忆阻器的功能电路设计技术及可靠性研究

Memristor is considered as the fourth basic circuit element and possesses great application prospectives in the field of nanoelectronic technology. In the project, by theoretical and simulation verification, the theory and application problems of memristor device will be investigated from the views of device mechanism and property,logic function circuit and array structure. Firstly, effective simulation model suitable for very large scale circuit design is established, relationships between device mechanism and property parameters are investigated.The approach of Gamma test is introduced to handle the problems of simulation convergence and precise prediction. The purpose is to find the control law of device property. Then, function characteristics of the hybrid structures basic cell of memristor and CMOS are explored and the relationship between logic function realization and connection method is found. The circuit design structures of novel basic logic gates and full adder will be proposed.Their functions reliabilities will also be verified. Finally, a design scheme of reliable programming on the memristor crossbar array is proposed. Selection regions of threshold voltages and fault-tolerant structure of memristor array are studied. A realization manner of the weight circuit design of cellular neural network based on memristor crossbar array is developed. The development and the prospective achievements of the project can not only strengthen our general cognition to memristor device, but also can provide important theoretic supports in experimental fabrication of designed circuits.

忆阻器作为第四种基本电路元件在纳电子技术领域具有广泛的应用前景。本项目拟采用理论研究和仿真验证相结合的方法，从器件工作特性、逻辑功能电路及阵列结构这三个角度来探讨忆阻器理论与应用问题。首先建立适用于大规模电路设计的有效仿真模型，深入研究忆阻器的工作机理与器件特性参数之间的关系，拟引入近邻测试(Gamma test)方法，解决仿真不易收敛和精确预测问题，获得能控制忆阻器工作特性的规律。其次研究忆阻器与CMOS混合结构基本单元的工作特性，找出逻辑功能实现与连接方式之间的关系，提出新型基本数字逻辑门电路和全加器的设计结构，并进行功能验证和可靠性分析。最后提出一种用于忆阻器交叉杆阵列可靠编程的设计方法，研究忆阻器阈值电压的选取范围和阵列的容错性结构；提出忆阻器交叉杆阵列用于细胞神经网络权值的电路设计实现方式。本项目的开展及预期研究结果可对忆阻器的深入认识和设计电路的实验加工提供重要的理论指导。

忆阻器是一种基于“记忆”外加电压或电流历史而动态改变其内部电阻状态的电阻开关。它具有超小尺寸，极快擦写速度，超长擦写寿命，多阻态开关特性和良好的CMOS兼容性，因而被业内视为未来存储计算和类脑计算（神经形态计算）技术的重要候选者。在国家自然科学基金（批准号：61401498）的资助下，空军工程大学冯朝文等人开展了忆阻器模型优化、逻辑电路模块及可靠性、交叉线阵列结构及图像处理应用等系统性研究工作，取得了一系列重要成果：.1. 创造性地利用光滑exp指数函数逼近阶跃函数和绝对值函数，修正截断误差和舍入误差，得到优化完善的双极性忆阻器模型，解决了模型曲线不光滑连续导致仿真不易收敛的问题。由该模型设计出的基本蕴含逻辑门，解决了电路逻辑状态漂移行为问题，提高了运算的速度、精度和可靠性。.2. 改进了全加器结构，减少了器件使用数量，解决了逻辑输出高低电平不饱和问题，缩短了电路延迟时间，逻辑输出更准确。提出一种忆阻器和CMOS混合的全加器变型结构，有效抑制了传递信号的衰减，得到性能可靠的参数取值范围。.3. 提出一种新颖的忆阻器可重配置逻辑功能模块，结构简单，逻辑功能完备，集成度高，并实现了“非”、“或”逻辑运算以及置位和清“0”等功能。由该可重配置电路设计的基本逻辑门电路运算步数更少，速度更快，功耗更低，有利于设计新型高性能的组合逻辑电路。.4. 构建出基于忆阻器交叉线的非线性网络并分析了它的动力学行为。以三阶忆阻振荡电路为基本单元，通过元胞间交叉耦合方式，得到了具有反应扩散特性的非线性忆阻网络。研究表明：忆阻元胞参数和扩散系数决定着该网络产生的点、线、框等图灵斑图的斑点密度和形状，为大规模的图像处理和模式识别提供重要基础。.5. 提出并电路证实了一个具有一次项和分段线性函数的四阶超混沌系统。Lyapunov指数和分岔图揭示了新系统可呈现发散、混沌和超混沌特性，且超混沌吸引子的两个涡卷形态是由两个分段线性函数所决定，这为保密通信和信息处理应用提供新途径。