忆阻器特点及其应用研究

小组成员：孙雪蕾

张东嵘

王天为

庞文博忆阻器的特点及其

应用研究TheMachine？目录一、忆阻器的诞生及基本知识

二、HP忆阻器模型研究

三、忆阻器仿真与特性研究

四、忆阻器的应用研究1.1忆阻器概念的提出

1971年，蔡少棠教授根据电路理论的完备性，从物理学的对称角度出发预言了除电阻、电容、电感之外的第四个基本电路元件——忆阻器的存在。图1忆阻器提出的依据忆阻器连接了磁通ψ与电荷q，二者应满足函数关系：1.1忆阻器概念的提出当由电荷的单值函数表示时，称其为电荷控制型忆阻器，可由下式表示：结合已知的关系：因此，M是与电阻具有相同量纲的物理量，单位为欧姆，数值上等于某一时刻忆阻器两端电压与电流的额比值（计算）。其大小决定于流经忆阻器的电荷量q。对称的，当由磁通的单值函数表示时，可得磁通控制型忆阻器。函数关系为：图1忆阻器提出的依据1.1忆阻器概念的提出

1971年蔡少棠教授根据电路理论的完备性在“Memristor-TheMissingCircuitElement”一文中指出了第四种无源元件-忆阻器的存在。图1忆阻器提出的依据

1.2HP忆阻器的诞生

2008年5月，首个纳米级忆阻器物理模型在美国惠普实验室诞生，证实了忆阻器的存在。2008年11月，惠普实验室在忆阻系统研讨会上展示了世界首个3D忆阻混合芯片。图3HP公司忆阻器模型2.1HP忆阻器的结构

HP公司忆阻器模型由将两层纳米级的二氧化钛薄膜夹在两片铂片内。其中一层掺杂有氧空位，导电性很高，被定义为掺杂区；另一层没有掺杂，被定义为非掺杂区，具有很高的阻抗。当给忆阻器施加一个外部偏置电压时，掺杂区和非掺杂区的边界会随着带电杂质的漂移而移动。图3HP公司忆阻器模型2.2HP忆阻器的数学模型图3HP公司忆阻器模型电压电流关系：电阻表示式：w(t)变化速率表达式：上式积分得到w（t）与q（t）关系：2.2HP忆阻器的数学模型归一化：窗函数：实际的粒子迁移到达边界时速度逐渐减小到0，而以上数学关系中并不能体现这一现象，顾用窗函数对进行限制。2.2HP忆阻器的数学模型公式整理如下：其中：

值得一提的是，HP忆阻器可以看作是蔡少棠教授最初对忆阻器定义的一个特殊情况，其区别在于HP忆阻器所表示的电荷和磁通的关系是一种近似线性的特性，而蔡少棠教授并未指出电荷磁通满足的某种关系的具体内容。3.1忆阻器仿真模型3.1忆阻器仿真模型3.2忆阻器仿真部分代码*MEMRISTOR*Ron,Roff-ResistanceinON/OFFStates*x0-initialxatT=0*D-Widthofthethinfilm*uv-Migrationcoefficient*p-ParameteroftheWINDOW-function*formodelingnonlinearboundaryconditions*x-W/DRatio,Wistheactualwidth*ofthedopedarea(from0toD)**TheModelofMemristor.SUBCKTmemristorTEBE.paramRon=100Roff=10Kx0=0.56D=12Nuv=50Fp=7Gx0XSVvalue='I(Gmem)*Ron*uv*(1-pow((2*V(XSV)-1),(2*p)))/pow(D,2)'CxXSV01.icV(XSV)=x0GmemTEBEvalue='(V(TE)-V(BE))/(Ron*V(XSV)+Roff*(1-V(XSV)))'.ENDsmemristorXmemTE0memristorVin0TESIN(04V10000).tran100U0.5s.printtranV(TE)I(Vin).END3.3忆阻器仿真结果3.4忆阻器仿真结果分析3.4忆阻器仿真结果分析3.4忆阻器仿真结果分析4.1.1在通信领域的应用与展望1、在电路（滤波电路）设计的应用2、在电子器件设计中的应用3、在保密通信中的应用图片描述：右图中为一个由17个忆阻器列成一排而组成的简单电路，其中每个忆阻器有一个底部导线，其与器件的一端相连；还有一个顶部导线，其与器件的另一端相连。4.1.1在通信领域的应用与展望1、在电路（滤波电路）设计的应用2、在电子器件设计中的应用3、在保密通信中的应用图片描述：右图是一个能学习的纳米元件：比勒菲尔德大学研制的忆阻器被内置于比人头发薄600倍的芯片中。4.1.2在生物学领域的应用与展望1、在人工神经网络中的应用2、生物行为仿真图片描述：图片展示的是单一忆阻器如何通过与人脑相同的方式学习同样的技术。（神经元间的突触通过传递电信号->化学信号->电信号的方式传递信息，忆阻器在原理上与之相同。科学家认为是忆阻器是以几乎与大脑突触相同的「STDP(spiketimingdependentplasticity)」模式，来响应同步电压脉冲，）4.1.3在计算机领域的应用与展望1、在数据储存中的应用2、改变计算机搜索处理模式图片描述：图为惠普首席技术官(CTO)兼实验室主管的MartinFink。Fink说：“作为公司的研发部门，惠普实验室曾一度被尊称为整个硅谷的新产品研发和开拓新市场的‘稳定来源’。但是近年来，境况已大不如前，我们需要开发出可用于打造更好的计算机系统的必要组件。”这其中，就包括这个研究项目：一种名叫“忆阻器”（memristors）新形内存，以及在计算机内使用光代替铜线来传输数据的硅光技术。4.1.3在计算机领域的应用与展望1、在数据储存中的应用2、改变计算机搜索处理模式Hewlett-Packard’splanforTheMachine,anewtypeofcomputer,featurespowerfulprocessorsdesignedforspecifictasksandasinglemassivememorypool,allconnectedviaopticalcommunications.Thisapproachpromisestomakecomputersfasterandmoreenergyefficient,andbetterabletohandlehugeamountsofdata.4.1.3在计算机领域的应用与展望1、在数据储存中的应用2、改变计算机搜索处理模式CloseupofHPMemristordevicesona300millimeterwafer.4.2我们的假设——两种状态模拟态数字态条件阻值R=f(U)应用模拟器件逻辑器件类比三极管放大区饱和区、线性区4.2我们的假设——两种状态模拟态数字态条件阻值R=f(U)应用模拟器件逻辑器件类比三极管放大区饱和区、线性区4.2我们的假设——两种状态模拟态数字态条件阻值R=f(U)应用模拟器件逻辑器件类比三极管放大区饱和区、线性区4.2我们的假设——两种状态模拟态数字态条件阻值R=f(U)应用模拟器件逻辑器件类比三极管放大区饱和区、线性区4.2.1忆阻器的应用实践应用1：图像处理——运动物体识别忆阻器功能：数据存储假设：分辨率足够高；清零原理：差分法状态：模拟态

阻值随电压值的改变而改变工作在模拟态时，阻值和电压时单值函数关系摄像头RGB图像N=2k+1帧N=2k帧灰度图像M1M2(k=0,1,2…)Upload1.忆阻器工作在模拟态2.先清零，再加载M3CheckDiff

忆阻器阵列1.通过电流检测电阻2.计算差值Upload到M3M4Threshold

设置阈值电阻R0if(R>R0):R=1,elseR=0模拟态数字态Upload关键实现代码Upload(frame,Mn)CheckDiff(M1,M2,M3);cvThreshold( M3,

M4, R0, 255, CV_THRESH_BINARY);

4.2.2忆阻器的应用实践应用2：与非门电路忆阻器功能：逻辑特性状态：数字态

高电压时忆阻器呈现低阻态Ron

低电压时忆阻器呈现高阻态Roff优点：储存密度大，非易失性。谢谢人物简介LeonChua，现任加利福尼亚大学Berkeley分校电子工程与计算机科学系教授。2005年获得IEEEGustavRobertKirchhoff奖(IEEE电路与系统领域最高奖)，2000年获得IEEENeuralNetworksPioneer奖，1974年当选I