憶阻器特點(diǎn)及其應(yīng)用研究

小組成員：孫雪蕾

張東嶸

王天為

龐文博憶阻器的特點(diǎn)及其

應(yīng)用研究TheMachine？目錄一、憶阻器的誕生及基本知識(shí)

二、HP憶阻器模型研究

三、憶阻器仿真與特性研究

四、憶阻器的應(yīng)用研究1.1憶阻器概念的提出

1971年，蔡少棠教授根據(jù)電路理論的完備性，從物理學(xué)的對(duì)稱角度出發(fā)預(yù)言了除電阻、電容、電感之外的第四個(gè)基本電路元件——憶阻器的存在。圖1憶阻器提出的依據(jù)憶阻器連接了磁通ψ與電荷q，二者應(yīng)滿足函數(shù)關(guān)系：1.1憶阻器概念的提出當(dāng)由電荷的單值函數(shù)表示時(shí)，稱其為電荷控制型憶阻器，可由下式表示：結(jié)合已知的關(guān)系：因此，M是與電阻具有相同量綱的物理量，單位為歐姆，數(shù)值上等于某一時(shí)刻憶阻器兩端電壓與電流的額比值（計(jì)算）。其大小決定于流經(jīng)憶阻器的電荷量q。對(duì)稱的，當(dāng)由磁通的單值函數(shù)表示時(shí)，可得磁通控制型憶阻器。函數(shù)關(guān)系為：圖1憶阻器提出的依據(jù)1.1憶阻器概念的提出

1971年蔡少棠教授根據(jù)電路理論的完備性在“Memristor-TheMissingCircuitElement”一文中指出了第四種無源元件-憶阻器的存在。圖1憶阻器提出的依據(jù)

1.2HP憶阻器的誕生

2008年5月，首個(gè)納米級(jí)憶阻器物理模型在美國(guó)惠普實(shí)驗(yàn)室誕生，證實(shí)了憶阻器的存在。2008年11月，惠普實(shí)驗(yàn)室在憶阻系統(tǒng)研討會(huì)上展示了世界首個(gè)3D憶阻混合芯片。圖3HP公司憶阻器模型2.1HP憶阻器的結(jié)構(gòu)

HP公司憶阻器模型由將兩層納米級(jí)的二氧化鈦薄膜夾在兩片鉑片內(nèi)。其中一層摻雜有氧空位，導(dǎo)電性很高，被定義為摻雜區(qū)；另一層沒有摻雜，被定義為非摻雜區(qū)，具有很高的阻抗。當(dāng)給憶阻器施加一個(gè)外部偏置電壓時(shí)，摻雜區(qū)和非摻雜區(qū)的邊界會(huì)隨著帶電雜質(zhì)的漂移而移動(dòng)。圖3HP公司憶阻器模型2.2HP憶阻器的數(shù)學(xué)模型圖3HP公司憶阻器模型電壓電流關(guān)系：電阻表示式：w(t)變化速率表達(dá)式：上式積分得到w（t）與q（t）關(guān)系：2.2HP憶阻器的數(shù)學(xué)模型歸一化：窗函數(shù)：實(shí)際的粒子遷移到達(dá)邊界時(shí)速度逐漸減小到0，而以上數(shù)學(xué)關(guān)系中并不能體現(xiàn)這一現(xiàn)象，顧用窗函數(shù)對(duì)進(jìn)行限制。2.2HP憶阻器的數(shù)學(xué)模型公式整理如下：其中：

值得一提的是，HP憶阻器可以看作是蔡少棠教授最初對(duì)憶阻器定義的一個(gè)特殊情況，其區(qū)別在于HP憶阻器所表示的電荷和磁通的關(guān)系是一種近似線性的特性，而蔡少棠教授并未指出電荷磁通滿足的某種關(guān)系的具體內(nèi)容。3.1憶阻器仿真模型3.1憶阻器仿真模型3.2憶阻器仿真部分代碼*MEMRISTOR*Ron,Roff-ResistanceinON/OFFStates*x0-initialxatT=0*D-Widthofthethinfilm*uv-Migrationcoefficient*p-ParameteroftheWINDOW-function*formodelingnonlinearboundaryconditions*x-W/DRatio,Wistheactualwidth*ofthedopedarea(from0toD)**TheModelofMemristor.SUBCKTmemristorTEBE.paramRon=100Roff=10Kx0=0.56D=12Nuv=50Fp=7Gx0XSVvalue='I(Gmem)*Ron*uv*(1-pow((2*V(XSV)-1),(2*p)))/pow(D,2)'CxXSV01.icV(XSV)=x0GmemTEBEvalue='(V(TE)-V(BE))/(Ron*V(XSV)+Roff*(1-V(XSV)))'.ENDsmemristorXmemTE0memristorVin0TESIN(04V10000).tran100U0.5s.printtranV(TE)I(Vin).END3.3憶阻器仿真結(jié)果3.4憶阻器仿真結(jié)果分析3.4憶阻器仿真結(jié)果分析3.4憶阻器仿真結(jié)果分析4.1.1在通信領(lǐng)域的應(yīng)用與展望1、在電路（濾波電路）設(shè)計(jì)的應(yīng)用2、在電子器件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用3、在保密通信中的應(yīng)用圖片描述：右圖中為一個(gè)由17個(gè)憶阻器列成一排而組成的簡(jiǎn)單電路，其中每個(gè)憶阻器有一個(gè)底部導(dǎo)線，其與器件的一端相連；還有一個(gè)頂部導(dǎo)線，其與器件的另一端相連。4.1.1在通信領(lǐng)域的應(yīng)用與展望1、在電路（濾波電路）設(shè)計(jì)的應(yīng)用2、在電子器件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用3、在保密通信中的應(yīng)用圖片描述：右圖是一個(gè)能學(xué)習(xí)的納米元件：比勒菲爾德大學(xué)研制的憶阻器被內(nèi)置于比人頭發(fā)薄600倍的芯片中。4.1.2在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用與展望1、在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用2、生物行為仿真圖片描述：圖片展示的是單一憶阻器如何通過與人腦相同的方式學(xué)習(xí)同樣的技術(shù)。（神經(jīng)元間的突觸通過傳遞電信號(hào)->化學(xué)信號(hào)->電信號(hào)的方式傳遞信息，憶阻器在原理上與之相同。科學(xué)家認(rèn)為是憶阻器是以幾乎與大腦突觸相同的「STDP(spiketimingdependentplasticity)」模式，來響應(yīng)同步電壓脈沖，）4.1.3在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用與展望1、在數(shù)據(jù)儲(chǔ)存中的應(yīng)用2、改變計(jì)算機(jī)搜索處理模式圖片描述：圖為惠普首席技術(shù)官(CTO)兼實(shí)驗(yàn)室主管的MartinFink。Fink說：“作為公司的研發(fā)部門，惠普實(shí)驗(yàn)室曾一度被尊稱為整個(gè)硅谷的新產(chǎn)品研發(fā)和開拓新市場(chǎng)的‘穩(wěn)定來源’。但是近年來，境況已大不如前，我們需要開發(fā)出可用于打造更好的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的必要組件?！边@其中，就包括這個(gè)研究項(xiàng)目：一種名叫“憶阻器”（memristors）新形內(nèi)存，以及在計(jì)算機(jī)內(nèi)使用光代替銅線來傳輸數(shù)據(jù)的硅光技術(shù)。4.1.3在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用與展望1、在數(shù)據(jù)儲(chǔ)存中的應(yīng)用2、改變計(jì)算機(jī)搜索處理模式Hewlett-Packard’splanforTheMachine,anewtypeofcomputer,featurespowerfulprocessorsdesignedforspecifictasksandasinglemassivememorypool,allconnectedviaopticalcommunications.Thisapproachpromisestomakecomputersfasterandmoreenergyefficient,andbetterabletohandlehugeamountsofdata.4.1.3在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用與展望1、在數(shù)據(jù)儲(chǔ)存中的應(yīng)用2、改變計(jì)算機(jī)搜索處理模式CloseupofHPMemristordevicesona300millimeterwafer.4.2我們的假設(shè)——兩種狀態(tài)模擬態(tài)數(shù)字態(tài)條件阻值R=f(U)應(yīng)用模擬器件邏輯器件類比三極管放大區(qū)飽和區(qū)、線性區(qū)4.2我們的假設(shè)——兩種狀態(tài)模擬態(tài)數(shù)字態(tài)條件阻值R=f(U)應(yīng)用模擬器件邏輯器件類比三極管放大區(qū)飽和區(qū)、線性區(qū)4.2我們的假設(shè)——兩種狀態(tài)模擬態(tài)數(shù)字態(tài)條件阻值R=f(U)應(yīng)用模擬器件邏輯器件類比三極管放大區(qū)飽和區(qū)、線性區(qū)4.2我們的假設(shè)——兩種狀態(tài)模擬態(tài)數(shù)字態(tài)條件阻值R=f(U)應(yīng)用模擬器件邏輯器件類比三極管放大區(qū)飽和區(qū)、線性區(qū)4.2.1憶阻器的應(yīng)用實(shí)踐應(yīng)用1：圖像處理——運(yùn)動(dòng)物體識(shí)別憶阻器功能：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)假設(shè)：分辨率足夠高；清零原理：差分法狀態(tài)：模擬態(tài)

阻值隨電壓值的改變而改變工作在模擬態(tài)時(shí)，阻值和電壓時(shí)單值函數(shù)關(guān)系攝像頭RGB圖像N=2k+1幀N=2k幀灰度圖像M1M2(k=0,1,2…)Upload1.憶阻器工作在模擬態(tài)2.先清零，再加載M3CheckDiff

憶阻器陣列1.通過電流檢測(cè)電阻2.計(jì)算差值Upload到M3M4Threshold

設(shè)置閾值電阻R0if(R>R0):R=1,elseR=0模擬態(tài)數(shù)字態(tài)Upload關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)代碼Upload(frame,Mn)CheckDiff(M1,M2,M3);cvThreshold( M3,

M4, R0, 255, CV_THRESH_BINARY);

4.2.2憶阻器的應(yīng)用實(shí)踐應(yīng)用2：與非門電路憶阻器功能：邏輯特性狀態(tài)：數(shù)字態(tài)

高電壓時(shí)憶阻器呈現(xiàn)低阻態(tài)Ron

低電壓時(shí)憶阻器呈現(xiàn)高阻態(tài)Roff優(yōu)點(diǎn)：儲(chǔ)存密度大，非易失性。謝謝人物簡(jiǎn)介L(zhǎng)eonChua，現(xiàn)任加利福尼亞大學(xué)Berkeley分校電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授。2005年獲得IEEEGustavRobertKirchhoff獎(jiǎng)(IEEE電路與系統(tǒng)領(lǐng)域最高獎(jiǎng))，2000年獲得IEEENeuralNetworksPioneer獎(jiǎng)，1974年當(dāng)選I