憶阻器縱橫閂

摘 要 現(xiàn)今微處理器的發(fā)展趨勢(shì)是速度更快，體積更小，功能更密集。縱橫栓依靠微小精細(xì)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電路的邏輯判斷控制，納米級(jí)別的縱橫栓更是神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng)的重要組成部分。應(yīng)用憶阻器的可操控性和記憶功能是解決縱橫栓連接處信號(hào)的通斷控制的最理想辦法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng)的智能識(shí)別。

關(guān)鍵詞 憶阻器；縱橫栓；邏輯化；神經(jīng)形態(tài)工程

中圖分類號(hào) TN914 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673-9671-(2012)071-0145-01

飛速發(fā)展的信息處理時(shí)代要求功能更密集和智能化的微處理器，神經(jīng)形態(tài)工程是解決電路整體構(gòu)架建立理想計(jì)算的有效途徑。憶阻器的記憶功能和可操控性縱橫栓中的應(yīng)用能形成納米線的智能邏輯陣列使運(yùn)算電路和記憶電路將可同時(shí)共存，而且隨需要調(diào)整，超出了現(xiàn)有處理器的邏輯設(shè)計(jì)理念，這或許代表著新一代的智能識(shí)別技術(shù)的誕生。

1 縱橫栓的基本原理

2001年10月惠普公司展示了縱橫栓的發(fā)明?？v橫栓由微小的網(wǎng)格構(gòu)成，以分子互相連結(jié)，以分子取代硅作為制造電路的元素，在交叉部位形成極微小的接合點(diǎn)，可用來(lái)執(zhí)行現(xiàn)由硅晶體管所負(fù)責(zé)的切換功能，并具有比硅晶體管更小的物力。實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和邏輯計(jì)算的功能。

2012年度3月份，密歇根大學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究人員第一次運(yùn)作憶阻器陣列建立在一個(gè)芯片的應(yīng)用在神經(jīng)形態(tài)的計(jì)算機(jī)架構(gòu)。縱橫閂鎖包括一個(gè)信號(hào)線交叉的兩根控制線。根據(jù)不同的電壓降的各種線路，它可以模擬行動(dòng)的三大邏輯大門：與，或，非。

據(jù)菲利浦·逵克對(duì)縱橫栓的闡述，一個(gè)分子交叉鎖存器包括兩根控制線和信號(hào)線交叉的兩根控制線相交在一個(gè)非零角度，從而形成一個(gè)連接各控制線的網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。每個(gè)連接形成一個(gè)開關(guān)和交界處有一個(gè)在納米級(jí)別的功能。該信號(hào)線選擇有至少2個(gè)不同的電壓狀態(tài)，從0個(gè)到1個(gè)單元，其中有一個(gè)不對(duì)稱的方向方面的電流的信號(hào)線通過(guò)一個(gè)路口交界處，另一個(gè)比較電流流過(guò)一個(gè)路口進(jìn)（出）信號(hào)線可以打開（關(guān)閉），電流流過(guò)的其他結(jié)出（入）信號(hào)線可以閉（開）開關(guān)，而其中有一個(gè)電壓閾值切換開關(guān)和關(guān)閉開關(guān)。此外，方法是為閉鎖邏輯值到納米線中的一個(gè)邏輯陣列，用于反相邏輯值，以及恢復(fù)電壓信號(hào)值。通過(guò)設(shè)置不同的邏輯輸入值X，Y，X，Y控制不同縱橫線上的組態(tài)，產(chǎn)生半加，取非等運(yùn)算，通過(guò)傳統(tǒng)數(shù)學(xué)體系的元素按，半加的累計(jì)為全加?？v橫栓的交叉數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和邏輯運(yùn)算功能使之成為神經(jīng)形態(tài)學(xué)中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。

2 憶阻器在縱橫栓中的應(yīng)用

憶阻器早在1971年由華裔科學(xué)家蔡少棠在研究電荷、電流、電壓和磁通量之間的關(guān)系時(shí)提出。

憶阻器的是實(shí)質(zhì)是一個(gè)非線性記憶元件，它的電阻會(huì)隨著通過(guò)的電流量而改變，而且就算電流停止了，它的電阻仍然會(huì)停留在之前的值，直到接受到反向的電流它才會(huì)被推回去，如果把高阻值定義為“1”，低阻值定義為“0”，就可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能。當(dāng)電流通過(guò)在一個(gè)方向記憶電阻，電阻增大；當(dāng)電流流動(dòng)方向相反，電阻值下降。當(dāng)電流停止時(shí)，憶阻器保留了最后的抵抗值，當(dāng)電荷的流動(dòng)再次啟動(dòng)，電路的電阻是它最后的活動(dòng)電阻值。只要時(shí)間積分的電流保持在一定范圍內(nèi)，這一特性呈現(xiàn)的大約線性關(guān)系。

憶阻器的記憶的功能是使處理器趨于智能化。

1）計(jì)算機(jī)之所以要啟動(dòng)是因?yàn)榍袛嚯娫春?，每次都需要重新打開他們的邏輯電路而無(wú)法執(zhí)行斷電前的碎片。但由于憶阻器能記得的電壓，一個(gè)憶阻器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)可以記住這些碎片，重新啟動(dòng)時(shí)直接回復(fù)到之前的電壓值，而無(wú)需進(jìn)行再次邏輯運(yùn)算。

2）通過(guò)重新設(shè)計(jì)包括記憶電阻器一些類型的電路，能將記憶與傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)元素設(shè)計(jì)在同一裝置中，抽象的整個(gè)突觸的想法，不用1和0，而代之以像明暗不同的灰色之中的幾乎所有狀態(tài)，基本上實(shí)現(xiàn)模擬量計(jì)算方式，突破傳統(tǒng)的數(shù)字計(jì)算，開創(chuàng)功能更加強(qiáng)大的模擬計(jì)算機(jī)。

3）憶阻器器件的特征是它可以記憶流經(jīng)它的電荷數(shù)量，計(jì)算機(jī)將更高能效的以類似人類大腦方式處理與聯(lián)系信息，實(shí)現(xiàn)處理器功能高度密集化。

憶阻器的記憶功能搭配上縱橫栓的邏輯運(yùn)算，而且可以隨時(shí)調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算的智能化。由憶阻器構(gòu)成的縱橫栓，當(dāng)有信息輸入時(shí)，縱橫栓進(jìn)行運(yùn)算和邏輯處理，此時(shí)憶阻器進(jìn)行功能記憶。本文以生物學(xué)中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類比縱橫栓，縱橫線相當(dāng)于互相接觸胞神經(jīng)元之間的聯(lián)系如圖2所示。

圖1 縱橫栓邏輯圖

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)圖

神經(jīng)元細(xì)胞中的突觸進(jìn)行信息的傳遞和記憶，神經(jīng)元細(xì)進(jìn)行信息的處理與綜合，神經(jīng)元細(xì)胞之間的搭接形成強(qiáng)大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

3 結(jié)論

憶阻器縱橫栓特有的介于0和1之間的模擬量，突破傳統(tǒng)的0和1的數(shù)字計(jì)算，開創(chuàng)更強(qiáng)大的模擬計(jì)算機(jī)功能和通用仿真系統(tǒng)，讓處理器真正實(shí)現(xiàn)類似于人腦的智能化思考，模擬大腦或模擬大腦的某種功能，例如處理器比較功能，學(xué)習(xí)功能，人臉識(shí)別系

統(tǒng)等。

憶阻器電腦相對(duì)于晶體管的躍進(jìn)，和晶體管相對(duì)于真空管的躍進(jìn)是一樣大的?？梢赃壿嫽木W(wǎng)格狀設(shè)計(jì)，來(lái)模擬與，或，非三大邏輯門，幾個(gè)網(wǎng)格的組合甚至可以做出加法之類的運(yùn)算。這為擺脫晶體管創(chuàng)造了有利條件。憶阻器縱橫栓的的記憶能力，代表著運(yùn)算電路和記憶電路將可同時(shí)共存，而且隨需要調(diào)整。這已經(jīng)完全超出了這一代電腦的設(shè)計(jì)邏輯。

參考文獻(xiàn)

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[3]Yakopcic， Chris “Multiple memristor read and write circuit for neuromorphic applications” 2011 International Joint Conference on Neural Networks， IJCNN 2011 - Final Program.

作者簡(jiǎn)介

劉瑩瑩，女，河南理工大學(xué)；邱實(shí)，男，河南理工大學(xué)；苗紀(jì)青，男，河南理工大學(xué)；洪兆溪，女，河南理工大學(xué)。