阻變器件的非易失性存儲(chǔ)與神經(jīng)形態(tài)應(yīng)用研究.pdf

1、阻變器件作為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)在非易失性存儲(chǔ)、神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)等方面有著重要應(yīng)用。一方面，傳統(tǒng)浮柵存儲(chǔ)器存在工作電壓高、速度慢、耐擦寫(xiě)次數(shù)低等不足，越來(lái)越難以滿足非易失性存儲(chǔ)器高性能要求以及日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，研發(fā)性能優(yōu)良的新型非易失性存儲(chǔ)器顯得尤為緊迫。而阻變器件具有非易失性，且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高、速度快、功耗低、工作電壓低，有望作為下一代非易失性存儲(chǔ)器。另一方面，人類長(zhǎng)期以來(lái)夢(mèng)想著構(gòu)造一臺(tái)能像人腦一樣工作的計(jì)算系統(tǒng)。神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)是一種受人

2、腦啟發(fā)產(chǎn)生的類腦計(jì)算系統(tǒng)，而如何有效實(shí)現(xiàn)其基本信息存儲(chǔ)和處理單元——突觸和神經(jīng)元，也成了構(gòu)造大規(guī)模神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)首先需要解決的問(wèn)題。阻變器件可實(shí)現(xiàn)類似于生物突觸和大腦的功能，有望作為信息存儲(chǔ)單元應(yīng)用到神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)中。本文在阻變器件的非易失性存儲(chǔ)和神經(jīng)形態(tài)應(yīng)用研究中重點(diǎn)開(kāi)展了以下四個(gè)方面的工作。
　　1、針對(duì)阻變器件的非易失性存儲(chǔ)應(yīng)用，制作了一種雙極型二氧化鉿阻變器件，并用電流掃描的方法在二氧化鉿阻變器件中實(shí)現(xiàn)了8個(gè)可明顯區(qū)分的電阻狀

3、態(tài)，用該方法得到的電阻狀態(tài)有良好的數(shù)據(jù)保持特性，表明單個(gè)二氧化鉿阻變器件單元就有望存儲(chǔ)多位數(shù)據(jù)，這也是實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)的一種簡(jiǎn)單、有效、且成本低廉的方法。采用伽馬射線，對(duì)二氧化鉿阻變器件進(jìn)行了總劑量輻照效應(yīng)研究。器件在總劑量為20 Mrad(Si)的伽馬輻照過(guò)后仍可擦寫(xiě)10000次以上，并且伽馬輻照引起的置位/復(fù)位電壓、高/低阻態(tài)的微小變化對(duì)器件正常工作幾乎沒(méi)有影響，表明該二氧化鉿阻變器件具有優(yōu)越的抗伽馬輻照特性，有潛力應(yīng)用于伽馬射線環(huán)境

4、中。
　　2、針對(duì)阻變器件的神經(jīng)形態(tài)應(yīng)用，制作了氧化鎳阻變器件，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了阻變器件可以模擬大腦行為級(jí)的學(xué)習(xí)記憶和遺忘功能，還可以模擬突觸可塑性。基于氧化鎳阻變器件模擬了大腦的學(xué)習(xí)記憶和遺忘功能；在具有電導(dǎo)衰減特性的氧化鎳阻變器件中模擬了大腦遺忘曲線；在氧化鎳阻變器件中模擬了突觸長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)特性和突觸雙脈沖易化特性，且觀察到阻變器件雙脈沖易化幅度隨著脈沖間隔時(shí)間增大而減小，并通過(guò)擬合從中分離出了快相和慢相。
　　3、在阻變器件的

5、研究基礎(chǔ)上，從電路系統(tǒng)層面呈現(xiàn)了阻變器件的神經(jīng)形態(tài)應(yīng)用。提出了一種基于CMOS和阻變器件的、可實(shí)現(xiàn)脈沖時(shí)序依賴可塑性的突觸電路，基于此突觸電路設(shè)計(jì)了一種包含3個(gè)神經(jīng)元和2個(gè)突觸的聯(lián)想學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合氧化鎳阻變器件和外圍電路搭建了該網(wǎng)絡(luò)，從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了巴普洛夫狗實(shí)驗(yàn)中的聯(lián)想學(xué)習(xí)以及記憶的遺忘；設(shè)計(jì)并搭建了基于二氧化鉿阻變器件的、具有類似于大腦聯(lián)想記憶功能的可重構(gòu) Hopfield網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了單目標(biāo)和多目標(biāo)聯(lián)想記憶，為用硬件實(shí)現(xiàn)可模擬大腦記憶