三值忆阻器模型建立及其在数字逻辑电路中的应用研究
混合忆阻器-CMOS逻辑运算的优化设计研究
混合忆阻器-CMOS逻辑运算的优化设计研究冯朝文; 白鹏; 杨晓阔; 危波【期刊名称】《《计算机技术与发展》》【年(卷),期】2019(029)012【总页数】6页(P44-48,54)【关键词】混合忆阻器-CMOS; 逻辑门; 信号衰减; 全加器; 暂态响应【作者】冯朝文; 白鹏; 杨晓阔; 危波【作者单位】空军工程大学基础部陕西西安 710051【正文语种】中文【中图分类】TN40 引言传统CMOS技术[1]发展由于受到各种物理限制变得越来越困难，因此需要其他方法来制造更高性能的内存和逻辑应用程序，其中一个可行的候选新器件是忆阻器。
1971年，Chua根据电荷与磁链的关系推测出存在第四种基本电路元件，并把该元件命名为忆阻器[2]。
2008年，HP实验室的Williams团队制备出一种二氧化钛纳米级器件在物理上实现了忆阻器，并把这一成果发表在《Nature》期刊上，随后成为物理和电子技术界内的研究热点[3]。
忆阻器以其优异的非易失性、抗疲劳性强、能耗低、工作速度快、集成度高以及与CMOS工艺兼容性等优点[4-7]，广泛应用于电路设计[8]、混沌系统[9]、非易失性存储器[10]和神经网络[11]等领域。
忆阻器的数字电路设计和应用一直是一个热点研究方向。
忆阻器可用于逻辑电路[12-13]、逻辑阵列[13-14]，以及其他如PLA、PMLATLA[13,15]、忆阻器-CMOS混合[16-17]、FPGA类忆阻器系统[18-19]等。
研究人员对不同的忆阻器组合行为(并行、反并行、串联和反串联)进行了详细研究，发现忆阻器可以用于构成实质蕴含操作的逻辑门设计[12]。
但是，这类设计中的“与”“或”“非”逻辑门需要多个实质蕴含操作步骤，运算比较复杂且消耗大量时间，易造成计算误差累计[15]。
另外，与传统CMOS技术相比，忆阻器-CMOS混合电路虽然具有功耗低、物理面积小、运行速度快等优点[5-6]，但这类逻辑电路由于潜通路存在信号衰减问题，并随着电路规模的增大，可能导致逻辑混乱和故障[17]。
基于Simulink的忆阻器模型
路关 系的基础上 ， 在Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｉ ｎ ｋ中用二种 方法对忆阻器进行 了双端 口建模 ， 方便准确 的实现 了对 于忆阻器
的仿真 。与编 写 Ｍ 文件 、 构建 图形用户界 面和搭建输入输 出模型的建模 方法相 比， 基于Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｉ ｎ ｋ的双端 １ ７ ： 模型不仅能够方便准确的观察忆 阻器的输入输 出特性 ， 而且具有更广阔的应用范 围， 对 于忆 阻器的研 究有一定的指导作 用。
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忆阻器
忆阻器忆阻器，全称记忆电阻。
最早提出忆阻器概念的人是华裔的科学家蔡少棠，时间是1971 年。
2013年，比勒菲尔德大学物理学系的高级讲师安迪·托马斯博士研制的忆阻器被内置于比人头发薄600倍的芯片中，利用这种忆阻器作为人工大脑的关键部件，他的研究结果将发表在《物理学学报D辑：应用物理学》杂志上。
基本介绍忆阻器，全称记忆电阻，从这两个字可以大致推敲出它的功用来。
最早提出忆阻器概念的人，是华裔的科学家蔡少棠，当时任教于美国的柏克莱大学。
时间是1971 年，在研究电荷、电流、电压和磁通量之间的关系时，任教于加州大学伯克利分校的蔡教授推断在电阻、电容和电感器之外，应该还有一种组件，代表着电荷与磁通量之间的关系。
这种组件的效果，就是它的电阻会随着通过的电流量而改变，而且就算电流停止了，它的电阻仍然会停留在之前的值，直到接受到反向的电流它才会被推回去。
用常见的水管来比喻，电流是通过的水量，而电阻是水管的粗细时，当水从一个方向流过去，水管会随着水流量而越来越粗，这时如果把水流关掉的话，水管的粗细会维持不变；反之当水从相反方向流动时，水管就会越来越细。
因为这样的组件会「记住」之前的电流量，因此被称为忆阻器。
由于忆阻器尺寸小、能耗低，所以能很好地储存和处理信息。
一个忆阻器的工作量，相当于一枚CPU芯片中十几个晶体管共同产生的效用。
[1] 2发展过程提出蔡教授之所以提出忆阻器，只是因为在数学模型上它应该是存在的。
为了证明可行性，他用一堆电阻、电容、电感和放大器做出了一个模拟忆阻器效果的电路，当时并没有找到什么材料本身就有明显的忆阻器的效果，也没有人在找，处于连集成电路刚起步不久的阶段，离家用电脑普及还有至少15年的时间，这时候HP 就登场了。
研究HP 关于忆阻器的发现在2008 年时发表于「自然」期刊，2009 年证明了Cross Latch 的系统很容易就能堆栈，形成立体的内存。
技术每个电线间的「开关」大约是3nm x 3nm 大，开关切换的时间小于0.1ns，整体的运作速度已和DRAM差不多，但是开关次数还不如DRAM-- 还不足以取代DRAM，但是靠着1 cm² 100 gigabit（GB），1cm³ 1 petabit（数据存储单位1PB=1000TB）（别忘了它是可以堆栈的）的惊人潜在容量，干掉闪存是绰绰有余的。
74ls00三变量表决器300字总结
74ls00三变量表决器300字总结
74LS00是一种四路二输入与门芯片，在数字逻辑电路中具有重要的作用。
它可以将四个输入信号进行逻辑与运算，并输出一个结果。
这种芯片被广泛应用于计算机、通信设备等领域，用于控制和处理各种信号。
在数字逻辑电路中，三变量表决器是一种常见的电路设计。
它通过比较三个输入信号，根据特定的逻辑规则，确定一个结果。
74LS00芯片可以用于实现三变量表决器电路。
具体实现方法如下：将三个输入信号分别连接到74LS00芯片的三个输入端口上。
将芯片的输出端口连接到需要控制的设备或电路。
通过控制输入信号，可以控制输出信号的状态。
例如，假设有三个输入信号A、B和C，需要判断当A为1且B为0
且C为1时，输出为1，否则输出为0。
可以将A连接到74LS00芯片的1A端口上，B连接到1B端口上，C连接到2A端口上。
然后将3A 和2B端口短接，将1Y端口连接到输出设备上。
这样，当输入满足逻辑条件时，输出信号会变为1，否则为0。
使用74LS00芯片实现三变量表决器具有以下优点：首先，芯片本身具有高集成度和可靠性，能够提供稳定和准确的输出信号。
其次，芯
片的功耗较低，能够满足节能要求。
最后，芯片的成本相对较低，适合大规模应用。
总之，74LS00芯片是一种常用的数字逻辑芯片，能够实现三变量表决器电路。
它在电子设备中具有广泛的应用，能够有效地处理和控制各种信号，提高系统的性能和可靠性。
忆阻器混沌电路的硬件实现
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忆阻器混沌电路的硬件实现
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三值忆阻器模型建立及其在数字逻辑电路中的应用研究摘要：本文提出了一种基于三值忆阻器的模型，在数字逻辑电路中应用的研究。
介绍了该模型的构建、特性和应用。
通过实验验证，该模型能够在实现高性能数字逻辑电路的同时，具有较低的功耗和面积开销。
文章探讨了该模型在数字信号处理、时钟管理等方面的应用，并提出了未来研究的方向。
关键词：三值忆阻器，数字逻辑电路，功耗优化，面积优化，数字信号处理，时钟管理一、引言随着现代数字电路的高速发展，功耗越来越成为了一种重要的考虑因素。
在数字电路的设计中，优化功耗是一项重要且具有挑战性的工作。
为了减少功耗，设计者不断探索新的技术和方法。
其中，三值忆阻器成为了一种备受关注的技术。
二、三值忆阻器模型的构建该模型主要由三部分组成：忆阻器、开关以及逻辑电路。
其中忆阻器由一组电容和电阻构成，能够存储三种不同的电位值。
开关可以根据逻辑控制信号选择不同的电容和电阻组合，实现电位值的切换。
逻辑电路则利用三值忆阻器实现数字逻辑操作。
三、三值忆阻器模型的特性该模型具有三种不同的电位值，可以用于实现三值逻辑电路中的“真”、“假”和“未定义”等概念。
此外，该模型在实现数字逻辑操作时，具有较低的功耗和面积开销，能够满足功耗和面积的要求。
四、三值忆阻器模型在数字逻辑电路中的应用研究本文通过实验证明，利用三值忆阻器模型可以实现高性能数字逻辑电路。
在功耗和面积方面，该模型具有显著的优势。
此外，由于该模型具有较高的灵活性和可扩展性，可以在数字信号处理、时钟管理等方面得到广泛的应用。
五、结论及展望本文提出了一种基于三值忆阻器的模型，在数字逻辑电路中应用的研究。
该模型在功耗和面积开销方面具有较大的优势，可以实现高性能数字逻辑电路。
未来的研究方向包括进一步优化该模型的设计以及探索其在其他领域的应用六、研究方法本文采用了实验和模拟两种方法，对三值忆阻器模型在数字逻辑电路中的应用进行了研究。
首先，我们在电路实验平台上搭建了三值忆阻器模型，利用数字信号发生器和示波器进行信号的输入和输出，以此验证该模型的逻辑功能和性能指标。
然后，我们在电脑上采用SPICE仿真软件进行了模拟实验。
首先根据三值忆阻器的内部结构，建立了具有开关和逻辑电路的电路原理图。
然后在仿真软件中搭建电路，设置初始值和逻辑控制信号，并模拟了多种输入情况下的输出结果。
通过以上实验和模拟，我们得到了三值忆阻器模型的逻辑功能和性能指标，并通过与传统数字逻辑电路的比较，验证了其在功耗和面积开销方面的优势。
七、未来展望随着电子技术和信息技术的不断发展，数字逻辑电路的应用领域越来越广泛。
在这个背景下，三值忆阻器模型作为一种新的数字电路设计方式，具有广阔的应用前景。
未来的研究可以从以下几个方向展开：1. 进一步优化三值忆阻器模型的设计，提高其性能和可靠性指标。
2. 探索三值忆阻器模型在其他领域的应用，如时序电路、异步电路等。
3. 开发基于三值忆阻器的集成电路，实现数字逻辑电路的高度集成和高性能。
通过以上研究和探索，相信三值忆阻器模型将会在未来的数字逻辑电路设计中发挥越来越重要的作用，为数字电路设计带来更多的创新和发展四、三值忆阻器模型的应用1. 安全防御系统在安全防御系统中，三值忆阻器模型可以用于提供高精度、低误差的传感器数据采集功能。
三值忆阻器的三种状态可以很好地表达传感器数据的精度范围，同时忆阻器的储存功能可以解决传感器数据的时序问题，从而提升整个系统的数据准确率和可靠性。
2. 数字信号处理器在数字信号处理器中，三值忆阻器模型可以用于存储、处理、传输数字信号，从而实现数字信号的高速处理、低功耗、低复杂度。
与传统数字信号处理器相比，三值忆阻器模型可以实现更高的工作速度和更低的功耗，从而适用于高速数据处理和低功耗应用场景。
3. 人工智能算法在人工智能算法中，三值忆阻器模型可以用于存储神经元的权值和偏差，并作为输入信号的缓存，从而提升算法计算速度和精度。
三值忆阻器的双稳态特性可以实现非线性计算，同时三值特性可以减少算法复杂度和功耗。
4. 高可用性计算机在高可用性计算机中，三值忆阻器模型可以用于实现存储器、逻辑单元和控制单元的高可靠性设计。
忆阻器的储存功能可以解决存储器的数据可靠性问题，同时三值特性可以减少逻辑单元的复杂度和功耗，从而提升整个计算机的可靠性和性能。
五、三值忆阻器模型的优缺点优点：1. 高集成度：三值忆阻器模型可以实现忆阻器和逻辑电路的高度集成，从而减少器件数量和占用面积。
2. 功耗低：三值忆阻器模型可以通过减少逻辑复杂度和控制电压范围，从而减少功耗。
3. 可重构性强：三值忆阻器模型可以通过改变控制电压和初始状态，实现不同函数和逻辑电路的重构。
4. 高稳定性：三值忆阻器模型具有双稳态特性和高噪声容限，从而可以在不稳定的工作环境下保持稳定的输出结果。
缺点：1. 工艺不成熟：目前三值忆阻器模型的工艺和制造技术尚不成熟，生产成本和稳定性还需要进一步提升。
2. 设计难度大：三值忆阻器模型的设计和仿真需要较高的技术水平和完善的设计流程。
3. 输出范围有限：由于忆阻器只有三种状态，三值忆阻器模型的输出范围相对较小，无法满足大范围的逻辑运算需求。
六、三值忆阻器模型的实验和仿真研究为了验证三值忆阻器模型的逻辑功能和性能指标，我们进行了实验和仿真研究。
首先，我们通过数字信号发生器和示波器进行了信号的输入和输出，并验证了该模型的逻辑功能和性能指标。
然后，我们在电脑上采用SPICE仿真软件进行了模拟实验。
根据三值忆阻器的内部结构，建立了具有开关和逻辑电路的电路原理图。
然后在仿真软件中搭建电路，设置初始值和逻辑控制信号，并模拟了多种输入情况下的输出结果。
通过以上实验和模拟，我们得到了三值忆阻器模型的逻辑功能和性能指标，并通过与传统数字逻辑电路的比较，验证了其在功耗和面积开销方面的优势。
七、未来展望随着电子技术和信息技术的不断发展，数字逻辑电路的应用领域越来越广泛。
在这个背景下，三值忆阻器模型作为一种新的数字电路设计方式，具有广阔的应用前景。
未来的研究可以从以下几个方向展开：1. 进一步优化三值忆阻器模型的设计，提高其性能和可靠性指标。
2. 探索三值忆阻器模型在其他领域的应用，如时序电路、异步电路等。
3. 开发基于三值忆阻器的集成电路，实现数字逻辑电路的高度集成和高性能。
通过以上研究和探索，相信三值忆阻器模型将会在未来的数字逻辑电路设计中发挥越来越重要的作用，为数字电路设计带来更多的创新和发展四、三值忆阻器模型在应用领域中的优势三值忆阻器模型作为一种新型的数字逻辑电路设计方式，在应用领域中具有以下优势：1. 低功耗：传统的数字逻辑电路采用二进制编码方式，由于需要在数字信号的高低电平之间进行切换，因此在工作过程中会产生大量的开关损耗和动态功耗。
而三值忆阻器模型采用三值编码方式，只需要在三个不同的电压值之间切换，因此在工作过程中的开关损耗和动态功耗比传统数字电路要小很多。
2. 面积开销小：由于三值忆阻器模型采用了忆阻器的电路结构，因此相比传统的数字逻辑电路，其面积开销要小得多，可以实现更高密度的集成。
3. 异步操作能力强：传统的数字逻辑电路采用同步电路的方式进行操作，需要通过时钟信号进行同步操作。
而三值忆阻器模型采用异步电路的方式进行操作，不需要时钟信号，能够更灵活地适应各种异步操作的需求。
4. 耐辐射性能好：由于三值忆阻器模型采用了硅锰忆阻器等辐射阻抗较高的元件，因此相比传统数字逻辑电路，在辐射环境下的抗干扰能力更强。
在以上应用领域中，三值忆阻器模型的优势得到了充分的体现，其在未来数字电路设计中的应用前景非常广阔。
五、三值忆阻器模型的设计与实现三值忆阻器模型的设计与实现需要从以下几个方面进行考虑：1. 电路结构设计：三值忆阻器模型是以忆阻器为基础设计的，因此需要选择合适的忆阻器结构，并在此基础上设计出完整的数字电路结构。
2. 电路参数设计：三值忆阻器模型的设计需要考虑多种电路参数，如电压范围、电流范围和切换速度等，需要根据实际需求进行选择和调整。
3. 逻辑控制设计：三值忆阻器模型中的三值编码方式需要进行适当的逻辑控制才能实现预期的功能，因此需要设计出合适的逻辑电路控制方式。
4. 仿真验证：三值忆阻器模型的设计需要通过仿真验证其功能和性能指标，并进行优化和改进。
通过以上设计和实现，可以得到一个具有良好逻辑功能和性能指标的三值忆阻器模型，为数字电路设计提供有效的解决方案。
六、三值忆阻器模型的实验验证与仿真为了验证三值忆阻器模型的逻辑功能和性能指标，可以采用实验验证和仿真两种方法。
1. 实验验证：实验验证需要搭建实际的数字电路原型，并通过数字信号发生器和示波器进行信号的输入和输出，验证其逻辑功能和性能指标。
2. 仿真验证：仿真验证需要采用SPICE仿真软件进行模拟实验，根据三值忆阻器的内部结构，建立具有开关和逻辑电路的电路原理图，模拟多种输入情况下的输出结果，并分析其逻辑功能和性能指标。
通过以上实验和仿真验证，可以得到三值忆阻器模型的逻辑功能和性能指标，并验证其在功耗和面积开销方面的优势。
七、未来展望随着数字逻辑电路应用领域的不断扩大，三值忆阻器模型作为一种新的数字电路设计方式，具有广阔的应用前景。
未来的研究可以从以下几个方向展开：1. 进一步优化三值忆阻器模型的设计，提高其性能和可靠性指标。
2. 探索三值忆阻器模型在其他领域的应用，如时序电路、异步电路等。
3. 开发基于三值忆阻器的集成电路，实现数字逻辑电路的高度集成和高性能。
通过以上研究和探索，相信三值忆阻器模型将会在未来的数字逻辑电路设计中发挥越来越重要的作用，为数字电路设计带来更多的创新和发展综上所述，三值忆阻器模型作为一种新型的数字电路设计方式，具有优异的功耗和面积开销表现，为数字逻辑电路的设计带来了新的思路和方法。
通过实验验证和仿真模拟，可以得到该模型的逻辑功能和性能指标，并验证其优越性。
未来的研究可以进一步优化设计，探索其他应用领域，以及开发集成电路，为数字电路设计带来更多的创新和发展。