忆阻器存储研究与展望

随着信息呈现爆炸式增长,而CMOS的工艺尺寸逐步接近其理论极限尺寸,新型纳米级存储器件的需求日趋迫切.忆阻器被认为具有替代动态随机存储器,适应海量存储的巨大潜力.在综述忆阻器与忆阻系统概念的产生与发展的基础上,讨论忆阻器作为存储单元的特性,综述了忆阻器的阻变存储结构以及相对应的读写方法.在总结分析目前研究存在问题的基础上,探讨了今后的研究方向.     

二元氧化物忆阻器材料及其在突触领域研究进展

近几年该材料在突触仿生功能的运用,让人们对人造神经网络有了更深一步的认识,同时也被认为实现高效脑人工神经网络的独特器件。本文将综述近几年研究的二元氧化物材料,如:ZnO、TiOx、SiOx、WOx、HfOx、TaOx、ZrOx氧化物材料关于突触仿生功能的实现,也将概述氧化物材料特点、目前采用的制备为忆阻器的方法、突触领域的现有研究,并展望未来该领域的更多可能性。     

一类变时滞忆阻器递归神经网络全局指数周期性

忆阻器是近几年来提出的一种区别于电阻、电容、电感的一类非线性两端无源电子元件,而忆阻器递归神经网络由于系统参数的不同,系统表现出各种动态性能。针对一类变时滞忆阻器递归神经网络,研究全局指数周期性问题,考虑连接权值在切换状态下的对称和非对称的情况,通过构造两个Lyapunov函数、Halanay不等式和由Fillippov给出的右端不连续微分方程理论的研究方法,提出关于全局指数周期性的充分性条件。最后,实验结果验证了所提理论的可行性和有效性。     

变时滞随机忆阻器神经网络的同步控制

在实现实际的复杂人工神经网络模型以及大规模集成电路时,随机噪声是不可避免的.因此,随机忆阻器神经网络具有重要的现实研究意义.针对变时滞随机忆阻器神经网络的同步控制问题,基于非光滑分析以及集值映射、随机微分包含的理论,利用Lyapunov函数和基本不等式的方法,设计了一个线性反馈控制器.通过恰当选择控制器增益,实现了随机忆阻器神经网络驱动系统与相应的响应系统之间的指数同步,所得到的结果保守性更小.最后,给出数值例子验证了理论结果的有效性.     

基于忆阻器的计算存储融合体系结构研究进展

Memristor is an enabling device with non volatile resistance, low power consumption, high durability, ease of integration, and CMOS compatibility. The stateful logic of memristors can rea lize the true fusion of computing and storage, and is complete in logic, which is expected to break the limitation of Von Neumann architecture and effectively alleviate the memory wall bottleneck. These excellent properties gain memristors great interest from academia and industry. In light of this, this paper summarizes the research progress of application oriented computing storage fusion architecture based on stateful logic. Firstly, the implementation principle and improvement method of state logic are analyzed in detail. Secondly, the state logic design based on the memristor crossbar is reviewed, including the parallel implementation of the basic logics, copy operation and comparison operation, and then the design principle and implementation structure of the data storage structure based on the memristors are summarized. The paper then revisits an application oriented computing storage fusion architecture in detail, and finally summarizes the problems in the research of this direction, and looks forward to the future direction.     

多值忆阻器的写入方式研究

通过改变忆阻器在SET过程中的限制电流或在RESET过程中的电压边界,是实现多值存储的常用方法.而针对某一种方法,又存在多种不同的写入方式.针对在SET过程中通过改变限制电流大小而实现多值的方法,提出了两种不同的写入方式,为其命名为"先判断后写入"和"先擦除后写入".分别使用两种方式对制备的Au/TiO2/Au器件测试发现,"先判断后写入"的方式由于减小了操作过程中的RESET次数而比"先擦除后写入"的方式具有更明显的阻值窗口和更好的低阻值的均一性.     

基于忆阻器交叉阵列的卷积神经网络电路设计

由于在神经形态计算方面具有优良的性能,忆阻器交叉阵列引起了研究者的广泛关注.利用忆阻器与传统器件提出了1个改进的忆阻器交叉阵列电路,可以准确地存储权重与偏置,结合相应的编码方案后可以运算点积操作,并将其用于卷积神经网络中的卷积核、池化与分类器部分.利用改进的忆阻器交叉阵列和基于卷积神经网络本身拥有的高容错性,还设计了1个忆阻卷积神经网络结构,可以完成1个基本卷积神经网络算法.在卷积操作后直接存储模拟形式的计算结果,使得卷积操作与池化操作之间避免了1次模数-数模转换过程.实验结果表明:设计的面积为0.852 5cm\\+2芯片上的运算性能是1台计算机速度的1 770倍,在面积基本相当的前提下,性能比前人设计的电路提高了7.7倍.设计存在可以接受的微小识别误差开销,与软件运行结果相比,此电路在每个忆阻器存储6b或8b信息的情况下平均识别误差分别只增加了0.039%与0.012%.     

基于忆阻器的PIM结构实现深度卷积神经网络近似计算

忆阻器(memristor)能够将存储和计算的特性融合,可用于构建存储计算一体化的PIM(processing-in-memory)结构.但是,由于计算阵列以及结构映射方法的限制,基于忆阻器阵列的深度神经网络计算需要频繁的AD/DA转换以及大量的中间存储,导致了显著的能量和面积开销.提出了一种新型的基于忆阻器的深度卷积神经网络近似计算PIM结构,利用模拟忆阻器大大增加数据密度,并将卷积过程分解到不同形式的忆阻器阵列中分别计算,增加了数据并行性,减少了数据转换次数并消除了中间存储,从而实现了加速和节能.针对该结构中可能存在的精度损失,给出了相应的优化策略.对不同规模和深度的神经网络计算进行仿真实验评估,结果表明,在相同计算精度下,该结构可以最多降低90%以上的能耗,同时计算性能提升约90%.     

忆阻器模拟电路及其低通滤波电路研究

设计一个具有斜8字型伏安特性的忆阻器模拟电路模型,并将此模型应用于构建低通滤波电路。进行Multisim仿真并制作了相应的实物电路,仿真和实验结果表明该电路模型可以正确模拟忆阻器的特性,由其构建的忆阻低通滤波电路具有时变特性。     

二元金属氧化物忆阻器的性能优化研究进展

进入21世纪以来,传统计算机一直面临着数据频繁在CPU与存储器之间交换带来的功耗问题和存储墙问题.新型的存算一体化计算方式有望突破传统冯·诺依曼架构,实现低功耗、高算力的计算.忆阻器是一种具有低功耗、高速度、高密度、非易失等特点的新型电路元件,被认为是未来实现存算一体化的最佳载体.但目前忆阻器还存在功耗过大、稳定性低、...     

基于改进忆阻器的高通滤波器设计与仿真

针对传统的忆阻器模型存在不能很好地与HP实验室提出的忆阻器物理模型中忆阻器的阻值变化特点相符的问题,提出了一种改进的带有阈值电压的忆阻器模型,该模型能很好地模拟忆阻器的"激活"现象,其特性与HP实验室的忆阻器物理模型相符;基于该改进模型设计了一种高通滤波器电路,该电路通过改变忆阻器阻值控制电路的输出信号来改变忆阻器的阻值,从而实现了滤波器截止频率的调节。SPICE仿真结果验证了设计的正确性。     

柔顺双稳态机构的研究现状与进展

由于柔顺机构和双稳态机构分别所具有的独特优势,已使柔顺双稳态机构成为目前国内外研究的新热点.综合论述了基于MEMS技术的柔顺双稳态机构的最新研究成果,根据柔顺双稳态机构的驱动机制,系统介绍了机械锁定型、电热锁定型、磁致锁定型、多耦合场锁定型等柔顺双稳态机构,针对其原理、性能及应用等各个方面进行了综合比较.最后展望了柔顺双稳态机构的研究前景和可能遇到的问题与挑战.     

新型仿生材料的研究进展

仿生学是一门多学科的交叉学科,它融合了生命科学、信息科学、脑与认知科学、工程技术、数学与力学以及系统科学等七大学科,材料的发展趋势是复合化、智能化、能动化、环境化,而仿生材料具有这几方面的特征。本文综述了新型仿生材料的研究动态、仿生材料合成领域研究新进展、新型仿生材料的未来前景。仿生材料目前的主要研究内容是仿照生物为适应内部与环境对其自身功能和结构的完美设计来构造生物材料的方法,用以制备生物相容的医用材料或性能优异的工程材料。仿生材料学涉及面如此之广,它的发展或成功将影响到社会的各个角落．     

电阻型氢气传感器研究进展

该文介绍了电阻型氢传感器国内外研究的最新进展,对该类传感器的工作原理和改进方法进行了详细的叙述,对半导体型和纳米线电阻型传感器的研究作了详细的介绍,并展望了电阻型氢气传感器的发展方向.     

LC振荡型忆阻混沌电路及时滞反馈控制

将磁控忆阻器耦合于LC振荡电路中,得到了一种新的忆阻混沌电路.随后通过理论上的动力学分析、数值仿真、电路实验等验证了该电路的混沌特性.为了实现电路的混沌控制,设计了一种新型模拟时滞控制器.利用该控制器将混沌电路状态变量加以延时并反馈至原电路中.数值仿真和电路实验结果均表明,所设计的时滞控制器可实现混沌电路的镇定控制.进一步研究时滞控制下电路的分岔行为,发现时滞控制下的电路又可通过倍周期分岔进入超混沌.     

Design and analysis of crossbar architecture based on complementary resistive switching non-volatile memory cells

Emerging non-volatile memories (e.g. STT-MRAM, OxRRAM and CBRAM) based on resistive switching are under intense research and development investigation by both academics and industries. They provide high performance such as fast write/read speed, low power and good endurance (e.g. >10¹²), and could be used as both computing and storage memories beyond flash memories. However the conventional access architecture based on 1 transistor + 1 memory cell limits its storage density as the selection transistor should be large enough to ensure enough current for the switching operation. This paper presents the design and analysis of crossbar architecture based on complementary resistive switching non-volatile memory cells with a particular focus on reliability and power performance investigation. This architecture allows fewer selection transistors, and minimum contacts between memory cells and CMOS control circuits. The complementary cell and parallel data sensing mitigate the impact of sneak currents in the crossbar architecture and provide fast data access for computing purpose. We perform transient and statistical simulations based on two memory technologies: STT-MRAM and OxRRAM to validate the functionality of this design by using CMOS 40 nm design kit and memory compact models, which were developed based on relative physics and experimental parameters.     

Controllability of multi-agent systems with periodically switching topologies and switching leaders

This paper considers controllability of multi-agent systems with periodically switching topologies and switching leaders. The concept of m-periodic controllability is proposed, and a criterion for m-periodic controllability is established. The effect of the duration of subsystems on controllability is analysed by utilising a property of analytic functions. In addition, the influence of switching periods on controllability is investigated, and an algorithm is proposed to search for the fewest periods to ensure controllability. A necessary condition for m-periodic controllability is obtained from the perspective of eigenvectors of the subsystems’ Laplacian matrices. For a system with switching leaders, it is proved that switching-leader controllability is equivalent to multiple-leader controllability. Furthermore, both the switching order and the tenure of agents being leaders have no effect on the controllability. Some examples are provided to illustrate the theoretical results.     

一种基于切换拓扑和事件触发机制的一致性协议

研究了一种新的基于切换拓扑的事件触发一致性协议,该协议设计了两个事件触发器,包括智能体状态演化引发的收敛事件触发器和拓扑变化引发的拓扑事件触发器,并给出了与事件触发器有关的公共Lyapunov函数的稳定性分析和理论证明,还设计了一种基于约束集的网络连通算法,用于提高网络的连通性。仿真实验结果表明,新的协议能够使得系统收敛一致,有效降低智能体控制器的更新频率,减少系统能耗,提升网络的连通效果,能为事件触发控制的后续研究提供理论支撑。