论文题目：忆阻交叉阵列中数字电路设计及优化方法研究
摘要：晶体管的诞生,使电子技术出现了划时代的革命,它是现代电子技术的基础,也是微电子技术发展的标志。然而随着当今社会数据的增长,传统的存储与计算分离的冯诺伊曼架构所面临的瓶颈以及存储墙问题使得人们不得不寻找新一代存储器件。忆阻器由于其非易失性的电阻转变特性,并且功耗低、速度快、工艺与CMOS相兼容,被认为是最有可能取代晶体管的潜力候选。近年来,忆阻器被证实能够应用于非易失性逻辑运算,真正意义上实现存储与计算的融合,引起了研究人员的广泛关注。本文基于忆阻器的逻辑电路研究背景,对忆阻器实质蕴含（Material Implication,IMPLY）逻辑和非实质蕴含（Not-material Implication,N-IMPLY）逻辑展开讨论,在忆阻交叉阵列中研究了N-IMPLY逻辑的负电压偏置电路结构及其实现方式,探索并提出了N-IMPLY逻辑的正电压偏置电路结构,并采用缺陷离子（Defect Ionic Memristor,DIM）模型和自适应阈值电压（Voltage Threshold Adaptive Memristor,VTEAM）模型对其进行仿真验证,验证了N-IMPLY逻辑既能够在同一字线的忆阻器单元之间执行,也能够在同一位线的忆阻器单元之间执行。基于IMPLY逻辑电路结构和N-IMPLY逻辑电路结构的相似性,本文提出了将两种逻辑集成到同一交叉阵列的数字电路设计方法,利用两种逻辑的迭代运算,实现6种基本逻辑门。其中,异或门和同或门有两种不同的实现方式,分别针对忆阻器开销和操作步骤数量进行优化,并利用Virtuoso仿真软件对所设计的逻辑门进行仿真实验,验证了该方法的可行性。本文还研究了交叉阵列中漏电路径的问题,通过仿真实验阐述了漏电路径会影响到逻辑执行结果的正确性。针对该问题,本文对未被选择的纳米线施加屏蔽电压,使得漏电路径流经的单元被隔离,从而缓解漏电路径对逻辑操作的影响,并通过仿真实验验证了该方法的可行性,完善了交叉阵列结构的性能。为了验证所提出的方法能够应用于复杂数字电路的设计,本文设计了一位全加器和多路复用器,并通过对忆阻器单元初始值和中间运算结果的复用优化了忆阻器开销和电路时延。与其它方法相比,本文所提出的方法在这两个性能上均有提升。除此之外,本文还分析了非理想情况下忆阻器参数波动时对电路造成的影响,并通过蒙特卡洛方法模拟了忆阻器在高低阻值、置位电压和复位电压波动时对电路运算结果造成的影响,实验结果表明该方法所设计的电路具有很好的鲁棒性和稳定性。
关键词：忆阻器;实质蕴含逻辑;非实质蕴含逻辑;忆阻交叉阵列;数字电路
学科专业：计算机科学与技术
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 忆阻器的研究现状
1.3 忆阻逻辑的发展现状
1.4 论文的主要工作及结构安排
第二章 忆阻器相关理论
2.1 忆阻器简介
2.2 忆阻器相关模型
2.2.1 自适应阈值电流TEAM模型
2.2.2 自适应阈值电压VTEAM模型
2.2.3 基于动力学的缺陷离子DIM模型
2.3 忆阻交叉阵列
2.4 实质蕴涵逻辑
2.5 非实质蕴涵逻辑
2.6 本章小结
第三章 基于忆阻交叉阵列的基本逻辑门电路设计
3.1 正电压偏置N-IMPLY结构
3.2 基于DIM模型的仿真实验与分析
3.3 基于VTEAM模型的仿真实验与分析
3.4 两种逻辑集成到同一交叉阵列
3.5 漏电流的处理
3.6 基本逻辑门电路设计
3.6.1 与非逻辑门电路设计
3.6.2 或非逻辑门电路设计
3.6.3 异或逻辑门电路设计
3.6.4 同或逻辑门电路设计
3.7 本章小结
第四章 基于忆阻交叉阵列的复杂数字电路设计
4.1 一位全加器的设计与验证
4.2 2-1 多路复用器的设计与验证
4.3 4-1 多路复用器的设计与验证
4.4 本章小结
总结与展望
参考文献
致谢