憶阻多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用.pdf

1、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論發(fā)展至今，已經(jīng)日趨成熟，其硬件上的實(shí)現(xiàn)有望構(gòu)成非馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。由于晶體管工藝的局限性，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中基于晶體管的集成電路體積已經(jīng)縮小到了極限，很難再繼續(xù)滿足摩爾定律。用新型材料的電路設(shè)備取代晶體管已成為了研究熱點(diǎn)。憶阻作為最有希望取代晶體管的新型設(shè)備之一，具有許多優(yōu)良的性質(zhì)，比如非易失性、高集成度、低功耗、良好的可擴(kuò)展性等，被用于研發(fā)新型的存儲器和神經(jīng)計(jì)算系統(tǒng)。憶阻單層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在芯片上的實(shí)現(xiàn)有望徹底改變計(jì)

2、算機(jī)處理信息的方式，構(gòu)建非馮·諾依曼計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。而憶阻多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)仍然是一個難題，其應(yīng)用前景十分廣泛，可用于邏輯運(yùn)算、圖像處理、模式識別等領(lǐng)域。
　　本論文首先根據(jù)某一特定材料制成的憶阻設(shè)備的測試結(jié)果，即憶阻真實(shí)設(shè)備兩端施加正弦信號時電壓電流變化的I-V曲線以及憶阻阻值在正負(fù)不同電壓下隨時間的變化曲線，以行為級建模為主，通過參數(shù)擬合的方式逼近憶阻真實(shí)設(shè)備所表現(xiàn)出來的特性。更進(jìn)一步地，通過對相關(guān)模型參數(shù)的測試與優(yōu)化，增加模型的

3、兼容性使之可以模擬更多不同材料特性的憶阻設(shè)備。對單憶阻神經(jīng)突觸進(jìn)行研究，用一個憶阻通過與固定的電阻連接到反相器，實(shí)現(xiàn)具有正負(fù)權(quán)值的神經(jīng)突觸。利用憶阻能通過控制所施加的脈沖數(shù)量來連續(xù)調(diào)整憶阻阻值的特性，突觸權(quán)值由一個憶阻神經(jīng)突觸來表示并保存，在對突觸權(quán)值調(diào)整過程中考慮到每一步的誤差因素，構(gòu)建對噪聲容忍度高的憶阻神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路。將對能用電路實(shí)現(xiàn)的憶阻神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行研究,其中可以采用的算法有反向傳播(BP)算法、贏者通吃算法、隨機(jī)調(diào)整算法等。

4、根據(jù)不同的算法可以搭建不同的憶阻神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路。根據(jù)具體電路設(shè)計(jì)基于憶阻的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練算法，使憶阻神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以在硬件上實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的邏輯運(yùn)算和模式識別功能。
　　本文從四個方面對基于憶阻的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行了較深入的研究,主要的創(chuàng)新工作及研究成果如下：
　?。?）根據(jù)最新的憶阻真實(shí)設(shè)備的測試數(shù)據(jù)，建立一種新型的更加符合憶阻本質(zhì)特性的憶阻數(shù)學(xué)模型和電路模型，該模型可以模擬多種不同材料的真實(shí)憶阻器設(shè)備；（2）充分利用憶阻

5、的記憶特性和內(nèi)在阻值隨施加電壓變化而改變的特性，設(shè)計(jì)新型的憶阻神經(jīng)元突觸，該突觸電路體積更小、功耗更低、不受漏電流影響、能持續(xù)多次正確調(diào)整權(quán)值；
　?。?）利用憶阻的非易失性、納米級尺寸、以及功耗低等特性，設(shè)計(jì)一種新型的具有容錯性好、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的憶阻多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路；
　?。?）根據(jù)具體突觸電路，設(shè)計(jì)新型的基于憶阻多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法，為憶阻多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。將穩(wěn)定的能夠容忍噪聲的憶阻多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到邏輯運(yùn)算和