IT8968006A1 - Rete neurale con capacita' di apprendimento per il trattamento di informazioni, e procedimento per il trattamento di informazioni con l'impiego di tale rete. - Google Patents

Rete neurale con capacita' di apprendimento per il trattamento di informazioni, e procedimento per il trattamento di informazioni con l'impiego di tale rete. Download PDF

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Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Rete neurale con capacit? di apprendimento per il trattamento it informazioni, e procedimento per il trattamento di informazioni con l'impiego d?. tale rete"
RIASSUNTO
La rote neurale comprende una pluralit? di circuiti sirapiici.a cui ? associata una matrice includente
una pluralit? di elettrodi di riga,
una pluralit? di elettrodi di colonna, ed
una plorai t? di regioni ordinate di connessione fra elettro di riga ed elettrodi d.i colonna.
Almeno una parta di dette regioni di connessione comprende un materiale elettrocromico. (Figura 4)
TESTO DELLA DESCRIZIONE
Campo del1'invenzione '
La pre sente invenzione riguarda una rete neurale per il trattamento di informazioni, ed un procedimento di. trattamento di Informazioni nel quale si prevede l'impiego di tale rete neutrale. Stato della tecnica anteriore
In epoca recente vi ? stato un notevole aumento di interesse per le reti neurali, basate su modelli neuronici .
Molti fattori hanno contribuito a cibi i neurohiologi hanno cominciato a comprendere meglio i meccanismi dell'elaborazione biologica, la disponibilit? di potenza di calcola a bassi costi ha permesso analisi particolareggiate dei. modelli circuitali dei sistemi biologici, ed infine ? aumentato l'interesse per l'elaborazione parallela e per la.VLSI (integrazione a grandissima scala) analogica, che a loro volta si prestano all'attuazione di circuiti di tipo neuronico.. Questi sviluppi sono stati accompagnati dalla formulazione di nuovi modelli neuronici.
Secondo il modello di J.J.Hopfield (si veda Proceedi-ngs of th? National Academy of Science U.S.A., Voi.79, pag.2534, 1982) un neurone pub essere simulato come un elemento sommatore dotato di una funzione di trasferimento non-lineare, i cui ingressi sono ''pesati" con coefficienti caratteristici della rete.
In una realizzazione circuitale nota (si. veda C.Mead- "Analog VLSI and Neural Systems?, Addison-Wesjey. 1989), i suddetti coefficienti di peso caratteristi ci della rete possano essere d (finiti at|raversa valori di transconduttanza di MOS, i quali valori a loro volta possono essere definiti mediante i valori di resistenza li resistor!. Una rete neuronica risulta cos? definiLa una volta che siano stati definiti 1 valori dei' co fficienti di peso assegnati ai suoi ingressi. P contro una rete neuronica per una nuova e diversa funzione deve essere costruita ex-novo con transistori aventi transconduttanze corrispondentemente diverse.
Una rete neurale adattabile alla realizzazione di funzioni diverse ? descritta nel brevetto USA 4,760.437. Tale rete neuronica nota comprende una matrice includente una pluralit? di elettrodi di riga, una pluralit? di elettrodi di colonna ed una pluralit? di regioni ordinate di intersezione fra elettrodi di riga ed elettrodi di colonna. A ciascuna tali regioni di intersezione ? associato un elemento di materiale fotoconduttore, la cui re istenza elettrica viene determinata attraverso l'intensit? di una radiazione luminosa che viene fatta incidere su tale elemento. La resistenza cos? determinata di tale elemento corrisponde al valore di un coefficiente di peso associato alla locazione della matrice cui tale elemento appartiene.
Ad una matrice neuronica di tale tipo- viene quindi associata una maschera, quale -una lastra fotografica, con zone a trasparenza diversa in funzione dei-coefficienti di peso da assegnare alle varie locazioni della matrice. La matrice viene quindi illuminata con una sorgente di luce uniforme, attraverso detta maschera, e la matrice risulta in tal modo "specializzata" per la realizzazione della funzione desiderata.
Con una rete neurale del tipo secondo il sopracitato brevetto statunitense la .modifica della funzione realizzata dalla rete richiede che venga sostituita la maschera attraverso la quale vengono definite le resistenze elettriche degli' elementi fotosensibili della matrice. Tale tipo di operazione non ? evide?ntemente realizzabile in modo continuo nel corso dell'elaborazione. In altri termini, la rete neurale secondo il brevetto USA 4,760,437 non ha la cosiddetta "capacit? di apprendimento".
cio? la possibilit? di consentire l'alterazione ovvero l'aggiornamento "on line" i pesi associati ad almeno alcune locazioni della matrice.
Definizione dell'invenzione
La presente invenzione ha lo scopo di realizzare una rete neuronica del tipo anzidetto, realizzata in modo tale che essa sia dotata di capacit? di apprendimento.
Tale scopo' viene realizzata - secondo l'invenzione mediante una rete neurale per il trattamento di informazioni comprendente dispositivi elettronici attivi,a cui ? associata una matrice includente una pluralit? di elettrodi di riga, una pluralit? di elettrodi di colonna ed una pluralit? di regioni ordinate di connessione fra elettrodi, di riga ed elettrodi di colonna, detta rete neurale essendo caratterizzata dal fatto che almeno una parte di dette regioni di connessione della matrice comprende un materiale elettrocromico.
I materiali elettrocromici sono materiali che possono essere- colorati in modo reversibile per effetto del passaggio di una carica elettrica. L'elettrocromismo ? un fenomeno per cui in taluni materiali per effetto di un processo elettrochimico reversibile ? possibile indurre variazioni di colare. Pi? precisamente. l'elettrocromismo pub essere definito come un- cambiamento . ottico persistente), ma reversibile* indotto per via elettrochimica.
materiali elettrocromici si prestano dunque a realizzare elementi la cui trasparenza pub essere modificata reversibilmente, per effetto del passaggio di impulsi di corrente attraverso tali elementi, in un senso o nell'altro a seconda che occorra incrementarne o ridurne la trasparenza. Tale propriet? dei materiali elettrocromici consente, come apparir? pi? chiaramente nel seguito, dii realizzare reti neurali con capacit? di apprendemento .
L 'invenzione riguarda in?ltre un procedimento oer il trattamento di informazioni, .nel quale si prevede l'impiego di una rete neurale del tipo sopra definito.
Breve descrizione dei, disegni
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell 'invenzio ne appariranno dalla descrizione dettagliat che segue, effettuata con riferimento ai disegn allegati, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, nei quali
la fiour 1 ? uno schema che illustra la struttura di una matrice secondo l'invenzione per una rete neurale
la figura 2 mostra la struttura circuitale di una regione ii connessione fra elettrodi di riga ed elettrodi di colonna della matrice secondo la figura 1.
la figura 3 ? uno schema circuitale esempiificativa di una sinapsi associata ad una regione di connessione fra elettrodi di riga ed elettrodi di colonna della matricela figura 4 ? una vista in prospettiva di una porzione della suddetta matrice, e la figu a 5 ? una figura parziale. sezionata secondo la linea V-V della figura 4
Descrizione dettagliata dell'invenzione
Con riferimento ai disegni una rete neurale per il trattamento di informazioni secondo l'invenzione comprende un substrato di sopporto 1 di materiali almeno parzialmente trasparente. ad esempio vetro.
Su una ?accia di tale substrato ? realizzata una struttura a matrice, complessivamente indicata con 2 nella figura 1.
Come apparir? pi? chiaramente dal seguito, la rete neurale comprende inoltre dispositivi elettronici :attivi interagenti con la matrice 2, convenientemente realizzati sull'altra faccia del substrato di sopporto 1.
Nella realizzazione esemplificativa a cui si riferisce la figura 1. la struttura a matrice 2 comprende u?a pluralit? di elettrodi di riga (i = 1,2 n) ed una pluralit? di coppie di elettrodi di colonna uguale o diversa da n; k = 1.2).
La matrice 2 della figura 1 presenta inoltre una pluralit? di regioni ordinate di connessione , ciascuna delle quali interconnette una coppia di elettrodi di. colonna con un elettrodo di riga.
Nella figura 2 ? mostrato lo schema circuitale simbolico della generica regione di. connessione Aij: fra gli elettrodi di colonna sono disposti due diodi in serie indicati con e D2.
In una
depositato un elemento di materiale elettrocromico , indicato con ECM, ad esempio costituito da ossido di tungsteno WD3. Tale elemento ? provvisto di due elettrodi .E1, il primo dei ua.li ? collegato all'anodo di e al catodo di D2, mentre il secondo ? collegato all 'elettrodo di riga
La disposizione dei diodi e D2 ? tale da consentire il flusso di una corrente elettrica attraverso ECM in un senso, oppure nel senso contraria. Cos? se gli elettrodi di colonna
vengano co ..legati al polo positivo di una sorgente di tension? continua, mentre l'elettrodo di riga viene ciliegeto al polo negativo (o alla massa) una corrente fluisce attraverso ECM e l'elettrodi di riga R1.
Se invece detti elettrodi di colonna vengono collegati al. polo negativo della sorgente e l'elettrodo di riga Ri viene collegato al polo positivo, lina corrente fluir? attraverso Ri, ECM,
Attraversando ECM in senso inversa al precedente
Per }e note propriet? dei materiali elettrocromici (si veda in proposito ad esempio l'articolo "Electrochromism and Electrochromic Devices", di B.Scrasati, Chimicaoggi, giugno 1989, pp.41-45) un impulso di corrente attraverso ECM nell'uno o nell'altro senso ha per effetto di incrementare ovvero ridurre (in modo persistente. ma reversibile) la trasparenza di detto elemento di materiale elettrocromico.
Sull'altra faccia dal substrato di sopporto 1 in ragioni Bij (figura 3) disposte in posizioni corrispondenti alle regioni Ai j d? connessione della matrice 2 sono realizzati circuiti sinaptici, ad esempio secondo lo schema illustrato nella figura 3. Tale schema prevede un amplificatore differenziale analogico comprendente in modo per s? noto una coppia di transistori KOS di tipo p. indicati con M1 e M2, ed una coppia di transistori. KOS di tipo n. Indicati con M3 e M4. I "drain" di e sono destinati ad essere collegati al terminale positivo d? una sorgente di tensione continua-. Detti transistori hanno i rispettivi "gate" collegati fra loro, e al "drain" di M3.
I "source" diM1 e M2 sono connessi ai<" >"drain" di e, rispettivamente, di K4. I. "source".di M3 e K4. sono collocati al "drain" di un fototransistore KOS indicato con FK, il quale viene convenientemente realizzato in- una areola bi j affacciata (attraverso il substrato di sopporto 1) all'areola ai j in cui ? realizzato l'elemento di materiale elettrocromico ECK. La disposizione ? tale per cui FK ? suscettibile di essere Investito da una radiazione .luminosa unicamente attraverso ECK ed il substrato 'di sopporto 1. Ne risulta che nel funzionamen o l'intensit? della radiazione luminosa incidente su FM dipende dalla trasparenza dell 'associito EGM, la quale pub peraltro- essere modificata, ed in particolare ridotta od incrementata, facendo fluire attraverso ECM impulsi di corrente nell'uno oppure nell'altro senso, come si ? destritto in precedenza.
Il coefficiente di peso che viene associato a FM risulta dunque modificabile "on line", per cui la rete neurale nel suo complesso risulta dotata di capacit? di apprendimento.
Nelle figure 4 e 5 ? mostrata un'illustrazione qualitative di un modo di realizzazione della singola cella o regione di connessione Aij della matrice E.
Gli elettrodi di colonna sono convenientemente costituiti da metallo, ad esempio oro od alluminio. tungsteno, molibdeno, niobio, nichel (od altri ancora) o loro leghe. Sopra tali elettrodi di colonna. previa interposizione di strati di materiale solante indicati con F, costituiti ad esempio da SiO2. viene depositato un elettrodo di riga Ri , un sol pezzo con il quale viene integralment realizzato anche l'elettrodo E2 dell 'element di materiale elettrocromico ECM.
L'elett 'odo E1, dell'elemento ECM ? realizzato in due parti:
una prima parte., indicata con E'1 ? realizzata con un composto includente un elettrolita polimerico allo stato solido, quale un poli(etilen-ossido). ed un sale di un metallo alcalino, ad esempio LiClO4 oppure LiCF3S03; e
una se conda parte, indicata con e costituita da un metallo alcalinor quale il litio o il sodio.
Sempre con riferimento alla figura 4- i diodi D1 e D2 senio realizzati mediante due giunzioni p-n. ad esempio in silicio
Come appare dalla figura 5, sulla faccia inferiore del topporto trasparente 1 in corrispondenza deli 'elemento di materiale elettrocromico ECM ? reaiizzato il fototransistore FU dell'associato circuito sinaptico. Tale fototransistore ?. realizzato in modo per s? noto mediante la deposizione di uno strato di silicio amorfo 100. opportunamente drogato per realizzare le regioni di drain, source e gate. I terminali di gate, drain e source sono stati indicati con 101, 102 e 103 nella figura 5.
Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione e i particolari di realizzazione: potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto ? stato descritta ed illustrato a puro titolo di esemplo non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione .
Nella descrizione che precede, riferita ai disegni allegati, ? stata illustrata una realizzazioni in cui la matrice 2 comprende una pluralit? di coppie di elettrodi di colonna. Tale realizzazi come si ? visto, consente di incrementare e ridurre selettivamente la trasparenza dei singoli elementi di. materiale elettrocromico, per conferire alla rete neurale capacit? di apprendimento.
Per applicazioni nelle quali si prevedesse una necessit? bd opportunit? di capacit? di apprendimenti da parte della rete neurale tale per cui nel funzionamento occorra modificare la trasparenza legli elementi EGM sempre nello Stesso senso, cio? sempre nel senso di incrementarne oppure sempre soltanto nel senso di ridurne la trasparenza la matrice potrebbe essere realizzata con singoli elettrodi di colonna, e senza necessit? di ricorrere ad elementi a conduzione monodirezionale
Infine- ? ovvio che la definizione di righe e colonne nella descrizione che precede ? puramente convenzionale, e non presuppone n? il parallelismo fra gli elettrodi di riga o fra gli elettrodi di colonna, e non implica necessariamente che gli elettrodi di colonna siano ortogonali a quelli di riga.

Claims (1)

  1. RIVENDICAZIONI
    1. Rete neurale per il trattamento di informazioni, comprendente dispositivi elettronici attivi a cui ? associata una matrice (2) includente una pluralit? di elettrodi di riga (R1), una pluralit? di elettrodi di colonna (Cj) ed una pluralit? di. regioni, di connessione (Aij) fra elettrodi di riga (R1) ed elettrodi di colonna (Cj); caratterizzata dal fatto che almeno una parte di dette regioni di. connessione (Aij) della matrice (3) comprende un materiale elettrocromico (ECM).
    3. Rete neurale secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che ciascuna di dette regioni,di connessione Aij ) collega fra loro un elettrodo di colonna (Aij) con un elettrodo di. riga
    (R1)
    3. Rete neurale secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta matrice (2) comprende urna pluralit? di coppie di. elettrodi di colonna
    e che dette regioni di -connessione (Aij) sono disposte ciascuna fra una dl dette coppie ettrodi di colonna
    uno di detti elettrodi di riga (Ri)
    4, Rete neutrale secondo la rivendicazione 3r caratterizz dal fatto che ciascuna regione di connessione,(Aij) della matrice (2) comprende un elemento-di materiale elettrocromiero (ECM) disposto fra un primo elettrodo (E1) collegato a ciascuno degli elet rodi di colonna di una coppia di elettradi di cjolonna
    tramite un primo e rispettivamente un seconda elemento a conduzione unidirazionale (D 1 D2), e un secIondo elettrodo (E2) .collegato ad un elettrodo di riga (Ri)? detti elementi a conduzione unidirazionale (D1, D2) essendt atti a consentire il flusso di una corrente i detto elemento di materiale elettrocromico ECM selettivamente dal primo (E1) verso il secondo elettrodo (E2) oppure dal secondo (E2) al primo elettrodo (E1) di detto elemento di materiale elettrocromico.
    5. Rete neul-ale seconda una delle rivendicazioni precedenti , caratterizzata dal fatto che ciascun elemento di materiale eie?,tracromico -(ECM) comprende uno strato di un ossido metallico, e che il primo elettrodo dell'elemento di materiale elettrocromico (ECM ) comprende
    una prima porzione (E'1) disposta a contatto con detta etrato d? ossido metallica e comprendente un complessa includente un elettrolita polimerico allo stato solido ed un sale di un metallo alcalino, ec
    una seconda porzione (E''1) collegata agli elettrodi di colonna ed includente un metallo alcalino,
    6. Rete ncurale secondo la rivendicazione 5, caratterizzata dal fatto che ciascun elemento di materiale e ettrocromico (ECM) comprende uno strato di WO3.
    7. Rete nfcurale secondo la rivendicazione 5, caratterizzata dal fatto che la suddetta prima porzione (E'1) di detto primo elettrodo- (E1 ) dell'elemento di materiale elettrocromico (ECM) comprende u complesso di poli(etilen-ossido) e un sale di litlo.
    8. Rete reurale secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che detta seconda porzione (E''1 ) del primo elettrodo (E1) dell'elemento di materiale elettrocromico (ECM) ? .costituita di litio.
    9. Rete neurale secondo le rivendicazioni 7 ed 8, caratterizzata dal fatto che il suddetto sale di un metallo alcalino ? LiClO4 oppure.LiCF3SO3.
    10. Rete neur.?le secondo una delle rivendicazioni 3 e seguenti, caratterizzata dal fatto che ciascuno di detti elementi a conduzione unidirezionale D2) comprende una giunzione p-n a semiconduttore. 11. Rete neurale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detta matrice (E) ? realizzata su una faccia di un sopporto (1) almeno parzialmente trasparente. 12. Rete neurale secondo la rivendicazione 11. caratterizzata dal fatto che detto sopporto (1) .? di vetro.
    13. Rete neurale secondo una delle rivendicazioni precedenti, includente dispositivi elettronici attivi (FM,M1 e M4 interagenti con detta matrice (E), caratterizzata dal fatto che detti dispositivi elettronici attivi comprendono una pluralit? di fototransistori (FM) almeno alcuni, dei quali sono associati ognuno ad una di dette regioni di connessione ( in modo tale Aij) della matrice (E) , per cui ogni fototransistore (FM) ? suscettibile di ricevere una radiazione luminosa.attraverso il materiale lettrocromico (ECM) della associata regione di connessione (Aij)didetta matrice (E).
    14. Rete neurale secondo la rivendicazione 13, caratterizzata dal fatto che ciascun fototransistore (FM) as ociato ad una regione di connessione (Aij ) della matrice (E) ? realizzato su una prima faccia di .m sopporto planare CD di materiale almeno parz almente trasparente, e l'elemento di materiale elettrocromico (ECM) dell'associata regione di :onnessione (A..) della matrice (E) 4 realizzata Sull'altra faccia,di detto sopporta (1).
    15, Rete neurale secondo la rivendicazione 13 o 14, caratterizzata dal fatto che detti foto-transistori (FM) sono d tipo MOSFET
    16. Procedi per il trattamento di informazion , comprendente le operazioni di introdurre dette informazioni in una rete neurale comprendente una matrice (E) includente una pluralit? d elettrodi di riga (Ri ), una pluralit? di elettrod di colonna (Cj ) ed una pluralit? di regioni ord nate di connessione (Aij) elettrodi di riga (Ri ed elettrodi di colonna (Cj)
    caratterizzato dal fatto che almeno una parte di dette regioni-di connessione (Aij) comprende un materiale elettrocromico (ECM) e. che .detto trattamento rielle informazioni viene influenzato facendo ineidere una radiazione luminosa sulla porzione di materiale elettrocromico (ECM) di almeno una di dette regioni di. connessione di detta matrice (2).
    17. Procediminto secondo la rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che detto trattamento delle infornazioni. viene influenzato facendo passare una corrente elettrica .in almeno una direzione att,raverso detta porzione di materiale elettrocromico (ECM).
    Il tutto sostanzialmente come descritto ed illustrato, e per gli scopi specificati.
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