当前位置:主页 > 科技论文 > 电子信息论文 >

基于忆阻器的二值逻辑与存储电路研究

发布时间:2020-08-12 00:44
【摘要】:忆阻器是一种具有记忆特性的非线性电路元件,其具有纳米级尺寸、非易失性、阻值可变等特性,被称为“第四种基本电路元器件”。忆阻器的阻值能够在高阻态和低阻态之间转变,这种高低阻态能够用来模拟传统CMOS晶体管的开关状态,构建忆阻器逻辑电路,替代晶体管实现逻辑运算,使忆阻器在逻辑电路和信息存储等方面有着巨大的应用潜能。本文的工作具体可以分为以下四个部分:首先,本文对经典惠普忆阻器模型展开讨论,通过惠普忆阻器模型的数学表达式分析了磁通量#、电荷q和电流i这三个变量之间的关系,通过Matlab数值仿真和SPICE电路模拟,验证了惠普忆阻器特性。接着介绍了一种更加精确的忆阻器模型—Simmons隧道结模型,但其数学式过于繁琐,于是引入电压阈值自适应忆阻器(VTEAM)模型,通过实验仿真证明了 VTEAM模型与实际忆阻器更为贴近,通用性更好。然后介绍了现有的三种忆阻器逻辑电路,分别是MRL(Memristor Ratioed Logic)电路,MAD Gates(Memristor As Drivers Gates)逻辑电路和蕴含(IMPLY)逻辑电路。通过数学公式推论以及电路模拟,验证了每一种电路的有效性。同时,通过实验分析也发现每一种电路都有其自身相应的不足之处:MRL逻辑电路功能单一;MADGates电路以忆阻器的阻值作为电路的输入输出,在每一次操作之前需要初始化,级联特性一般;蕴含逻辑电路实现每一种逻辑功能需要的操作步骤较多,使得电路时延增大。其次,设计了一种忆阻器与CMOS混合逻辑电路,能够在同一电路中同时实现AND-OR-XOR-XNOR四种基逻辑功能。相较于MAD Gates,MRL,IMPLY逻辑电路,忆阻器数量和功耗均有大幅降低,电路性能更优,电路效率大幅提高。根据文章中提出的通用逻辑电路构建了一种新的全加电路及二值图像加密电路,相比于几种经典的忆阻逻辑,本文设计的加法电路只需要更少的元器件就能够实现同样的功能。本文设计的二值图像加密电路能够用两种不同的加密方式实现图像加密,密钥与电路相互独立,提高了加密结果的可靠性。最后,根据忆阻器的非易失特性和阻值可变特性,我们构建了一种基于忆阻器的即时存储结构。通过电路实验仿真,证明了不论存储器处于何种状态,该电路都能够即时对信息进行有效的存储,在此基础之上构建了大规模的存储阵列,使得信息可以被即时存储,长期保存。
【学位授予单位】:西南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TN60;TN70
【图文】:

示意图,忆阻器,交叉阵,计算结构


专用内核逦海量内存池逡逑图1.3惠普实验室“The邋machine”核心结构示意图,其中忆阻器作为通用存储设备逡逑自从惠普实验室宣布成功研制忆阻器以来,忆阻器受到了越来越多的研究学逡逑者的关注。除惠普忆阻器模型外,日本,美国等硬件厂商也相继推出各自的忆阻器逡逑交叉阵列[4,5]。国内外各大高校的研宄人员也相继投入到忆阻器的研宄热潮中。除逡逑惠普忆阻器模型以外,各种忆阻器模型也相继被提出,这其中,非线性离子迁移模逡逑型,自旋忆阻器模型%邋Simmons隧道结模型%阈值自适应忆阻器模型(TEAM)[8],逡逑电压阈值自适应忆阻器模型(VTEAM)[9]这几种忆阻器模型被研究学者广泛的应用。逡逑基于这些忆阻器模型,国内外的研宄团队展开了一些基础理论和应用的研宄。其中逡逑国外主要包括了密歇根大学团队[1Q,11],杜克大学陈怡然教授团队[6,12],加州大学伯逡逑克利分校团队[1

示意图,忆阻器,惠普,核心结构


多层结构逦类脑计算结构逡逑图1.2忆阻器交叉阵列结构及类脑计算结构逡逑2014年6月,美国惠普公司发布了全新一代的计算机架构,以忆阻器作为其逡逑全新架构的核心器件,并且将这种全新的架构命名为“The邋Machine”。忆阻器具有逡逑非易失特性,在掉电之后能够保证存储的信息不丢失,因此,“The邋Machine”具有逡逑同样的优点,并且能够进一步优化能耗。这种全新的架构存储速度快,并且功耗低,逡逑在新型存储研究领域有着巨大的应用潜能。逡逑1^3邋||^邋丨间邋|^|逦(8^逡逑||gj邋|n^|逦||^J逦(3^逡逑献电心片逡逑专用内核逦海量内存池逡逑图1.3惠普实验室“The邋machine”核心结构示意图,其中忆阻器作为通用存储设备逡逑自从惠普实验室宣布成功研制忆阻器以来,忆阻器受到了越来越多的研究学逡逑者的关注。除惠普忆阻器模型外,日本,美国等硬件厂商也相继推出各自的忆阻器逡逑交叉阵列[4

模型图,忆阻器,惠普,实验室


为其在逻辑存储及运算中的应用提供了理论依据。逡逑2.1惠普忆阻器逡逑惠普忆阻器模型是由美国惠普实验室于2008年首次提出[2_3]。根据图2.1可知,逡逑忆阻器的物理模型是由一个二氧化钛层和一个夹杂氧气空位的二氧化钛层被夹在逡逑两片柏金电极中所构成的。纯净的二氧化钛层是高阻的,而氧气空位使得二氧化钛逡逑材料具有导电性。当电流朝着一个方向流过设备时,边界在两种材料之间移动,导逡逑致了掺杂区的电导率增加。其结果就是使得设备的总的电阻减小。当电流往反方向逡逑流动时,绝缘的二氧化钛的数量增加且电阻也增加。当电流停止时,氧气空位区停逡逑止移动,设备的阻值保持在最后的时刻的状态。在这种情况下,两层之间的边界保逡逑持不动。换言之,忆阻器记下了有多少电流流过。逡逑^逦 ̄7逡逑Pt逦J逡逑逦逦n——K逦D逡逑Ti02逦逦邋^^逡逑.—Pt邋i—[逦npt逡逑Ti02-x逦D0pe(|邋(邋Undoped邋逦逡逑-nx逦-v"逡逑图2.1惠普实验室忆阻器模型逡逑2.1.1惠普忆阻器的数学模型逡逑惠普忆阻器数学模型如下:逡逑M(t)邋=邋Roff+(Ron-Roff)^逦(2.1)逡逑其中M⑷记为忆阻值,尺#和及。?是忆阻器电阻的极限值;是含有氧气空逡逑位二氧化钛层厚度的变化率,而D是薄膜的厚度。尺#是当《(0邋=邋0时忆阻器的阻逡逑值

【参考文献】

相关期刊论文 前3条

1 董哲康;段书凯;胡小方;王丽丹;;两类纳米级非线性忆阻器模型及串并联研究[J];物理学报;2014年12期

2 段书凯;胡小方;王丽丹;李传东;MAZUMDER Pinaki;;忆阻器阻变随机存取存储器及其在信息存储中的应用[J];中国科学:信息科学;2012年06期

3 胡小方;段书凯;王丽丹;廖晓峰;;忆阻器交叉阵列及在图像处理中的应用[J];中国科学:信息科学;2011年04期



本文编号:2789786

资料下载
论文发表

本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2789786.html


Copyright(c)文论论文网All Rights Reserved | 网站地图 |

版权申明:资料由用户292fa***提供,本站仅收录摘要或目录,作者需要删除请E-mail邮箱bigeng88@qq.com