JP3611041B2 - Semiconductor arithmetic circuit - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体回路に係り、特に信号情報の記憶機能とともに、記憶した信号情報と入力される信号情報を比較して、所定の範囲で一致しているか、一致していないかを調べる機能を保持した高機能半導体回路を提供するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来イメージセンサで取り入れてメモリに記憶された莫大なアナログの画像データはメモリ外部のディジタルコンピュータに転送され、そこでマッチング等の処理をされていた。
【0003】
この手法では、情報処理演算はメモリの外にある演算処理装置によってのみ行われるため画素数の増大にともなうデータ数の増加とともに演算処理部の負担が増大し実時間での信号処理は不可能である。
【0004】
そこで、従来メモリ外部の演算処理装置が行っていたマッチング等の演算処理を各メモリ自身で行うことにより、演算処理装置の負担を軽減し実時間での情報処理を実現する高機能メモリが必要となる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の目的は、簡単な回路を用いてアナログや多値のデ−タを記憶するばかりでなく、入力してくるデータと記憶したデータを比較することのできる半導体演算回路を提供するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
参考発明の半導体演算回路は、第1の信号を記憶し、第2の信号と記憶した前記第1の信号の大きさの差が所定の第1の値より小さいときに、あるいは大きいときに所定の第2の値を出力することを特徴とする。
【0007】
また、前記第1の信号が、任意の瞬間の入力信号をダイナミックに記憶したものであることを特徴とする。
【0008】
さらに、前記第1の信号が、フォトリソプロセスにおけるマスクパターンにより記憶したものである特徴とする。
【0009】
本発明の半導体演算回路は、 本発明の半導体演算回路は、基板上に一導電型の半導体領域を有し、この領域内に設けられた反対導電型のソ−ス及びドレイン領域と、前記ソ−ス及びドレイン領域を隔てる領域に絶縁膜を介して設けられた電位的にフロ−ティング状態にあるフロ−ティングゲ−ト電極と、前記フロ−ティングゲ−ト電極と絶縁膜を介して容量結合する複数の入力ゲ−ト電極と、を有するN型ニュ−ロンMOSトランジスタとP型ニュ−ロンMOSトランジスタから構成されるCMOS型ニュ−ロンMOSインバータにおいて、前記CMOS型ニュ−ロンMOSインバータを二つ有し、一つ以上の第1の入力信号が第1のCMOS型ニュ−ロンMOSインバータと第2のCMOS型ニュ−ロンMOSインバータのそれぞれのフロ−ティングゲ−ト電極に絶縁膜を介して容量結合する入力ゲ−トに共通に入力され、第1のCMOS型ニュ−ロンMOSインバータの出力信号と第2のCMOS型ニュ−ロンMOSインバータの出力信号との論理的論理和(XOR)を施すことができることを特徴とする。
【0010】
また、外部から入力する第1の信号により、第1のMOSトランジスタを介して、第1のCMOS型ニュ−ロンMOSインバータのフロ−ティングゲ−ト電極の電位を所定の値に変えることができるとともに、外部から入力する第2の信号により、第2のMOSトランジスタを介して、第2のCMOS型ニュ−ロンMOSインバータのフロ−ティングゲ−ト電極の電位を所定の値に変えることができることを特徴とする。
【0011】
さらに、本発明の半導体演算回路は、メモリ部に記憶されている複数の信号列と、外部から入力される第1の信号列を比較し、前記第1の信号列に最も似通った、あるいは、完全に一致した信号列を前記メモリ部に記憶されている複数の信号列中から検索する機能を持った連想メモリのメモリ部を構成することを特徴とする。
【0012】
さらにまた、本発明の半導体演算回路は、第1の画像情報を記憶し、その記憶された第1の画像情報と第2の画像情報を比較する回路において用いることを特徴とする。
【0013】
【作用】
参考発明によれば、従来の情報を記憶するというメモリの機能に、入力してくる情報と記憶している情報を比較演算し一致・不一致を調べる機能が加わったために、例えば2枚の画像情報の比較演算をする場合に、メモリ外部の演算処理回路の負担を軽減し実時間での情報処理が可能となる。
【0014】
参考発明によれば、任意の瞬間の情報をダイナミックに取り込むことができるため、例えば刻々と変化する動画情報を構成する信号の比較に用いることができる。
【0015】
参考発明によれば、例えば所定の画像に対して入力画像を比較する場合には、マスクレベルで決定される所定の信号情報に対して入力信号情報を比較すればよく、この際には回路電源を切っても情報を保持できる利点がある。
【0016】
請求項1の発明によれば、アナログ・多値・バイナリディジタルすべての信号を入力として扱うことのできるνMOSを用いて回路を構成することにより、素子数を従来の方法に比べて大きく減少させることができる。
【0017】
請求項2の発明によれば、一致・不一致の判定基準を可変とすることができるため、大まかに一致・不一致の判定をしたり、厳密に一致・不一致の判定をしたりでき、その用途に応じて柔軟に機能を変えることができる。
【0018】
請求項3の発明によれば、連想機能つき辞書等に応用させる連想メモリに用いることで、従来のバイナリディジタル処理では配線数や素子数が膨大になるために大規模化・集積化が困難であった連想メモリを、大規模化・高集積化することができる。
【0019】
請求項4の発明によれば、膨大な数の動画情報を伝送する際に、毎回動画像を構成するすべての信号情報を伝送するのではなく、現在メモリに記憶されている画像の信号情報と異なる部分の信号情報だけを伝送し、その他の信号情報は現在記憶している情報をそのまま用いることで伝送するべき情報の量を激減することができる。本発明の回路を画素の中に組み込むことで新しい画像と現在記憶している画像を画素レベルで同時に比較演算でき、この動画情報のデータ圧縮に非常に役立てることができる。
【0020】
【実施例】
以下に実施例を上げ本発明を詳細に説明するが、本発明がこれら実施例に限定されるものではないことはいうまでもない。
【0021】
(実施例1)
参考発明の第1の実施例を、図1(a)の回路を用いて説明する。これは入力した6ビットの信号情報と記憶している6ビットの信号情報を比較し、一致していれば1を出力する回路である。114は端子101と107に入力している信号が一致しているときだけ1を出力する2入力XNOR回路であり、115はNAND、116はNOR論理を実現する回路である。これらの回路は通常のCMOS回路で構成することができる。
【0022】
まず初めに、入力101〜106に信号が入力される。これは例えばスイッチを通して入力101〜106を電源あるいはグランドに接続してもよいし、スイッチを通さずに直接電源あるいはグランドに接続してもよい。スイッチを通して入力101〜106を電源あるいはグランドに接続する場合は、接続後にスイッチをオフにすることで入力101〜106の容量に一時的に電源電圧あるいはグランド電圧の信号情報が記憶されることになる。また、スイッチを通さずに直接電源あるいはグランドに接続する場合はフォトリソ工程におけるマスクによって入力101〜106をそれぞれ所定の電圧に接続すればよい。
【0023】
次に、入力107〜112に信号情報を入力すると、入力された信号情報はそれぞれ101〜106に記憶されている信号情報と比較され、6ビットすべてが一致していれば出力113に1があらわれる。
【0024】
この回路自身は信号を記憶するというメモリ機能に加えて、入力信号と記憶している信号の比較演算をする機能をも保持している。情報を記憶するメモリセルごとにこの様に一致・不一致の比較演算処理が並列処理的にできることで、メモリ外部の演算処理を用いて時系列にメモリの内容を読みだしながら入力信号と順次比較していた従来のシステムに比べて、画像マッチングなどの情報処理を高速に行うことができる。
【0025】
図1(b)には入力がアナログ信号の場合の回路構成を示す。入力段にはアナログ信号をディジタル信号に変換するためのA/Dコンバータ134がついている。アナログ入力信号120は6ビットにA/D変換されスイッチ135〜140を通して端子121〜126に入力され記憶される。次に入力されたアナログ信号は同じくA/Dコンバータ134により6ビットにA/D変換され、スイッチ135〜140を通してこんどは端子127〜132に入力される。入力された信号情報はそれぞれ121〜126に記憶されている信号情報と比較され、6ビットすべてが一致していれば出力133に1があらわれる。
【0026】
この回路において121〜126にはA/D変換した信号を記憶したが、これは図1(a)と同じように直接スイッチを通して電源あるいはグランドに接続してもよい。接続後に、スイッチをオフにすることで一時的に入力121〜126の容量に信号を記憶することができる。また、フォトリソ工程におけるマスクによって入力121〜126をそれぞれ所定の電圧に接続してもよい。
【0027】
この回路においては、入力するアナログ信号と記憶されているアナログ信号の一致・不一致の判断は6ビットの精度で行われており、これはA/Dコンバータのビット数で決まる。
【0028】
よって、ここでは6ビットで回路を構成しているが、これは用途に応じて任意のビット数で構成してもよい。
【0029】
(実施例2)
本発明の第2の実施例を図2に示す。これは入力したアナログ信号情報と記憶しているアナログ信号情報を比較し、ある範囲で一致していれば1を出力する回路である。
【0030】
図1(b)との違いはアナログ・多値・バイナリディジタル信号をすべて入力として扱うことができるνMOSインバータを用いていることである。これにより大幅に素子数を減少させることができた。
【0031】
この図2の回路動作を説明するために、まず最初にνMOSの構造と動作原理について説明する。図12(a)は4入力のNチャネルνMOSトランジスタ(N−νMOS)の断面構造の1例を示したものであり、401は例えばP型のシリコン基板、402、403はN+拡散層で形成されたソ−ス及びドレイン、404はソ−ス・ドレイン間のチャネル領域405上に設けられたゲ−ト絶縁膜(例えばSiO2膜)、406は電気的に絶縁され電位的にフロ−ティングの状態にあるフロ−ティングゲ−ト電極、407は例えばSiO2等の絶縁膜、408a、408b、408c、408dは入力ゲ−トで電極である。図12(b)はνMOS動作を解析するために さらに簡略化した図面である。各入力ゲ−ト電極とフロ−ティングゲ−ト間の容量結合係数を図のようにC1、C2、C3、C4、フロ−ティングゲ−トとシリコン基板間の容量結合係数をC0とすると、フロ−ティングゲ−トの電位ΦFは次式で与えられる。
【0032】
ΦF=(1/CTOT)(C1V1+C2V2+C3V3+C4V4)
但し、CTOT=C0+C1+C2+C3+C4
V1、V2、V3、V4はそれぞれ入力ゲ−ト408a、408b、408c、408dに印加されている電圧であり、シリコン基板の電位は0V、すなわちア−スされているとした。
【0033】
今、ソ−ス402の電位を0Vとする。即ちすべての電極の電位をソ−ス基準として測定した値とする。そうすれば、フロ−ティングゲ−ト406を通常のゲ−ト電極とみなせば通常のNチャネルMOSトランジスタと同じであり、そのゲ−ト電位ΦFがしきい値(VTH*)より大となるとソ−ス402、ドレイン403間の領域405に電子のチャネル(Nチャネル)が形成され、ソ−ス・ドレイン間が電気的に接続される。即ち、
(1/CTOT)(C1V1+C2V2+C3V3+C4V4)>VTH*
の条件が満たされたときνMOSは導通(オン)するのである。
【0034】
以上はNチャネルνMOSトランジスタについての説明であるが、図12(a)においてソ−ス402、ドレイン403及び基板401をすべて反対導電型にしたデバイスも存在する。即ち、基板はN型であり、ソ−ス・ドレインがP+拡散層で形成されたνMOSであり、これをPチャネルMOSトランジスタ(P−νMOS)と呼ぶ。
【0035】
図2において、211、212はN−νMOSとP−νMOSで構成したνMOSインバータであり、205、206はNMOSトランジスタ、215は通常のインバータ、217はAND回路である。
【0036】
信号を記憶する時には、記憶したいアナログ信号を入力201に入力し、記憶命令信号202を1とする。この時2つのνMOSインバータ211と212のフロ−ティングゲ−ト209、210には、トランジスタ205、206を通して、それぞれ、VL(<VTH*)、VH(>VTH*)の電位が書き込まれる。
【0037】
VTH*はνMOSインバータ211、212のフローティングゲート209、210からみた閾値である。このとき、νMOSインバ−タ出力213は1、214は0になるので、回路出力218は1となる。
【0038】
次に、Φcを0にするとνMOSインバータのフロ−ティングゲ−ト209、210はフロ−ティング状態になり、その後のフロ−ティングゲ−トポテンシャルは、VINの変化とともに変化する。
【0039】
図3は、信号情報を記憶後のνMOSインバ−タ211と212のフロ−ティングゲ−ト電圧と201の電圧の関係を示しており、例えばこれはVIN=V0で書き込みを行ったときの、各νMOSインバ−タのフロ−ティングゲ−ト電位とVINの関係を示している。221はνMOSインバータ212の、222はνMOSインバータ211のフロ−ティングゲ−ト電圧を示している。
【0040】
各νMOSインバ−タのフローティングゲ−ト電位は、νMOSインバ−タの2つの入力の容量結合を等しくしておくと、VINに対してγ/2の傾きで変化する。ただし、γはνMOSインバータの2つの入力端子のフローティングゲートとの結合容量の総和が、フローティングゲートの全容量に占める割合である。
【0041】
VH、VLをフロ−ティングゲ−トから見た閾値VTH*に対してΔVだけ大きく、あるいは小さく設定すると、V0−2ΔV/γ<VIN<V0+2ΔV/γの範囲でだけ、VOL=1、VOH=0となり、VOUT=1となる。VINがそれ以下でもそれ以上でもVOL、VOHはともに1または0となり、VOUTは0になる。つまり、VOUTはVINがVL、VHにより規定された範囲に入ったときだけ1を出力することになる。
【0042】
この回路においてVLおよびVHは回路的に固定した電圧でも良いし、外部から任意の電圧を与えてもよく、この時には一致・不一致の判定の範囲を自由に変化することができる。
【0043】
多値信号をメモリに記憶後,ある時間が経過すると,フローティングゲートに接続されているトランジスタのリークにより,窓関数の範囲が書き込み時の範囲から変動し,メモリに記憶された多値の信号の正確な連想が行えなくなる,これを防ぐためには,記憶した多値信号を定期的にリフレッシュする必要がある。図2の回路にリフレッシュ回路を加えた回路の一例を図4に示す。このリフレッシュ動作は,リフレッシュ信号ΦREを1にした状態で取り扱つている多値の全レベルを,VΙNに入力することにより,VINが記憶されている信号とマッチングしたときに自動的にΦcが1となり行われる。このリフレッシュ動作は,定期的にすべてのDRAMセルで同時に行うことができる。
【0044】
しかし,νMOS構成の回路では,多ビットの連想になるに従い,切り分けるべき窓関数の幅が狭くなるために,ダイナミックに記憶された信号のリフレッシュ間隔が短くなることが考えられる。Nビットの多値を扱う場合,入力電圧をVDD/2Nの幅で切り分ける必要があるが,この入力電圧の幅は,フローティングゲートレベルではγ/2倍されるので,γVDD/2N+1となり,フローティングゲートの容量をCTOTとすると、リフレッシユタイムTの間にフローティングゲートからリ−クする電荷量をCTOTγVDD/2N+1以下に抑えなければならない。これを満たすためには,フローティングゲートに接続されているトランジスタのリーク電流はCTOTγVDD/(2N+lT)以下にすることが必要になる。
【0045】
例えば電源電圧3V、N=6ビット、γ=0.8、CTOT=l0f(F)T =lmsecとするとリーク電流は約2xl0-l3(A)以下にしなければならない。
【0046】
また,2つのνMΟSインバータのフローティングゲートから見た闘値のずれは,マッチングの精度に直接影響するために,極力これを抑える必要がある。
【0047】
図5は2層ポリシリコンプロセスにより試作した連想DRAMの顕微鏡写真であり、図6はその測定結果である。書き込まれた多値の信号と入力信号が一致すると出力が1となっていることがわかる。
【0048】
一致・不一致の判定機能を持ったこの様な多値メモリを、図1(b)のCMOS構成と図2のνMOS構成で実現した場合にそれぞれ必要なトランジスタ数は、図1(b)のCMOS構成の場合約1000トランジスタ必要なのに対して、図2のνMOS構成では、約20トランジスタで実現でき、νMOSを用いることで素子数が劇的に減少することがわかる。
【0049】
ここでトランジスタ205、206はNMOSとしたがこれはPMOSでもよい。このときは202の信号をNMOSのときと反対にすればよい。また、出力213と214の信号の違いを検出できるような論理回路に入力しさえすれば、出力213、214は任意の回数反転してもよい。
【0050】
(実施例3)
同じ原理を用いて一致・不一致判定機能を持った多値のROMが設計できる。図7に8種類の多値信号に対して一致・不一致の判定機能を持った多値のROMを示す。νMOSインバ−タ306、307の入力端子301は入力信号用である。入力302、303は入力端子301からみた各νMOSインバータの閾値調整用に同じ割合で8分割し、その分割された8つの入力端子を介してVDDとVSSが容量結合している。
【0051】
2つのνMOSインバ−タ306、307において、入力302、303中のVDDとVSSに接続されている端子の数の比率を変えることにより入力301からみた各νMOSインバータの閾値を変えている。この例では、入力302中の8つの入力のうちで3つは電源に、5つはグランドに接続されている。これに対して入力303中の8つの入力のうちで4つは電源に、3つはグランドに接続されている。
【0052】
これにより2つのνMOSインバ−タの入力端子から見た閾値は異なり、この2つの閾値で挟まれた窓関数に入力301の信号が入ったときだけ出力306、309はそれぞれ1、0となる。
【0053】
311はνMOSを用いて構成したXNOR回路であり、これは308、309の信号が異なるときだけ1を出力するものである。
【0054】
よって、入力301の信号が2つのνMOSインバータの入力端子301からみた閾値で挟まれた窓関数に入ったときだけ、出力310は1となる。
【0055】
図8はこの回路のシミュレ−ション結果を示している。図8(a)には入力信号の時間変化を示し、図8(b)は多値信号に対して一致・不一致の判定機能を持った8種類の多値のROMの出力を示している。VDDとVSSに接続されるノ−ド数を1つずらすことにより、2つのνMOSインバ−タ間で入力端子から見た閾値が変化し、隣り合う閾値で挟まれたA〜Hの8種類の窓関数が形成される。入力信号がこの窓に入ると1が出力されていることがわかる。
【0056】
この回路において、311のXORは通常のCMOS論理回路で構成してもよい。また、出力308か309のどちらか一方の信号を反転すればこれはXNOR回路にしてもよい。
【0057】
また、308と309の出力の違いを検出することができれば、その他の論理回路を用いて構成してもよいことは言うまでもない。ここでは入力302、303を8分割した例を示したがこれは任意の分割でよい。
【0058】
以上、図2、図7において入力電圧はアナログ値で与えたがこれは複数のバイナリディジタル信号で与えてもよく、その時には入力端子をそのビット分だけ設けてνMOSインバータのフローティングゲートと結合する結合容量に重みを持たせて結合すればよい。バイナリ・ディジタルの信号は、νMOSインバ−タのフロ−ティングゲ−ト上で自動的にD/A変換されアナログ・多値信号としてメモリに記憶される。
【0059】
(実施例4)
本発明の第4の実施例を図9に示す。これは連想メモリに本発明の回路を応用した例である。502はメモリアレイ部分でここでは4ビットX4ワードのメモリを例に示しているがこれは任意のビット数、ワード数で構成してもよい。
【0060】
501は入力信号でありこれも4ビット構成でメモリアレイに入力されている。入力信号501はメモリアレイで各メモリに記憶されている信号と比較され、一致・不一致が調べられる。この例では例えば512のワードにおいては503、505のビットは不一致であり、504、506のビットは一致している。
【0061】
同様に513、514、515のワードでも一致・不一致が調べられる。一致しているビットの数は各ワード毎に調べられ、例えば512、513、514、515のワードではそれぞれ4個のビット中2、1、3、0個のビットが一致していることがわかる。
【0062】
この結果より3個のビットで一致している514のワードが入力信号501に最も似たワードであることがわかる。
【0063】
この回路においてメモリアレイの各メモリを図2、図7で示した回路を用いて実現することで、従来素子数が膨大となって集積化が不可能であった連想メモリを少ない素子数で実現することが可能である。
【0064】
(実施例5)
本発明の第5の実施例を図10に示す。これは2つの画像情報を比較して異なる部分を検出する機能を持ったメモリ平面を示している。
【0065】
図10(a)において、601はメモリ平面であり、この平面上には例えば図11で示した機能メモリ602が縦横にわたって必要分だけ配置されている。図11の機能メモリは図2の機能メモリと同じ構造の607の入力端子609の部分に光センサ608の出力を接続した構造となっている。
【0066】
この光センサ608は例えばバイポーラトランジスタを用いて従来の技術で簡単に構成することができ、光の強度に応じた電圧が609に出力される。
【0067】
ある瞬間の画像情報が各機能メモリの端子609に信号として出力され、端子610に記憶命令の信号”1”が入力され、この時の画像情報が高機能メモリ平面601に記憶される。その後、端子610に記憶命令の信号が”0”になり、νMOSインバータ611、612のフローティングゲート613、614はフローティング状態になり記憶動作が終了する。
【0068】
その後、端子609には刻々とその時々の画像情報が出力されており、記憶している情報とその瞬間に609に入力してきた情報がVL、VHで規定された範囲からでれば出力615は0となり、範囲内であれば1となる。
【0069】
図10(b)には、ある瞬間の比較結果を示しており、例えば603、604、605は、比較結果が不一致となっている機能メモリの部分を表わしている。
【0070】
動画においてある瞬間の画像情報を例えばディスプレイに転送した場合に、次のコマの画像も再びすべて転送すると、データ数が膨大となるために転送が遅くなり動画として再生できなくなる。
【0071】
これを解決するために、次のコマの画像を転送する際には、現在表示されている画像情報と比較して、情報が異なる画素の信号のみを転送する手法がデータ量の圧縮に非常に有効となる。
【0072】
つまり、現在ディスプレイに表示されている画像情報は機能メモリ平面601に記憶され、次のコマの情報と実時間で比較演算される。
【0073】
その結果、図10(b)に示したように、603、604、605の画素だけが不一致であればこの画素情報だけをディスプレイに伝送すればよい。
【0074】
この時に、機能メモリ平面601において、端子610に記憶命令の信号”1”を再び入力して、最新の画像情報を記憶すれば、次のコマの画上情報に対しても同様なデータ圧縮が可能となる。
【0075】
以上において述べた回路中のニュ−ロンMOSトランジスタすべてにおいて、フロ−ティングゲ−トにスイッチをつけてフロ−ティングゲ−トの電位を任意の電位に適宜初期化してもよい。また電源電圧、トランジスタの閾値、容量の比率や値は例としてあげられている値以外に適宜設計に応じて任意の値を用いてよいことは言うまでもない。
【0076】
【発明の効果】
本発明により、アナログや多値のデ−タを記憶することができるばかりでなく、入力してくるデータと記憶したデータを比較することのできる高機能半導体演算回路を実現することが可能となった。
【0077】
しかも、ニュ−ロンMOSトランジスタを用いることで極めて少数の素子で実現できるため、LSI化が容易である。従って、高速・実時間処理の要求される画像処理の分野を始めとし、多値を用いた新しい回路ア−キテクチャなど、広範な応用分野を開拓することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】参考発明の実施例1を説明する回路図である。
【図2】本発明の実施例2を説明する回路図である。
【図3】フローティングゲート電圧と入力電圧との関係を示すグラフである。
【図4】リフレッシュ回路を組み込んだ回路構成例を示す回路図である。
【図5】図4の連想DRAMチップを示す顕微鏡写真である。
【図6】図4の回路の特性を示すグラフである。
【図7】本発明の第3の実施例を示す回路である。
【図8】図7の回路のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図9】本発明の第4の実施例を示すグラフである。
【図10】本発明の第5の実施例を示すグラフである。
【図11】メモリ平面を構成する機能メモリの回路図である。
【図12】ニューロンMOS(νMOS)トランジスタの構成を示す概念図である。
【符号の説明】
101〜112 入力、
113 出力、
114 XNOR回路、
115 NAND回路、
116 NOR回路、
134 A/Dコンバータ、
120 アナログ入力信号、
135〜140 スイッチ、
121〜126 端子、
133 出力、
205、206 NMOSトランジスタ、
209、210 フローティングゲート、
211、212 νMOSインバータ、
215 インバータ、
217 AND回路、
306、307 νMOSインバ−タ
301〜303 入力、
306、309 出力、
311 XNOR回路、
401 シリコン基板、
402、403 ソ−ス及びドレイン、
404 ゲ−ト絶縁膜、
406 フロ−ティングゲ−ト電極、
407 絶縁膜、
408a、408b、408c、408d 入力ゲ−ト電極、
501 入力信号、
512 ワード、
503、505、504、506
513、514、515
601 メモリ平面、
602 機能メモリ、
609 入力端子
608 光センサ、
610 端子、
611、612 νMOSインバータ、
613、614 フローティングゲート。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a semiconductor circuit, and particularly has a function of comparing stored signal information and input signal information together with a function of storing signal information to check whether they match within a predetermined range or not. A retained high-performance semiconductor circuit is provided.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a huge amount of analog image data taken in by an image sensor and stored in a memory is transferred to a digital computer outside the memory, where processing such as matching is performed.
[0003]
In this method, the information processing operation is performed only by an arithmetic processing device outside the memory, so the load on the arithmetic processing unit increases as the number of data increases with the number of pixels, and signal processing in real time is impossible. is there.
[0004]
Therefore, there is a need for a high-performance memory that reduces the burden on the arithmetic processing unit and realizes information processing in real time by performing arithmetic processing such as matching, which is conventionally performed by an arithmetic processing unit outside the memory, in each memory itself. Become.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is not only to store analog and multi-value data using a simple circuit, but also a semiconductor that can compare input data with stored data. Calculation A circuit is provided.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
reference Invention semiconductor Calculation The circuit stores a first signal, and a predetermined second value when a difference in magnitude between the second signal and the stored first signal is smaller than or larger than a predetermined first value. Is output.
[0007]
The first signal may be an input signal dynamically stored at an arbitrary moment.
[0008]
Further, the first signal is stored by a mask pattern in a photolithography process.
[0009]
Semiconductor of the present invention Calculation The circuit is a semiconductor of the present invention. Calculation The circuit has a semiconductor region of one conductivity type on a substrate, and a source and drain region of opposite conductivity type provided in this region, and a region separating the source and drain regions via an insulating film. And a plurality of input gate electrodes capacitively coupled to the floating gate electrode through an insulating film. A CMOS-type neuron MOS inverter composed of an n-type neuron MOS transistor and a p-type neuron MOS transistor has two CMOS type neuron MOS inverters and has at least one first input. A signal is input in common to an input gate that is capacitively coupled to the floating gate electrodes of the first CMOS type neuron MOS inverter and the second CMOS type neuron MOS inverter through an insulating film. The logical OR (XOR) of the output signal of the first CMOS type neuron MOS inverter and the output signal of the second CMOS type neuron MOS inverter can be performed. It is characterized by that.
[0010]
Also input from outside First Depending on the signal Via the first MOS transistor, the potential of the floating gate electrode of the first CMOS type neuron MOS inverter is set. Predetermined value In Can change At the same time, the potential of the floating gate electrode of the second CMOS type neuron MOS inverter can be changed to a predetermined value via the second MOS transistor by the second signal inputted from the outside. It is characterized by that.
[0011]
Further, the semiconductor of the present invention Calculation The circuit compares a plurality of signal sequences stored in the memory unit with a first signal sequence input from the outside, and determines a signal sequence that is most similar to or completely coincides with the first signal sequence. A memory unit of an associative memory having a function of searching from a plurality of signal sequences stored in the memory unit is configured.
[0012]
Furthermore, the semiconductor of the present invention Calculation The circuit stores the first image information, and is used in a circuit that compares the stored first image information and second image information.
[0013]
[Action]
reference invention In According to the conventional memory function for storing information, a function for comparing the input information and the stored information to check for coincidence / mismatch is added. In this case, it is possible to reduce the burden on the arithmetic processing circuit outside the memory and to perform information processing in real time.
[0014]
reference According to the invention, since information at an arbitrary moment can be dynamically captured, it can be used, for example, for comparing signals constituting moving image information that changes every moment.
[0015]
reference According to the invention, for example, when an input image is compared with a predetermined image, the input signal information may be compared with predetermined signal information determined by a mask level. There is an advantage that information can be retained even if it is cut.
[0016]
[0017]
[0018]
[0019]
Claim 4 According to the invention, when transmitting a huge amount of moving image information, not all the signal information constituting each rotating image is transmitted, but the portion of the image signal that is different from the signal information of the image currently stored in the memory is transmitted. Only the signal information is transmitted, and the other signal information is used as it is, so that the amount of information to be transmitted can be drastically reduced. By incorporating the circuit of the present invention into a pixel, a new image and a currently stored image can be simultaneously compared at the pixel level, which can be very useful for data compression of this moving image information.
[0020]
【Example】
The present invention will be described in detail below with reference to examples, but it goes without saying that the present invention is not limited to these examples.
[0021]
Example 1
reference A first embodiment of the invention will be described with reference to the circuit of FIG. This is a circuit that compares input 6-bit signal information with stored 6-bit signal information and
[0022]
First, a signal is input to the
[0023]
Next, when signal information is input to the
[0024]
In addition to the memory function of storing a signal, this circuit itself also has a function of performing a comparison operation between the input signal and the stored signal. Since the comparison operation of matching / mismatching can be performed in parallel for each memory cell that stores information, the contents of the memory can be compared sequentially with the input signal while reading the contents of the memory in time series using the operation processing outside the memory. Information processing such as image matching can be performed at a higher speed than the conventional system.
[0025]
FIG. 1B shows a circuit configuration when the input is an analog signal. An A /
[0026]
In this circuit, signals A / D converted are stored in 121 to 126, but may be directly connected to a power source or a ground through a switch in the same manner as in FIG. After connection, the signal can be temporarily stored in the capacity of the
[0027]
In this circuit, determination of coincidence / mismatch between the input analog signal and the stored analog signal is made with an accuracy of 6 bits, which is determined by the number of bits of the A / D converter.
[0028]
Therefore, although the circuit is composed of 6 bits here, it may be composed of any number of bits depending on the application.
[0029]
(Example 2)
A second embodiment of the present invention is shown in FIG. This is a circuit that compares input analog signal information with stored analog signal information and
[0030]
The difference from FIG. 1B is that a νMOS inverter that can handle all analog, multilevel, and binary digital signals as inputs is used. As a result, the number of elements could be greatly reduced.
[0031]
In order to explain the circuit operation of FIG. 2, first, the structure and operating principle of the νMOS will be described. FIG. 12A shows an example of a cross-sectional structure of a four-input N-channel νMOS transistor (N-νMOS), where 401 is a P-type silicon substrate, and 402 and 403 are N + diffusion layers. Source and drain formed 404, a gate insulating film (for example, SiO2 film) provided on a
[0032]
ΦF = (1 / CTOT) (C1V1 + C2V2 + C3V3 + C4V4)
However, CTOT = C0 + C1 + C2 + C3 + C4
V1, V2, V3, and V4 are voltages applied to the
[0033]
Now, the potential of the
(1 / CTOT) (C1V1 + C2V2 + C3V3 + C4V4)> VTH *
When the above condition is satisfied, the νMOS conducts (turns on).
[0034]
The above is an explanation of an N-channel νMOS transistor. In FIG. 12A, there is a device in which the
[0035]
In FIG. 2, 211 and 212 are νMOS inverters composed of N-νMOS and P-νMOS, 205 and 206 are NMOS transistors, 215 is a normal inverter, and 217 is an AND circuit.
[0036]
When storing a signal, an analog signal to be stored is input to the
[0037]
VTH * is a threshold value seen from the floating
[0038]
Next, when .PHI.c is set to 0, the floating
[0039]
FIG. 3 shows the relationship between the floating gate voltage of the
[0040]
The floating gate potential of each νMOS inverter changes with a slope of γ / 2 with respect to VIN if the capacitive coupling of the two inputs of the νMOS inverter is made equal. Here, γ is the ratio of the total coupling capacitance of the two input terminals of the νMOS inverter to the floating gate in the total capacity of the floating gate.
[0041]
When VH and VL are set larger or smaller by ΔV than the threshold value VTH * viewed from the floating gate, VOL = 1 and VOH = 0 only in the range of V0−2ΔV / γ <VIN <V0 + 2ΔV / γ. Thus, VOUT = 1. VOL and VOH are both 1 or 0 and VOUT is 0 regardless of whether VIN is lower or higher. That is, VOUT is output as 1 only when VIN falls within the range defined by VL and VH.
[0042]
In this circuit, VL and VH may be circuit-fixed voltages or may be given arbitrary voltages from the outside. At this time, the range of coincidence / mismatch determination can be freely changed.
[0043]
After a multi-level signal is stored in the memory, after a certain period of time, the window function range fluctuates from the write range due to leakage of the transistor connected to the floating gate, and the multi-level signal stored in the memory In order to prevent the occurrence of accurate association, it is necessary to periodically refresh the stored multilevel signal. An example of a circuit obtained by adding a refresh circuit to the circuit of FIG. 2 is shown in FIG. In this refresh operation, all multi-level levels handled with the refresh signal ΦRE set to 1 are input to VΙN, so that Φc is automatically set to 1 when VIN matches the stored signal. Will be done. This refresh operation can be performed simultaneously on all DRAM cells periodically.
[0044]
However, in the circuit of the νMOS configuration, the width of the window function to be separated becomes narrower as the multi-bit association is realized, so that the refresh interval of the dynamically stored signal may be shortened. When handling N-bit multi-values, the input voltage needs to be divided by the width of VDD / 2N, but this input voltage width is γ / 2 times at the floating gate level, so that γVDD /
[0045]
For example, if the power supply voltage is 3 V, N = 6 bits, γ = 0.8, and CTOT = 10f (F) T = lmsec, the leakage current must be about 2 × 10 −13 (A) or less.
[0046]
Further, since the shift in the threshold value seen from the floating gates of the two νMΟS inverters directly affects the matching accuracy, it is necessary to suppress this as much as possible.
[0047]
FIG. 5 is a photomicrograph of an associative DRAM fabricated by a two-layer polysilicon process, and FIG. 6 shows the measurement result. It can be seen that the output is 1 when the written multi-value signal matches the input signal.
[0048]
When such a multi-valued memory having a match / mismatch determination function is realized with the CMOS configuration of FIG. 1B and the νMOS configuration of FIG. 2, the number of transistors required is the CMOS of FIG. The configuration requires about 1000 transistors, whereas the νMOS configuration of FIG. 2 can be realized with about 20 transistors, and it can be seen that the number of elements is dramatically reduced by using νMOS.
[0049]
Here, the
[0050]
(Example 3)
Using the same principle, it is possible to design a multi-value ROM having a match / mismatch determination function. FIG. 7 shows a multi-value ROM having a matching / mismatch determination function for eight types of multi-value signals. The
[0051]
In the two
[0052]
As a result, the threshold values seen from the input terminals of the two νMOS inverters are different, and the
[0053]
[0054]
Therefore, the
[0055]
FIG. 8 shows the simulation result of this circuit. FIG. 8 (a) shows the time change of the input signal, and FIG. 8 (b) shows the outputs of eight types of multi-value ROMs having a match / mismatch determination function for multi-value signals. By shifting the number of nodes connected to VDD and VSS by one, the threshold value seen from the input terminal changes between the two νMOS inverters, and eight types A to H sandwiched between adjacent threshold values. A window function is formed. When the input signal enters this window, it can be seen that 1 is output.
[0056]
In this circuit, the
[0057]
Needless to say, another logic circuit may be used as long as the difference between the outputs of 308 and 309 can be detected. Here, an example is shown in which the
[0058]
As described above, the input voltage is given as an analog value in FIGS. 2 and 7, but this may be given as a plurality of binary digital signals. At that time, the input terminal is provided only for the bit and is coupled to the floating gate of the νMOS inverter. What is necessary is just to give a weight to capacity and combine. The binary / digital signal is automatically D / A converted on the floating gate of the νMOS inverter and stored in the memory as an analog / multilevel signal.
[0059]
Example 4
A fourth embodiment of the present invention is shown in FIG. This is an example in which the circuit of the present invention is applied to an associative memory.
[0060]
Reference numeral 501 denotes an input signal which is also input to the memory array in a 4-bit configuration. The input signal 501 is compared with a signal stored in each memory in the memory array, and a match / mismatch is checked. In this example, for example, in 512 words, the
[0061]
Similarly, the
[0062]
From this result, it can be seen that 514 words that match in 3 bits are the most similar words to the input signal 501.
[0063]
In this circuit, each memory of the memory array is realized by using the circuits shown in FIGS. 2 and 7, thereby realizing an associative memory having a large number of elements and impossible to be integrated with a small number of elements. Is possible.
[0064]
(Example 5)
A fifth embodiment of the present invention is shown in FIG. This shows a memory plane having a function of comparing two pieces of image information and detecting different portions.
[0065]
In FIG. 10A,
[0066]
This optical sensor 608 can be easily configured by a conventional technique using, for example, a bipolar transistor, and a voltage corresponding to the intensity of light is output to 609.
[0067]
Image information at a certain moment is output as a signal to a
[0068]
Thereafter, the image information at that time is output to the terminal 609 every moment, and if the stored information and the information input to the 609 at that moment are from the range defined by VL and VH, the
[0069]
FIG. 10B shows a comparison result at a certain moment. For example,
[0070]
When image information at a certain moment in a moving image is transferred to, for example, a display, if all the images of the next frame are also transferred again, the number of data becomes enormous and the transfer becomes slow and cannot be reproduced as a moving image.
[0071]
In order to solve this problem, when transferring the next frame image, compared to the currently displayed image information, the method of transferring only the signals of the pixels with different information is very effective in compressing the data amount. It becomes effective.
[0072]
That is, the image information currently displayed on the display is stored in the
[0073]
As a result, as shown in FIG. 10B, if only the
[0074]
At this time, if the storage command signal “1” is again input to the terminal 610 in the
[0075]
In all of the neuron MOS transistors in the circuit described above, a floating gate may be switched to initialize the floating gate potential to an arbitrary potential. Needless to say, the power supply voltage, the threshold value of the transistor, the ratio of the capacitance, and the value may be arbitrarily set according to the design in addition to the values given as examples.
[0076]
【The invention's effect】
According to the present invention, not only can analog and multi-value data be stored, but also a high-performance semiconductor that can compare input data with stored data. Calculation It became possible to realize the circuit.
[0077]
Moreover, since it can be realized with a very small number of elements by using a neuron MOS transistor, it is easy to implement LSI. Therefore, a wide range of application fields such as a new circuit architecture using multiple values can be pioneered, including the field of image processing that requires high-speed and real-time processing.
[Brief description of the drawings]
[Figure 1] reference It is a circuit diagram explaining Example 1 of invention.
FIG. 2 is a circuit diagram illustrating Example 2 of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a relationship between a floating gate voltage and an input voltage.
FIG. 4 is a circuit diagram showing a circuit configuration example incorporating a refresh circuit.
FIG. 5 is a photomicrograph showing the associative DRAM chip of FIG. 4;
6 is a graph showing characteristics of the circuit of FIG.
FIG. 7 is a circuit showing a third embodiment of the present invention.
8 is a graph showing a simulation result of the circuit of FIG.
FIG. 9 is a graph showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a graph showing a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a circuit diagram of a functional memory constituting a memory plane.
FIG. 12 is a conceptual diagram showing a configuration of a neuron MOS (νMOS) transistor.
[Explanation of symbols]
101-112 inputs,
113 outputs,
114 XNOR circuit,
115 NAND circuit,
116 NOR circuit,
134 A / D converter,
120 analog input signal,
135-140 switches,
121-126 terminals,
133 outputs,
205, 206 NMOS transistors,
209, 210 floating gate,
211, 212 νMOS inverter,
215 inverter,
217 AND circuit,
306, 307 νMOS inverter
301-303 inputs,
306, 309 output,
311 XNOR circuit,
401 silicon substrate,
402, 403 source and drain,
404 Gate insulating film,
406 floating gate electrode,
407 insulating film,
408a, 408b, 408c, 408d input gate electrode,
501 input signal,
512 words,
503, 505, 504, 506
513, 514, 515
601 memory plane,
602 functional memory,
609 Input terminal
608 optical sensor,
610 terminals,
611, 612 νMOS inverter,
613, 614 Floating gate.
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