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忆阻器可用于构造类大脑系统?

2018-08-05

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一种以忆阻器为基础的装置可用于构建类大脑系统和十进制计算机。 

基本电子元件——忆阻器好像仍能制造一些惊喜。自从研究者制造了第一个忆阻器以来,这个神秘的设备就产生了大量的应用——更密集的非易失性存储器、新的通用逻辑门、类大脑计算机等等。此外,都柏林三一学院的物理学家表示:还有十进制存储。

与基于晶体管的、被设计为假定只有二进制状态的存储器不同,忆阻器可以容纳更多。三一学院的研究人员制造了一个能存储六阻态的忆阻器,他们还声称,将其扩展到十进制或更多也不成问题。

与闪存和动态RAM存储一位电荷不同,忆阻器(或称阻变式存储器,RRAM)将内存作为电阻。该装置会通过改变其内部的电阻“记住”已通过电流的电平。当电流沿另一个方向流动时,电阻就会减小。

三一学院的忆阻器有些不同。其一是,与其他的忆阻器不同,它也可以作为一个二极管:电阻电平可以仅通过在一个方向上流动的电流进行控制。二极管的效果来自一个后期的处理步骤,称为电铸。该装置将一个二氧化钛半导体纳米线夹在两个金属电极之间。一旦组成忆阻器,长期暴露于10伏的电压下会提升阴极接口附近的电荷载体的数量,形成一个二极管结。

除在一个方向上导电以外,这款忆阻器存储比特的方式也不同。一个正常的忆阻器需要两种不同的电压来存储两个不同电平的电阻,三一学院的物理学家柯蒂斯•奥凯立(Curtis O’Kelly)说:“你施加5伏的电压,得到一种电阻位;施加10伏的电压,就得到另一种电阻位。”他与约翰•博兰(John Boland)和杰萨曼•费尔菲尔德(Jessamyn Fairfield)发现了一些新属性,“在我们的设备上,你施加一次7.5伏的电压,就会带你上升一个电阻电平,当你施加另一个7.5伏的脉冲时,又会带你上升到另一个电阻电平。”经过6次这样的脉冲,研究人员发现,他们的设备达到了饱和状态,电阻再也不会发生变化。奥凯立解释说,你可以在任何电平上停止,这一电平会被存储下来,之后再施加另一个脉冲,将会带你上升到一个新的电平,或者你也可以通过施加一个负7.5伏的脉冲复位设备。他说,由于忆阻器是一个二极管,你可以无需电流通过而重置存储单元,而这在“正常的”忆阻器上是无法实现的。

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研究人员表示,存储效应的机制可以通过电极接口处的纳米线发生的物理变化来解释。奥凯立说,“当你在一个触点上施加正电压时,就生成了一定的氧空位——从电线晶格中去除氧气——这使得电子”更容易进入金属。负7.5伏的脉冲将金电极上的电子注入纳米线,在接口处破坏氧空位,使纳米线的导电性变差。

电阻电平的数量是灵活的,在该装置中可以多达10个。奥凯立说:“最终的限制是每个电平之间的分辨率。”

这种系统使奥凯立想象到了十进制的存储,它可以在每个存储单元中保留10个不同的阻态。当然,这样的存储在二进制运算的世界中是否有价值是值得商榷的。一方面,十进制的存储可能会更加密集。例如,最大的无符号二进制的64位整数——18,446,744,073,709,551,615——可以以20位而不是64位表示。但十进制存储与二进制逻辑接口可能会抵消任何进展。奥凯立表示,电子工程师们需要制造出“基础设施,以应对这种新型存储。”

在有人根据三一学院的忆阻器重新设计计算机之前,该设备将需要获得一些重大的进展。剑桥大学的物理学家詹姆斯•斯科特(James Scott)将该设备的低转速比作“8世纪的手动算盘”。

位于奥尔巴尼的纽约州立大学的电气工程师哈瑞卡•曼尼姆(Harika Manem)建议,将该设备制造得更小应该能帮助解决这个问题。曼尼姆并不是十进制计算的信徒,但她认为,这些多态忆阻器对于她感兴趣的研究——基于神经网络的非常规仿生逻辑系统——会很有帮助。她说:“他们设备的好处是,它具有易重复且一致的可控状态,如果他们能将其缩小,应该会更具有实用性。”


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