具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-图11描述本发明提供的一种基于阻变器件的神经元树突的操作方法及装置。

本发明实施例提供了一种基于阻变器件的神经元树突的操作方法。图1为本发明实施例提供的基于阻变器件的神经元树突的操作方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：

步骤110，确定单个阻变器件的神经元树突结构；其中，所述神经元树突结构包括顶电极、阻变介质层和底电极；

具体地，如图2所示为基于单个阻变器件的神经元树突结构示意图，采用顶电极1、阻变介质层2、底电极3的三明治结构。

步骤120，结合图2所示，基于所述阻变器件固有的阈值电压对所述神经元树突结构的顶电极1和底电极3进行外加电压：当外加电压超过所述阈值电压时，通过所述外加电压使得所述神经元树突结构的阻变介质层2形成导电通道4，以实现非线性信号整流；在所述神经元树突结构的阻变介质层2形成的导电通道4处于断开状态下，当外加电压不超过所述阈值电压时，通过所述外加电压使得所述神经元树突结构的阻变介质层2无法形成导电通4道，以实现噪声信号的过滤。

具体地，导电通道在外加电压超过器件的阈值电压的作用下形成，其作用是提供载流子通道，降低阻变器件的电阻，施加反向电压可以破坏导电通道，从而提高阻变器件的电阻。基于阻变器件的神经元树突的阈值电压前后的非线性信号整流和阈值电压前的噪声信号的过滤正是基于通道的导通与断开，通道导通和断开的过程对导电能力的贡献并非线性的，因此在线性电压的作用下其电流反应表征为非线性的，进而实现非线性整流过程。当导电通道处于断开状态，低于阈值电压的信号无法通过，进而实现噪声信号的过滤。

本发明实施例提供的操作方法，使用单个阻变器件来设计神经元树突，对其进行一定可控限定条件下的操作，能够实现树突的主要功能，同时在器件结构的复杂性、计算灵活性和功耗方面相比于复杂结构能取得更好的效果。

基于上述任一实施例，当外加电压超过所述阈值电压时，所述阻变介质层作为阻变器件的电阻降低；当外加电压不超过所述阈值电压时，所述阻变介质层作为阻变器件的电阻小幅降低；当所述外加电压撤销后电阻复原；

具体地，本发明方法通过对阻变器件施加阈值电压前后的脉冲电压信号来实现的。本发明使用正向脉冲为顶电极接正电压和底电极接负电压，从而构成外加电压。

实现非线性信号整流的所述外加电压包括半尖形脉冲电压、混合脉冲电压、尖形脉冲电压、矩形脉冲电压或连续矩形脉冲电压；

具体地，在阈值电压前后的非线性信号整合过程中，正向脉冲的Vth(阻变器件的阈值电压)是一个较为明显的分界线，在正向脉冲的幅值小于Vth该限定之前，器件处于off状态(HRS)，此时电流对电压的响应较为微弱可忽略不计，当正向脉冲的幅值跨过Vth会刺激器件形成导电通道，发生set(阻值降低)现象。在施加负向脉冲时候，会逐渐摧毁导电通道，发生reset(阻值上升)现象。图3、图4、图5、图6和图7是基于阻变器件的神经元树突的电压脉冲信号的施加方案示意图，通过这些操作方案能够实现树突中的非线性整合功能。

实现噪声信号的过滤的所述外加电压包括无激活矩形脉冲电压、有激活矩形脉冲电压或有激活混合脉冲电压。

具体地，本发明公开一种基于阻变器件的神经元树突阈值电压前噪声信号的过滤功能的操作方案，是通过对阻变器件在阈值电压前后施加相同的脉冲电压信号方法来实现的。

需要说明的是，本发明设定的电流对电压的反应范围为微安到毫安级别。微安级别以下的电流在不易捕获，毫安级别以上的电流对于较小的器件无法承载。具体根据器件的阻值变化范围以及阈值电压的大小，使用具有不同脉冲宽度、脉冲幅度和脉冲周期的连续或非连续矩形电压脉冲、半尖形电压脉冲以及梯形电压脉冲，有效的实现树突在阈值电压前后对非线性信号整流和阈值电压前对噪声信号的过滤。

基于上述任一实施例，所述外加电压为半尖形脉冲电压时，半尖形脉冲电压的线性变化符合以下二元一次方程：

aT+bV+c＝0(a,b≠0)；

其中，a、b、c表示自定义参数，T表示时间，V表示电压。

具体地，如图3所示半尖形脉冲电压操作方法，t1到t3之间的电流对于电压的线性增加呈现出非线性增加的趋势，其电流变化曲线类似于指数函数形式。t1到t2之间电流非线性增加的趋势小于t2到t3之间电流非线性增加的趋势。其中，t2时刻表示完整的导电通道建立完成。t1到t2之间的半尖形电压脉冲的线性变化符合如下二元一次方程，其中a、b、c表示自定义参数，T表示时间，V表示电压。

aT+bV+c＝0(a,b≠0)

基于上述任一实施例，所述外加电压为混合脉冲电压、尖形脉冲电压、矩形脉冲电压或连续矩形脉冲电压时，在阻变器件上的电压大小的取值范围符合如下条件：

V_th＜V_apply＜V_limit；

其中，V_limit表示阻变器件的击穿电压，V_apply表示加在阻变器件上的电压，V_th表示阈值电压。

具体地，如图4所示的混合脉冲电压操作方法，t3时刻之前的电流非线性变化趋势与图3相同，t3到t4阶段的电流对电压的响应呈现出非线性增加的趋势，但其增加的趋势呈现出逐渐降低的趋势，其电流变化曲线类似于对数函数形式。

如图4所示的混合脉冲电压操作方法，t3到t4阶段的所施加在器件上的电压大小的取值范围符合如下条件，其中V_limit表示器件的击穿电压，V_apply表示施加在器件上的电压:

V_th＜V_apply＜V_limit

如图5所示的尖形脉冲电压操作方法，t3时刻之前的电流非线性变化趋势与图3相同，t3到t4阶段的电流对电压的响应呈现出非线性减小的趋势，但其减小的趋势呈现出逐渐减小的趋势，其电流变化曲线类似于幂函数形式。

如图5所示的尖形脉冲电压操作方法，t3时刻的电压的取值范围下列条件:

V_th＜V_apply＜V_limit

如图6所示的矩形脉冲电压操作方法，t1到t3之间电流呈现出非线性增加趋势，其非线性增加的趋势呈现出减小的趋势。t1到t2之间其非线性增加的趋势所呈现出来的减小的趋势小于t2到t3之间减小的趋势，其电流变化曲线类似于对数函数形式。t2时刻表示器件导电通道的建立基本完成。

如图6所示的矩形脉冲电压操作方法，其脉冲幅值满足下列条件:

V_th＜V_apply＜V_limit

如图7所示的连续矩形脉冲电压操作方法，一个周期内的电流非线性增加趋势与图6类似，但其在下一个周期上升沿时刻的电流要略低于该周期下降沿时刻前的电流。其脉冲幅值条件也与图6相同。

基于上述任一实施例，实现噪声信号的过滤的包括无激活矩形脉冲电压、有激活矩形脉冲电压或有激活混合脉冲电压在内的外加电压使得阈值电压前后发生启动导电通道set现象：发生set现象前，没有形成导电通道，作为噪声信号的小脉冲幅值无法通过阻变器件，发生set现象后，建立起稳定的导电通道使得噪声信号通过；

具体地，对于阻变器件的神经元树突阈值电压前噪声信号的过滤功能采用小脉冲幅值作为噪声信号。在发生set现象前，噪声信号无法形成导电通道而且也没有已形成的导电通道使噪声信号通过，因此噪声信号无法通过器件，在发生set现象后，期间内部建立起稳定的导电通道，该导电通道能够使得之前无法通过的小信号可以通过。

其中，所述无激活矩形脉冲电压的一个脉冲周期中最大脉冲幅值小于阈值电压的脉冲信号作为噪声信号被过滤，且不引起电流的非线性变化；

具体地，如图8所示的无激活矩形脉冲电压的操作方法，将一个脉冲周期中最大脉冲幅值小于阈值电压的脉冲信号定义为噪声信号，噪声信号的可以相等也可以不相等。这些噪声信号会被过滤，但其电流对电压的响应并非为零，而是一个非常弱小的电信号，该电流信号呈现出无规律的波动状态，且无论噪声信号有多少，都不会引起电流的非线性变化。

所述有激活矩形脉冲电压的上升沿脉冲刺激导电通道的成型后，噪声信号引起电流呈现出非线性增加趋势，且非线性增加趋势呈现出变小的趋势；

具体地，如图9所示的有激活矩形脉冲电压的操作方法，t5时刻上升沿脉冲会刺激导电通道的成型，之后t7时刻开始的噪声信号会引起电流呈现出非线性增加趋势，且其非线性增加的趋势呈现出变小的趋势。在t7时刻后施加相同的噪声信号，如果这两个噪声信号的波形相同，则其电流反应曲线也相同。

所述有激活混合脉冲电压包括矩形脉冲和半尖形噪声信号；所述矩形脉冲刺激阻变器件的导电通道后，对所述阻变器件施加半尖形噪声信号引起电流呈现出非线性增加趋势。

具体地，如图10所示的有激活混合脉冲电压的操作方法，噪声信号会催发产生呈现上升趋势的微小电流，但无论施加多少噪声信号，都不会产生稳定的非线性电流。当t5到t6的矩形脉冲刺激阻变器件的导电通道形成后，再对其施加半尖形噪声信号会引起电流呈现出非线性增加趋势，且其非线性增加的趋势呈现表达的趋势。

需要说明的是，本发明公开的基于阻变器件的神经元树突阈值电压前后非线性信号整流和阈值电压前噪声信号的过滤的操作方法不只局限于已经提出的操作方法。在基于阻变器件的神经元树突阈值电压前后非线性信号整流的操作方法中，所有满足脉冲电压的最大幅值超过阈值电压，都能在阈值电压后实现电流对电压的非线性变化，无论脉冲电压为正向脉冲还是负向脉冲都可作为备选方案。在阈值电压前噪声信号的过滤的操作方法中，在大于阈值电压的脉冲出现前，所有噪声信号都会被过滤，在大于阈值电压的脉冲出现后，所有噪声信号均会催发出非线性电流的产生。

下面对本发明提供的一种基于阻变器件的神经元树突的操作装置进行描述，下文描述的与上文描述的一种基于阻变器件的神经元树突的操作方法可相互对应参照。

图11为本发明实施例提供的基于阻变器件的神经元树突的操作装置的结构示意图，如图11所示，该装置包括单个阻变器件的神经元树突结构1110和电压单元1120；其中，所述神经元树突结构1110包括顶电极、阻变介质层和底电极；

所述电压单元1120，用于基于所述阻变器件固有的阈值电压对所述神经元树突结构1110的顶电极和底电极进行外加电压：当外加电压超过所述阈值电压时，通过所述外加电压使得所述神经元树突结构1110的阻变介质层形成导电通道，以实现非线性信号整流；在所述神经元树突结构1110的阻变介质层形成的导电通道处于断开状态下，当外加电压不超过所述阈值电压时，通过所述外加电压使得所述神经元树突结构1110的阻变介质层无法形成导电通道，以实现噪声信号的过滤。

本发明实施例提供的操作装置，使用单个阻变器件来设计神经元树突，对其进行一定可控限定条件下的操作，能够实现树突的主要功能，同时在器件结构的复杂性、计算灵活性和功耗方面相比于复杂结构能取得更好的效果。

基于上述任一实施例，当外加电压超过所述阈值电压时，所述阻变介质层作为阻变器件的电阻降低；当外加电压不超过所述阈值电压时，所述阻变介质层作为阻变器件的电阻小幅降低；当所述外加电压撤销后电阻复原；

实现非线性信号整流时，所述电压单元输出的外加电压包括半尖形脉冲电压、混合脉冲电压、尖形脉冲电压、矩形脉冲电压或连续矩形脉冲电压；

实现噪声信号的过滤时，所述电压单元输出的外加电压包括无激活矩形脉冲电压、有激活矩形脉冲电压或有激活混合脉冲电压。

基于上述任一实施例，所述电压单元输出的外加电压为半尖形脉冲电压时，半尖形脉冲电压的线性变化符合以下二元一次方程：

aT+bV+c＝0(a,b≠0)；

其中，a、b、c表示自定义参数，T表示时间，V表示电压。

基于上述任一实施例，所述电压单元输出的外加电压为混合脉冲电压、尖形脉冲电压、矩形脉冲电压或连续矩形脉冲电压时，在阻变器件上的电压大小的取值范围符合如下条件：

V_th＜V_apply＜V_limit；

其中，V_limit表示阻变器件的击穿电压，V_apply表示加在阻变器件上的电压，V_th表示阈值电压。

基于上述任一实施例，实现噪声信号的过滤时，所述电压单元输出的包括无激活矩形脉冲电压、有激活矩形脉冲电压或有激活混合脉冲电压在内的外加电压使得阈值电压前后发生启动导电通道set现象：发生set现象前，没有形成导电通道，作为噪声信号的小脉冲幅值无法通过阻变器件，发生set现象后，建立起稳定的导电通道使得噪声信号通过；

其中，所述无激活矩形脉冲电压的一个脉冲周期中最大脉冲幅值小于阈值电压的脉冲信号作为噪声信号被过滤，且不引起电流的非线性变化；

所述有激活矩形脉冲电压的上升沿脉冲刺激导电通道的成型后，噪声信号引起电流呈现出非线性增加趋势，且非线性增加趋势呈现出变小的趋势；

所述有激活混合脉冲电压包括矩形脉冲和半尖形噪声信号；所述矩形脉冲刺激阻变器件的导电通道后，对所述阻变器件施加半尖形噪声信号引起电流呈现出非线性增加趋势。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。