氮掺杂氧化锌-氧化锌忆阻器突触可塑性研究

为了解决传统计算机中存储与运算之间的物理分离以及传输速度受限的问题,制备一种可用于神经形态计算的模拟型忆阻器,采用磁控溅射法在氧化铟锡导电玻璃衬底上依次完成氧化锌、氮掺杂氧化锌阻变层与银顶电极的沉积,对忆阻器的结构和电学性能进行表征、测试,并探究氮掺杂氧化锌薄膜厚度对忆阻器电学性能的影响。结果表明：制得的氮掺杂氧化锌-氧化锌忆阻器具有渐变式的电导切换行为,能够很好地模拟生物突触的可塑性,可用于神经形态计算;氮掺杂氧化锌薄膜厚度的增加有助于电学性能的稳定,减小氮掺杂氧化锌薄膜厚度,会显著增大电导响应的变化率。     

基于氧化铜纳米线的易失性数字识别忆阻器

为了实现易失性忆阻器在神经形态计算中的应用,制备一种基于银-氧化铜纳米线-铜结构的易失性数字识别忆阻器;采用化学溶液法和磁控溅射技术,分别制备忆阻器的氧化铜纳米线阻变功能层和银顶电极;对该忆阻器的结构、物相及电学性能进行表征、测试。结果表明：该忆阻器具有易失性和突触可塑性,低阻态会在1 000 s内退化到高阻态,阻变行为由金属银原子形成的导电丝的主导作用所致;该忆阻器对手写体数字的识别准确率高达92%,可应用于神经形态计算。     

面向神经形态系统的忆阻逻辑电路综述与展望

神经形态系统泛指受脑启发、使用非冯诺依曼结构体系的新型信息处理系统，由于其高度的并行计算能力、极低的功耗和存算一体的特征，逐渐成为了人工智能领域的研究热点之一.其中，逻辑电路是神经形态计算硬件实现的基本计算单元，对于构建新型神经形态系统具有重要的意义.现有的应用于神经形态系统的逻辑电路大多由二极管、三极管等传统元器件或集成芯片组成，在尺寸、性能方面存在限制.具有纳米尺寸、电阻可变且非易失、耗能低等特性的忆阻器为构建面向神经形态系统中的逻辑电路提供了新的思路.基于此，本文对近年来的忆阻逻辑电路进行了详细的梳理和分析，基于电路中输入输出逻辑状态变量的不同，将其大致分为输入输出变量均为电阻(R-R型)电路、输入输出状态变量均为电压(V-V型)电路、输入输出状态变量为阻值和电压的组合(R-V型/V-R型)电路3类.同时，从组成部分、计算方式、逻辑状态变量、外围电路的复杂度、能量损耗、级联能力、延时性7个方面对3类忆阻逻辑电路进行全面的对比和分析，总结不同电路拓扑结构的忆阻逻辑电路的优缺点.进一步，整理分析了现有忆阻逻辑电路在联想记忆、情感计算、模式识别等领域的潜在应用.针对忆阻逻辑电路在操作复...     

忆阻器类脑神经突触的研究进展

大脑之所以能够控制人和动物的复杂生命活动,使生物体在多变的自然环境得以生存,得益于大规模神经网络中高效、快速、精准的信息传递。神经突触作为神经元之间信息传递的重要机构,保证了神经网络的高效运转,因此构建具有神经突触功能的电子突触是研究仿生系统和类脑神经网络的必经之路。研究人员尝试各种电子元件对神经突触进行模拟,其中忆阻器由于其独特的器件结构和具有“记忆特性”的电学性能,成为构建类脑神经突触的最佳选择。文章全面概述近年来忆阻器模拟神经突触的研究进展,包括忆阻器模拟神经突触的可塑性、再可塑性、非联想学习、联想学习等功能,总结了忆阻器神经突触在人工神经网络中的应用、存在的问题和挑战,并对忆阻器神经突触的研究进行展望。     

国内期刊亮点

正实现室温下磁通驱动型忆耦器忆阻器、忆容器和忆感器是近年来新发现的3种具有记忆功能的电路元件,它们在构建类人脑突触存储、逻辑运算和神经形态计算等新型电子器件方面表现出巨大的潜力。中国科学院物理研究所孙阳、尚大大山山、柴一晟等通过理论分析,建立了基于非线性电荷-磁通关系的第4种记忆电路元件——忆耦器的理论模     

基于忆阻器的鉴相电路设计与分析

分析忆阻器的基本理论,推导忆阻器阻值与电量、时间的函数关系,使用Simulink建立忆阻器模型,并验证该模型在正弦信号激励下,电流和电压具有滞回特性.设计基于忆阻器的鉴相电路,将相位差测量转化成对脉冲宽度的测量,对方法进行理论分析,并通过仿真实验验证了电路的功能.通过仿真、计算,得到忆阻器在边界非线性效应的影响下,非线性误差为9.82%.     

氧化锌/氧化钽双介质层忆阻器的突触特性分析

人工突触的开发是模拟人脑功能的关键。忆阻器由于具备独特的电阻记忆行为,在人工突触研究领域得到广泛的关注。氧化钽和氧化锌均是优良的忆阻器材料,鉴于有关ZnO/TaOx双介质忆阻器突触特性的研究较少,本文将氧化锌介质层引入Ti/TaOx/ITO忆阻器中拟改善其突触性能。研究发现,器件Ti/ZnO/TaOx/ITO在功耗和电导调制线性度方面皆有改善,并有着电阻渐变的行为,利于器件突触功能的实现及应用。为此对Ti/ZnO/TaOx/ITO双介质层器件进行了电压脉冲训练,并成功模拟了学习饱和、经验学习以及短时程记忆向长时程记忆转变等生物突触行为。     

基于忆阻器的近似计算方法

忆阻器是一种非易失性存储器件,目前主要有两种方法用忆阻器实现通用计算:通过忆阻器交叉开关阵列支持神经网络来逼近任意函数;用忆阻器构造基础的门电路,再进一步实现任意Boole逻辑计算.前者存在误差难以控制的问题,后者相比传统数字电路优势不显著.该文设计了一种针对忆阻器的通用近似计算范式,基于忆阻器的硬件架构通用现场可编程...     

脉冲神经网络的忆阻器突触联想学习电路分析

忆阻器是具有动态特性的电阻,阻值可依赖于激励电压来变化,具有类似于生物神经突触连接强度的特性,可用来存储突触权值。在此基础上为实现忆阻器突触电路的学习功能,建立了“整合激发”型神经元SPICE仿真电路,修改了原始神经元电路结构,并对电路的脉冲信号产生过程进行了SPICE仿真。结合MOS管及忆阻器的特性重新设计了神经元突触电路结构,使突触电路更符合真实生物神经突触特征。在应用此设计的基础上,实现了2个神经元所构成神经网络之间类似于Hebbian学习的平均激发率学习规则。并且在基于多个神经元的神经网络的基础上     

电极材料对NbOx Mott忆阻器稳定性的影响

为了改善NbO_xMott忆阻器电学稳定性和一致性，提升NbO_x Mott忆阻器构建人工脉冲神经元的应用潜力，研究制备了通孔型NbO_x Mott忆阻器，并对比研究了Pt、W电极材料对器件稳定性和一致性的影响。研究结果表明，相较于常见报道的Pt电极器件，采用W电极的NbO_x Mott忆阻器表现出了更为优越的稳定性和一致性。此外，利用NbO_x Mott忆阻器搭建了振荡电路，成功实现了人工脉冲神经元的功能。基于W电极NbO_xMott忆阻器的人工脉冲神经元可以稳定振荡时间超过10⁶ s,循环耐久性可达10¹²次以上，其振荡波形的幅度及频率稳定性远好于基于Pt电极的人工脉冲神经元。进一步的XPS结果显示，在基于W电极的NbO_xMott忆阻器中，W和NbO_x界面生成了一层致密的WO_x层，有效地阻挡了氧空位在NbO_x材料中的迁移。相比之下，基...     

基于忆阻器蕴含门的逻辑电路综合进化算法

为了减小电路延迟,提出基于忆阻器蕴含门的逻辑电路综合多阶段进化算法(IMP-ELS),求得在工作忆阻器数目取不同值的条件下的脉冲数优化电路.将问题建模为等式约束下的最小化问题,当约束违反降低到一定程度时,通过判别当前最优解与待求函数真值表符合的条件,计算与、或、异或三种余项函数之一,将其作为新的待求函数,启动新一轮进化,从而保证得到电路的可行解;设计蕴含门逻辑电路编码及初始化方法,减少随机初始化种群中的非法解和冗余门.对2~11bit标准逻辑函数测试结果表明:当工作忆阻器数目由2增大到3时,该算法对82%的测试函数平均脉冲数降低了28%.     

基于Simulink的忆阻器模型

为了使忆阻器具有与其他器件相结合的能力,本文在惠普实验室提出的忆阻器物理模型电路关系的基础上,在Simulink中用二种方法对忆阻器进行了双端口建模,方便准确的实现了对于忆阻器的仿真。与编写M文件、构建图形用户界面和搭建输入输出模型的建模方法相比,基于Simulink的双端口模型不仅能够方便准确的观察忆阻器的输入输出特性,而且具有更广阔的应用范围,对于忆阻器的研究有一定的指导作用。     

多种连接模型的忆阻神经网络学习

忆阻器以其独特的非易失性、天然的记忆功能以及纳米级尺寸,在人工神经网络、信号处理和模式识别等方面展现了巨大的应用前景。采用了基于STDP学习规则的忆阻神经网络,运用了网络自适应突变以及网络拓扑结构变化的基因算法,其中包括隐藏层神经元个数,连接权重以及神经网络突触模型的变化。比较了基于HP线性忆阻器模型,非线性忆阻器模型以及阈值模型这3种不同忆阻器模型的忆阻神经网络,并提出了学习效果更好的混合型忆阻神经网络。     

参数扰动下时滞忆阻神经网络的Lagrange稳定性

根据忆阻器物理特性,建立了一类荷控忆阻神经网络模型,模型中忆阻器的记忆特性被保留.针对实际忆阻器阻值与理想模型存在差异造成忆阻神经网络中参数不确定的问题,研究参数扰动下时滞忆阻神经网络的Lagrange稳定性.将模型重构为双重扰动形式以处理忆阻器忆阻值变化造成的模型中的参数变化.通过构造Lyapunov函数和应用线性矩...     

一种含有磁控忆阻器的四阶混沌电路的特征分析

该文提出了一种简单的磁控忆阻器模型,并利用它设计了一个混沌电路。通过数值模拟计算得到了一个三维带状混沌吸引子,且此时忆阻器的伏安特性曲线不是传统的"8"字形。通过计算系统的相图、分岔图和Lyapunov指数谱,发现调节电容参数或忆阻器初始状态可以实现电路系统在混沌态和各周期态之间的转变,发现调节磁通能使系统出现二周期到四周期再回到二周期的奇特分岔现象。该研究工作对利用忆阻器设计混沌电路并应用于密码通信具有积极的参考价值。     

有源荷控忆阻器在非线性电路中的应用

根据理论分析,搭建了一种新的二端口有源忆阻器.该有源荷控忆阻器不使用光敏电阻和数字电位器,理论上比较精确,并且容易在实验中实现.仿真和实验证明了这种有源忆阻器和真正的无源忆阻器具有相同的电路特性.此外还将该有源忆阻器加入到蔡氏混沌电路中,在非线性电路中成功实现混沌现象,证明了它可以等效于一个二端口元件接入其它电路工作,为忆阻器的应用打下了基础.     

基于电流反馈的双通道忆阻器写操作方法

提出了一种基于电流反馈控制的双通道忆阻器写操作方法,利用镜像电流源分别作用于参考通道和忆阻通道,讨论了参考通道对写操作精确度的影响,并与一种经典的电压反馈控制忆阻器写操作方法进行数值分析和电路仿真比较.结果表明:这种方法对忆阻器的写操作将具有更好的准确度和可靠性,证明了这种具有参考通道的忆阻器写操作方法的可行性.     

忆阻器应用于人工神经网络的前景与展望

忆阻器理论的建立为电子电路设计带来了新的发展空间,将对于人工神经网络的研究进程起到巨大的推动作用。本文介绍了忆阻器的主要特性和优势,以及展望了忆阻器在人工神经网络权值存储上的发展前景。     

含忆阻器的并联混沌电路动力学分析

忆阻器在保密通信、图像加密中具有重要应用价值。本文提出一种有源压控忆阻器,将该忆阻器和电容、电感并联构成了一个基于忆阻器的并联混沌电路,建立了该系统的无量纲数学模型。采用基本动力学分析方法对系统进行分析,计算了该电路的Lyapunov指数和Lyapunov维数,通过数值仿真得出该系统的相轨图和Poincaré映射,分析了系统的平衡点稳定性,采用Lyapunov指数谱和分岔图等分析方法,研究了电路参数改变对系统动力学行为产生的影响。数值仿真和理论分析结果表明,该系统可以产生一类特殊的超混沌吸引子,并且随着电路参数的变化产生复杂的非线性动力学行为。     

一种忆阻扫描触发器设计

基于惠普公司的忆阻器模型,提出一种可支持断电模式的选择扫描触发器电路.数据可以从主从触发器中被传输存储到忆阻器中,在触发器被断电期间,忆阻器一直保持该数据.当扫描触发器处于唤醒时刻,忆阻器所保持的数据可以被控制回传到主从触发器中.采用惠普公司提供的忆阻器模拟电路仿真模型进行仿真验证,仿真数据及波形表明,该电路可以满足集成电路的低功耗扫描测试需求.