基于非晶硅基忆阻器的MIGs非易失运算单元研究

发布时间：2021-07-31 23:35

　　在信息爆炸式增长、超级计算能力日益重要的今天,依靠微缩晶体管提升计算性能的方式难以维持,冯诺依曼架构的存算分离瓶颈使这一问题日益凸显。忆阻器是一种新原理纳米信息器件,凭借低功耗、高速度、高集成度、兼具计算存储融合的优势,成为“后摩尔”时代突破冯诺依曼计算架构的关键器件。本文针对适合于二值逻辑计算的非晶硅基忆阻器件进行了电学测试分析,结合忆阻器电化学导电机理,建立了可用于电路仿真的非晶硅基忆阻器紧凑模型。采用择多-非-图（MIGs）逻辑架构,设计了基于忆阻器的非易失基本逻辑运算单元,该基本单元不仅可以实现完备的MIGs逻辑计算,还与忆阻器的存储结构crossbar兼容,实现了计算存储融合。最后,设计了基本计算单元的级联方法,采用本文设计的非晶硅忆阻器紧凑模型,仿真实现了crossbar阵列中一位全加器的运算,且运算步骤和参加运算的忆阻器数目较少,在同类研究中处于先进水平。本文的主要工作如下:第二章综述了忆阻器的物理模型及基于忆阻器的MIGs计算方法。首先综述了忆阻器的宏观物理模型和随机物理模型,其次对基于忆阻器的逻辑计算原理及MIGs计算方法进行了介绍。第三章对非晶硅忆阻器进行测量分析,... 

【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：78 页

【学位级别】：硕士

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013年和2015年国际半导体技术路线对门长度的预测

图 1.2 冯诺依曼架构示意图[5]信息存储与逻辑计算融合的新型计算架构是一种解决“冯诺依。将存储与计算从物理与过程两方面进行融合，不但减小了信中的传递距离、降低延迟，并且避免很多不必要的读取写入操算机性能。作为一种非易失的存储介质，忆阻器也具有实现逻件两端电压的变换或利用器件之间电阻耦合的特性，忆阻器能。因此低功耗、高速度、高集成度、兼具信息存储与计算功颠覆性计算技术的一种可能。 忆阻器应用于非易失计算的优势器（Memristor）概念于 1971 年由加州大学伯克利分校蔡少棠8 年由美国惠普（HP）实验室在 TiO2器件中首先实现[8]。忆荷流经的方向和数量发生相应变化；当不再有电荷流经时，阻非易失性。忆阻器的非易失电阻转变特性既可满足存储器的大的开关窗口（＞10）实现逻辑运算，能够融合存储与计算功

图 1.3 几种候选纳米器件与现有晶体管 SRAM 性能比较[32]1.2 国内外研究现状国内研究现状主要从忆阻器阻值转变机制，应用于逻辑运算的忆阻器件，基于忆阻器的逻辑逻辑运算方法和架构进行介绍。1.2.1 忆阻器阻值转变机制2009 年，亚琛工业大学的 Waser 教授根据主导电阻转变行为的物理化学机制，将电阻转变机制分为纳米机械机制、分子转变机制、静电电子机制、电化学金属化机制、化学价变化机制、热化学机制、相变存储机制、磁电阻机制、铁电隧穿机制等[33]。在忆阻器中使用的阻值转变机理主要为：电化学金属化(ElectrochemicalMetallization,，ECM)理论和化学价变化机制。其中电化学金属化理论在 Waser 教授 2009 年的文章中对电化学金属化理论器件的转变机制进行总结归纳，并提出ECM 模型[33]，该模型认为 ECM 器件产生电阻转变现象的原因是在电激励下固态


本文编号：3314394