Устройство для моделирования нейрона

 

Изобретение относится к бионике и вычислительной технике, и может быть использовано в качестве элемента нейроподобных сетей для моделирования нейрофизиологических процессов в нервной системе, в устройствах обработки, анализа и распознавания образов, в системах управления интеллектуальными роботами, в параллельных нейрокомпьютерах. Цель изобретения - повышение достоверности моделирования путем представления переменных стохастическими последовательностями. Для этого в устройство, содержащее блоки изменения сйнаптических весов, первые входы которых являются входами устройства, пространственный сумматор, N входов которого подключены к выходам N блоков из- ^менения сйнаптических весов, введены первый и второй стохастические вычитатели, стохастический преобразователь, регистр, компаратор, логический блок, генератор стохастических констант и генератор случайных чисел. При существенном упрощении устройство сохраняет все функциональные возможности прототипа, обладает более высокой надежностью, не содержит • механизм накопления ошибок округления. 9 ил.,

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 06 G 7/60

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (2 1) 4766393/14 (22) 06.12.89 (46) 30.01.92.Бюл. N. 4 (71) Научно-исследовательский институт микропроцессорных. вычислительных систем при Таганрогском радиотехническом, институте им. В;Д.Калмыкова (72) lO.А.Брюхомицкий (53) 681.ЗЗЗ (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N .,682910, кл . G 06 6 7/60, 1979. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

НЕЙРОНА (57) Изобретение относится к бионике и вычислительной технике. и может быть использовано в качестве элемента нейроподобных сетей для моделирования нейрофизиологических процессов в нервной системе, в устройствах обработки, анализа и распознавания образов, в системах управления инИзобретение относится к бионике и вычислительной технике и может быть использовано в качестве элемента нейроподобных сетей. для моделирования нейрофизиологических процессов в нервной системе, в устройствах обработки, анализа и распознавания образов, в системах управления ин- теллектуальными роботами, в параллельных нейрокомпьютерах.

Известно устройство. содержащее блоки формирования входных сигналов, генератор импульсов, усилитель, сумматоры, пороговый. блок, блоки согласования, дифференциальный усилитель и токоразрядный блок.

Недостатком указанного устройства является низкая стабильность параметров и, „, Ы„„1709356 А1

2 г теллектуальными роботами, в параллельных нейрокомпьютерах. Цель изобретения — повышение достоверности моделирования путем представления переменных стохастическими последовательностями. Для этого в устройство, содержащее блоки изменения сйнаптических весов, первые входы которых являются входами устройства, пространственный сумматор, N входов К0торого подключены к выходам N блоков из,менения синаптических весов, введены первый и второй стохастические вычитатели, стохастический преобразователь, регистр, компаратор, логический блок, генератор стохастических констант и генератор случайных чисел. При существенном упрощении устройство сохраняет. все функциональные возможности прототипа, обладает более высокой надежностью, не содержит. механизм накопления ошибок округления.

9 ил. как следствие, низкая точность моделирования, что обусловлено реализацией устройства на элементах аналоговой техники.

Известна также модель нейрона, содержащая N блоков изменения синаптических весов, сумматор, схемы управления величиной порога,,блок сравнения уровня ритмической активности и блок усиления.

Недостатком данной модели является ее сложность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для моделирования нейрона, содержащее и блоков изменения синаптических весов, первые входы которых являются входами устройства, а выходы соединены с входами. первого сумматора, второй сумматор и пять

1709356 интеграторов, выход nepeoro сумматора подключен к первому входу первого интегpampa, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход которого подключен к первому входу второго интегратора, выход которого соединен с первыми входами третьего и четвертого интеграторов, выход третьего интегратора является выходом устройства, выход четвертого интегратора подключен к второму входу второго сумматора, к третьему входу которого подключен выход пятого интегра5

10 тора, первый вход которого и второй вход второго интегратора подключены к одному управляющему входу устройства, вторые

15 входы Й блоков изменения синаптических весов и вторые входы первого, третьего, четвертого и пятого интеграторов соединены с другими управляющими входами устройства соответственно.

Недостатком известного устройства является его высокая аппаратурная сложность, обусловленная использованием цифровых интеграторов. Каждый цифровой регистра сдвига (подынтегральной функции и остатка), множительное устройство и квантователь. В результате аппаратурные затраты составят: 2+2(п+5) сумматоров, 2(п+5) регистров сдвига, (п+5) множительных устройств, (n+5) квантователей, Такой уровень сложности не позволяет при современном состоянии микроэлектронной тех30

35 нологии реализовать устройство в виде ° одной большой интегральной схемы, а следовательно, делает невозможным построение моделирующей нейроподобной сети, достаточной для практических целей размерности (10 -10 элементов).

Целью изобретения является повыше40 ние достоверности моделирования путем представления переменных стохастическими последовательностями. 45

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее N блоков изменения синаптических весов, где N— количество синапсов в моделируемом нейроне, первые входы которых являются вхо50 дами устройства, пространственный сумматор, входы. которого подключены к выходам блоков изменения синаптических весов, введены первый и второй стохастические вычитатели, стохастический умножитель, стохастический преобразователь, регистр, компаратор, логический блок, гене55 ратор стохастических констант и генератор случайных чисел, причем вход уменьшаемого первого стохастического вычитателя подинтегратор в своей минимальной конфигу- 25 рации (работающий по формуле прямоугольников) содержит два сумматора, два клюяен к выходу пространственного сумматора, а выход подключен к первому входу стохастического умножителя, первый вход стохастического преобразователя подключен к выходу стохастического умножителя, второй вход, подключен к первому выходу генератора случайных чисел, числовой выход стохастического преобразователя подключен к первому входу компаратора, а стохастический выход — к входу вычитаемого первого стохастического вычитателя и входу уменьшаемого второго стохастического вычитателя, второй вход компаратора подключен к выходу регистра, а выход компаратора подключен к первому входу логического блока, второй вход которого подключен к выходу второго стохастического вычитателя, а выход логического блока является выходом устройства, N+2 выходов генератора стохастических констант подключены соответственно к вторым входам N блоков изменения синаптических весов, второму входу стохастического умножителя и входу вычитаемого второго стохастического вычитателя, а вход генератора стохасти- . ческих констант подключен к второму выходу генератора случайных чисел, третий и четвертый выходы которого подключены к стохастическим входам первого и второго стохастических вычитателей.

Для реализации предлагаемого устройства требуется 3 сумматора (из них 2 вычитателя), (N+1) умножителей (в том числе N блоков изменения синаптических весов, представляющих собой стохастические умножители), стохастический преобразователь, регистр, компаратор, логический блок, генератор стохастических констант и генератор случайных чисел, что в значительной степени упрощает его в сравнении с прототипом, Кроме того, стохастический принцип организации вычислений в предлагаемом устройстве повышает его устойчивость к случайным сбоям (повышение надежности) и предотвращает тенденцию к накоплению ошибок округления, характерную для прототипа, как детерминированного устройства,, )

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для моделирования нейрона; на фиг. 2 — структурно-функциональная схема блоков изменения синаптических весов и пространственного сумматора; на фиг, 3 — . функциональная схема стохастического вычитателя; на фиг. 4 — функциональная схема стохастического умножителя; на фиг. 5— функциональная схема стохастического преобразователя; на фиг. 6 — функциональная схема компаратора; на фиг. 7-.фнукци1709356

6 ональная схема логического блока; на фиг. 8- функциональная схема генератора стохастических констант; на фиг. 9 — функциональная схема генератора случайных чисел.

Устройство для моделирования нейрона (фиг. 1) содержит N информационных входов 11, ...., 1ц, которые подключены к первым входам соответствующих и блоков изменения синаптических весов 21, ..., 2ц.

Выходы последних подключены к N входам пространственного сумматора 3, выход которого подключен к входу уменьшаемого первого стохастического вычитателя 4. Выход первого стохастического вычитателя 4 подключен к первому входу стохастического умножителя 5, выход которого подключен к первому входу стохастического преобразователя 6, Числовой выход этого преобразователя подключен к первому входу компаратора 7, а стохастический выход— к входу вычитаемого первого стохастического вычитателя 4 и входу уменьшаемого второго стохастического вычитателя 8. Выход регистра 9 подключен к второму входу компаратора 7, выход которого подключен к первому входу логического блока 10, второй вход которого подключен к выходу второго стохастического вычитателя 8, а выход 11 логического блока 10 является выходом устройства. В устройство входит также генератор 12 стохастических кон.стант, N выходов 131, 13г...„13и которого подключены к вторым входам соответственно N блоков изменения синаптических весов 2>, 2г...; 2N, выход 14 подключен к второму входу стохастического умножителя,5, а выход 15 — к входу вычитаемого второго стохастического вычитателя 8. Устройство содержит также генератор 16 случайных чисел, имеющий четыре выхода.

Первый выход генератора 16 подключен к второму входу стохастического преобразователя 6, второй выход — к входу генератора

12 стохастических констант, третий и четвертый выходы — к стохастическим входам первого и второго стохастических вычитателей4и8.

Каждый из N блоков изменения синаптических весов 21, 2г...;, 2м(фиг. 2) п редстав. ляет собой стохастический умножитель (фиг. 4), в котором каждый из сомножителей представлен двумя линиями положительной и отрицательной полярности. Первые, пары входов 111, 112 1г1 1гг, ..., "N1i "Nz блоков изменения синаптических весов 2>, 2z, ..., 2N (фиг. 2) являются информационными входами устройства. Вторые пары входов этих блоков являются входами синаптических весов и подключены соот10 ветственно к-выходам 1311, 131г, 13z, 13гг. ..„13щ, 13Nz генератора 12 стохастических констант 1. Выходы блоков 21, 2z, ..., 2N положительной полярности собраны на элементе ИЛИ 31, а выходы отрицательной полярности — на элементе ИЛИ Зг. Элементы

ИЛИ 31 и Зг выполняют роль пространственного сумматора для стохастических переменных. Выходы 17> и 17г я вл я ются соответственно положительный и отрицательным выходами пространственного сумматора 3.

Стохастические вычитатели 4 и 8 (фиг. 3) содержат вход 18 умен ьшаемого(1 8> — положительной и 18г — отрицательной полярностей), вход 19 вычитаемого (191 отрицательной и 19г — положительной полярностей), стохастический вход 20, который подключен к входу элемента НЕ 21, 20 элементы И 221, 22z, 22з, 224, элементы

ИЛИ 231 и 23z, выходы 241 и 24г которых являются соответственно положительными и отрицательными выходами стохастического вычитателя;

25 Стохастический умножитель 5 (фиг. 4) содержит вход .25 первого сомножителя (251 — положительной и 25z — отрицательной полярностей), вход 26 второго сомножителя (26 — положительной, 26z — отрицатель30 ной полярностей),-элементы И 27>, 27г, 27з, 274, элементы ИЛИ 281 и 28г,выходы 291 и

29z которых являются соответственно положительным и отрицательным выходами стохастического умножителя 5.

35 Стохастический преобразователь 6 (фиг. 5) содержит первый вход 30 (301— положительной и 30г — отрицательной по-лярностей, которые подключены соответственно к суммирующему и вычитающему

40 входам реверсивного счетчика 31), второй вход 32, являющийся входом случайных двоичных символов, который подключен к входу сдвигающего регистра 33, тактирующий вход 34, который подключен к тактирующим вхо45 дам реверсивного счетчика 31 и сдвигающего регистра 33; элементы И 351, 35г, ..., 35i по числу разрядов реверсивного счетчика 31 и сдвигающего регистра 33, элемент

ИЛИ 36, 1 входов которого подключены к

50 выходам элементов И 351, 35г, ..., 35!, элементы И 371 и 37г, выходы 381 и 38г, которых являются соответственно положительным и отрицательным стохастическими выходами стохастического преобразователя 6, элемент

55 НЕ 39, разрядные выходы 401, 40г, .„, 40! и знаковый выход 41 счетчика 31, в совокупности представляющие собой числовой выход стохастического преобразователя 6., Компаратор 7, может быть реализован многими способами. Один из вариантов схе1709356 мы компаратора 7 для четырехразрядных чисел приведен на фиг. 6, Он содержит разрядные входи — прямые 421, 422, 42з, 424 и инверсные 421, 422, 42з первого сравниваемого числа; разрядные входы — прямне 431, 43z, 43з и инверсные 431, 432, 43з, 434 второго сравниваемого числа, входы знакового разряда — прямой 44; и инверсный 44 первого сравниваемого числа, первую группу элементов И 451, 45z, 45з, вторую группу элементов И 461, 462, 46з; 464, элемент ИЛИ

47, третью группу элементов И 481 и 482, выходы 491 и 492 которых являются соответственно положительным и отрицательным выходами компаратора 7.

Логический блок 10 (фиг. 7) в простейшем случае содержит стохастические входы

501 — положительной и 502 — отрицательной полярностей, разрешающие входы 511 для положительной и 51z для отрицательной полярностей, два элемента И 521 и 52z для коммутации соответственно положительной и отрицательной-полярностей, выходы

531 — положительной и 53z — отрицательной полярностей.

Генератор 12 стохастических констант, (фиг, 8), вырабатывающий, например, семь стохастических констант (пять констант, со-. ответствующих пяти синаптическим весам обеих полярностей; и две константы, соответствующие параметру инерционности а и порогу О также обеих полярностей), содержит разрядные входы 541, 542, 54з, 544 случайных чисел тактирующий вход 55, дешифратор 56, элементы ИЛИ 571, 57z, 57з, элементы задержки 581, 582, 58з, 584, коммутатор 59, который имеет входы 601, 602, ..., 608 стохастических констант, управляющие входы 611, 612, 61з для подачи кода номера входа коммутатора 59, управляющие входы 621, 622, 62з, 624 для подачи кода номера выхода коммутатора 59 и выходы 631, 632 положительной и отрицательной полярностей константы, соответствующей первому синаптическому весу, выходы 63з, . 634 положительной и отрицательной полярностей константы, соответствующей второму синаптическому весу и т.д. выходы 63з, 63в...;, 6314 соответственно положительной и.отрицательной полярностей констант трех оставшихся синаптических весов, параметра инерционности а и порога 0, Генератор 16 случайных чисел на I разрядов (фиг. 9) содержит! триггеров Т-типа

641, 642, ..., 64i, (m-!) триггеров Д-типа 65i+1, 65i+z, ..., 65m, тактирующий вход 66, к которому подключены синхронизирующие входы всех гп триггеров, выходы первых I триггеров 641, 642, ..., 64i являются разряд45

55 вход уменьшаемого первого стохэстиче-. ского вычитателя 4. На вход вычитаемого блока 4 с выхода стохастического преобразователя 6 поступает стохастическая последовательность щ, которая несет ин-.

40 ными выходами 671, 672, ..., 67 генератора

16 случайных чисел.

Функционирование предлагаемого устройства основано на принципе стохастических .вычислений, при котором все переменные и константы, участвующие в вычислениях, представляются в виде соответствующих стохастических последовательностей, в которых вероятность появления единичного символа в каждой тактовой позиции отражает текущий уровень соответствующей переменной или константы, масштабируемых в фиксированном диапазоне (О, 1). Кодирование знака стохастических последовательностей в предлагаемом устройстве осуществляется путем использования двух линий. Одна линия предназначена для передачи стохастических последовательностей положительной полярности, другая — для отрицательной полярности (на фиг. 1 — 9 они помечены знаками "+" и "-").

Устройство работает следующим образом.

В фиксированные моменты времени .

t1=to+i Л t,i=0, 1, 2, ..., синхронизируемые серией тактовых импульсов, на информационные входы 11, 1z, ....1М устройства (фиг. 1) поступают входные двуполярные стохастиЧЕСКИЕ ПОСЛЕдОВатЕЛЬНОСтИ-rx11, gxzl. " gxni с выходов 11 других аналогичных устройств, входящих в общую моделирующую нейронную сеть. Эти последовательности поступают на первые входы соответствующих N блоков изменения синаптических весов 21, 22, ..., 2N, в качестве KDTopbix используются стохастические умножители (фиг. 2 и 4). В блоках 21, 22, ..., 2и осуществляется умножеНИЕ ВХОДНЫХ ПОСЛЕДОВатЕЛЬНОСтЕй х1Ь х2Ь ..., gxgj на соответствующие стохастические константы щк, ф,-;щю, которые играют роль синаптических весов нейрона и также представлены в виде стохастических последовательностей, поступающих на вторые входы блоков 21,2z, ...,2и с выходов 131, 132, ..., 13и генератора 12 стохастических констант. Образованные в результате умножения взвешенные последовательности поступают далее на N входов (каждый представлен двумя линиями) пространственного сумматора 3, где они суммируются с образованием суммарной стохастической последовательности 11 . 3 a последовательность по двум линиям поступает на

1709356

1,0 формацию о мембранном потенциале U1 моделируемой нервной клетки. Для функци.онирования стохастического вычитателя ему необходима опорная стохастическая последовательность с равномерным в диапазоне (О, 1) законом распределения единичных символов. Такая последовательность вырабатывается генератором 16 случайных чисел и с его третьего выхода поступает на стохастический вход вычитателя 4. Последний формирует стохастическую последовательность разности д ; — цы, которая далее в стохастическом умножителе 5 умножается на стохастическую константу @

Последняя вырабатывается также в генераторе 16 случайных чисел и с первого его выхода поступает на второй вход преобразователя 6. Для моделирования порогового эффекта нервной клетки иэ последовательности fø во втором стохастическом вычитателе 8 вычитается стохастическая последовательность щ, несущая информацию об уровне порога О данного нейрона.

Величина порога 0 является константой для данного нейрона и поэтому в предлагаемом устройстве вырабатывается генератором 12 стохастических констант на

его выходе 15. На стохастический вход вычитателя 8 с четвертого выхода генератора

16 случайных чисел постуйает опорная стохастическая последовательность с равномерным в диапазоне (0, 1) законом распределения единичных символов. С выхода стохастического вычитателя 8 последовательность разности цш — /pi поступает на выход 11 устройства только в том случае, если уровень мембранного потенциала U1 нейрона превышает величину порога О нейрона. Для этого в устройство введены блоки 7., 9 и 10. При.подготовке начальных условий в регистр 9 в цифровой форме заносится величина порога 0, равная цифровому эквиваленту стохастической константы цц; вводимой в генератор 12 стохастических

5 констант, Компаратор 7 осуществляет сравнения уровней мембранного потенциала 01, поступающего на его первый вход с числового выхода стохастического преобразователя 6, и порога В, поступающего:

10 на второй вход компаратора 7 с разрядных выходов регистра 9. При превышении уровня мембранного потенциала U1 над уровнем порога В на выходе компаратора

7 появляется единичный сигнал, который

15 поступает на первый вход логического блока 10, разрешая выдачу на выход 11 устройства стохастической последовательности

1р — д,, поступающей на второй вход логического блока.10.

20 Блоки изменения синаптических весов

21, 22, ..., 21ч и пространственный сумматор

3 (фиг, 2) работают следующим образом.

На каждый из N входов 11, 12...„1N устройства, каждый из. которых представлен

25 двумя линиями положительной и отрицательной полярностей 111 112 121 122, ..., 1N1, 1N2, на первые пары входов блоков изменения синаптических весов 21, 22, „.„

2N поступают входные стохастические поЗО следовательноати ф1ь цю, .", tjxN На вторые пары входов блоков 21, 22, ..., 2н с парных выходов 1311, 1312, 1321, 1322, ....

13щ, 13ю генератора стохастических констант поступают стохастические константы

35 цр, щ4 ф, соответствующие синаптическим весам g1, Q, ..., ) ч. Блоки 21, 22, ..., 2и, функционирующие как стохастические умножители, осуществляют перемножение соответствующих пар последовательной40 стей х1ь fail, +2i, gf2l, "., >jb(Ni 1цNI.

Положительные составляющие последовательностей произведений собираются затем элементом ИЛИ 31, а отрицательные— элементом ИЛИ 32. В соответствии с пра45 вилами стохастических вычислений элементы ИЛИ 31 и 32 выполняют неполное сложение стохастических последовательностей, Методическая погрешность, возникающая при такой организации

50 суммирования, компенсируется соответствующей корректировкой величин констант

ypi, yg2l, ..., ущ на этапе подготовки устройства к работе, На выходах 171 и 172 элементов ИЛИ 31 и 32 формируются. поло55. жительная и отрицательная составляющие суммарной последовательности р;

Работа стохастического сумматора (вычитателя) (фиг. 3) основана на случайном (с вероятностью р=0,5) выборе одной из вход1709356

12 ных линий одной полярности в каждый такт . времени. Элементы И 221 и 22z выбирают одну из линий 181 и 191 положительной полярности и сигналы с их выходов собираются элементом ИЛИ 231, выход 241 которого 5 является выходом положительной состав-. ляющейй стохастической последовател ьности суммы. элементы И 22з и 224 выбирают одну из линий 18z и 192 отрицательной полярности и сигналы с их выходов соби- 10 раются элементом ИЛИ 22г, выход 242 которого является выходом отрицательной составляющей стохастической последовательности суммы. Элемент НЕ 21 инвертирует опорную случайную с равномерным 15 законом распределения последователь-ность,иь поступающую на вход 20 сумматора с выхода генератора 16 случайных чисел, Отличие в организации стохастического вычитателя от сумматора заключает- 20 ся в перемене местами положительной и отрицательной линий уменьшаемого.

Работа стохастического умножителя 5 (фиг. 4) основана на свойстве элемента И осуществлять перемножение вероятностей. 25

Элементы И 27> и 272 служат для получения произведения однополярным сомножителей, элементы И 27з и 274- для получения произведения разнополярных сомножителей, Произведения последовательностей 30 положительной полярности собираются элементом ИЛИ 281, на выходе 29> которого формируется положительная составляющая последовательности произведения. Произведения последовательностей отрицатель- 35 ной полярности собираются элементом

ИЛИ 28z, на выходе 29z которого формируется отрицательная составляющая последовательыости произведения.

Стохастический преобразователь 6 40 (фиг. 5) работает следующим образом.

Стохастическая последовательность с выхода умножителя 5 по положительной и отрицательной линиям поступает соответственно на счетные входы 301 и 30z реверсив- 45 ного .счетчика 31, который осуществляет накопление (интегрирование) двоичных символов и тем самым преобразует вход-. ную последовательность в цифровую величину. мембранного потенциала U>, По 50 входу 32 в сдвигающий генератор 33 с первого выхода генератора 16 случайных чисел поступает случайная с равномерным законом распределения последовательность двоичных символов, которая, сдвигаясь в ре- 55 гистре 33 образует на его разрядных выходах 2, 2, ..., 2 набор из I случайных равномерно распределенных последовательностей. Работа преобразователя 6 синхронизируется тактовыми импульсами, поступающими на.его вход 34. В каждом временном такте о=то+ Ь t< (l=0, 1, 2, ...) двоичные переменные с разрядных выходов счетчика 31 поступают на первые входы элементов И 351, 352, ..., 35ь На вторые входы этих элементов поступают двоичные переменные с разрядных выходов регистра 33 сдвига. Кроме того, элемент И 351 имеет (1-1) запрещающих входов, на которые поступают двоичные переменные с разрядных выходов 2 1, 2 2, ..., 2 регистра 33 сдвига, элемент И 352 имеет (1-2) запрещающих входа, на которые поступают двоичные переменные с разрядных выходов 2, 22, ..., 2 + регистра сдвига 33 и так далее, элемент И 35 -1 имеет только один запрещающий вход, на который поступает двоичная переменная с разряда 2 регистра 33 сдвига. Такое распределение запрещающих входов элементов И 35 позволяет обеспечить пропорциональность частоты опроса разрядов счетчика их весу, а также несовместимость появления единичных сигналов на выходах элементов И 35. Последнее обстоятельство дает возможность выполнять сложение последовательностей, снимаемых с выходов элементов И 35, с помощью элемента ИЛИ 36. В результате функционирования схемы цифровая величина мембранного потенциала U>, формируемая в счетчике

31, вновь преобразуется в стохастическую последовательность ш, снимаемую с выхода элемента ИЛИ- 36. Кодирование знака этой последовательности (разделение на две линии) осуществляется с помощью элементов И 371 и 372 и элемента НЕ 39 при условии, что число U> в счетчике 31 представлено в дополнительном коде.

Работа компаратора 7 (фиг. 6) основана на цифровом сравнении величин U< и Ов течение одного временного такта с помощью комбинационной логической схемы, реализующей логическую формулу (в качестве примера использованы четырехразрядные числа U< и В)

c=4 243 V 42 43<42z43z ч

v42143142z43z42343z v /4214314 443242з43з42д434, Двоичный сигнал с формируется на выходе элемента ИЛИ 47, Кодирование знака сигнала с осуществляется на элементах И

481 и 482 в соответствии с логическим выражением с =сх44; с:-с х 44, где 44 и 44 — соответственно прямой и инверсный входы знакового разряда числа U1.

1709356

1, если и> >6;

О, если щ =О.

13

Генератор 12 стохастических констант (фиг. 6) работает следующим образом.

Р фиксированные моменты времени tq„. задаваемые серией тактовых импульсов на входе 55, из генератора 16 случайных чи- 5 сел на разрядные входы 541, 54з, 54з, 544 дешифратора 56 поступают случайные числа ф (для примера четырехразрядные).

Возбуждение любого входа дешифратора

56 разрядом равномерно распределенного 10 случайного числа являтся независимым событием, происходящим с вероятностью 0Ä5.

При этом случайные события. заключающиеся в .возбуждении того или.иного выхода дешифратора 56, будут происходить с веро- 15 ятностью (0,5) (где m — число входов дешиф.ратора 56). Случайные события, состоящие в возбуждении различных выходов дешифратора 56, являются несовместимыми и образуют полную группу, 20 поэтому вероятности появления этих событий можно суммировать с помощью эле. ментов ИЛИ 571, 57, 57з. В приведенном примере реализации генератора стохастических констант m=4, поэтому вероятность 25 появления единичного сигнала на любом

-4 выходе дешифратора 56 равна 2 . Из двоичных переменных, снимаемых с первого выхода дешифратора 56 (вход 601 коммутатора 59), с выходов элементов ИЛИ 571, 30

572, 57з, и с входа 55 тактовых импульсов, .можно сформировать следующий набор. констант, отличающихся между собой сепенью двойки:

2 — на первом выходе дешифратора 56 35 (вход 601 коммутатора);

2 — на выходе элемента ИЛИ 571;

2 — на выходе элемента ИЛИ 57 ;

2 1 — на выходе элемента ИЛИ 57з, 2 — на входе 55 тактовых импульсов. 40

В описываемом примере генератор 12 должен выдавать семь стохастических констант (желательно статистически.независимых), поэтому в его схему введены 45 элементы задержки 581, 582, 58з, 584, кото. рые выполняют роль стохастической развязки и позволяют по крайней мере дважды (в различных точках схемы устройства) использовать одну величину константы на 50 разных выходах 63 коммутатора 59 (генератороу4 12).

Таким образом, на входы 601. 6Ж...., 68в коммутатора 59, а также по входу 55 генератора 12. поступают стохастические 55 и осл едо ветел ьности, соответствующие сто-4 -З -З хастическим константам 2, 2, 2, 2, с

Коммутатор 59 должен обеспечить подключение необходимых констант из указанного набора к своим выходам Зф, 32, ..., Зм(по две полярности на каждый выход). Для этого у коммутатора 59 имеются адресные входы номера входа 611, 612, 61з и номера выхода

62, ба, 62з, 624. Число адресных входов определяется ближайшим большим целым числом 1. удовлетворяющим неравенству

1 R logs К (где К вЂ” количество входов (выходов) коммутатора 59). Программирова-., ние коммутатора 59 осуществляется заранее путем установления соответствия между его входами 60 и выходами 63 с помощью адресных входов 61 и 62. В качестве коммутатора 59 можно использовать, например, серийную отечественную микро-схему 1509 КП1, позволяющую скоммутировать в произвольном порядке 16 входов на

16 выходов по заданной программе, Работа генератора 16 случайных чисел (фиг. 7), выполненного на регистре, описывается соотношениями:

Z

Zlo l)=21 1®; .1=1+1 ..., m где 2- состояние разряда регистра.

В целом процессы. протекающие в предлагаемом устройстве, описываются системой уравнений:

y i= 0(а);

tlei - a(® -a(a);

ggu - О(Я): g fIJ фсц:

j =1

w+>- а+2 bt(g*i (я — gui));

% = (9< ж) Ф 6: где символом С1(т1) обозначена операция преобразования некоторой цифровой величины Уь изменяющейся в диапазоне

-1 Y 91, в соответствующую ей стохастичеакую последовательность .

sign Уь если уц (IYil, ф (О, .еслиpi = I Yil где p — случайные числа, равномерно распределенные в диапазоне (О, 1);

Использование изобретения позволяет значительно (не менее, чем в.6 Раз) упростить устройство при сохранении его функ-. циональных возможностей. Кроме .того, применение стохастического принципа об1709356

16 работки информации делает предлагаемое устройство более адекватным моделируемому обьекту — нейрону, повышает его нэдежность зэ счет большей устойчивости к случайным сбоям, предотвращает тенденцию к накоплению ошибок округления, харэктерной для детерминированных устройств, к которым принадлежит, в чэстности, и прототип.

Формула изобретения

Устройство для моделирования нейрона, содержащее N блоков изменения синэптических весов (где N — количество входных сигналов в моделируемом нейроне), первые входй которых являются входэми устройства, пространственный сумматор, N входов которого подключены к выходам N блоков изменения синэптических весов, o T личэющееся тем,что,сцельюповышения достоверности моделирования путем представления переменных стохэстическими последовательностями, оно содержит первый и второй стохэстические вычитэтели, стохэстический умножитель, стохэстический преобразователь; регистр, компарэтор, :логический блок, генератор стохэстических констант и генератор случайных чисел, причем вход уменьшаемого первого стохастического вычитэтеля подключен к выходу прострэнственного сумматора, а выход подключенн к первому входу стохастического умножителя, первый вход стохзстического ,преобрэзовэтеля подключен к выходу сто-5 хастйческого умножителя, второй вход подключен к первому выходу генератора случайных чисел, числовой вход стохастического преобразователя подключен к первому входу компарэтора, а стохэстический

10 выход — к входу вычитаемого первого стохастического вычитэтеля и входу уменьшаемого второго стохастического вычитателя, второй вход компэраторэ подключен к выходу регистра, э выход компаратора подклю15 чен к первому входу логического блока, второй вход которого подключен к выходу второго стохэстического вычитателя, а выход логического блока является выходом устройства, N+2 выходов генератора

20 стохэстических констант подключены соответственно к.вторым входам N блоков изменения синаптических весов, второму входу стохастического умножителя и входу вычитэемого второго стохастического вычи25 тэтеля, а вход генератора стохастических . констант подключен к второму выходу генератора случэйных чисел, третий и четвертый выходы которого подключены к стохастическим входам первого и второго стохэстиче30 ских вычитэтелей.

1709356

1709356

1709356

421

42

lid

44

42>

1709356

Код jp Щууфу

1709356 Ñ

Ю

-э>

Составитель А. Троицкий l

Редактор А. Лежнина - Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор,А, Осауленко

Заказ 428 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-ЗБ, Раушская наб., 4/б

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101