銀摻雜硫系化合物憶阻器類腦神經(jīng)形態(tài)計算研究.pdf

1、信息存儲與計算相融合的計算系統(tǒng)被認為是應(yīng)對“大數(shù)據(jù)時代”下海量數(shù)據(jù)處理需求，突破數(shù)字計算機“馮諾依曼瓶頸”的關(guān)鍵。生物大腦是一種高效、智能的存儲與計算融合的信息處理體系，通過對于生物大腦的認識、研究和模擬，進行類腦神經(jīng)形態(tài)計算研究是構(gòu)建新型計算機架構(gòu)的重要途徑之一。憶阻器自誕生以來，因為其高速、低功耗、高密度、高可靠等器件性能，受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，特別地隨著憶阻理論和器件性能的不斷完善和優(yōu)化，憶阻器在類腦神經(jīng)形態(tài)計算領(lǐng)域展現(xiàn)

2、出了強大的競爭力。隨著憶阻器神經(jīng)突觸、神經(jīng)元電路的實現(xiàn)，憶阻器類腦神經(jīng)形態(tài)計算正在從“細胞級”器件研究向“環(huán)路級”聯(lián)合學(xué)習(xí)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究過渡。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴利用磁控濺射方式沉積了AgGeTe硫系化合物薄膜，并配合光刻、剝離等工藝手段制備了Ag/AgGeTe/Ta和Ag/AgInSbTe/Ta兩類銀摻雜硫系化合物憶阻器。研究了憶阻器測試方法和類腦神經(jīng)形態(tài)計算的實驗方法。⑵在材料研究方面，選取AgGeTe材料為代表研

3、究了銀摻雜對于硫系化合物晶化溫度和相轉(zhuǎn)變溫度的影響。利用DSC、TEM等測試方式實驗證明了銀摻雜可以提高材料非晶穩(wěn)定性；利用Raman、XPS等薄膜表征手段從非晶局域結(jié)構(gòu)變化的角度給出非晶穩(wěn)定性提高的物理機理；利用第一性原理計算通過對于Ge原子鍵角和n圓環(huán)數(shù)目變化的統(tǒng)計間接支持了上述機理，并從結(jié)晶理論的角度對于實驗現(xiàn)象做了進一步解釋。此外，實驗利用Raman和XRD研究了銀摻雜對于材料相轉(zhuǎn)變溫度的影響，并從局域結(jié)構(gòu)變化的角度做出了相應(yīng)的

4、解釋。銀元素的引入能夠提高材料的非晶態(tài)穩(wěn)定性并有助于引導(dǎo)導(dǎo)電絲的形成，有利于憶阻器獲得更加穩(wěn)定的多值和漸變特性。⑶在器件研究方面，利用直流和脈沖兩種測試方式對于 Ag/AgGeTe/Ta和Ag/AgInSbTe/Ta憶阻器進行測試，兩類憶阻器均展現(xiàn)出了穩(wěn)定的捏滯回線和良好的多值漸變特性。此外，在高速脈沖測試實驗中Ag/AgGeTe/Ta憶阻器展現(xiàn)出了穩(wěn)定的高速開關(guān)特性。硫系化合物憶阻器的多值和漸變特性是“模擬式”憶阻器最重要性能之一，有

5、助于憶阻器進行類腦神經(jīng)形態(tài)電路的搭建。硫系化合物憶阻器的高速開關(guān)特性，能夠進一步提高電路運算速度，降低運算功耗，有助于高速憶阻器邏輯電路的研究。⑷聯(lián)合學(xué)習(xí)研究，參考聯(lián)合學(xué)習(xí)生物學(xué)模型并結(jié)合Ag/AgInSbTe/Ta憶阻器器件特征，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單操作方便的聯(lián)合學(xué)習(xí)電路并以此為基礎(chǔ)設(shè)計了聯(lián)合學(xué)習(xí)電路陣列。通過脈沖測試和Hspice仿真，實驗驗證了該電路可以實現(xiàn)巴普洛夫狗實驗中的學(xué)習(xí)和遺忘功能。在學(xué)習(xí)過程中，聯(lián)合學(xué)習(xí)電路具有嚴格的時序關(guān)

6、系，即CS信號先于US信號才能實現(xiàn)聯(lián)合學(xué)習(xí)。此外，通過改變輸入信號的形狀，實驗上可以實現(xiàn)對于聯(lián)合學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)速度和時間窗口的調(diào)控。⑸情景記憶研究，利用硫系化合物憶阻器阻值漸變性質(zhì)，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單操作簡潔的情景記憶電路。通過脈沖測試和Hspice仿真，實驗驗證了情景記憶電路可以模擬生物學(xué)烏賊覓食類情景記憶的記憶恢復(fù)行為。⑹模式識別，基于模板匹配原理，設(shè)計了一種可以計算模板信號和目標信號相似度的模板匹配電路“Matcher”。實驗驗證了“M

7、atcher”可以識別輸入信號特征匹配數(shù)目和匹配特征相似程度的變化，并通過Hspice仿真在功能上驗證了“Matcher”能夠識別具有不同形狀和灰度的3×3像素噪點圖像。此外，參考聯(lián)合學(xué)習(xí)陣列設(shè)計原理，設(shè)計了一個能夠存儲3個9特征模板信息的憶阻器突觸網(wǎng)絡(luò)。利用Hspice仿真，在功能上實現(xiàn)對于‘v’、‘n’、‘z’三個模板圖像的訓(xùn)練和測試過程?；谏鲜鐾挥|網(wǎng)絡(luò)和“Matcher”運算神經(jīng)元設(shè)計出了一種可以實現(xiàn)模板匹配的憶阻器模板匹配網(wǎng)絡(luò)