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电子与信息学报 2021年第6期43卷 1498-1509页

作者：张章李超韩婷婷许傲程心刘钢解光军合肥工业大学电子科学与应用物理学院合肥230601 上海交通大学电子信息与电气学院上海200240

忆阻器的低功耗、高响应、纳米级、非易失性等特性,在实现非冯·诺依曼计算架构中展现出巨大潜力。基于忆阻器的高密度横梁阵列可实现数据存储及并行计算一体的逻辑电路和类脑计算电路。此外,纳米传感器与忆阻器进一步集成,采集的信号... 详细信息

忆阻器的低功耗、高响应、纳米级、非易失性等特性,在实现非冯·诺依曼计算架构中展现出巨大潜力。基于忆阻器的高密度横梁阵列可实现数据存储及并行计算一体的逻辑电路和类脑计算电路。此外,纳米传感器与忆阻器进一步集成,采集的信号直接送往忆阻器阵列进行运算和存储,感知、存储与计算一体化的芯片技术成为新的研究热点。该文对基于忆阻器的存算一体技术、感存算一体技术的研究现状进行综述,并给出研究前景展望。

关键词：忆阻器感存算一体非冯·诺依曼计算架构

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基于忆阻器的感存算一体技术研究进展

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微纳电子与智能制造 2019年第4期1卷 87-102页

作者：李锟曹荣荣孙毅刘森李清江徐晖国防科技大学长沙410073

基于CMOS器件的传统冯·诺依曼计算架构愈发难以满足智能化发展日益增长的计算能效和速度需求,探寻新物理原理的基础器件并在此基础上发展存算一体架构成为学术界和产业界关注的前沿热点,基于忆阻器的存算一体技术不断取得重要进展,展... 详细信息

基于CMOS器件的传统冯·诺依曼计算架构愈发难以满足智能化发展日益增长的计算能效和速度需求,探寻新物理原理的基础器件并在此基础上发展存算一体架构成为学术界和产业界关注的前沿热点,基于忆阻器的存算一体技术不断取得重要进展,展现出巨大的发展潜力。在此基础上,结合跨工艺单片集成技术的发展,微纳传感器与忆阻器存算一体器件进一步集成,构建感知、存储与处理一体化的单元成为该领域发展新的技术增长点。对基于忆阻器的存算一体技术、感存算一体技术的主要研究方向、研究进展、存在问题进行综述,分析该领域的发展规律,提出发展思考。

关键词：忆阻器非冯·诺依曼计算架构存算一体感存算一体

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基于SRAM的感存算一体化技术综述

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电子与信息学报 2023年第8期45卷 2828-2838页

作者：杨兴华杨子翼苏海津姜炜煌张静魏琦骆丽王忠静吕华芳乔飞北京林业大学理学院北京100091 北方工业大学信息学院北京100041 北京交通大学电子信息工程学院北京100044 清华大学北京100084

基于SRAM(静态随机存取)存储器的感存算一体化芯片架构将传感、存储和计算功能结合,通过使存储单元具备计算能力,避免了计算过程中数据的搬移,解决了冯诺依曼架构所面临的“存储墙”的问题。该结构与传感器部分结合,可以实现超高速、超... 详细信息

基于SRAM(静态随机存取)存储器的感存算一体化芯片架构将传感、存储和计算功能结合,通过使存储单元具备计算能力,避免了计算过程中数据的搬移,解决了冯诺依曼架构所面临的“存储墙”的问题。该结构与传感器部分结合,可以实现超高速、超低功耗的运算能力。SRAM存储器相较于其他存储器在速度方面具有较大优势,主要体现在该架构能够实现较高的能效比,在精度增强后可以保证较高精度,适用于低功耗高性能要求下的大算力场景设计。该文调研了近几年来关于感存算一体化的研究,介绍了传统感知系统和持续感知系统及感算共融系统,并介绍了基于SRAM存储器的感存算一体芯片最常见的几种计算单元结构,在电压域、电荷域和数字域考察了基于SRAM的感存算一体的研究发展,进行分析对比其优劣势,结合调研分析讨论了该领域的未来发展方向。

关键词：感存算一体 SRAM存储器冯诺依曼计算架构

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基于MoOx薄膜的光电忆阻器件性能研究

基于MoOx薄膜的光电忆阻器件性能研究

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作者：杜怡明东北师范大学

学位级别：硕士

人脑不但可以处理信息,还可以同时存储信息,计算效率很高并且可以达到低功耗运行。因此,在目前的人工智能领域,科学家们开始主要研究开发类脑智能硬件和实现类脑计算。忆阻器作为第四种基本电路元件,集存储和逻辑运算能力于一体,而且它... 详细信息

人脑不但可以处理信息,还可以同时存储信息,计算效率很高并且可以达到低功耗运行。因此,在目前的人工智能领域,科学家们开始主要研究开发类脑智能硬件和实现类脑计算。忆阻器作为第四种基本电路元件,集存储和逻辑运算能力于一体,而且它的工作特性和运行机制与大脑中连接神经元之间的突触非常相似,被广泛的应用于类脑神经突触的仿生探究。相比于传统的电学忆阻器件,具有光电响应能力的忆阻突触器件具有更快的操作速度、更灵活的调控能力,并且消除了电信号带来的电焦耳热影响,具有着将光信号感知、处理和存储集中于单个器件的集成潜力。因此,在当前的大数据时代,光电忆阻器被认为是解决冯·诺依曼瓶颈、进一步探究感存算一体技术领域的重要器件基础。氧化钼作为一种典型的光致变色材料,在光信号的诱导下会发生价态的改变,是很好的光电忆阻器备选材料。因此,本论文基于具有良好光电响应的氧化钼材料,进行了以下研究:1.基于MoO单层薄膜忆阻器件光电特性研究:利用氧化钼材料光致价变的特性,采用磁控溅射技术制备了W/MoO/ITO光电忆阻器件,分别利用光信号和电信号均得以实现了基本的人工突触功能模拟。实现了电学忆阻行为模拟,并且在全波段范围内实现光致增强现象。在对紫外光信号的增强功能的特性探究中,发现器件对320-380 nm的紫外光信号的增强现象具有时间依赖特性和强度依赖特性,增强了器件对于光信号的可调节能力。最后在感存算一体技术方面进行了相关探索性研究,实现了图像识别、处理以及全光脉冲序列输入的Reservoir computing储层计算功能。***/Zn O异质结全光忆阻器件特性研究:光电忆阻器中,通常应用光学信号和电学信号协同作用,这需要相对复杂的电路设计。而研究全光学信号调制的光电忆阻器件能够很好地避免这一问题。所以依据原始器件光电特性重新进行结构设计,采用磁控溅射技术制备了结构为W/Zn O/MoO/ITO的全光忆阻器件,利用氧化锌和氧化钼构成的异质结结构,实现了短波长光增强、长波长光抑制的全光调制功能,使器件的光可逆调制功能更加灵活可调。最后也对器件进行了在感存算一体技术领域的应用探究,实现了低级别图像预处理功能,增加了降噪作用,并且实现了“与”、“非”和新型的“非实质蕴涵”逻辑电路。

关键词：光电忆阻器全光控忆阻器氧化钼感存算一体

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ZrO2/IGZO双层结构忆阻器的电导特性调控及神经形态应用研究

ZrO2/IGZO双层结构忆阻器的电导特性调控及神经形态应用研究

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作者：陈鑫湖北大学

学位级别：硕士

进入互联网时代后,在云计算、人工智能、物联网的推动下,全球数据产生量呈爆发式增长,算力需求大幅提升。人脑神经形态系统能并行处理信息且能耗较低,因而推进神经形态应用研究是解决当前算力难题的有力手段。忆阻器,因其与人脑中的突... 详细信息

进入互联网时代后,在云计算、人工智能、物联网的推动下,全球数据产生量呈爆发式增长,算力需求大幅提升。人脑神经形态系统能并行处理信息且能耗较低,因而推进神经形态应用研究是解决当前算力难题的有力手段。忆阻器,因其与人脑中的突触结构类似,具有构建人工神经形态硬件系统的强大潜力。本文基于氧化锆基忆阻器,研究其阻变性能提升的方案并模拟突触特性,进而实现人工伤害感受器以及触觉感知模拟,由此为忆阻器在神经形态方面的应用研究提供科学依据。论文首先制备了Pt/ZrO/TiN单层结构忆阻器和Pt/ZrO/IGZO/TiN双层结构忆阻器。相较于Pt/ZrO/TiN单层忆阻器,插入3 nm的IGZO功能层后,Pt/ZrO/IGZO/TiN双层忆阻器的Forming电压减小了2.1 V,窗口值提升了11.3倍,V离散系数由3.6%提升至2.7%。以上结果表明,双层忆阻器具备更好的循环稳定性及转变电压分布一致性。而且,双层结构忆阻器还具备良好的多级存储特性和数据保持特性。论文进一步采用脉冲信号来调控双层结构忆阻器的电导特性,并研究其在生物突触可塑性方面的模拟。对器件在同一电极上施加两个连续的脉冲对,实现了双脉冲易化(PPF)特性;对器件在不同电极上施加具有时间差的脉冲对,实现了尖峰时序依赖可塑性(STDP)特性;对器件施加不同频率的脉冲序列,实现了尖峰速率依赖可塑性(SRDP)特性;对器件施加不同极性的脉冲序列,实现了长时程抑制(LTD)和长时程增强(LTP)特性。论文在Pt/ZrO/IGZO/TiN双层结构忆阻器优异的突触可塑性基础上,研究了它在生物伤害感受器方面的应用,通过调控脉冲的幅值、宽度、频率,实现了阈值特性、不适应特性、痛觉过敏特性和痛觉超敏特性等生物伤害感受器的类脑行为。最后,实验搭建了感存算一体电路。在电路中实现了忆阻器电流响应随压力传感器受力而变化的行为,与人体触觉系统中皮肤感知不同压力时的行为变化相一致,由此模拟了人体触觉感知。综上所述,本文对比了单层结构忆阻器和双层结构忆阻器的阻变性能,发现双层结构忆阻器的各项阻变性能均更加优异。进一步研究并实现了突触仿生功能和人工伤害感受器功能,搭建感存算一体电并成功模拟人体的触觉感知行为。这对忆阻器在神经形态领域的应用具有重大意义,为后续成功实现多模式感知模拟及感存算一体化发展提供切实可行的思路。

关键词：双层结构忆阻器人工突触人工伤害感受器感存算一体

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