plurality of source electrode lines (or a plurality of drain electrode lines). At this time, the convolution network calculation device extracts feature signals related to convolution calculation values according to the sliding of the convolution filter among the output signals based on the size of the input data and the size of the convolution filter, pools the feature signals, and Convolutional feature maps can be created.
  • output signals of the first, second, fifth, and sixth source electrode lines among the first to sixth source electrode lines are extracted as feature signals, and the feature signals are pooled to obtain convolutional features.
  • the order of the feature signals extracted from the output signals is, for example, Nk+1, Nk+2, . . . , Nk+N-M+1 (k is 0, 1, ..., N-M) (N: size of input data, M: size of convolution filter).
  • N size of input data
  • M size of convolution filter
  • Characteristic signals A, B, C, and D are output through source electrodes.
  • FIG. 11 is a diagram showing polarization in a ferroelectric layer
  • FIG. 12 is a diagram showing drain-source current change characteristics according to gate voltage of the diagonal memtransistor device 11
  • FIG. 13 is a diagram showing the diagonal memtransistor device 11
  • PSC postsynaptic currents
  • the horizontal axis represents the gate voltage applied to the gate electrode of the diagonal memtransistor element 11
  • the vertical axis represents the current flowing between drain and source.
  • the drain-source voltage was kept constant at 1V.
  • the horizontal axis represents the pulse voltage applied to the gate electrode of the diagonal memtransistor device 11, and the vertical axis represents postsynaptic currents according to the pulse voltage.
  • a 30V pulse voltage corresponding to a potentiating pulse for increasing the weight of a synaptic element is repeatedly applied to the gate electrode of the diagonal memtransistor element 11 at a 500 ms cycle for 30 seconds, and then the synapse again.
  • a -30V pulse voltage corresponding to a depressing pulse for reducing the weight of the device was repeatedly applied for 30 seconds at a cycle of 500 ms, and the drain-source voltage was kept constant at 1.5 V.
  • the electric field applied to the gate electrode 520 and the gate electrode line 510 causes polarization in the ferroelectric layer, and the Fermi level of graphene can be adjusted according to the direction of the polarization. be able to
  • a diagonal memtransistor element as a varistor structure device that adjusts the Schottky barrier using the graphene layer of the drain electrode line 210 and the ferroelectric of the control layer 400
  • (11) is manufactured in a vertical structure
  • the footprint can be reduced compared to a horizontal artificial synapse device.
  • simultaneous learning can be secured by dividing a weight update region and a matrix multiplication operation driving region constituting a diagonal gate array.
  • the data sliding operation between the input data and the convolution filter is not required, so the circuit can be simplified, and convolution and pooling can be performed simultaneously. Therefore, the amount of calculation can be reduced to less than 1/4 compared to the prior art, and the calculation speed can be dramatically increased. In addition, it is possible to increase the efficiency of simultaneous learning of weights of synaptic elements, and it is not necessary to store feature maps for pooling processing and does not require a separate pooling layer, so data input/output and calculation amount can be further reduced.

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Abstract

A diagonal memtransistor system of the present invention comprises: a plurality of source electrode lines formed in a first direction and arranged in a second direction, which differs from the first direction; a plurality of drain electrode lines, which are formed in the second direction, intersect the source electrode lines, have intersecting regions intersecting the source electrode lines and stacked on the source electrode lines, and are arranged in the first direction; a plurality of synapse elements including a semiconductor layer provided in the intersecting regions between the plurality of source electrode lines and the plurality of drain electrode lines, and an adjustment layer for adjusting the Fermi level and conductance of the source electrode lines and the drain electrode lines in the intersecting regions; and at least one gate electrode line, which is formed in the direction between the first direction and the second direction, intersects the source electrode lines and the drain electrode lines in the intersecting regions, and is stacked on the adjustment layer.

Description

3 전극 대각 멤트랜지스터 시스템과 이를 이용한 컨볼루션 네트워크 연산 장치 및 연산 방법3-electrode diagonal memtransistor system and convolutional network arithmetic device and arithmetic method using the same

본 발명은 3 전극 대각 멤트랜지스터 시스템, 이를 이용한 컨볼루션 네트워크 연산 장치 및 연산 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a three-electrode diagonal memtransistor system, and a convolutional network calculation device and method using the same.

본 발명은 과학기술정보통신부의 도전형(과제번호: 2022M3H4A1A01009656, 연구과제명: 신개념 대각선-게이트 멤트랜지스터 어레이 소자 개발을 통한 원-스텝 컨볼루션 연산 구현, 과제관리기관: 한국연구재단, 연구기간: 2022.01.01 ~ 2025.12.31)의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.The present invention is a conductive type of the Ministry of Science and ICT (Task number: 2022M3H4A1A01009656, title of the research project: Implementation of one-step convolution operation through the development of a novel diagonal-gate memtransistor array element, project management agency: National Research Foundation of Korea, research period: 2022.01.01 ~ 2025.12.31) was derived from a study conducted as part of the study.

본 발명은 과학기술정보통신부의 중견후속연구(과제번호: 2022R1A2B5B02001455, 연구과제명: 초저전력 학습 및 3차원 집적화 가능한 확률제어 시냅스 및 뉴런 소재/소자 어레이 개발, 과제관리기관: 한국연구재단, 연구기간: 2022.03.01 ~ 2025.02.28)의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.The present invention is a mid-career follow-up study of the Ministry of Science and ICT (Task number: 2022R1A2B5B02001455, title of the research project: Development of probabilistically controlled synapse and neuron material/device array capable of ultra-low power learning and 3D integration, project management institution: National Research Foundation, research period : 2022.03.01 ~ 2025.02.28) from a study conducted as part of

본 발명은 과학기술정보통신부의 신개념소자기초기술개발(과제번호: 2020M3F3A2A03082825, 연구과제명: 초저전력 및 고효율 학습 가능한 단 분자 스케일 분자-2D 이종접합 기반 인공 시냅스 소자 개발, 과제관리기관: 한국연구재단, 연구기간: 2020.07.01 ~ 2023.02.28)의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.The present invention is a new concept device basic technology development of the Ministry of Science and ICT (Task number: 2020M3F3A2A03082825, research task title: Development of an artificial synapse device based on single-molecule-2D heterojunction capable of ultra-low power and high-efficiency learning, project management institution: National Research Foundation , Study period: 2020.07.01 ~ 2023.02.28) It was derived from a study conducted as part of the study.

한편, 본 발명의 모든 측면에서 과제 제공 주체인 한국 정부의 재산 이익은 없다.On the other hand, in all aspects of the present invention, there is no property interest of the Korean government, which is the subject of the project.

이미지/영상 인식 기술은 얼굴인식, 자율주행, 파형분석 등 빅데이터 응용 분야의 많은 부분을 차지하고 있으며, 현재 가장 발전된 인식 시스템으로는 컨볼루션 뉴럴 네트워크를 통한 위치에 무관한 신뢰성 높은 입력데이터 처리 기술이 사용되고 있다.Image/video recognition technology occupies a large part of big data application fields such as face recognition, autonomous driving, and waveform analysis. Currently, the most advanced recognition system is highly reliable input data processing technology regardless of location through convolutional neural networks. It is being used.

컨볼루션 네트워크 시스템은 여러 개의 필터 네트워크를 통한 입력 신호 변환을 통해 새로운 컨볼루션 특징 맵을 생성하며, 이것의 평균에 기반한 연산 과정을 통해 정확하고 높은 학습 성능을 나타내고 있다.The convolutional network system creates a new convolutional feature map by converting an input signal through several filter networks, and shows accurate and high learning performance through an operation process based on its average.

이러한 컨볼루션 네트워크의 기반 소자로써 아날로그 스위칭이 가능한 멤리스터 및 멤트랜지스터가 각광받고 있으며, 신호 전달 매체 없이 연산 및 데이터 저장이 가능한 장점으로 인해 높은 에너지 효율성을 갖는다.Memristors and memtransistors capable of analog switching are in the spotlight as base elements of such a convolutional network, and have high energy efficiency due to the advantage of being able to operate and store data without a signal transmission medium.

하지만 현재의 컨볼루션 변환 기술은 이미지나 필터의 크기가 커지거나 레이어가 많아질수록 연산해야 하는 범위가 늘어나게 되어 에너지 소모가 극심하고, 각각의 평균값을 추출하는 풀링 과정에서의 정보 저장과 재 연산 과정이 수반되기 때문에 효율적인 인식 과정의 어려움이 있다.However, the current convolution technology requires extreme energy consumption as the range to be calculated increases as the size of the image or filter increases or the number of layers increases, and the information storage and re-computation process in the pooling process to extract the average value of each This entails difficulties in an efficient recognition process.

본 발명은 컨볼루션 연산 및 풀링 과정에 소모되는 시간과 에너지를 줄여서 전체 시스템의 효율성을 높일 수 있는 대각 멤트랜지스터 시스템 및 그 제조 방법과, 대각 멤트랜지스터 시스템을 이용한 컨볼루션 네트워크 연산 장치 및 연산 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention provides a diagonal memtransistor system and method of manufacturing the same, which can increase the efficiency of the entire system by reducing the time and energy consumed in the convolution operation and pooling process, and a convolution network operation device and operation method using the diagonal memtransistor system. intended to provide

본 발명의 일 실시예에 따른 대각 멤트렌지스터 시스템은 제1 방향으로 형성되고, 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향을 따라 배열되는 복수개의 소스 전극 라인; 상기 제2 방향으로 형성되고, 상기 소스 전극 라인과 교차하고, 상기 소스 전극 라인과 교차되는 교차 영역이 상기 소스 전극 라인 상에 적층되며, 상기 제1 방향을 따라 배열되는 복수개의 드레인 전극 라인; 상기 복수개의 소스 전극 라인과 상기 복수개의 드레인 전극 라인 사이의 교차 영역들에 제공되는 반도체층과, 상기 교차 영역에서의 상기 소스 전극 라인과 상기 드레인 전극 라인의 페르미 준위와 컨덕턴스를 조절하기 위한 조절층을 포함하는 복수개의 시냅스 소자; 및 상기 제1 방향과 상기 제2 방향의 사이 방향으로 형성되고, 상기 교차 영역에서 상기 소스 전극 라인 및 상기 드레인 전극 라인과 교차하며, 상기 조절층 상에 적층되는 적어도 하나의 게이트 전극 라인을 포함한다.A diagonal memtransistor system according to an embodiment of the present invention includes a plurality of source electrode lines formed in a first direction and arranged along a second direction different from the first direction; a plurality of drain electrode lines formed in the second direction, intersecting the source electrode line, and having an intersection area intersecting the source electrode line stacked on the source electrode line, and arranged along the first direction; A semiconductor layer provided at intersections between the plurality of source electrode lines and the plurality of drain electrode lines, and a control layer for adjusting the Fermi level and conductance of the source electrode line and the drain electrode line in the intersection area A plurality of synaptic elements including; and at least one gate electrode line formed in a direction between the first direction and the second direction, crossing the source electrode line and the drain electrode line in the crossing area, and stacked on the control layer. .

상기 게이트 전극 라인은: 상기 복수개의 시냅스 소자들 중 같은 가중치로 동시에 학습시키고자 하는 시냅스 소자들과 교차하도록 구성될 수 있다.The gate electrode line may be configured to cross synaptic elements to be simultaneously trained with the same weight among the plurality of synaptic elements.

상기 게이트 전극 라인은 상기 제1 방향과 상기 제2 방향 사이의 대각 방향으로 형성되도록 구성될 수 있다.The gate electrode line may be formed in a diagonal direction between the first direction and the second direction.

상기 게이트 전극 라인을 따라 배열된 다수의 시냅스 소자에 동시에 같은 가중치를 학습시키기 위하여 가중치 제어 신호를 상기 게이트 전극 라인에 인가하도록 구성될 수 있다.It may be configured to apply a weight control signal to the gate electrode line in order to simultaneously learn the same weight to a plurality of synaptic elements arranged along the gate electrode line.

각 드레인 전극 라인 또는 각 소스 전극 라인에 인가될 입력 신호, 및 각 게이트 전극 라인에 인가될 상기 가중치 제어 신호를 결정하도록 구성되는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는: 입력 데이터를 컨볼루션 처리하기 위한 컨볼루션 필터의 필터값들을 기초로 상기 가중치 제어 신호를 결정하고; 상기 입력 데이터의 입력값들을 기초로 상기 입력 신호를 생성하도록 구성될 수 있다.A control unit configured to determine an input signal to be applied to each drain electrode line or each source electrode line and the weight control signal to be applied to each gate electrode line, wherein the control unit: determining the weight control signal based on filter values of a convolution filter; It may be configured to generate the input signal based on input values of the input data.

상기 드레인 전극 라인은 상기 교차 영역에서 상기 반도체층 상에 형성되는 그래핀층을 포함할 수 있다.The drain electrode line may include a graphene layer formed on the semiconductor layer in the crossing area.

상기 조절층은 상기 게이트 전극 라인을 통해 인가되는 전압에 따라 상기 그래핀층의 페르미 준위를 조절하고, 상기 교차 영역에서의 소스 전극 라인과 드레인 전극 라인의 컨덕턴스를 조절하도록 구성될 수 있다.The adjustment layer may be configured to adjust the Fermi level of the graphene layer according to the voltage applied through the gate electrode line and to adjust the conductance of the source electrode line and the drain electrode line in the crossing region.

상기 조절층은: 상기 반도체층과 교차하는 상기 드레인 전극 라인 상에 적층되도록 구성되거나; 상기 반도체층과 교차하는 상기 드레인 전극의 상면과 상기 반도체층의 측면을 감싸도록 구성될 수 있다.The control layer is: configured to be stacked on the drain electrode line intersecting the semiconductor layer; A top surface of the drain electrode intersecting the semiconductor layer and a side surface of the semiconductor layer may be covered.

상기 반도체층은 ZnO, NiO, SnO, IGZO, SiOx, TiOx 및 WOx 중 적어도 어느 하나를 포함하도록 구성될 수 있다.The semiconductor layer may be configured to include at least one of ZnO, NiO, SnO, IGZO, SiOx, TiOx, and WOx.

상기 조절층은: PVDF-TrFE 및 PVDF 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유기 강유전체; 또는 HZO 및 PZT 중 적어도 어느 하나를 포함하는 무기 강유전체를 포함하도록 구성될 수 있다.The control layer may include: an organic ferroelectric including at least one of PVDF-TrFE and PVDF; or an inorganic ferroelectric including at least one of HZO and PZT.

본 발명의 일 실시예에 따른 입력 데이터를 컨볼루션 필터를 이용하여 컨볼루션 처리하기 위한 컨볼루션 네트워크 연산 장치에 있어서, 상기 대각 멤트랜지스터 시스템을 포함하고, 상기 대각 멤트랜지스터 시스템은: 상기 입력 데이터의 입력값들을 기초로 입력 신호들을 생성하고; 상기 컨볼루션 필터의 필터값들을 기초로 가중치 제어 신호들을 결정하고; 상기 입력 신호들을 상기 복수의 드레인 전극 라인 또는 상기 복수의 소스 전극 라인에 인가하고; 상기 가중치 제어 신호들을 상기 복수의 게이트 전극 라인에 인가하고; 상기 복수의 소스 전극 라인 또는 상기 복수의 드레인 전극 라인으로 출력되는 출력 신호들을 기초로 컨볼루션 연산 결과를 산출하도록 구성된다.A convolution network operating device for convolution processing input data using a convolution filter according to an embodiment of the present invention, comprising the diagonal memtransistor system, wherein the diagonal memtransistor system: of the input data generate input signals based on the input values; determining weight control signals based on filter values of the convolution filter; applying the input signals to the plurality of drain electrode lines or the plurality of source electrode lines; applying the weight control signals to the plurality of gate electrode lines; A convolution operation result is calculated based on output signals output to the plurality of source electrode lines or the plurality of drain electrode lines.

상기 대각 멤트랜지스터 시스템은: 상기 입력 데이터의 크기 및 상기 컨볼루션 필터의 크기를 기초로 상기 출력 신호들 중 상기 컨볼루션 필터의 슬라이딩에 따른 컨볼루션 연산값들과 관련된 특징 신호들을 추출하고, 상기 특징 신호들을 풀링하여 컨볼루션 특징 맵을 생성하도록 구성될 수 있다.The diagonal memtransistor system: Extracts feature signals related to convolution operation values according to the sliding of the convolution filter among the output signals based on the size of the input data and the size of the convolution filter, and the feature It may be configured to pool the signals to generate a convolutional feature map.

본 발명의 일 실시예에 따른 입력 데이터를 컨볼루션 필터를 이용하여 컨볼루션 처리하는 컨볼루션 네트워크 연산 방법에 있어서, 상기 대각 멤트랜지스터 시스템에 의해 상기 컨볼루션 처리를 수행하는 단계를 포함하고, 상기 컨볼루션 처리를 수행하는 단계는: 상기 입력 데이터의 입력값들을 기초로 입력 신호들을 생성하는 단계; 상기 컨볼루션 필터의 필터값들을 기초로 가중치 제어 신호들을 결정하는 단계; 상기 입력 신호들을 상기 복수의 드레인 전극 라인 또는 상기 복수의 소스 전극 라인에 인가하는 단계; 상기 가중치 제어 신호들을 상기 복수의 게이트 전극 라인에 인가하는 단계; 및 상기 복수의 소스 전극 라인 또는 상기 복수의 드레인 전극 라인으로 출력되는 출력 신호들을 기초로 컨볼루션 연산 결과를 산출하는 단계를 포함한다.A convolution network operation method for performing convolution processing on input data using a convolution filter according to an embodiment of the present invention, comprising the step of performing the convolution processing by the diagonal memtransistor system, wherein the convolution The performing of the solution process may include: generating input signals based on input values of the input data; determining weight control signals based on filter values of the convolution filter; applying the input signals to the plurality of drain electrode lines or the plurality of source electrode lines; applying the weight control signals to the plurality of gate electrode lines; and calculating a convolution operation result based on output signals output to the plurality of source electrode lines or the plurality of drain electrode lines.

상기 대각 멤트랜지스터 시스템에 의해, 상기 입력 데이터의 크기 및 상기 컨볼루션 필터의 크기를 기초로 상기 출력 신호들 중 상기 컨볼루션 필터의 슬라이딩에 따른 컨볼루션 연산값들과 관련된 특징 신호들을 추출하는 단계; 및 상기 대각 멤트랜지스터 시스템에 의해, 상기 입력 데이터의 크기 및 상기 컨볼루션 필터의 크기를 기초로 추출된 상기 특징 신호들을 풀링하여 컨볼루션 특징 맵을 생성하는 단계를 더 포함하는, 컨볼루션 네트워크 연산 방법.extracting, by the diagonal memtransistor system, feature signals related to convolution operation values according to the sliding of the convolution filter among the output signals based on the size of the input data and the size of the convolution filter; and generating, by the diagonal memtransistor system, a convolution feature map by pooling the feature signals extracted based on the size of the input data and the size of the convolution filter. .

본 발명의 실시예에 의하면, 이미지 슬라이딩 횟수를 감소시키고, 데이터 입출력 프로세스 횟수를 감소시킴으로써 컨볼루션 연산 및 풀링 과정에 소모되는 시간과 에너지를 줄여 전체 시스템의 효율성을 높일 수 있는 대각 멤트랜지스터 시스템 및 그 제조 방법과, 대각 멤트랜지스터 시스템을 이용한 컨볼루션 네트워크 연산 장치 및 연산 방법이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, a diagonal memtransistor system and its A manufacturing method and a convolutional network calculation device and method using a diagonal memtransistor system are provided.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, n×n 풀링을 한 번에 연산함으로써 풀링 연산 프로세스 및 에너지 소모량을 기존의 방법에 비해 1/(n×n)으로 감소시킬 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, by calculating n×n pooling at one time, the pooling operation process and energy consumption can be reduced to 1/(n×n) compared to conventional methods.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대각 멤트랜지스터 시스템(10)을 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing a diagonal memtransistor system 10 according to an embodiment of the present invention.

도 2는 대각 멤트랜지스터 시스템(10)에 포함된 대각 멤트랜지스터 소자(11) 하나를 확대하여 나타낸 도면이다.FIG. 2 is an enlarged view of one diagonal memtransistor element 11 included in the diagonal memtransistor system 10 .

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대각 멤트랜지스터 소자 시스템 제조 방법에 의해 대각 멤트랜지스터 시스템(10)이 제조되는 과정을 순차적으로 나타낸 도면이다.3 is a diagram sequentially illustrating a process of manufacturing a diagonal memtransistor system 10 by a method of manufacturing a diagonal memtransistor element system according to an embodiment of the present invention.

도 4는 4x4 입력 데이터와 3x3 커널(컨볼루션 필터)의 조건 하에서, 기존의 CNN 어레이의 구동 방식을 개략적으로 나타낸 도면이다.4 is a diagram schematically illustrating a driving method of an existing CNN array under the condition of 4x4 input data and a 3x3 kernel (convolution filter).

도 5는 도 4의 과정을 보다 상세히 나타낸 도면으로, 컨볼루션 필터의 슬라이딩에 따라 입력 데이터에 대해 컨볼루션 연산이 수행되는 과정을 순차적으로 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a diagram showing the process of FIG. 4 in more detail, sequentially showing a process in which a convolution operation is performed on input data according to the sliding of the convolution filter.

도 6은 도 4와 같은 조건 하에서, 대각 멤트랜지스터 시스템(10)에 의한 동작 방식을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 6 is a diagram schematically illustrating an operation method of the diagonal memtransistor system 10 under the same condition as in FIG. 4 .

도 7은 도 6의 과정을 보다 상세히 나타낸 도면으로, 대각선 어레이(게이트 전극 라인이 대각선 방향으로 형성된 경우)를 갖는 대각 멤트랜지스터 시스템(10)에 의하여 특징 맵 데이터를 이용하여 별도의 정보를 저장하는 과정 없이, 풀링 과정을 통해 한 번에 컨볼루션 연산 결과가 출력되는 모습을 나타낸 도면이다.FIG. 7 is a diagram showing the process of FIG. 6 in more detail, wherein the diagonal memtransistor system 10 having a diagonal array (when the gate electrode line is formed in a diagonal direction) stores separate information using feature map data. It is a diagram showing how the convolution operation result is output at once through the pooling process without any process.

도 8은 도 6 및 도 7에 도시된 방식으로 소스 전극(120)을 통해 입력 데이터를 입력 받고, 드레인 전극(220)을 통해 데이터가 출력되는 모습을 나타낸 예시도이다.FIG. 8 is an exemplary diagram illustrating how input data is received through the source electrode 120 and output through the drain electrode 220 in the manner shown in FIGS. 6 and 7 .

도 9는 기존의 시냅스 어레이 중 어느 하나의 멤트랜지스터 소자에 가중치를 학습시키기 위하여 2개의 펄스 시퀀스를 입력하는 모습을 나타낸 도면이다.9 is a view showing how two pulse sequences are input in order to learn a weight in any one of the memtransistor elements of the existing synapse array.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 대각 멤트랜지스터 시스템(10)에 있어서 한 번의 펄스 시퀀스 입력으로 복수의 대각 멤트랜지스터 소자(11)에 가중치를 학습시키는 모습을 나타낸 도면이다.FIG. 10 is a diagram showing how weights are learned for a plurality of diagonal memtransistor elements 11 with one pulse sequence input in the diagonal memtransistor system 10 according to an embodiment of the present invention.

도 11은 강유전체층에 분극이 일어난 모습을 나타낸 도도면이다.11 is a diagram showing a state in which polarization occurs in a ferroelectric layer.

도 12는 대각 멤트랜지스터 소자(11)의 게이트 전압에 따른 드레인-소스 전류 변화 특성을 나타낸 도면이다.12 is a diagram showing drain-source current change characteristics according to gate voltage of the diagonal memtransistor device 11 .

도 13은 대각 멤트랜지스터 소자(11)의 펄스 게이트 전압 인가에 따른 PSC(postsynaptic currents) 변화 특성을 나타낸 도면이다.FIG. 13 is a diagram showing a change characteristic of postsynaptic currents (PSC) according to application of a pulse gate voltage to the diagonal memtransistor device 11 .

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art, and the following examples may be modified in many different forms, and the scope of the present invention is as follows It is not limited to the examples.

오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art.

또한, 이하의 도면에서 각 구성은 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.In addition, each component in the following drawings is exaggerated for convenience and clarity of explanation, and the same reference numerals refer to the same elements in the drawings. As used herein, the term “and/or” includes any one and all combinations of one or more of the listed items.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다.Terms used in this specification are used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며,As used herein, the singular form may include the plural form unless the context clearly indicates otherwise. Also, when used herein, "comprise" and/or "comprising" specifies the presence of the recited shapes, numbers, steps, operations, elements, elements, and/or groups thereof. will,

하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.It does not exclude the presence or addition of one or more other shapes, numbers, operations, elements, elements and/or groups.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대각 멤트랜지스터 시스템(10)을 나타낸 도면이고, 도 2는 대각 멤트랜지스터 시스템(10)에 포함된 대각 멤트랜지스터 소자(11) 하나를 확대하여 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a diagram showing a diagonal memtransistor system 10 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged view of one diagonal memtransistor element 11 included in the diagonal memtransistor system 10. .

도 1 및 도 2를 참조하면, 대각 멤트랜지스터 시스템(10)은 복수개의 소스 전극 라인(110), 복수개의 드레인 전극 라인(210), 복수개의 시냅스 소자(600), 및 게이트 전극 라인(510)을 포함할 수 있다. 복수개의 소스 전극 라인(110), 복수개의 드레인 전극 라인(210), 복수개의 시냅스 소자(600), 및 게이트 전극 라인(510)은 기판(20) 상에 형성될 수 있다.1 and 2, the diagonal memtransistor system 10 includes a plurality of source electrode lines 110, a plurality of drain electrode lines 210, a plurality of synaptic elements 600, and a gate electrode line 510. can include A plurality of source electrode lines 110 , a plurality of drain electrode lines 210 , a plurality of synaptic elements 600 , and a gate electrode line 510 may be formed on the substrate 20 .

각 소스 전극 라인(110)은 소정의 제1 방향으로 형성될 수 있다. 복수개의 소스 전극 라인(110)은 제1 방향과 상이한 제2 방향을 따라 서로 나란하게 배열될 수 있다.Each source electrode line 110 may be formed in a predetermined first direction. The plurality of source electrode lines 110 may be arranged parallel to each other along a second direction different from the first direction.

소스 전극 라인(110)은 소스 전극(120)의 일측으로부터 제1 방향으로 연장되도록 구성될 수 있다. 소스 전극 라인(110) 및 소스 전극(120)은 미리 설정된 전압이 인가될 수 있다. 일 예로, 소스 전극(120) 및 소스 전극 라인(110)에는 기준 전압(예를 들어, 접지 전압)이 인가되거나, 입력 데이터에 해당하는 입력값이 인가될 수 있다. 각 드레인 전극 라인(210)은 드레인 전극(220)으로부터 제2 방향으로 연장되게 형성될 수 있다. 복수개의 드레인 전극 라인(210)은 복수개의 소스 전극 라인(110)과 교차하도록 형성될 수 있다. 복수개의 드레인 전극 라인(210)은 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열될 수 있다.The source electrode line 110 may be configured to extend from one side of the source electrode 120 in the first direction. A preset voltage may be applied to the source electrode line 110 and the source electrode 120 . For example, a reference voltage (eg, ground voltage) or an input value corresponding to input data may be applied to the source electrode 120 and the source electrode line 110 . Each drain electrode line 210 may be formed to extend from the drain electrode 220 in the second direction. The plurality of drain electrode lines 210 may be formed to cross the plurality of source electrode lines 110 . The plurality of drain electrode lines 210 may be arranged parallel to each other along the first direction.

드레인 전극 라인(210)은 시냅스 소자(600)의 반도체층(300) 상에 형성될 수 있다. 드레인 전극 라인(210)은 소스 전극 라인(110)과 교차되는 일부 영역(교차 영역)이 소스 전극 라인(110)의 일부 영역 상에 적층되도록 구성될 수 있다.The drain electrode line 210 may be formed on the semiconductor layer 300 of the synaptic device 600 . A portion of the drain electrode line 210 crossing the source electrode line 110 (intersection area) may be stacked on a portion of the source electrode line 110 .

예를 들어, 제2 방향이 제1 방향과 수직할 경우, 드레인 전극 라인(210)의 일부 영역은 소스 전극 라인(110)의 일부 영역과 서로 수직을 이루며, 소스 전극 라인(110) 상에 적층될 수 있다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이 격자 형상(크로스바 어레이 구조)을 이룰 수 있다.For example, when the second direction is perpendicular to the first direction, a portion of the drain electrode line 210 is perpendicular to a portion of the source electrode line 110 and is stacked on the source electrode line 110. It can be. Therefore, as shown in FIG. 1, a lattice shape (crossbar array structure) can be achieved.

드레인 전극 라인(210) 및 드레인 전극(220)은 미리 설정된 전압이 인가될 수 있다. 일 예로, 드레인 전극(220) 및 드레인 전극 라인(210)에는 기준 전압(예를 들어, 접지 전압)이 인가되거나, 입력 데이터에 해당하는 입력값이 인가될 수 있다.A preset voltage may be applied to the drain electrode line 210 and the drain electrode 220 . For example, a reference voltage (eg, ground voltage) or an input value corresponding to input data may be applied to the drain electrode 220 and the drain electrode line 210 .

소스 전극 라인(110)과 드레인 전극 라인(210)은 금속 등의 전도성 물질로 형성될 수 있다. 실시예에서, 드레인 전극 라인(210)은 그래핀층을 포함할 수 있다.The source electrode line 110 and the drain electrode line 210 may be formed of a conductive material such as metal. In an embodiment, the drain electrode line 210 may include a graphene layer.

시냅스 소자(600)는 복수개의 소스 전극 라인(110)과 복수개의 드레인 전극 라인(210) 사이의 교차 영역들에 각각 제공될 수 있다. 시냅스 소자(600)는 소스 전극 라인(110)과 드레인 전극 라인(210) 사이의 교차 영역에 제공되는 반도체층(300)과, 교차 영역에서의 소스 전극 라인(110)과 드레인 전극 라인(210)의 페르미 준위(Fermi level)와 컨덕턴스를 조절하기 위한 조절층(400)을 포함할 수 있다.The synaptic device 600 may be provided at intersections between the plurality of source electrode lines 110 and the plurality of drain electrode lines 210, respectively. The synaptic device 600 includes a semiconductor layer 300 provided in the intersection area between the source electrode line 110 and the drain electrode line 210, and the source electrode line 110 and the drain electrode line 210 in the intersection area. It may include a control layer 400 for adjusting the Fermi level and conductance of .

반도체층(300)은 소스 전극 라인(110)과 드레인 전극 라인(210) 사이에 제공될 수 있다. 보다 상세히 말하면, 반도체층(300)은 소스 전극 라인(110)과 드레인 전극 라인(210)이 서로 겹쳐지는 교차 영역에 있어서, 소스 전극 라인(110)과, 소스 전극 라인(110) 상에 적층된 드레인 전극 라인(210)의 사이에 제공될 수 있다.The semiconductor layer 300 may be provided between the source electrode line 110 and the drain electrode line 210 . More specifically, the semiconductor layer 300 is stacked on the source electrode line 110 and the source electrode line 110 in the intersection area where the source electrode line 110 and the drain electrode line 210 overlap each other. It may be provided between the drain electrode lines 210 .

실시예에서, 반도체층은 ZnO(산화 아연), NiO(산화 니켈), SnO(산화 주석), IGZO(indium gallium zinc oxide), SiOx(산화 실리콘), TiOx(산화 티타늄) 및 WOx(산화 텅스텐) 중 적어도 어느 하나를 포함하도록 구성될 수 있으나, 반도체층(300)을 구성하는 물질이 이에 한정되지는 않는다.In an embodiment, the semiconductor layer is ZnO (zinc oxide), NiO (nickel oxide), SnO (tin oxide), IGZO (indium gallium zinc oxide), SiOx (silicon oxide), TiOx (titanium oxide), and WOx (tungsten oxide) However, the material constituting the semiconductor layer 300 is not limited thereto.

조절층(400)은 반도체층(300)의 상면을 덮도록 구성될 수 있다.The control layer 400 may be configured to cover the upper surface of the semiconductor layer 300 .

보다 상세히 말하면, 조절층(400)은 반도체층(300)과, 반도체층(300) 상에 제공되는 드레인 전극 라인(210)을 함께 덮도록 구성될 수 있다.More specifically, the control layer 400 may cover the semiconductor layer 300 and the drain electrode line 210 provided on the semiconductor layer 300 together.

또한, 조절층(400)은 반도체층(300)과 교차하는 드레인 전극 라인(210) 상에 적층되도록 구성되거나, 반도체층(300)과 교차하는 드레인 전극(210)의 상면과 반도체층(300)의 측면을 감싸도록 구성될 수 있다.In addition, the adjustment layer 400 is configured to be stacked on the drain electrode line 210 crossing the semiconductor layer 300, or the upper surface of the drain electrode 210 crossing the semiconductor layer 300 and the semiconductor layer 300 It may be configured to cover the side of the.

조절층(400)은 게이트 전극 라인(510)을 통해 인가되는 게이트 전압에 의해 드레인 전극 라인(210)의 그래핀층의 페르미 준위를 조절하여 반도체층(300)과 그래핀층 간의 쇼트키 장벽(Shottky barrier)을 조절할 수 있는 물질로 형성될 수 있다.The control layer 400 adjusts the Fermi level of the graphene layer of the drain electrode line 210 by the gate voltage applied through the gate electrode line 510 to form a Schottky barrier between the semiconductor layer 300 and the graphene layer. ) can be formed of a material that can control.

실시예에서, 조절층(400)은 유기 강유전체 또는 무기 강유전체로 구성될 수 있는데, 유기 강유전체는 PVDF-TrFE(polyvinylidene fluoride trifluoro ethylene) 및 PVDF(polyvinylidene fluoride) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 무기 강유전체는 HZO(Hf0.5Zr0.5O2) 및 PZT(lead zirconate titanate) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 다만, 조절층(400)을 구성하는 물질이 이에 한정되지는 않는다. 여기서, PVDF는 polyvinylidene fluoride일 수 있으며, PZT는 lead zirconate titanate일 수 있다.In an embodiment, the control layer 400 may be composed of an organic ferroelectric or an inorganic ferroelectric. The organic ferroelectric may include at least one of polyvinylidene fluoride trifluoro ethylene (PVDF-TrFE) and polyvinylidene fluoride (PVDF). The ferroelectric may include at least one of HZO (Hf0.5Zr0.5O2) and PZT (lead zirconate titanate). However, materials constituting the control layer 400 are not limited thereto. Here, PVDF may be polyvinylidene fluoride, and PZT may be lead zirconate titanate.

게이트 전극 라인(510)은 소스 전극 라인(110)과 드레인 전극 라인(210)의 교차 영역에서 소스 전극 라인(110) 및 드레인 전극 라인(210)과 교차하도록 형성될 수 있다. 게이트 전극 라인(510)은 소스 전극 라인(110) 및 드레인 전극 라인(210)과의 교차 영역에서 조절층(400) 상에 적층될 수 있다. 게이트 전극 라인(510)은 조절층(400)의 상면과 접촉하며, 제3 방향으로 형성될 수 있다. The gate electrode line 510 may be formed to cross the source electrode line 110 and the drain electrode line 210 at an intersection area between the source electrode line 110 and the drain electrode line 210 . The gate electrode line 510 may be stacked on the control layer 400 at an intersection area between the source electrode line 110 and the drain electrode line 210 . The gate electrode line 510 may contact the upper surface of the control layer 400 and be formed in a third direction.

제3 방향은 제1 방향과 제2 방향의 사이 방향일 수 있다. 게이트 전극 라인(510)의 길이 방향은 소스 전극 라인(110)의 길이 방향과 드레인 전극 라인(210)의 길이 방향의 사이 방향으로 형성될 수 있다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 대각 멤트랜지스터 시스템(10)의 형상을 전체적으로 살펴보면, 게이트 전극 라인(510)은 대각선 방향으로 형성될 수 있다.The third direction may be a direction between the first direction and the second direction. The length direction of the gate electrode line 510 may be formed in a direction between the length direction of the source electrode line 110 and the length direction of the drain electrode line 210 . Accordingly, as shown in FIG. 1 , looking at the shape of the diagonal memtransistor system 10 as a whole, the gate electrode line 510 may be formed in a diagonal direction.

다른 예에 따르면, 게이트 전극 라인(510)은 대각 방향이 아닌, 복수개의 시냅스 소자들 중 같은 가중치로 동시에 학습시키고자 하는 시냅스 소자들과 교차할 수 있도록, 이들을 향해 형성될 수 있다. 즉, 게이트 전극 라인(510)은 대각 직선 방향이 아닌 같은 가중치로 동시에 학습시키고자 하는 시냅스 소자들 상에 적층될 수 있도록, 휘어지거나 꺾인 채로 제1 방향과 제2 방향의 사이 방향으로 형성될 수 있다.According to another example, the gate electrode line 510 may be formed in a non-diagonal direction so as to intersect with synaptic elements to be simultaneously trained with the same weight among a plurality of synaptic elements. That is, the gate electrode line 510 may be formed in a direction between the first direction and the second direction while being bent or bent so that it can be stacked on synaptic elements to be simultaneously trained with the same weight rather than in a diagonal straight direction. there is.

대각 멤트랜지스터 시스템(10)은 소스 전극(120), 드레인 전극(220) 및 게이트 전극(520)을 더 포함할 수 있다.The diagonal memtransistor system 10 may further include a source electrode 120 , a drain electrode 220 and a gate electrode 520 .

게이트 전극(520)은 특정 게이트 전극 라인(510)을 따라 배열된 다수의 시냅스 소자(600)에 같은 가중치(weight)를 동시에 학습시키기 위하여 가중치 제어 신호를 게이트 전극 라인(510)에 인가하도록 구성될 수 있다.The gate electrode 520 may be configured to apply a weight control signal to the gate electrode line 510 in order to simultaneously learn the same weight for a plurality of synaptic devices 600 arranged along the specific gate electrode line 510. can

소스 전극(120)은 소스 전극 라인(110)의 끝단에 제공될 수 있다. 드레인 전극(220)은 드레인 전극 라인(210)의 끝단에 제공될 수 있다. 게이트 전극(520)은 게이트 전극 라인(510)의 끝단에 제공될 수 있다.The source electrode 120 may be provided at an end of the source electrode line 110 . The drain electrode 220 may be provided at an end of the drain electrode line 210 . The gate electrode 520 may be provided at an end of the gate electrode line 510 .

본 발명의 실시예에 따른 대각 멤트랜지스터 시스템(10)은 제어부(도시 생략)를 더 포함할 수 있다. 제어부는 각 드레인 전극 라인(210) 또는 각 소스 전극 라인(110)에 인가될 입력 신호 및 각 게이트 전극 라인(510)에 인가될 가중치 제어 신호를 결정하도록 구성될 수 있다. 드레인 전극 라인(210)과 소스 전극 라인(110) 중 어느 하나는 입력으로, 다른 하나는 출력으로 활용될 수 있다.The diagonal memtransistor system 10 according to an embodiment of the present invention may further include a controller (not shown). The controller may be configured to determine an input signal to be applied to each drain electrode line 210 or each source electrode line 110 and a weight control signal to be applied to each gate electrode line 510 . One of the drain electrode line 210 and the source electrode line 110 may be used as an input and the other as an output.

실시예에서, 제어부는 입력 데이터를 컨볼루션 처리하기 위한 컨볼루션 필터의 필터값들을 기초로 가중치 제어 신호를 결정하여 게이트 전극(520) 및 게이트 전극 라인(510)에 인가하고, 입력 데이터의 입력값들을 기초로 입력 신호를 생성하여 드레인 전극(220) 또는 소스 전극(120)에 인가할 수 있다.In an embodiment, the control unit determines a weight control signal based on filter values of a convolution filter for convolving input data, applies it to the gate electrode 520 and the gate electrode line 510, and applies the input value of the input data. An input signal may be generated based on and applied to the drain electrode 220 or the source electrode 120 .

대각 멤트랜지스터 시스템(10)은 복수의 소스 전극 라인(110) 또는 복수의 드레인 전극 라인(210)으로 출력되는 출력 신호들을 기초로 컨볼루션 연산 결과를 산출할 수 있다. 대각 멤트랜지스터 시스템(10)은 입력 데이터의 크기 및 컨볼루션 필터의 크기를 기초로, 복수의 소스 전극 라인(120)의 출력 신호들 중, 컨볼루션 필터의 슬라이딩에 따른 컨볼루션 연산값들과 관련된 특징 신호들을 추출하고, 추출된 특징 신호들을 풀링(pooling)하여 컨볼루션 특징 맵을 생성할 수 있다.The diagonal memtransistor system 10 may calculate a convolution operation result based on output signals output to the plurality of source electrode lines 110 or the plurality of drain electrode lines 210 . The diagonal memtransistor system 10 is based on the size of the input data and the size of the convolution filter, among the output signals of the plurality of source electrode lines 120, related to the convolution operation values according to the sliding of the convolution filter. A convolutional feature map may be generated by extracting feature signals and pooling the extracted feature signals.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대각 멤트랜지스터 소자 시스템 제조 방법(S10)에 의해 대각 멤트랜지스터 시스템(10)이 제조되는 과정을 순차적으로 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a diagram sequentially illustrating a process of manufacturing the diagonal memtransistor system 10 by the manufacturing method S10 of the diagonal memtransistor element system according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 대각 멤트랜지스터 소자 시스템 제조 방법(S10)은 S100 내지 S500 단계를 포함한다.Referring to FIG. 3 , the diagonal memtransistor device system manufacturing method ( S10 ) includes steps S100 to S500 .

S100 단계에서, 기판 상에 복수개의 소스 전극(120), 제1 방향을 길이 방향으로 갖는 복수개의 소스 전극 라인(110) 및 복수개의 드레인 전극(220)이 형성될 수 있다.In step S100 , a plurality of source electrodes 120 , a plurality of source electrode lines 110 having a first direction as a longitudinal direction, and a plurality of drain electrodes 220 may be formed on the substrate.

일 예로, S100 단계는 SiO2/Si 기판을 에탄올에 15분, 아세톤에 15분 순으로 초음파 세척한 후, 흐르는 순수(DI water)로 세척한 다음 질소 에어건 블로잉을 수행하는 단계(S110), AZ5214 Photoresist를 스핀 코팅한 후 1분간 120 °C에서 베이킹(baking)하는 단계(S120), 포토마스크(Photo mask)를 활용하여 소스 전극(120), 소스 전극 라인(110) 및 드레인 전극(220)에 해당하는 패턴 부분을 노광한 후, MIF300 현상액에 15초 동안 현상하는 단계(S130) 및 열증착기(Thermally evaporator)를 이용하여 알루미늄(Al)을 3nm 두께로 증착한 후 금(Au)을 22 nm 두께로 증착한 후 아세톤을 이용하여 리프트 오프(lift off) 공정을 진행하여 PR(감광액)을 제거하는 단계(S140)를 포함할 수 있다.For example, in step S100, the SiO2 / Si substrate is ultrasonically cleaned in ethanol for 15 minutes and acetone for 15 minutes, followed by washing with flowing pure water (DI water), followed by nitrogen air blowing (S110), AZ5214 Photoresist After spin-coating, baking at 120 ° C for 1 minute (S120), corresponding to the source electrode 120, the source electrode line 110 and the drain electrode 220 using a photo mask After exposing the pattern part to be exposed, developing for 15 seconds in MIF300 developer (S130) and depositing aluminum (Al) to a thickness of 3 nm using a thermally evaporator, and then gold (Au) to a thickness of 22 nm After the deposition, a lift-off process using acetone is performed to remove photoresist (PR) (S140).

S200단계에서, 소스 전극 라인(110) 상의 일부 영역(드레인 전극 라인 및 게이트 전극 라인과의 교차 영역)에 반도체층(300)이 형성될 수 있다.In step S200 , the semiconductor layer 300 may be formed in a partial area (an area where the drain electrode line and the gate electrode line intersect) on the source electrode line 110 .

일 예로, S200 단계는 반도체층(300)을 위한 포토리소그래피(photolithography)를 진행하는 단계(S210) 및 80 um2 사이즈의 반도체층(300) 형성을 위해 RF-스퍼터링 시스템(sputtering system)을 이용하여 IGZO를 증착 조건 50 W, Ar 19sccm, O2 2 sccm, 20 mTorr 하에서 두께 15 nm로 증착한 후 아세톤으로 리프트 오프를 진행하는 단계(S220)를 포함할 수 있다.For example, step S200 is a step of performing photolithography for the semiconductor layer 300 (S210) and IGZO using an RF-sputtering system to form the semiconductor layer 300 having a size of 80 um2. may include depositing to a thickness of 15 nm under deposition conditions of 50 W, 19 sccm of Ar, 2 sccm of O2, and 20 mTorr, and then performing lift-off with acetone (S220).

S300 단계에서, 반도체층(300) 상의 일부 영역과 드레인 전극(220) 상의 일부 영역을 연결하는 복수개의 드레인 전극 라인(210)이 제2 방향으로 형성될 수 있다.In step S300 , a plurality of drain electrode lines 210 connecting a partial region on the semiconductor layer 300 and a partial region on the drain electrode 220 may be formed in a second direction.

일 예로, S300 단계는 소스 전극 라인(110)과 드레인 전극 라인(210) 간의 교차 영역에 해당하는 반도체층(300) 상에 그래핀(Graphene)층을 대면적 전사하고, 아세톤에 20분 담근 후 DI water로 세척함으로써 그래핀 보호층인 PMMA를 제거하는 단계(S310), 포토리소그래피를 통해 그래핀층 위의 넓이 40 um2의 드레인 전극 라인(210) 부분을 제외한 감광액을 제거하여 현상하는 단계(S320) 및 RIE(reactive-ion etching) 공정을 통해 드레인 전극 라인(210)을 제외한 그래핀층을 RIE 조건 40 W, Ar 10 sccm, O2 10 sccm, 0.2 Torr 하에서 에칭 후 아세톤을 이용하여 감광액을 리프트 오프 처리하는 단계(S330)를 포함할 수 있다.For example, in step S300, a large-area graphene layer is transferred on the semiconductor layer 300 corresponding to the intersection area between the source electrode line 110 and the drain electrode line 210, and immersed in acetone for 20 minutes. Removing the graphene protective layer PMMA by washing with DI water (S310), removing the photoresist except for the portion of the drain electrode line 210 having an area of 40 um2 on the graphene layer through photolithography and developing (S320) and etching the graphene layer except for the drain electrode line 210 through a reactive-ion etching (RIE) process under RIE conditions of 40 W, 10 sccm for Ar, 10 sccm for O2, and 0.2 Torr, and then lift-off the photoresist using acetone. Step S330 may be included.

S400 단계에서, 반도체층(300)과, 반도체층(300) 상에 제공되는 드레인 전극 라인(210)의 그래핀층을 함께 덮도록 구성되는 조절층(400)이 형성될 수 있다.In step S400 , an adjustment layer 400 configured to cover both the semiconductor layer 300 and the graphene layer of the drain electrode line 210 provided on the semiconductor layer 300 may be formed.

일 예로, S400 단계는 유기 강유전체 고분자인 폴리비닐리덴-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE)(70:30)를 DMF용매에 8 wt%로 녹여준 용액을 스핀-코팅(spin-coating)한 후, 135 °C에서 2시간 동안 어닐링(annealing)하여 결정화 시키는 단계를 포함할 수 있다.For example, in step S400, a solution in which polyvinylidene-trifluoroethylene (PVDF-TrFE) (70:30), an organic ferroelectric polymer, is dissolved in a DMF solvent at 8 wt% is spin-coated, and then , crystallization by annealing at 135 °C for 2 hours.

S500 단계에서, 조절층(400) 상면의 일부 영역에 접촉되도록 게이트 전극 라인(510)이 제1 방향과 제2 방향의 사이 방향인 제3 방향(대각 방향)으로 형성될 수 있다.In step S500 , the gate electrode line 510 may be formed in a third direction (diagonal direction) between the first and second directions so as to contact a partial region of the upper surface of the control layer 400 .

일 예로, S500 단계는 반도체층(300)을 포함하는 각 시냅스 소자의 채널 면적을 덮을 수 있는 게이트 전극 라인(510)을 포토리소그래피를 통해 현상 후 열증착에 의해 Al을 25 nm 두께로 증착하는 단계(S510) 및 유기소재인 PVDF-TrFE위 게이트 패턴의 리프트 오프를 위해 감광액만 선택적으로 제거할 수 있는 PGMEA(Propylene glycol monomethyl ether acetate) 용매에 10분 동안 노출하여 리프트 오프를 진행하는 단계(S520)를 포함할 수 있다.For example, in step S500, after developing the gate electrode line 510 through photolithography to cover the channel area of each synaptic element including the semiconductor layer 300, depositing Al to a thickness of 25 nm by thermal evaporation. (S510) and lift-off of the gate pattern on PVDF-TrFE, an organic material, by exposing to PGMEA (Propylene glycol monomethyl ether acetate) solvent that can selectively remove only the photoresist for 10 minutes to perform lift-off (S520) can include

도 4는 4x4 입력 데이터와 3x3 커널(컨볼루션 필터)의 조건 하에서, 기존의 CNN 어레이의 구동 방식을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4의 과정을 보다 상세히 나타낸 도면으로, 컨볼루션 필터의 슬라이딩에 따른 입력 데이터에 대한 컨볼루션 연산 과정을 순차적으로 나타낸 도면이다.4 is a diagram schematically illustrating a driving method of an existing CNN array under the condition of 4x4 input data and a 3x3 kernel (convolution filter), and FIG. 5 is a diagram showing the process of FIG. 4 in more detail, showing the convolution filter It is a diagram sequentially showing the convolution operation process for input data according to sliding.

도 4 및 도 5를 참조하면, 기존의 CNN 어레이 구동 방식의 경우, 커널을 이용한 슬라이딩을 4회 실시하여, 이를 통해 특징 맵(feature map)을 추출한 후, 특징 맵에 최대 풀링(max pooling)을 적용하여 출력한다.Referring to FIGS. 4 and 5, in the case of the conventional CNN array driving method, sliding using a kernel is performed 4 times, a feature map is extracted through this, and then max pooling is performed on the feature map. Apply and output.

도 6은 도 4와 같은 조건 하에서, 본 발명의 실시예에 따른 대각 멤트랜지스터 시스템(10)에 의한 컨볼루션 연산 과정을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 7은 도 6의 과정을 보다 상세히 나타낸 도면으로, 대각선 어레이(게이트 전극 라인이 대각선 방향으로 형성된 경우)를 갖는 대각 멤트랜지스터 시스템(10)에 의하여 특징 맵(feature map) 데이터를 이용하여 별도의 정보를 저장하는 과정 없이, 풀링(pooling) 과정을 통해 한번에 컨볼루션 연산 결과가 출력되는 모습을 나타낸 도면이고, 도 8은 도 6 및 도 7에 도시된 방식으로 소스 전극(120)을 통해 인풋 데이터를 입력 받고, 드레인 전극(220)을 통해 데이터가 출력되는 모습을 나타낸 예시도이다.FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a convolution operation process by the diagonal memtransistor system 10 according to an embodiment of the present invention under the same conditions as in FIG. 4, and FIG. 7 is a diagram showing the process of FIG. 6 in more detail. , A pooling process is performed without a process of storing separate information using feature map data by the diagonal memtransistor system 10 having a diagonal array (when the gate electrode line is formed in a diagonal direction) 8 is a diagram showing how the convolution operation result is output at once through the method shown in FIGS. 6 and 7, input data is received through the source electrode 120, and data is received through the drain electrode 220 This is an example of the output.

도 6 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 대각 멤트랜지스터 시스템(10)은 한번의 입력 데이터의 입력을 통해 특징 맵을 도출할 수 있으며, 도출된 특징 맵을 별도로 저장하는 과정 없이, 곧바로 풀링 과정을 통해 컨볼루션 연산 결과 데이터를 출력할 수 있다.Referring to FIGS. 6 and 7 , the diagonal memtransistor system 10 according to an embodiment of the present invention may derive a feature map through one input of input data, and the process of separately storing the derived feature map Without, the convolution operation result data can be directly output through a pooling process.

예를 들어, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 입력 데이터가 1 부터 16까지의 총 16개의 화소값들에 해당하는 입력값들을 포함하고 있는 경우, 각각의 입력값이 각각의 소스 전극(120)에 한 번에 컬럼 형태로 입력될 수 있다. 이를 위해, 소스 전극의 개수는 입력 데이터를 구성하는 입력값들의 개수(예를 들어, 컨볼루션 처리 단위인 영상 내의 화소들의 개수)와 같은 16개로 구성되거나, 그보다 많아야 한다. 일 예로, 입력 데이터가 NXN 크기를 가지는 경우, 소스 전극 라인(110) 및 드레인 전극 라인(120)의 개수는 각각 N2 개로 구현될 수 있다. 특징 맵 도출과 풀링 과정을 거쳐 생성된 출력 데이터는 드레인 전극(220)을 통해 출력되는데, 도시된 예의 경우, 첫번째 드레인 전극(220)을 통해 A 아웃풋이 출력되고, 두번째 드레인 전극(220)을 통해 B 아웃풋이 출력되고, 5번째 드레인 전극(220)을 통해 C 아웃풋이 출력되고, 6번째 드레인 전극(220)을 통해 D 아웃풋이 출력될 수 있다.For example, as shown in FIGS. 6 and 7 , when input data includes input values corresponding to a total of 16 pixel values from 1 to 16, each input value corresponds to each source electrode 120 ) can be entered in column form at once. To this end, the number of source electrodes must be 16 equal to the number of input values constituting the input data (eg, the number of pixels in an image that is a unit of convolution processing) or more. For example, when input data has a size of NXN, the number of source electrode lines 110 and drain electrode lines 120 may be implemented as N2, respectively. Output data generated through the feature map derivation and pooling process is output through the drain electrode 220. In the case of the illustrated example, the A output is output through the first drain electrode 220, and the output data is output through the second drain electrode 220. A B output may be output, a C output may be output through the fifth drain electrode 220 , and a D output may be output through the sixth drain electrode 220 .

이때 아웃풋 A 내지 D는 대각 멤트랜지스터 시스템(10)에 의해 다수의 드레인 전극(220)을 통해 동시에 출력될 수 있다. 즉, 게이트 라인을 공유하는 16x4 어레이 소자 구조에서 옴의 법칙(Ohm's law) 과 키르히호프(Kirchhoff's) 법칙을 통한 벡터 연산을 통해 A, B, C, D 연산 값이 한 번에 추출된다. 이에 따라 본 발명의 실시예에 의하면 빠르고 효율적인 컨볼루션 연산이 가능하다.At this time, the outputs A to D may be simultaneously output through the plurality of drain electrodes 220 by the diagonal memtransistor system 10 . That is, in a 16x4 array element structure sharing a gate line, A, B, C, and D operation values are extracted at once through vector operation through Ohm's law and Kirchhoff's law. Accordingly, according to an embodiment of the present invention, a fast and efficient convolution operation is possible.

도 9는 기존의 시냅스 어레이 중 어느 하나의 멤트랜지스터 소자에 가중치를 학습시키기 위하여 2개의 펄스 시퀀스를 입력하는 모습을 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 대각 멤트랜지스터 시스템(10)에 있어서 한 번의 펄스 시퀀스 입력으로 복수의 대각 멤트랜지스터 소자(11)에 가중치를 학습시키는 모습을 나타낸 도면이다.9 is a view showing inputting two pulse sequences in order to learn a weight in any one memtransistor element of an existing synaptic array, and FIG. 10 is a diagonal memtransistor system (10) according to an embodiment of the present invention. ), it is a diagram showing how weights are learned to a plurality of diagonal memtransistor elements 11 with one pulse sequence input.

도 9를 참조하면, (a)에 해당하는 하나의 멤트랜지스터 소자에 대하여 가중치를 학습시키기 위해서는 소스 전극 라인과 드레인 전극 라인 각각에 펄스 시퀀스를 입력해야 한다.Referring to FIG. 9 , in order to learn a weight for one memtransistor element corresponding to (a), a pulse sequence must be input to each of the source electrode line and the drain electrode line.

이와 달리, 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 대각 멤트랜지스터 시스템(10)는, 특정한 게이트 전극 라인을 통한 한 번의 펄스 시퀀스 인가를 통해 복수의 멤트랜지스터 소자(특정한 게이트 전극 라인을 따라 배열된 복수의 시냅스 소자)에 대하여 동시에 학습에 사용되는 가중치 제어 신호를 전달할 수 있다.In contrast, referring to FIG. 10 , the diagonal memtransistor system 10 according to an embodiment of the present invention generates a plurality of memtransistor elements (a specific gate electrode line) by applying a pulse sequence once through a specific gate electrode line. A weight control signal used for learning may be simultaneously transmitted to a plurality of synaptic elements arranged according to the synaptic element).

다시 도 2를 참조하면, 대각 멤트랜지스터 소자(11)는 3단자 구조를 갖는데, 소스 전극 라인(110)과 드레인 전극 라인(210)이 채널층인 반도체층(300)(예를 들어, IGZO층)을 사이에 두고 수직으로 교차할 수 있다. 이때, 조절층(400)은 반도체층(300) 상에 제공된 드레인 전극 라인(210)의 상면을 덮도록 제공될 수 있으며, 다른 경우에는 반도체층(300) 상에 제공된 드레인 전극 라인(210)의 상면과 반도체층(300)의 측면을 모두 감싸도록 제공될 수 있다. 또한, 게이트 전극 라인(510)은 소스 전극 라인(110)에 제공되는 방향과 드레인 전극 라인(210)이 제공되는 방향의 사이 방향으로 제공될 수 있다.Referring back to FIG. 2 , the diagonal memtransistor element 11 has a three-terminal structure, and the source electrode line 110 and the drain electrode line 210 are a semiconductor layer 300 (eg, an IGZO layer) as a channel layer. ) can intersect vertically. At this time, the control layer 400 may be provided to cover the upper surface of the drain electrode line 210 provided on the semiconductor layer 300, and in other cases, the drain electrode line 210 provided on the semiconductor layer 300. It may be provided to cover both the upper surface and the side surface of the semiconductor layer 300 . Also, the gate electrode line 510 may be provided in a direction between a direction in which the source electrode line 110 is provided and a direction in which the drain electrode line 210 is provided.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 대각 멤트랜지스터 시스템(10)은 컨볼루션 네트워크 연산을 수행하는 컨볼루션 네트워크 연산 장치 및 방법으로 응용될 수 있다. 컨볼루션 네트워크 연산 장치는 입력 데이터의 입력값들을 기초로 입력 신호들을 생성하여 복수의 드레인 전극 라인(또는 복수의 소스 전극 라인)에 인가하고, 컨볼루션 필터의 필터값들을 기초로 가중치 제어 신호들을 결정하여 복수의 게이트 전극 라인에 인가할 수 있다.As described above, the diagonal memtransistor system 10 according to an embodiment of the present invention can be applied as a convolutional network calculation apparatus and method for performing convolutional network calculation. The convolution network operation device generates input signals based on input values of input data, applies them to a plurality of drain electrode lines (or a plurality of source electrode lines), and determines weight control signals based on filter values of a convolution filter. and applied to a plurality of gate electrode lines.

컨볼루션 네트워크 연산 장치는 복수의 소스 전극 라인(또는 복수의 드레인 전극 라인)으로 출력되는 출력 신호들을 기초로 컨볼루션 연산 결과를 산출할 수 있다. 이때, 컨볼루션 네트워크 연산 장치는 입력 데이터의 크기 및 컨볼루션 필터의 크기를 기초로 출력 신호들 중 컨볼루션 필터의 슬라이딩에 따른 컨볼루션 연산값들과 관련된 특징 신호들을 추출하고, 특징 신호들을 풀링하여 컨볼루션 특징 맵을 생성할 수 있다.The convolution network calculator may calculate a convolution operation result based on output signals output to a plurality of source electrode lines (or a plurality of drain electrode lines). At this time, the convolution network calculation device extracts feature signals related to convolution calculation values according to the sliding of the convolution filter among the output signals based on the size of the input data and the size of the convolution filter, pools the feature signals, and Convolutional feature maps can be created.

도 7에 도시된 실시예의 경우, 첫번째 내지 여섯번째 소스 전극 라인 중, 첫번째, 두번째, 다섯번째 및 여섯번째 소스 전극 라인의 출력 신호들이 특징 신호들로 추출되고, 해당 특징 신호들을 풀링하여 컨볼루션 특징 맵을 생성하게 된다. 입력 데이터의 행과 열 순으로 순차로 순번을 부여할 경우, 출력 신호들 중에서 추출되는 특징 신호들의 순번은 예를 들어, Nk+1, Nk+2, …, Nk+N-M+1 (k는 0, 1, …, N-M) (N: 입력 데이터의 크기, M: 컨볼루션 필터의 크기) 일 수 있다. 이 경우, N2 개의 출력 신호들 중에서, (N-M+1)2 개의 특징 신호들이 추출될 수 있다. 도 7의 경우, N = 4, M = 3 이므로, 1, 2번째 순번(k = 0 인 경우)과, 5, 6번째 순번(k = 1 인 경우)에 해당하는 4개(22개)의 특징 신호들(A, B, C, D)이 소스 전극들을 통해 출력된다.In the case of the embodiment shown in FIG. 7 , output signals of the first, second, fifth, and sixth source electrode lines among the first to sixth source electrode lines are extracted as feature signals, and the feature signals are pooled to obtain convolutional features. will create a map. When sequential numbers are given in the order of rows and columns of the input data, the order of the feature signals extracted from the output signals is, for example, Nk+1, Nk+2, . . . , Nk+N-M+1 (k is 0, 1, ..., N-M) (N: size of input data, M: size of convolution filter). In this case, among the N2 output signals, (N-M+1) 2 feature signals may be extracted. In the case of FIG. 7, since N = 4 and M = 3, 4 (22) corresponding to the 1st and 2nd sequential numbers (in the case of k = 0) and the 5th and 6th sequential numbers (in the case of k = 1) Characteristic signals A, B, C, and D are output through source electrodes.

도 11은 강유전체층에 분극이 일어난 모습을 나타낸 도면이고, 도 12는 대각 멤트랜지스터 소자(11)의 게이트 전압에 따른 드레인-소스 전류 변화 특성을 나타낸 도면이고, 도 13은 대각 멤트랜지스터 소자(11)의 펄스 게이트 전압 인가에 따른 PSC(postsynaptic currents) 변화 특성을 나타낸 도면이다. 도 12의 가로축은 대각 멤트랜지스터 소자(11)의 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압, 세로축은 드레인-소스 간에 흐르는 전류이다. 도 12의 실험에서 드레인-소스 전압은 1V로 일정하게 유지되었다.11 is a diagram showing polarization in a ferroelectric layer, FIG. 12 is a diagram showing drain-source current change characteristics according to gate voltage of the diagonal memtransistor device 11, and FIG. 13 is a diagram showing the diagonal memtransistor device 11 ) is a diagram showing the characteristics of PSC (postsynaptic currents) change according to the application of a pulse gate voltage. 12, the horizontal axis represents the gate voltage applied to the gate electrode of the diagonal memtransistor element 11, and the vertical axis represents the current flowing between drain and source. In the experiment of FIG. 12, the drain-source voltage was kept constant at 1V.

도 13의 가로축은 대각 멤트랜지스터 소자(11)의 게이트 전극에 인가되는 펄스 전압, 세로축은 펄스 전압에 따른 후시냅스 전류(postsynaptic currents)이다. 도 13의 실험은 대각 멤트랜지스터 소자(11)의 게이트 전극에 시냅스 소자의 가중치를 증가시키는 강화 펄스(potentiating pulse)에 해당하는 30V 펄스 전압을 500 ms 주기로 30초 동안 반복적으로 인가한 후, 다시 시냅스 소자의 가중치를 감소시키는 억제 펄스(depressing pulse)에 해당하는 -30V 펄스 전압을 500 ms 주기로 30초 동안 반복적으로 인가하는 방식으로 수행되었으며, 드레인-소스 전압은 1.5 V로 일정하게 유지하였다.13 , the horizontal axis represents the pulse voltage applied to the gate electrode of the diagonal memtransistor device 11, and the vertical axis represents postsynaptic currents according to the pulse voltage. In the experiment of FIG. 13, a 30V pulse voltage corresponding to a potentiating pulse for increasing the weight of a synaptic element is repeatedly applied to the gate electrode of the diagonal memtransistor element 11 at a 500 ms cycle for 30 seconds, and then the synapse again. A -30V pulse voltage corresponding to a depressing pulse for reducing the weight of the device was repeatedly applied for 30 seconds at a cycle of 500 ms, and the drain-source voltage was kept constant at 1.5 V.

도 11 내지 도 13을 참조하면, 게이트 전극(520) 및 게이트 전극 라인(510)에 인가된 전기장은 강유전체층(Ferroelectric layer)에 분극을 일으키고, 이 분극의 방향에 따라 그래핀의 페르미 레벨을 조절할 수 있게 된다.11 to 13, the electric field applied to the gate electrode 520 and the gate electrode line 510 causes polarization in the ferroelectric layer, and the Fermi level of graphene can be adjusted according to the direction of the polarization. be able to

이는 곧 그래핀층과 반도체층 사이의 쇼트키 장벽(Schottky barrier)의 높이 조절과 연결되며, 그에 따라 대각 멤트랜지스터 소자(11)의 컨덕턴스(conductance) 조절이 가능하게 된다.This is directly connected to the adjustment of the height of the Schottky barrier between the graphene layer and the semiconductor layer, and accordingly, the conductance of the diagonal memtransistor element 11 can be adjusted.

도 2, 도 11 내지 도 13을 다시 참조하면, 드레인 전극 라인(210)의 그래핀층과 조절층(400)의 강유전체를 사용하여 쇼트키 장벽을 조절하는 배리스터(barristor) 구조 디바이스로 대각 멤트랜지스터 소자(11)를 수직 구조로 제조하는 경우, 수평형 인공 시냅스 소자에 비해 풋-프린트(foot-print)를 줄일 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 의하면, 대각화 게이트 어레이를 구성하는 웨이트 업데이트 영역과 행렬곱연산 구동 영역을 구분하여, 동시적 학습 용이성을 확보할 수 있다.Referring back to FIGS. 2 and 11 to 13 , a diagonal memtransistor element as a varistor structure device that adjusts the Schottky barrier using the graphene layer of the drain electrode line 210 and the ferroelectric of the control layer 400 When (11) is manufactured in a vertical structure, the footprint can be reduced compared to a horizontal artificial synapse device. In particular, according to an embodiment of the present invention, simultaneous learning can be secured by dividing a weight update region and a matrix multiplication operation driving region constituting a diagonal gate array.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 대각 멤트랜지스터 시스템에 의하면, 입력 데이터와 컨볼루션 필터 간의 데이터 슬라이딩 동작이 필요하지 않아 회로를 간소화할 수 있으며, 컨볼루션과 풀링을 동시적으로 연산 처리를 수행할 수 있어 연산량을 종래 기술 대비 1/4 미만으로 줄이고, 연산 속도를 비약적으로 높일 수 있다. 또한, 시냅스 소자의 가중치 동시 학습 효율을 높일 수 있으며, 풀링 처리를 위해 특징 맵을 저장할 필요가 없고 별도의 풀링층을 필요로 하지 않아 데이터 입/출력 및 연산량을 추가로 감소할 수 있다.As described above, according to the diagonal memtransistor system according to the embodiment of the present invention, the data sliding operation between the input data and the convolution filter is not required, so the circuit can be simplified, and convolution and pooling can be performed simultaneously. Therefore, the amount of calculation can be reduced to less than 1/4 compared to the prior art, and the calculation speed can be dramatically increased. In addition, it is possible to increase the efficiency of simultaneous learning of weights of synaptic elements, and it is not necessary to store feature maps for pooling processing and does not require a separate pooling layer, so data input/output and calculation amount can be further reduced.

이상에서 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 위 실시예는 단지 본 발명의 사상을 설명하기 위한 것으로 이에 한정되지 않는다. 통상의 기술자는 전술한 실시예에 다양한 변형이 가해질 수 있음을 이해할 것이다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위의 해석을 통해서만 정해진다.Although the present invention has been described through examples above, the above examples are only for explaining the idea of the present invention and are not limited thereto. Those skilled in the art will understand that various modifications can be made to the above-described embodiments. The scope of the present invention is defined only through the interpretation of the appended claims.

Claims (14)

제1 방향으로 형성되고, 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향을 따라 배열되는 복수개의 소스 전극 라인;a plurality of source electrode lines formed in a first direction and arranged along a second direction different from the first direction; 상기 제2 방향으로 형성되고, 상기 소스 전극 라인과 교차하고, 상기 소스 전극 라인과 교차되는 교차 영역이 상기 소스 전극 라인 상에 적층되며, 상기 제1 방향을 따라 배열되는 복수개의 드레인 전극 라인;a plurality of drain electrode lines formed in the second direction, intersecting the source electrode line, and having an intersection area intersecting the source electrode line stacked on the source electrode line, and arranged along the first direction; 상기 복수개의 소스 전극 라인과 상기 복수개의 드레인 전극 라인 사이의 교차 영역들에 제공되는 반도체층과, 상기 교차 영역에서의 상기 소스 전극 라인과 상기 드레인 전극 라인의 페르미 준위와 컨덕턴스를 조절하기 위한 조절층을 포함하는 복수개의 시냅스 소자; 및A semiconductor layer provided at intersections between the plurality of source electrode lines and the plurality of drain electrode lines, and a control layer for adjusting the Fermi level and conductance of the source electrode line and the drain electrode line in the intersection area A plurality of synaptic elements including; and 상기 제1 방향과 상기 제2 방향의 사이 방향으로 형성되고, 상기 교차 영역에서 상기 소스 전극 라인 및 상기 드레인 전극 라인과 교차하며, 상기 조절층 상에 적층되는 적어도 하나의 게이트 전극 라인을 포함하는, 대각 멤트랜지스터 시스템.At least one gate electrode line formed in a direction between the first direction and the second direction, crossing the source electrode line and the drain electrode line in the crossing area, and stacked on the control layer, Diagonal memtransistor system. 제1항에 있어서,According to claim 1, 상기 게이트 전극 라인은:The gate electrode line is: 상기 복수개의 시냅스 소자들 중 같은 가중치로 동시에 학습시키고자 하는 시냅스 소자들과 교차하도록 구성되는, 대각 멤트랜지스터 시스템.A diagonal memtransistor system configured to cross synaptic elements to be simultaneously trained with the same weight among the plurality of synaptic elements. 제2항에 있어서,According to claim 2, 상기 게이트 전극 라인은 상기 제1 방향과 상기 제2 방향 사이의 대각 방향으로 형성되도록 구성되는, 대각 멤트랜지스터 시스템.Wherein the gate electrode line is configured to be formed in a diagonal direction between the first direction and the second direction. 제1항에 있어서,According to claim 1, 상기 게이트 전극 라인을 따라 배열된 다수의 시냅스 소자에 동시에 같은 가중치를 학습시키기 위하여 가중치 제어 신호를 상기 게이트 전극 라인에 인가하도록 구성되는 게이트 전극을 더 포함하는, 대각 멤트랜지스터 시스템.The diagonal memtransistor system further comprises a gate electrode configured to apply a weight control signal to the gate electrode line in order to simultaneously learn the same weight to a plurality of synaptic elements arranged along the gate electrode line. 제4항에 있어서,According to claim 4, 각 드레인 전극 라인 또는 각 소스 전극 라인에 인가될 입력 신호, 및 각 게이트 전극 라인에 인가될 상기 가중치 제어 신호를 결정하도록 구성되는 제어부를 더 포함하고,Further comprising a control unit configured to determine an input signal to be applied to each drain electrode line or each source electrode line, and the weight control signal to be applied to each gate electrode line, 상기 제어부는:The control unit: 입력 데이터를 컨볼루션 처리하기 위한 컨볼루션 필터의 필터값들을 기초로 상기 가중치 제어 신호를 결정하고;determining the weight control signal based on filter values of a convolution filter for performing convolution on input data; 상기 입력 데이터의 입력값들을 기초로 상기 입력 신호를 생성하도록 구성되는, 대각 멤트랜지스터 시스템. The diagonal memtransistor system configured to generate the input signal based on input values of the input data. 제1항에 있어서,According to claim 1, 상기 드레인 전극 라인은 상기 교차 영역에서 상기 반도체층 상에 형성되는 그래핀층을 포함하는, 대각 멤트랜지스터 시스템.The diagonal memtransistor system of claim 1 , wherein the drain electrode line includes a graphene layer formed on the semiconductor layer in the crossing region. 제6항에 있어서,According to claim 6, 상기 조절층은 상기 게이트 전극 라인을 통해 인가되는 전압에 따라 상기 그래핀층의 페르미 준위를 조절하고, 상기 교차 영역에서의 소스 전극 라인과 드레인 전극 라인의 컨덕턴스를 조절하도록 구성되는, 대각 멤트랜지스터 시스템.The adjustment layer is configured to adjust the Fermi level of the graphene layer according to the voltage applied through the gate electrode line, and to adjust the conductance of the source electrode line and the drain electrode line in the crossing region, diagonal memtransistor system. 제7항에 있어서,According to claim 7, 상기 조절층은:The control layer is: 상기 반도체층과 교차하는 상기 드레인 전극 라인 상에 적층되도록 구성되거나;configured to be stacked on the drain electrode line intersecting the semiconductor layer; 상기 반도체층과 교차하는 상기 드레인 전극의 상면과 상기 반도체층의 측면을 감싸도록 구성되는, 대각 멤트랜지스터 시스템.A diagonal memtransistor system configured to surround a top surface of the drain electrode crossing the semiconductor layer and a side surface of the semiconductor layer. 제1항에 있어서,According to claim 1, 상기 반도체층은 ZnO, NiO, SnO, IGZO, SiOx, TiOx 및 WOx 중 적어도 어느 하나를 포함하도록 구성되는, 대각 멤트랜지스터 시스템.Wherein the semiconductor layer is configured to include at least one of ZnO, NiO, SnO, IGZO, SiOx, TiOx, and WOx. 제1항에 있어서,According to claim 1, 상기 조절층은:The control layer is: PVDF-TrFE 및 PVDF 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유기 강유전체; 또는an organic ferroelectric including at least one of PVDF-TrFE and PVDF; or HZO 및 PZT 중 적어도 어느 하나를 포함하는 무기 강유전체를 포함하도록 구성되는, 대각 멤트렌지스터 시스템.A diagonal memtransistor system configured to include an inorganic ferroelectric including at least one of HZO and PZT. 입력 데이터를 컨볼루션 필터를 이용하여 컨볼루션 처리하기 위한 컨볼루션 네트워크 연산 장치에 있어서,In the convolution network calculation device for convolution processing input data using a convolution filter, 제1항에 기재된 대각 멤트랜지스터 시스템을 포함하고,Including the diagonal memtransistor system according to claim 1, 상기 대각 멤트랜지스터 시스템은:The diagonal memtransistor system: 상기 입력 데이터의 입력값들을 기초로 입력 신호들을 생성하고;generating input signals based on input values of the input data; 상기 컨볼루션 필터의 필터값들을 기초로 가중치 제어 신호들을 결정하고;determining weight control signals based on filter values of the convolution filter; 상기 입력 신호들을 상기 복수의 드레인 전극 라인 또는 상기 복수의 소스 전극 라인에 인가하고;applying the input signals to the plurality of drain electrode lines or the plurality of source electrode lines; 상기 가중치 제어 신호들을 상기 복수의 게이트 전극 라인에 인가하고;applying the weight control signals to the plurality of gate electrode lines; 상기 복수의 소스 전극 라인 또는 상기 복수의 드레인 전극 라인으로 출력되는 출력 신호들을 기초로 컨볼루션 연산 결과를 산출하도록 구성되는, 컨볼루션 네트워크 연산 장치.Convolution network calculation device configured to calculate a convolution operation result based on output signals output to the plurality of source electrode lines or the plurality of drain electrode lines. 제11항에 있어서,According to claim 11, 상기 대각 멤트랜지스터 시스템은:The diagonal memtransistor system: 상기 입력 데이터의 크기 및 상기 컨볼루션 필터의 크기를 기초로 상기 출력 신호들 중 상기 컨볼루션 필터의 슬라이딩에 따른 컨볼루션 연산값들과 관련된 특징 신호들을 추출하고, 상기 특징 신호들을 풀링하여 컨볼루션 특징 맵을 생성하도록 구성되는, 컨볼루션 네트워크 연산 장치.Based on the size of the input data and the size of the convolution filter, feature signals related to convolution operation values according to the sliding of the convolution filter are extracted from among the output signals, and the feature signals are pooled to obtain a convolution feature. A convolutional network computing unit, configured to generate a map. 입력 데이터를 컨볼루션 필터를 이용하여 컨볼루션 처리하는 컨볼루션 네트워크 연산 방법에 있어서,In the convolution network operation method of convolution processing input data using a convolution filter, 제1항에 기재된 대각 멤트랜지스터 시스템에 의해 상기 컨볼루션 처리를 수행하는 단계를 포함하고,performing the convolution process by the diagonal memtransistor system according to claim 1; 상기 컨볼루션 처리를 수행하는 단계는:The step of performing the convolution process is: 상기 입력 데이터의 입력값들을 기초로 입력 신호들을 생성하는 단계;generating input signals based on input values of the input data; 상기 컨볼루션 필터의 필터값들을 기초로 가중치 제어 신호들을 결정하는 단계;determining weight control signals based on filter values of the convolution filter; 상기 입력 신호들을 상기 복수의 드레인 전극 라인 또는 상기 복수의 소스 전극 라인에 인가하는 단계;applying the input signals to the plurality of drain electrode lines or the plurality of source electrode lines; 상기 가중치 제어 신호들을 상기 복수의 게이트 전극 라인에 인가하는 단계; 및applying the weight control signals to the plurality of gate electrode lines; and 상기 복수의 소스 전극 라인 또는 상기 복수의 드레인 전극 라인으로 출력되는 출력 신호들을 기초로 컨볼루션 연산 결과를 산출하는 단계를 포함하는, 컨볼루션 네트워크 연산 방법.And calculating a convolution operation result based on output signals output to the plurality of source electrode lines or the plurality of drain electrode lines. 제13항에 있어서,According to claim 13, 상기 대각 멤트랜지스터 시스템에 의해, 상기 입력 데이터의 크기 및 상기 컨볼루션 필터의 크기를 기초로 상기 출력 신호들 중 상기 컨볼루션 필터의 슬라이딩에 따른 컨볼루션 연산값들과 관련된 특징 신호들을 추출하는 단계; 및extracting, by the diagonal memtransistor system, feature signals related to convolution operation values according to the sliding of the convolution filter among the output signals based on the size of the input data and the size of the convolution filter; and 상기 대각 멤트랜지스터 시스템에 의해, 상기 입력 데이터의 크기 및 상기 컨볼루션 필터의 크기를 기초로 추출된 상기 특징 신호들을 풀링하여 컨볼루션 특징 맵을 생성하는 단계를 더 포함하는, 컨볼루션 네트워크 연산 방법.Further comprising generating a convolution feature map by pooling the feature signals extracted based on the size of the input data and the size of the convolution filter by the diagonal memtransistor system.
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