3D忆阻器混合芯片面世 实现人工神经网络
基于忆阻器的脉冲神经网络芯片研究共3篇
基于忆阻器的脉冲神经网络芯片研究共3篇基于忆阻器的脉冲神经网络芯片研究1基于忆阻器的脉冲神经网络芯片研究近年来，随着人工智能和机器学习技术的飞速发展，神经网络成为了研究人员们热衷的方向，而基于忆阻器的脉冲神经网络芯片则成为了该领域一个关注的热点。
脉冲神经网络是一种与传统的神经网络不同的解决方案。
它通过脉冲信号的方式进行计算，从而可有效的降低能耗。
忆阻器则是一种新的存储器件，其能够高效地存储和调用大量的数据，同时具有高速、低功耗的特点。
基于忆阻器的脉冲神经网络芯片，则是一种新型的人工神经网络芯片，其具有高速高效、低能耗、可重构性和容错性等多种优点，可广泛地应用于物联网、智能家居和智能驾驶等领域。
在设计基于忆阻器的脉冲神经网络芯片时，需要考虑很多因素。
首先是如何设计有效的脉冲神经网络结构。
脉冲神经网络结构的设计直接影响到其在处理不同类型任务时的效果和准确性。
其次是忆阻器的选型和设计。
忆阻器的选型和设计对脉冲神经网络芯片的性能和能耗有着非常重要的影响。
最后是如何设计高效的电路和算法来实现脉冲神经网络的计算和存储。
对于基于忆阻器的脉冲神经网络芯片的研究，目前已有不少成果和研究成果。
例如，美国加州大学洛杉矶分校的科研团队近期提出了一种基于单极性忆阻器的脉冲神经芯片设计方案。
该方案巧妙的采用了双峰忆阻器设计，实现了对静态和动态突触功能的模拟，同时降低了芯片的功耗。
英国牛津大学的科研团队则提出了一种基于忆阻器和微米级尺寸谐振器结构的脉冲神经网络芯片，该方案能够实现高精度存储和可重构。
此外，对基于忆阻器的脉冲神经网络芯片的研究还有不少挑战需要克服。
例如，如何解决实现忆阻器和脉冲神经网络芯片的集成和制造，如何实现小型化、便携化和低成本化，以及如何保证芯片的可靠性和耐用性等。
总之，基于忆阻器的脉冲神经网络芯片的研究有着巨大的应用价值和发展潜力。
我们相信，在科研人员的不断努力下，其在物联网、智能家具、智能驾驶等领域的应用将会不断拓展，并为人工智能领域的新突破提供有力的支撑基于忆阻器的脉冲神经网络芯片的研究是近年来人工智能领域中备受关注的一个重要方向。
忆阻器在神经网络中的应用研究
摘要经过近半个世纪的发展，神经网络应用在模式识别、自动控制、信号处理、辅助决策、人工智能等众多研究领域取得了广泛的成功。
忆阻器描述了磁通量与电荷的关系，其电阻值随着流经它的电荷量而发生改变，具有学习和记忆功能。
此外，忆阻器具有尺寸小、模拟存储、低能耗和非易失等特性，非常适合做神经网络系统中的突触。
目前忆阻器已经运用在神经网络的STDP学习法则、Hopfield 神经网络、细胞神经网络、契比雪夫神经网络和深度学习等方面。
忆阻器的研究为制作具有复杂功能的神经网络硬件电路开辟了新的方向，将引领人工神经网络电路设计的变革。
本文提出了半连接忆阻Hopfield神经网络，分析了其数学模型，并在其结构上分别使用非原位(ex situ)训练方法和原位(in situ)训练方法实现了4位模数转换器。
在ex situ训练方法中，突触权重用基于软件的神经网络计算出来然后导入到半连接忆阻Hopfield神经网络电路中。
在in situ训练方法中，突触权重直接在半连接忆阻Hopfield神经网络电路中并行地进行调整。
实验仿真结果表明两种训练方法均可使半连接忆阻Hopfield神经网络电路进行模数转换。
在传统神经网络实现的模数转换器中存在面积大、具有局部最优解、没有合适的训练方法以及突触不能灵活调整等问题。
本文提出的半连接忆阻Hopfield神经网络电路实现的4位模数转换器没有局部最优解、面积更小、突触权重调整灵活且具有更强的适应能力。
对忆阻器特性理解的逐步深入将会极大改变神经网络电路的设计方法，为设计制造集成度高、低能耗和功能更强的神经网络电路奠定基础，从而为推动人工神经网络研究进程提供有效支持，使人工神经网络的硬件实现找到新的出路与解决方法，使人工神经网络的发展取得新的突破。
关键字:忆阻器；神经网络；忆阻器CMOS混合设计；模数转换器AbstractThe neural network has been developing quickly for nearly half a century, and its application has achieved a wide range of success in pattern recognition, automatic control, signal processing, auxiliary decision-making, artificial intelligence and many other research fields. When a memristor is connected to a current source, the current source will inject charges through the memristor cell, and the state of the memristor changes according to the amount of charge. As a result, memristors have the ability of learning and memory. Owing to memristor’s small size, analog storage, low power consumption, non-volatile and other characteristics, memristor is very suitable for implementing neural network system synapse. Memristor has been used in STDP learning rule, Hopfield neural networks, Cellular neural networks, Chebyshev neural network and depth of learning. Memristor may design complex neural network hardware circuits and lead the artificial neural network circuit design transform.This thesis presents a semi-connected memristor Hopfield neural network and analyzes the Hopfield neural network math model. The semi-connected memristor Hopfield neural network is trained by ex situ and in situ methods to achieve the four bit analog-to-digital converter (ADC) separately. In ex situ training methods, synaptic weights are calculated by software based neural network, then they are imported into the neural network circuit. In the in situ training methods, the synaptic weights are adjusted in parallel in the semi-connected memristor Hopfield neural network circuit. Simulation results show that both training methods can make neural network circuit behavior as an ADC. Besides, the semi-connected memristor Hopfield neural network circuit has no local optima, smaller area and flexibility.The gradual understanding of memristors will greatly change the design of neural network circuits. Memristor synapses laid the foundation for the hardware implementation of artificial neural networks which have high integration, low power consumption and powerful function. The usage of memristor finds new ways and solutions for the fabrication of artificial neural network hardware and provides effective support to the development of artificial neural networks.Key words: Memristor; Neural network; Memristor/CMOS hybrid design; Analog-to-digital converter目录学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书 (I)摘要........................................................................................................................ I I Abstract . (III)插图索引 (VI)附表索引 ................................................................................................................ V III 第1章绪论 (1)1.1课题的研究背景及意义 (1)1.2忆阻神经网络的研究现状 (3)1.3本文研究内容与组织结构 (5)第2章忆阻器及Hopfield神经网络理论概述 (7)2.1忆阻器的定义 (7)2.2忆阻器建模与仿真 (10)2.2.1yakopcic模型SPICE建模仿真 (10)2.2.2精确线性模型MATLAB仿真 (12)2.3忆阻器在神经网络中的应用 (14)2.4原位训练与非原位训练 (17)2.5Hopfield神经网络研究 (18)2.5.1Hopfield神经网络电路结构 (18)2.5.2Hopfield神经网络的数学模型与分析 (19)2.5.3Hopfield神经网络的应用 (20)2.6小结 (24)第3章半连接忆阻Hopfield神经网络的设计与分析 (25)3.1电路设计 (25)3.2数学模型分析 (27)3.3ex situ训练 (28)3.4in situ训练 (29)3.5小结 (31)第4章基于ex situ训练方法的ADC实现 (32)4.1理论分析 (32)4.2实验仿真 (34)4.3结果分析 (37)4.4小结 (38)第5章基于in situ训练方法的ADC实现 (39)5.1LMS算法 (39)5.2实验仿真 (41)5.3结果分析 (45)5.4小结 (46)结论 (47)参考文献 (49)附录A攻读硕士学位期间发表的论文和参加的项目 (54)致谢 (55)插图索引图 1.1 忆阻器模拟突触 (4)图 2.1 四种基本电子元件：电阻、电容、电感与忆阻器 (7)图 2.2 (a)忆阻器结构图；(b)忆阻器等效电路图；(c)忆阻器电路符号 (8)图 2.3 LTspice忆阻器建模程序 (12)图 2.4 忆阻器模型仿真图 (12)图 2.5 Matlab中忆阻器建模程序 (13)图 2.6 Matlab中忆阻器仿真I-V曲线图 (14)图 2.7 忆阻器作为突触连接前后两个神经元 (15)图 2.8 用于STDP学习的脉冲波形 (15)图 2.9 STDP学习法则原理图 (16)图 2.10 STDP学习法则 (17)图 2.11 三层忆阻神经网络电路实现STDP学习法则 (17)图 2.12 Hopfield神经网络电路结构图 (19)图 2.13 基于Hopfield神经网络的4位模数转换器 (21)图 2.14 基于原始Hopfield神经网络模数转换器能量方程曲线图 (22)图 2.15 利用Hopfield神经网络进行AD转换结果 (23)图 2.16 基于改进后的Hopfield神经网络设计的模数转换器 (23)图 3.1 神经元处理流程图 (25)图 3.2 神经元激励函数曲线 (26)图 3.3 半连接忆阻Hopfield神经网络拓扑结构 (26)图 3.4 feedback神经网络结构与feed forward神经网络结构示意图 (27)图 3.5 忆阻器状态调整算法 (29)图 3.6 半连接忆阻Hopfield神经网络LMS训练算法 (30)图 4.1 神经元设计图 (34)图 4.2 神经元输入输出关系图 (34)图 4.3 模数转换器转换[0,15]V正弦波电压 (35)图 4.4 模数转换器转换[7.7, 8.3]V梯形波 (36)图 4.5 模数转换器转换[0,3]V线性波 (37)图 4.6 忆阻器与CMOS集成结构示意图 (38)图 5.1 模数转换器结构示意图 (39)图 5.2 半连接忆阻Hopfield神经网络在[0,15]V训练过程中突触权重调整图 (42)图 5.3 模数转换器对[0,15]V正弦电压进行转换 (43)图 5.4 半连接忆阻Hopfield神经网络在[0,3]V训练过程中突触权重调整图 (44)图 5.5 模数转换器对[0,3]V线性变化电压进行转换 (44)图 5.6 基于全连接忆阻Hopfield神经网络的模数转换器 (45)附表索引表 2.1 Matlab忆阻器模型参数取值表 (13)表 4.1 [0,15]V下模数转换器中器件状态值 (35)表 4.2 [0,3]V下模数转换器中器件状态值 (36)表 5.1 突触训练与训练信号和实际输出信号的关系 (40)表 5.2 半连接忆阻Hopfield神经网络在[0,16)V情况下输入与对应的训练信号 42表 5.3 半连接忆阻Hopfield神经网络在[0,3)V情况下输入与对应的训练信号 .. 43表 5.4 模数转换器性能对比 (45)第1章绪论1.1课题的研究背景及意义1971年，华裔科学家蔡少棠根据变量的对称性预言了忆阻器的存在，忆阻器用来描述电荷与磁通量之间[1]。
忆阻器存算一体架构的科学意义与学术价值
忆阻器存算一体架构的科学意义与学术价值“基于忆阻器的新型存算一体架构，可以打破算力瓶颈，满足人工智能等复杂任务对计算硬件的高需求。
”清华大学未来芯片技术高精尖创新中心教授吴华强说。
随着摩尔定律趋近极限，通过集成电路工艺微缩的方式获得算力提升越来越难；而计算与存储在不同电路单元中完成，会造成大量数据搬运功耗增加和额外延迟。
如何提高算力，突破技术瓶颈？26日，记者从清华大学获悉，该校微电子所、未来芯片技术高精尖创新中心钱鹤、吴华强教授团队，与合作者共同研发出一款基于多个忆阻器阵列的存算一体系统，在处理卷积神经网络时的能效比图形处理器芯片高两个数量级，大幅提升计算设备的算力，且比传统芯片的功耗降低100倍。
相关成果近日发表于《自然》杂志上。
忆阻器在神经网络中的应用
忆阻器在神经网络中的应用作者：王敬蕊来源：《山东工业技术》2016年第03期摘要：忆阻器是除电阻器、电容器、电感器之外的第四种基本无源电子元件。
忆阻器和电阻的量纲相同，但是它的电阻值会随着流经的电荷量而发生改变，因而具有不同于普通电阻的非线性电学性能。
忆阻器能够在电流断开时，仍能记忆之前通过的电荷量，从而保持之前的阻值状态，因而具有记忆功能。
忆阻器的这些特性与生物大脑中神经突触的工作原理及结构有着高度相似性，并且，忆阻器有着很简单的金属/介质层/金属三明治结构，集成度高，因此在新型神经突触仿生电子器件领域引起极为广泛的关注。
基于忆阻器，有望在不久的将来实现无数科学家一直以来的梦想——开发出与人脑结构类似的认知型计算机以及类人机器人。
关键词：相似性；可塑性；阻变机理DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.03.1020 引言人工神经网络是一种旨在模仿人脑结构及其功能的信息处理系统。
神经元之间突触的联系强度是可变，这是学习和记忆的基础。
人工神经网络可以通过“训练”而具有自学习和自适应的能力。
神经网络技术的关键是权重设计，权重的硬件实现需要一个长期保持记忆且不耗能的纳米级元件。
传统的人工神经网络技术都是在传统计算机基础上进行的，其主要缺点是运算量巨大且运算不是并行处理。
如果在硬件上实现人工神经网络的并行分布式处理、非线性处理，自我学习功能和自适应性等功能，就能够解决了人工神经网络在传统计算机上运算量巨大的缺点。
而单个忆阻器便可实现神经突触功能的模拟，而且忆阻器能够很容易与纳米交叉连接技术相结合，具有大规模并行处理、分布式信息存储、巨大存储量等优势。
所以利用忆阻系统是人工神经网络实现神经突触功能的模拟的最好的方式之一，因而成为近年来研究的热点。
1 忆阻与神经突触的相似性神经元是大脑处理信息的基本单元。
人脑大约含有1011-1012个神经元，神经元互相连接成神经网络。
突触是神经元间信息传递的关键部位，决定了前后神经元之间的联系强度。
忆阻器应用
忆阻器应用
忆阻器的应用现状
这是一个信息爆炸的大数据时代，对超高性能计算与非易失性存储的需求呈爆发式增长。
但传统计算机采用的架构中，计算和存储功能是分离的，分别由中央处理器（CPU）和存储器完成。
CPU和存储器的速度和容量飞速提升，但传输数据和指令的总线速度的提升十分有限。
另一方面，存储器数据访问速度跟不上CPU的数据处理速度，且这一差距被越拉越大，这又导致了存储墙（Memory Wall）问题。
而忆阻器的存储与计算“融合”的模式，避免了传统架构中每步都需要将计算结果通过总线传输到内存或外存之中进行存储，从而有效地减小数据频繁存取和传输的负荷，降低信息处理的功耗，提高信息处理的效率。
亦因此，人们将它视为“掌握着电子学新纪元的钥匙”。
与会专家认为，忆阻器的自动记忆能力和状态转换特性，将推动人工智能和存算融合计算技术的发展。
蒂米斯·普罗德罗马基斯表示，忆阻器要比晶体管更小、更简单，而且还能通过“记住”通过它们的电荷量来保留数据。
它确实是一个令人兴奋的。
离子通道 忆阻器
离子通道忆阻器全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：离子通道（Ion Channels）是细胞膜上的一种蛋白通道，主要用于控制细胞内离子的流动，进而调节细胞的兴奋性和代谢活动。
离子通道在神经元、心肌细胞和其他细胞中发挥着重要的生理功能，是细胞内外信息传递的关键通道。
而离子通道中的一种特殊类型——忆阻器（Memristor）则是一种结合了电容、电阻和电感特性的新型元器件，能够根据过去的电流和电压状态改变自身的电阻值，实现电子器件之间的类似于突触的连接和记忆功能。
离子通道是神经元传递信号的关键机制之一。
在神经元中，膜上的离子通道可以感受外界刺激，如化学物质或电压变化，从而打开或关闭通道，控制离子的流动，使细胞内外的电位差发生变化，产生动作电位。
这一过程是神经元传递信息的基础，也是我们学习、记忆和感知世界的基础。
而忆阻器则是一种能够模拟类似神经元突触连接和记忆功能的电子器件，可以在电路中实现类似于神经元突触的学习和记忆效应。
忆阻器的工作原理可以简单地理解为：当电流或电压作用于忆阻器时，器件内部的电荷迁移会使得器件的电阻值发生改变，这种改变是可逆且非线性的。
忆阻器可以存储过去的电流或电压状态，同时根据存储的信息来调整自身的电阻值。
这种可编程的电阻性质使得忆阻器在人工智能、神经网络模拟和类脑计算等领域具有广泛的应用前景。
在类脑计算领域，忆阻器被认为是一种理想的突触模拟器，可以实现与生物神经网络相似的学习和记忆功能，从而提高类脑计算系统的性能和能效。
忆阻器还可以用于模拟神经元之间的连接和通信，实现人工神经网络的构建和训练。
在人工智能领域，忆阻器的存储和调整能力可以帮助智能系统更快、更准确地学习和适应环境，拓展了人工智能算法的应用范围和效率。
离子通道和忆阻器都是生物体和电子器件之间的一种奇妙联系，它们在细胞功能和人工智能领域中发挥着重要的作用。
通过深入研究离子通道和忆阻器的工作原理和机制，我们可以更好地理解生命活动的本质和智能系统的设计原则，为人类健康和科技发展提供新的思路和解决方案。
二元氧化物忆阻器材料及其在突触领域研究进展
DOI:10.19551/ki.issn1672-9129.2021.08.167金融学专业中外合作办学问题及对策章㊀郡㊀㊀胡㊀霄㊀㊀蔡㊀琳(武汉东湖学院㊀湖北㊀518000)摘要:全球经济的发展在一定程度上促进了我国经济的快速发展㊂只有牢牢抓住机遇,我国经济才能高速发展㊂这门课程需要很多人才,尤其是金融专家,这对中国大学的教育工作提出了更高的要求㊂大学培养的人才必须能够满足社会的发展和需求,并满足社会的包容性需求㊂与过去相比,我国的高等教育有了显着改善,但还不完善㊂由于受过训练的大学生无法充分满足社会的需求,因此必须引入国外的教学方法和教学模式㊂本文主要分析了金融学专业中外合作办学的问题,并针对这些问题提出了具体的解决方案㊂关键词:金融学;运营;中外合作;措施中图分类号:F830-4;G648.9㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1672-9129(2021)08-0173-01㊀㊀1㊀金融学专业中外合作办学中存在的问题1.1教科书的问题㊂一些接受中外合作教育的金融大学向外界宣称,他们正在从国外进口他们使用的教科书,实际上,这些学校的金融教科书根本没有引入外国教科书,即使引入了外国教科书,教师也没有在实际教科书中有效地利用它们㊂为了提高国内外学校运营的质量,一些大学引入了许多外国金融教科书和大纲㊂但是,由于学校没有为引进的教科书提供固定的评估标准,因此引入了许多质量较差和不合适的教科书㊂不仅教科书没有提高教育质量,而且由于教科书的不合理性,金融专业的学习效果大大降低㊂以上两种情况反映了大学的中外合作教育理念,但并未真正实现中外合作教育的内容㊂1.2低级合作伙伴㊂一些合作伙伴的学术和教育水平不能得到完全保证,对合作伙伴的具体条件也没有清晰的了解㊂因此,我国大学在学校运营中的中外合作总体水平较低,可引进的教育方法和教育资源不足以开展深入合作㊂此外,为了吸引学生并增加在校学生的数量,许多大学在公关过程中夸大了中外合作教育的一流质量,因此大大降低了教育质量㊂1.3教师专业性问题㊂金融专业需要很多中外合作的高级教师,但如今,我国教师教育水平参差不齐,而恰好这个专业的教师要求比普通专业更高,因此在聘请老师时,不仅要注意他们的的工作和教学经验,还要注意他们各个方面的能力㊂然而,目前在金融专业任职的教师有高学历,但没有相关的工作经验和出国留学经验,或者没有实践经验和出国留学经验,但是学历相对较低㊂另外,还应具有开放思想的年轻教师,年长的老师是教学团队的坚决拥护者,年轻的老师是教学团队的领导者,二者共同努力,以提高整体教学质量㊂2㊀完善金融学专业中外合作办学的措施2.1选择适合中外合作管理的教科书㊂为了提高中外金融合作的教育质量和水平,首先要解书本问题,改善金融课书本的质量㊂目前,我国大多数已经进行中外合作的学校并没有使用国外的教科书,依旧使用根据我国的基本国情编写的书,虽然适合所有学生,但是由于中外合作教育所要培养的人才是国际人才,中外合作教育的金融学生必须了解本国国情和金融发展,也要了解金融发展㊂但是,国内的教科书无法为金融专业的学生提供这样的学习内容㊂为真正实现中外合作经营金融专业,培养国际人才的目标,应利用中英文双语教科书或英文原版教科书㊂除了国内外教科书所关注的国家以外,还有另一个明显的区别㊂换句话说,国内教科书更侧重于理论,而外国教科书更侧重于实践㊂金融专业的学生不仅可以使用外国教科书来拓宽视野,而且可以将自己的知识与国外的现状相结合以达到国际水平㊂2.2选择合适的合作伙伴㊂我国大学中外合作过程中选择的合作目标水平决定了学校管理中的合作水平㊂想要中外合作教育的质量高,我们的合作伙伴的教学质量就必须高,教学资源必须丰富㊂反之,如果合作伙伴的教学质量较差,教学资源不足,学校的教学质量就会大大降低了㊂因此,大学在开展学校运营中的中外合作时必须选择合适的合作伙伴,在发展中外金融合作教育之前,大学应该对外国合作大学和大学进行充分的了解和详细分析,对外国学校办学的能力和资格有深入的了解㊂2.3教师质量的提高㊂如果教师水平不高,那么我们想要金融专业的合作质量就不会高㊂如果还有别的专业的参与,教学能力就很高,因为合作教学的质量还不错,因为教学经验非常丰富㊂可以看出,财务教师的专业水平与合作教育水平直接相关㊂要培养国际金融人才,必须首先确保培训团队的国际化㊂可以派一些金融教师到外国合作伙伴或其他享有声誉的学校学习,以增进他们的知识并丰富他们的学习经验㊂金融专业的教师必须具有出国留学的经验,还需要回到中国,招募到国外学习的硕士或博士,并招募优秀的外国教师㊂3㊀总结为社会培养高层次的人力资源,合作教育的发展已在一定程度上解决了这一问题㊂现在,已经有好几所大学正在按这个标准进行合作教育,通过使用外国教科书,有高质量的教师,老师的教学质量和学生的学习质量有了很明显的进步,相比之前取得了相当不错的成绩㊂参考文献:[1]张漾滨.改革开放以来中外合作办学问题研究[D].河北师范大学,2008[2]李晨.高等教育国际化背景下的中外合作办学研究[D].青岛大学,2007[3]王悦,房红.中外合作办学存在的问题及对策[J].科技创业月刊,2014(2)[4]贾欣宇,裴英凡,房红.基于中外合作办学的金融学专业人才培养模式研究[J].科技创业月刊,2015(10)DOI:10.19551/ki.issn1672-9129.2021.08.168二元氧化物忆阻器材料及其在突触领域研究进展周小霞㊀邵一凡㊀杨㊀晗㊀王敬蕊(宁波工程学院㊀浙江㊀315211)摘要:近几年该材料在突触仿生功能的运用,让人们对人造神经网络有了更深一步的认识,同时也被认为实现高效脑人工神经网络的独特器件㊂本文将综述近几年研究的二元氧化物材料,如:ZnO㊁TiO x㊁SiO x㊁WO x㊁HfO x㊁TaO x㊁ZrO x氧化物材料关于突触仿生功能的实现,也将概述氧化物材料特点㊁目前采用的制备为忆阻器的方法㊁突触领域的现有研究,并展望未来该领域的更多可能性㊂关键词:二元氧化物;忆阻器;神经元;突触中图分类号:TN606㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1672-9129(2021)08-0173-02㊀㊀引言:忆阻器,全称记忆电阻器(Memristor),表示磁通与电荷之间的关系,最早是由华裔科学家蔡少棠提出,后由惠普实验室证实了它的存在㊂目前基于忆阻器实现的神经网络架构中,通常使用电导表示权重,其用施加电压㊁检测电流的方式来更新和读取权重的过程存在不可避免的电能损耗㊂由于忆阻器的逻辑运算和存储功能的突出特点,也是硬件实现人工神经网络突触的最好方式㊂1㊀忆阻器人工突触功能仿生突触作为连接神经元的重要且必要接口,它的连接强度即权值会随着实现功能过程的不断改变而做自身的调整,脉冲信号是通过神经元产生㊁而经突触传递的,因此,神经元和突触的模型建立是构建脉冲神经网络模型中最重要的两部分㊂1.1突触可塑性㊂人工突触器件的电导可以模拟式地连续调节功能的实现是模拟生物神经突触的可塑性的必要条件㊂㊃371㊃DOI:10.19551/ki.issn1672-9129.2021.08.169关于无机非金属材料的发展趋势浅谈康宇瀚(重庆科技学院㊀401331)摘要:我国金属能源供应不足㊂无机非金属材料是我国现代工业,农业和国防发展必不可少的一部分,本文分析了无机非金属材料工业的发展趋势㊂在考察了国内无机非金属材料的发展现状后,考虑理论指导对材料科学未来发展的影响的同时,对无机非金属应用和发展趋势提出了一些建议㊂关键词:无机非金属;发展趋势中图分类号:TB321㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1672-9129(2021)08-0174-02㊀㊀引言:新型无机非金属材料的出现是为了朝鲜军队的发展,由于后来对无机非金属的深入研究,按照当前材料工业的发展趋势,新型无机非金属材料复合材料被广泛应用于各个领域,并逐渐取代现有的材料,例如,在汽车速度控制,城市建设等行业中,无机非金属材料取代所有普通材料的趋势十分明显㊂1㊀无机非金属材料的优点对金属材料,有机材料和无机非金属材料这三种材料的分析研究表明,无机非金属材料具有很强的完整性㊂由于无机非金属材料本质上是固体材料,因此无机非金属材料具有相对稳定的物理和化学性质,并且在使用过程中不会发生无机非金属材料的老化和风化㊂第二,在正常情况下,无机非金属材料可以承受0.5H-1.0H的高温影响,属于耐火材料中的第一至第三类耐火材料㊂其次,无机非金属材料的结构相对稳定并且具有致密的结构,因此无机非金属材料在防水方面起着很大的作用,并且无机非金属材料可以有效地防止土地和土地的渗透㊂2㊀无机非金属材料的缺陷和措施2.1缺陷㊂从客观的角度来看,无机非金属材料在许多方面表现都相对较好,但这并不意味着该材料没有缺陷㊂相反,目前正在研究的无机非金属材料在缺陷方面更为突出㊂从类别的角度来看,无机非金属材料的问题包括附着力不足,陶瓷现象,陶瓷层破裂和麻泡沫㊂这些缺陷使无机非金属材料无法获得所需的效果㊂最终产品也不理想㊂此外,如果选择有缺陷的无机非金属材料进行生产和加工,则最终产品在使用过程中也会表现出更大的安全隐患,例如更大的爆炸,裂缝,光泽度下降等㊂这对生活和工作产生了不利影响㊂2.2解决方案㊂无机非金属材料中出现缺陷并非偶然,每种类型的缺陷都有其自身的原因,因此需要有效的方法来解决㊂为了避免缺陷的再次发生,有必要通过许多实验客观地选择的解决方案㊂首先,考虑到气泡和针孔的出现,在实际工作中,建议对表面进行有效的酸处理并稀释稀碱溶液,以免出现气泡和针孔㊂3㊀无机非金属材料的应用(1)在建筑工程中的应用㊂尽管我国的建筑业最近发展很快,但同时也出现了能源短缺的问题,但是非金属材料具有能够满足发展需求的优势㊂(2)适用于国防装备㊂作为新型的无机非金属材料,人造晶体㊁无机纤维㊁高级陶瓷等已广泛用于现代国防建设,是不可替代的材料基础㊂首先是人造晶体,其更广泛用于海底通信㊁电子对策㊁弹道制导㊁激光武器等,其次是由于其耐高温和高韧性而广泛用于航空航天的特殊陶瓷㊂4㊀无机非金属材料的发展趋势随着我国化学技术的飞速发展,化学工业日常生产中使用的材料种类也在增加,极大地提高了我国化学工业的发展水平㊂无机非金属材料已逐渐成为社会发展过程中相对普遍的创新材料,并已广泛应用于许多领域,特别是在绿色建筑,信息技术和军事领域㊂无机非金属材料产品丰富,衍生物相对较多,具有环保㊁节能㊁实际使用效率高的优点,可以有效地促进我国经济的快速发展㊂(1)低维发展㊂无机非金属材料的低维发展可以用宏观和微观两种方式表达㊂首先,从宏观的角度来看,低维㊀㊀1.2突触的电阻切换机制㊂忆阻器的电阻切换机制可被分为两种:一种是具有突变的高低两种电阻状态实现 0和 1 之间的储存㊂另一种则表现出电阻缓变的行为㊂2㊀二元氧化物材料二元氧化物相对于多元来说,结构相对简单,制备工艺以及CMOS兼容等优点,是研究突触仿生的重要材料,这些二元氧化物材料主要是来自过渡区的金属氧化物,以及部分镧系金属氧化物,在这些材料中,ZnO㊁TiO x㊁SiO x㊁WO x㊁HfO x㊁TaO x等材料备受研究者的关注㊂2.1ZnO㊂ZnO一般具有良好的生物相容性,并且成本较低,对环境友好的优秀阻变材料㊂ZnO的纯电子结构构成的忆阻器件,它可以模拟生物的神经突触仿生功能和长程可塑性的学习行为㊂ZnO作为最常用的氧化物材料,经常作为一介质层参与其他材料的忆阻器性能测试㊂目前制备该忆阻器件的方法有电沉积㊁热氧化㊁纺丝涂层方法等,不同方法制备出来可有不同特性㊂2.2TiO x㊂TiO x是最具有代表性的一个氧化物忆阻器,忆阻器的实物发现则是惠普实验时提出的TiO x双层结构( 三明治 结构)模拟器㊂由于该忆阻器件本身性能的可靠性㊁稳定性㊁良好可透性㊁成本低㊁易于制造以及有很高的介电常数等性质㊂目前现有的资料显示,由于该物质在现实生活中应用很广泛,故该忆阻器件的制备方法也呈现多样性㊂2.3WO x㊂WO x材料在近几年移动电子需求增加的趋势下,因为它出色的耐受力,灵活的可控性,且当前CMOS工艺兼容结构简单等优良特性,该忆阻器件将成为下一代非易失性存储器的理想选择㊂由于该器件记忆神经网络的低功耗和高集成度等优点,这一功能也就被广泛运用在图像识别㊂2.4SiO x㊂SiO x具有半导体电阻特性且物质的超硬度㊁不易传热等特点,是当前电子技术行业运用最广泛的忆阻器材料之一㊂目前制备SiO x忆阻器件可以通过磁控溅射㊁射频溅射等方法㊂由于SiO x在薄膜不能实现突触权重的可调性,在人工神经网络突出领域得到了限制,就解决该物质在突触领域的性能稳定和权重连续可调问题,仍然是目前实现SiO x在突触领域更好运用的重要问题㊂2.5HfO x㊁TaO x㊁ZrO x㊂HfO x㊁TaO x和SiO x一样,被当做最具潜力的忆阻器材料㊂其中TaO x独特的结构,还具有很好的CMOS兼容性,以此为基础制作出来的器件为新型忆阻器件提供了更优良的特性㊂TaO x和TiO x是现在三星公司研究的最主要研究材料,具有优良的突触可塑性㊂ZrO x㊁HfO x 材料的忆阻器都表现出较高稳定性,同时HfO x忆阻器件还具有低压㊁高速㊁重复性好等优点,可呈现相对于Ti㊁W等更好的突触性能 速度快㊁均一性好㊁可重复写入/擦除,且可以很好地模拟STDP㊁STM和LTM的学习 遗忘 再学习等突触功能㊂3㊀忆阻器在突触领域应用前景现如今,人工智能是现在科技的发展热点,在计算机系统领域有着广阔的前景优势,且忆阻器作为可以实现人体大脑神经网络的重要器件,在这方面的运用或许可以成为改变IT行业的重要器件㊂忆阻器模拟人体大脑突触结构通过脉冲信号实现信息传输,并且它的学习规则与神经网络极其相似㊂结语:忆阻器可通过不同的阻变机制模拟不同的突触功能,上述所有二元氧化物的实现途径都是基于氧空位原理,因此可以明白他们之间的通性 CMOS技术兼容性㊁可操作性强,尺寸小等特点㊂参考文献:[1]李清江,刘海军,徐晖.忆阻器的发展现状与未来\ [J\].国防科技,2016,37(06):9-16.[2]承艳坤,林亚,王中强,徐海阳,刘益春.WO x基忆阻器的信息存储及神经突触仿生研究\[J\].微纳电子与智能制造,2019,1(04):112-120.[3]承艳坤,林亚,王中强,徐海阳,刘益春.WO x基忆阻器的信息存储及神经突触仿生研究\[J\].微纳电子与智能制造,2019,1(04):112-120.(本文通讯作者:王敬蕊)㊃471㊃。
忆阻器
无源电子器件忆阻器的特性分析及应用前景摘要：忆阻器被认为是除电阻、电感、电容外的第四种基本电路元件，是一种有记忆功能的非线性电阻。
本文分析了忆阻器电路学特性，并且展望了其在未来各方面的应用前景。
关键字：忆阻器；电路学特性；前景Abstract ：Besides Resistors,Inductors and Capacitors ，which are three basic passive circuit elements ．Memristors are considered to be the fourth basic circuit element ．This element is a kind of non-1inear resistor which has the ability to remember ．This paper analyzed memristor’s circuit characteristics ，And its application foreground in all aspects of future are discussed ．Keywords ： Meristor ；memri stor’s circuit characteristics ；prospect1 引言2008年，Strokov [1]等成功实现了电路世界中的第四种基本无源二端电路元件----记忆电阻器，简称忆阻器(meristor)，证实了美国加州大学伯克利分校的华裔科学家蔡绍棠[2]于1971 年提出的忆阻器元件概念和1976年建立的忆阻器件与系统理论。
忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻，通过控制流过忆阻器的电流，可以改变其阻值。
忆阻器被认为是除电阻、电感、电容外的第四种基本电路元件，是一种有记忆功能的非线性电阻。
目前，忆阻器原理及其应用是国际电路学研究的热点和前沿问题之一。
忆阻器的出现将可能从根本上改变传统电路格局，“具有引发电路革命的潜质”。
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3D 忆阻器混合芯片面世实现人工神经网络
在加利福尼亚大学伯克利分校举行的一次研讨会上，惠普实验室向我们展
示了首个三维忆阻器混合芯片。
忆阻器技术在惠普实验室诞生以来取得了长足
的发展。
该忆阻器及忆阻系统研讨会是由加利福尼亚大学，美国半导体行业协会和美
国国家科学基金会共同举办。
会上惠普实验室(位于加州的PaloAlto)提供了该
芯片原型的设计细节：该芯片是惠普实验室的研究人员QiangfeiXia 通过在一
块CMOS 逻辑芯片表面上堆叠忆阻器交叉开关矩阵记忆单元完成的。
惠普实验室的研究员，同时也是忆阻系统记忆技术发明者StanWilliams 表示：Xia 利用压印光刻技术将一个忆阻器交叉开关矩阵堆叠到一块CMOS 逻辑电路上，从而构建了一个晶体管和忆阻器的集成混合电路。
Williams 和惠普的同
事GregSnider 早些时候就曾经提出通过将忆阻器交叉开关矩阵置于CMOS 晶
体管的上面来实现FPGA 中的配置位。
忆阻器交叉开关矩阵架构包括两个垂直的金属线阵列及该两个阵列之间的钛
氧化层。
其中一个钛氧化层掺杂氧空位(oxygenvacancies)，使其成为一种半导体物质。
相邻的一层则不掺杂任何物质，保持原始状态，使其作为一种绝缘体。
同时对底层和顶层的交叉开关矩阵金属线施加一个特定的电压，使交叉开关
矩阵的交叉点保持在一个固定电压，氧空位就会从掺杂质的钛氧化层流动到不
含杂质的那一层，从而使其开始传导，打开记忆位开关。
通过改变电流方向，
将氧空位转移到含杂质的那一层，相当于关上记忆位开关。
Williams 表示惠普实验室研发出的基于忆阻器的FPGA 充分证明一个CMOS 晶圆厂可以在三维空间上实现忆阻器和晶体管的集成电路。