移动方向的检测电路、检测装置以及检测系统

本公开涉及神经形态神经网络领域，特别涉及一种移动方向的检测电路、检测装置以及检测系统。

背景技术：

1、神经系统被认为是神经元细胞通过突触相互连接的集合体。从这个角度看，细胞不是孤立的个体，而是在错综复杂的细胞元件互连网络中进行无数代谢和信号传递过程的复杂平台。在生物放大的计算过程中，神经处理元件(npc)，如突触、树突、体和轴突，起着支持、连接和传播信号等关键作用。

2、生物树突是一种非线性处理器，可计算进入其分支的局部输入信息。然而，大多数传统的人工神经网络(ann)都将树突(或轴突)作为线性连接器，将加权突触输入连接到体细胞，没有适当地将这种非线性计算纳入树突状设备，因此人工神经网络中常用的基于细胞的范例可能无法实现神经处理元件的理想功能。

3、例如，在进行移动方向检测时，无法通过树突器件直接产生对于移动方向的响应，仍需要cpu或gpu来计算移动方向，需要一定的功耗来运行人工神经网络，而人工神经网络通常具有全节点到全节点的连接，这会显著增加系统的功耗。目前，基于卷积神经网络(cnn)的运动检测系统，由于涉及学习大量参数的深层处理过程，gpu计算的功耗约为10-100w。在fpga芯片上使用基于事件的传感器数据的脉冲神经网络(snn)，运行功耗也在10-100mw的量级。在运行大量计算时，会对系统造成较大的负担。

技术实现思路

1、相关技术中，在进行移动方向检测时，需要一定的功耗来运行人工神经网络，导致系统功耗较高。

2、鉴于此，本公开提供了一种移动方向的检测电路，能够在没有额外的处理器的情况下判断输入信号的方向。

3、根据本公开的一些实施例，提供一种移动方向的检测电路，包括：

4、第一神经形态器件，包括第一突触单元、第一树突单元、第一胞体单元，所述第一突触单元用于接收来自感测物体的移动的传感器的感测信号，包括兴奋突触和沉默突触，所述沉默突触仅在所述兴奋突触的输入信号强度大于激活阈值时才激活，所述第一树突单元用于整合来自所述第一突触单元的输入，包括至少一个树突分支，每个树突分支上的第一位置连接沉默突触、第二位置连接兴奋突触，所述第一位置比所述第二位置更靠近所述第一胞体单元，所述第一胞体单元用于处理所述第一树突单元的输出，以产生第一输出信号，所述第一输出信号包括兴奋输出和抑制输出；

5、第二神经形态器件，包括第二突触单元和第二树突单元，所述第二突触单元用于接收来自所述传感器的感测信号，包括多个兴奋突触，所述第二树突单元包括至少一个树突分支，每个树突分支上的不同位置一一连接所述多个兴奋突触中的每一个，所述第二树突单元用于整合来自所述第二突触单元的输入，以产生第二输出信号；

6、第三神经形态器件，包括第三突触单元、第三树突单元、第三胞体单元，所述第三突触单元包括抑制突触和兴奋突触，所述抑制突触用于接收所述抑制输出，所述兴奋突触用于接收所述第二输出信号，所述第三树突单元用于整合来自所述第三突触单元的输入，包括至少一个树突分支，每个树突分支上的第一位置连接抑制突触、第二位置连接兴奋突触，所述第一位置比所述第二位置更靠近所述第三胞体单元，所述第三胞体单元用于处理所述第三树突单元的输出，以产生第三输出信号。

7、在一些实施例中，所述检测电路中：

8、所述第一神经形态器件还包括第一轴突单元，所述第一轴突单元用于将所述第一胞体单元的输出转换为第一电压脉冲，作为所述第一输出信号，所述第一输出信号中的兴奋输出用于指示所述物体沿第一方向移动；

9、所述第二神经形态器件还包括第二胞体单元和第二轴突单元，所述第二胞体单元用于处理所述第二树突单元的输出，所述第二轴突单元用于将所述第二胞体单元的输出转换为第二电压脉冲，作为所述第二输出信号；

10、所述第三神经形态器件还包括第一轴突单元，所述第三轴突单元用于将所述第三胞体单元的输出转换为第一电压脉冲，作为所述第三输出信号，用于指示所述物体沿与所述第一方向相反的方向移动。

11、在一些实施例中，所述第一神经形态器件包括：

12、第一神经形态晶体管，包括第一栅极、电阻开关和第一源极，其中，所述第一栅极对应所述第一突触单元，包括第一类型栅极和第二类型栅极，所述第一类型栅极对应所述兴奋突触，所述第二类型栅极比所述第一类型栅极更靠近所述第一源极，所述电阻开关仅在所述兴奋突触的输入信号强度大于所述激活阈值时导通，所述电阻开关与所述第二类型栅极电连接且整体对应所述沉默突触；

13、第一脉冲发生器，被配置为将所述第一源极输出的电流转换为所述第一电压脉冲；

14、第一电流开关，与所述第一脉冲发生器电连接，被配置为在所述第一神经形态晶体管的输出电流超过第一电流阈值时导通，

15、其中，所述第一脉冲发生器和所述第一电流开关整体对应所述第一轴突单元。

16、在一些实施例中，所述第一神经形态晶体管还包括：

17、第一源区和第一漏区、对应的第一源极和第一漏极、位于所述第一源区和第一漏区之间的第一沟道区，整体对应所述第一胞体单元；

18、离子掺杂的第一介质层，覆盖所述第一沟道区、沿所述第一沟道区的长度方向沿伸，与所述第一类型栅极接触，对应所述第一树突单元，

19、其中，所述电阻开关位于所述第二类型栅极与所述第一介质层之间，为三端电阻开关，包括第一端、第二端和第三端，所述第一端与所述第二类型栅极连接，所述第二端与所述第一介质层连接，所述第三端与所述第一沟道区和所述第一介质层之间的界面连接。

20、在一些实施例中，所述第二神经形态器件包括：

21、第二神经形态晶体管，包括第二栅极和第二源极，其中，所述第二栅极对应所述第二突触单元，包括多个第一类型栅极，不包括第二类型栅极；

22、第二脉冲发生器，被配置为将所述第二源极输出的电流转换为所述第二电压脉冲；

23、第二电流开关，与所述第二脉冲发生器电连接，被配置为在所述第二神经形态晶体管的输出电流超过第二电流阈值时导通，

24、其中，所述第二脉冲发生器和所述第二电流开关整体对应所述第二轴突单元。

25、在一些实施例中，所述第二神经形态晶体管还包括：

26、第二源区和第二漏区、对应的第二源极和第二漏极、位于所述第二源区和第二漏区之间的第二沟道区，整体对应所述第二胞体单元；

27、离子掺杂的第二介质层，覆盖所述第二沟道区、沿所述第二沟道区的长度方向沿伸，与所述第二栅极接触，对应所述第二树突单元。

28、在一些实施例中，所述第三神经形态器件包括：

29、第三神经形态晶体管，包括第三栅极和第三源极，其中，所述第三栅极对应所述第三突触单元，包括多个第一类型栅极，不包括第二类型栅极，所述多个第一类型栅极包括与所述第一源极连接的第一子栅极、与所述第二源极连接的第二子栅极，所述第一子栅极比所述第二子栅极更靠近所述第三源极，所述第一子栅极对应所述抑制突触，所述第二子栅极对应所述第三突触单元的所述兴奋突触；

30、第三脉冲发生器，被配置为将所述第三源极输出的电流转换为所述第三电压脉冲；

31、第三电流开关，与所述第三脉冲发生器电连接，被配置为在所述第三神经形态晶体管的输出电流超过第三电流阈值时导通，

32、其中，所述第三脉冲发生器和所述第三电流开关整体对应所述第三轴突单元。

33、在一些实施例中，检测电路中：

34、所述传感器包括线性排列的多个传感器单元，所述多个传感器单元被配置为随着所述物体的移动依次输出脉冲信号；

35、所述第一突触单元中的突触与所述多个传感器单元一一对应地连接，所述第二突触单元中的突触与所述多个传感器单元一一对应地连接。

36、在一些实施例中，在所述物体沿所述第一方向移动的情况下：

37、所述第一突触单元的所述兴奋突触先接收来自对应传感器单元的第一脉冲信号，激活所述沉默突触，所述沉默突触后接收来自对应传感器单元的第二脉冲信号，所述第一神经形态器件导通；

38、所述第一神经形态器件输出所述第一输出信号，所述抑制输出的存在使得所述第二输出信号无法导通所述第三神经形态器件，所述第三神经形态器件不输出所述第三输出信号。

39、在一些实施例中，在所述物体沿与所述第一方向相反的方向移动的情况下：

40、所述沉默突触先接收来自对应传感器单元的第二脉冲信号；

41、所述第一突触单元的所述兴奋突触后接收来自对应传感器单元的第一脉冲信号，同时，所述沉默突触不再接收所述第二脉冲信号，所述第一神经形态器件不导通；

42、所述第一神经形态器件不输出所述第一输出信号，所述第二输出信号导通所述第三神经形态器件，所述第三神经形态器件输出所述第三输出信号。

43、在一些实施例中，检测电路中：

44、所述激活阈值根据所述电阻开关的材料、所述第一类型栅极和所述第二类型栅极的位置确定。

45、根据本公开的另一些实施例，提供一种移动方向的检测装置，包括：

46、至少一个第一传感器，每个第一传感器包括沿第一直线的方向线性排列的多个传感器单元；

47、至少一个第二传感器，每个第二传感器包括沿第二直线的方向线性排列的多个传感器单元，所述第二直线的方向与所述第一直线的方向垂直；

48、第一检测电路，包括如上所述的检测电路，被配置为接收来自所述第一传感器的感测信号，检测物体在第一方向上的移动；

49、第二检测电路，包括如上所述的检测电路，被配置为接收来自所述第二传感器的感测信号，检测物体在第二方向上的移动，所述第二方向与所述第一方向垂直。

50、在一些实施例中，检测装置中：

51、在所述物体沿所述第一方向或与所述第一方向相反的方向移动的情况下，所述第一传感器的多个传感器单元被配置为随着物体的移动依次输出脉冲信号；

52、在所述物体沿所述第二方向或与所述第二方向相反的方向移动的情况下，所述第二传感器的多个传感器单元被配置为随着物体的移动依次输出脉冲信号。

53、在一些实施例中，检测装置中：

54、所述至少一个第一传感器包括多个第一传感器；

55、所述至少一个第二传感器包括多个第二传感器；

56、所述多个第一传感器和所述多个第二传感器构成传感器阵列，所述第一直线的方向为所述传感器阵列的行方向，所述第二直线的方向为所述传感器阵列的列方向；

57、所述第一检测电路中的第一树突单元包括，通过突触与所述多个第一传感器一一对应地连接的多个树突分支；

58、所述第一检测电路中的第二树突单元包括，通过突触与所述多个第一传感器一一对应地连接的多个树突分支；

59、所述第二检测电路中的第一树突单元包括，通过突触与所述多个第二传感器一一对应地连接的多个树突分支；

60、所述第二检测电路中的第二树突单元包括，通过突触与所述多个第二传感器一一对应地连接的多个树突分支。

61、根据本公开的又一些实施例，提供一种移动方向的检测装置，包括：

62、根据如上所述的检测电路，所述第一突触单元包括多个所述沉默突触，在每个树突分支上，各个所述沉默突触所在的位置都比所述兴奋突触所在的位置更靠近所述第一胞体单元；

63、至少一个第三传感器，每个第三传感器包括线性排列的多个传感器单元，被配置为感测物体的靠近或远离，

64、其中，所述第一突触单元中的突触与所述第三传感器的多个传感器单元一一对应地连接，所述第二突触单元中的突触与所述第三传感器的多个传感器单元一一对应地连接。

65、在一些实施例中，检测装置在所述物体沿第三方向移动的情况下：

66、与所述第一突触单元中所述兴奋突触连接的传感器单元先输出脉冲信号；

67、与所述沉默突触连接的传感器单元后输出脉冲信号，同时，与所述第一突触单元中所述兴奋突触连接的传感器单元继续输出脉冲信号，以激活所述沉默突触，所述第一神经形态器件导通，其中，所述第三方向为从所述物体指向所述第三传感器的方向，指示所述物体的靠近，与所述第一方向垂直。

68、在一些实施例中，检测装置在所述物体沿与所述第三方向相反的方向移动的情况下：

69、所述第三传感器的多个传感器单元开始都输出脉冲信号；

70、随着所述物体移动远离所述第三传感器一定距离后，与所述第一突触单元中所述兴奋突触连接的传感器单元继续输出脉冲信号，与所述沉默突触连接的传感器单元不再输出脉冲信号，所述第一神经形态器件不导通。

71、在一些实施例中，检测装置中：

72、所述至少一个第三传感器包括第一传感器单元组、第二传感器单元组、第三传感器单元组、第四传感器单元组，所述第一传感器单元组包括沿第一直线的方向的线性排列的多个传感器单元，所述第二传感器单元组包括沿第二直线的方向线性排列的多个传感器单元，所述第三传感器单元组包括沿第三直线的方向线性排列的多个传感器单元，所述第四传感器单元组包括沿第四直线的方向线性排列的多个传感器单元，所述第二直线与所述第一直线垂直，所述第三直线与所述第一直线之间的夹角小于90度，所述第四直线与所述第三直线相对于所述第二直线轴对称；

73、所述检测电路中的第一树突单元包括，通过突触与所述第一传感器单元组、所述第二传感器单元组、所述第三传感器单元组、所述第四传感器单元组中的传感器单元一一对应地连接的多个树突分支；

74、所述检测电路中的第二树突单元包括，通过突触与所述第一传感器单元组、所述第二传感器单元组、所述第三传感器单元组、所述第四传感器单元组中的传感器单元一一对应地连接的多个树突分支。

75、根据本公开的再一些实施例，提供一种移动方向的检测系统，包括：

76、第一检测装置，包括前述任一实施例所述的检测装置，被配置为检测物体在第一方向或第二方向上的移动，所述第二方向与所述第一方向垂直；

77、第二检测装置，包括前述任一实施例所述的检测装置，被配置为检测所述物体在第三方向上的移动，所述第三方向与所述第一方向垂直且与所述第二方向垂直。

78、在一些实施例中，检测系统还包括：

79、处理器，被配置为根据所述第一检测装置的输出信号、所述第二检测装置的输出信号，确定所述物体的移动方向。

80、在一些实施例中，检测系统中，所述处理器被配置为：

81、在所述第一检测装置的所述第一检测电路输出信号的情况下，确定所述物体的移动方向包括在所述第一方向上的运动；

82、在所述第一检测装置的所述第二检测电路输出信号的情况下，确定所述物体的移动方向包括在所述第二方向上的运动；

83、在所述第二检测装置输出信号的情况下，确定所述物体的移动方向包括在所述第三方向上的运动，

84、其中，所述第一检测装置的所述第一检测电路和所述第二检测电路不同时输出信号。

85、在上述实施例中，通过设计一种新的神经形态晶体管和神经形态器件，能够在没有额外的处理器的情况下对输入信号的方向产生响应，进行时空信号处理，显著降低系统的功耗。

86、通过以下参照附图对本公开的实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。

技术特征：

1.一种移动方向的检测电路，包括：

2.根据权利要求1所述的检测电路，其中：

3.根据权利要求2所述的检测电路，其中，所述第一神经形态器件包括：

4.根据权利要求3所述的检测电路，其中，第一神经形态晶体管还包括：

5.根据权利要求2所述的检测电路，其中，所述第二神经形态器件包括：

6.根据权利要求5所述的检测电路，其中，第二神经形态晶体管还包括：

7.根据权利要求2所述的检测电路，其中，所述第三神经形态器件包括：

8.根据权利要求3至7任一项所述的检测电路，其中：

9.根据权利要求8所述的检测电路，其中，在所述物体沿所述第一方向移动的情况下：

10.根据权利要求8所述的检测电路，其中，在所述物体沿与所述第一方向相反的方向移动的情况下：

11.根据权利要求9所述的检测电路，其中，所述激活阈值根据所述电阻开关的材料、所述第一类型栅极和所述第二类型栅极的位置确定。

12.一种移动方向的检测装置，包括：

13.根据权利要求12所述的检测装置，其中：

14.根据权利要求12或13所述的检测装置，其中：

15.一种移动方向的检测装置，包括：

16.根据权利要求15所述的检测装置，其中，在所述物体沿第三方向移动的情况下：

17.根据权利要求16所述的检测装置，其中，在所述物体沿与所述第三方向相反的方向移动的情况下：

18.根据权利要求13至15任一项所述的检测装置，其中：

19.一种移动方向的检测系统，包括：

20.根据权利要求19所述的检测系统，还包括：

21.根据权利要求20所述的检测系统，其中，所述处理器被配置为：

技术总结
本公开涉及移动方向的检测电路、检测装置和检测系统。检测电路包括：第一神经形态器件，包括第一突触单元、第一树突单元、第一胞体单元，第一树突单元的每个树突分支上的第一位置连接沉默突触、第二位置连接兴奋突触，第一胞体单元处理第一树突单元的输出，产生第一输出信号，包括兴奋输出和抑制输出；第二神经形态器件，包括第二突触单元和第二树突单元，第二突触单元包括多个兴奋突触，第二树突单元整合第二突触单元的输入，产生第二输出信号；第三神经形态器件，包括第三突触单元、第三树突单元、第三胞体单元，第三突触单元包括接收抑制输出的抑制突触和接收第二输出信号的兴奋突触，第三胞体单元处理第三树突单元的输出，产生第三输出信号。

技术研发人员：白恩慧,卡洛·维托里奥·坎尼斯特拉奇,施路平,赵蓉
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23