Pulse program for improving learning accuracy and saving programming energy consumption of ferroelectric synaptic transistor

Abstract

Neuromorphic computing is one of the next generation computing technologies proposed to solve problems such as bottleneck in conventional von Neumann architecture, enabling parallel data processing, and adaptive learning processes. Two characteristics that play a significant role in improving learning accuracy are ‘dynamic range’ and ‘linearity’ in weight update. In the ferroelectric synaptic transistor, ‘dynamic range’ and ‘linearity’ in weight update can be modulated by adjusting the voltage applied to the ferroelectric. However, a voltage that can improve learning accuracy and also save the programming energy consumption should be applied, since this voltage adjustment affects the programming energy consumption. In this study, we investigated the learning accuracy of neuromorphic computing according to the characteristics of synaptic devices and the program energy consumption according to pulse programs. We demonstrated changes in the analog conductance characteristics of ferroelectric thin-film transistors by varying the pulse program for synaptic plasticity, discussed characteristics for improving learning accuracy, and compared programming energy consumption according to pulse programs. We propose logarithmic-incremental-step pulse program as a pulse program that saves programming energy consumption and improves learning accuracy.|뉴로모픽 컴퓨팅은 기존 폰 노이만 컴퓨팅 구조의 병목 현상과 같은 문제를 해결하기 위해 제안된 차세대 컴퓨팅 기술 중 하나로 병렬적인 데이터 처리와 적응적인 학습 과정을 가능하게 한다. 학습 정확도 향상에 중요한 역할을 하는 두 가지 특성은 가중치 업데이트의 '동적 범위'와 '선형성'이다. 강유전체 시냅스 트랜지스터는 강유전체에 인가되는 전압을 조절하여 가중치 업데이트의 '동적 범위'와 '선형성'을 변조할 수 있다. 그러나 이러한 전압 조절은 프로그래밍 에너지 소모에 영향을 미치므로 학습 정확도를 향상시킬 수 있으면서도 프로그래밍 에너지 소모를 절약할 수 있는 전압이 적용되어야 한다. 본 연구에서는 시냅스 소자의 특성에 따른 뉴로모픽 컴퓨팅의 학습 정확도와 펄스 프로그램에 따른 프로그램 에너지 소모를 조사하였다. 시냅스 가소성에 대한 펄스 프로그램을 달리하여 강유전체 박막 트랜지스터의 아날로그 컨덕턴스 특성 변화를 실증하고 학습 정확도 향상을 위한 특성을 논의하였으며 펄스 프로그램에 따른 프로그래밍 에너지 소모를 비교하였다. 이 결과는 프로그래밍 에너지 소모를 절약하고 학습 정확도를 향상시키는 펄스 프로그램으로 로그 증분 단계 펄스 프로그램을 제안한다.