Harnessing memristor circuits and device variability in emergent computing applications

作者
Βασίλειος Ντίνας
标识
DOI:10.12681/eadd/51458
摘要

Τα σύγχρονα ηλεκτρονικά συστήματα επιδεικνύουν πρωτοφανείς δυνατότητες αποθήκευσης και επεξεργασίας πληροφοριών, χρησιμοποιώντας τη σύγχρονη τεχνολογία συμπληρωματικού μετάλλου-οξειδίου-ημιαγωγού (CMOS) σε νανοκλίμακα και την αρχιτεκτονική υπολογιστών γενικής χρήσης von Neumann. Παρ' όλα αυτά, με την αύξηση του όγκου της συλλογής πληροφοριών και την ανάγκη για την υπολογιστικά απαιτητική επεξεργασία τους, οι συμβατικές τεχνολογία και αρχιτεκτονική υπολογιστών δυσκολεύονται να συμβαδίσουν, καθώς συναντούν τους αντίστοιχους περιορισμούς τους είτε από φυσικής είτε από πρακτικής άποψης, δηλαδή τα όρια σμίκρυνσης, το αυξανόμενο κόστος, τη θερμότητα και την κατανάλωση ενέργειας. Τις τελευταίες δεκαετίες διερευνώνται εντατικά νέες προσεγγίσεις τόσο στην τεχνολογία όσο και στην αρχιτεκτονική υπολογιστών, με στόχο την ανάπτυξη καινοτόμων ηλεκτρονικών συστημάτων με προηγμένη ενεργειακή απόδοση, ταχύτητα λειτουργίας και μικρό εμβαδόν ολοκλήρωσης.Σε αυτή την κατεύθυνση, το memristor, ένα νέο ηλεκτρονικό στοιχείο με διαστάσεις στην κλίμακα του νανομέτρου, έρχεται ως ένας πολλά υποσχόμενος υποψήφιος για να διευρύνει τα όρια της τρέχουσας προηγμένης τεχνολογίας και των υπολογιστικών συστημάτων. Με την πρώτη τους υλοποίηση να χρονολογείται πριν από περίπου μια δεκαετία, οι διατάξεις memristor παρέχουν πρωτοφανή χαρακτηριστικά ως μία ηλεκτρονική διάταξη, όπως η μη πτητική αναλογική αποθήκευση πληροφοριών με γρήγορη και χαμηλής ισχύος λειτουργία. Αξιοποιώντας αυτό το χαρακτηριστικό, τα memristor χρησιμοποιούνται επί του παρόντος σε ανερχόμενες τεχνολογίες μνήμης, καθώς και αποτελούν την κορυφαία τεχνολογία για μελλοντικές υλοποιήσεις κυκλωμάτων τεχνητών νευρωνικών δικτύων και νευρομορφικών υπολογιστών. Ωστόσο, από τεχνολογική άποψη, οι διατάξεις memristor βρίσκονται σε πρώιμο στάδιο, καθώς αντιμετωπίζουν ακόμη σημαντικά ζητήματα που εμποδίζουν την ευρεία εμπορική τους αξιοποίηση. Πρώτον, η μοντελοποίηση των μηχανισμών αγωγής και της δυναμικής συμπεριφοράς τους βρίσκεται ακόμη υπό διερεύνηση και απέχουμε πολύ από ένα πρότυπο μοντέλο memristor που να αποτυπώνει με ακρίβεια τα χαρακτηριστικά των κατασκευασμένων διατάξεων memristor. Επιπλέον, τα υπάρχοντα μοντέλα memristor που επιτυγχάνουν ακριβή περιγραφή της δυναμικής της διάταξης αντιμετωπίζουν ζητήματα αριθμητικής σταθερότητας που επηρεάζουν τη σωστή αξιοποίησή τους σε προσομοιωτές κυκλωμάτων. Δεύτερον, λόγω της φύσης του memristor, η προσαύξηση της αγωγιμότητάς του προκύπτει από εγγενώς στοχαστικές διαδικασίες, π.χ. η μετακίνηση ιόντων, οι οποίες οδηγούν σε υψηλή μεταβλητότητα κατά τη λειτουργία της διάταξης, επηρεάζοντας επίσης τη λειτουργικότητά της μέσα σε ένα κύκλωμα.Με στόχο την αντιμετώπιση των προαναφερθέντων ζητημάτων στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής, η μοντελοποίηση της διάταξης memristor αντιμετωπίστηκε με μια διττή προσέγγιση. Αφενός, έχοντας ως βάση ένα υπάρχον μοντέλο memristor με βάση τη φυσική, πραγματοποιούνται οι απαραίτητοι μαθηματικοί μετασχηματισμοί για την εξαγωγή μιας αναλυτικής και υπερβατικής μορφής της δυναμικής συμπεριφοράς της διάταξης υπό σταθερή θετική και αρνητική διέγερση, αντίστοιχα, επιτρέποντας την αναλυτική μελέτη του προγραμματισμού του memristor. Πέρα από το ντετερμινιστικό μοντέλο, έχει αναπτυχθεί ένα πιθανοκρατικό μαθηματικό πλαίσιο για τη μοντελοποίηση του memristor με γνώμονα τη στοχαστικότητα, το οποίο βασίζεται στις κύριες εξισώσεις των διεργασιών άλματος Markov. Το προτεινόμενο πλαίσιο αποτυπώνει την πιθανοκρατική μεταγωγή των διατάξεων memristor που προέρχεται από την εγγενή στοχαστικότητα της διάταξης. Εκτός από τη δυαδική στοχαστική μεταγωγή, η προσέγγιση αυτή επιτρέπει για πρώτη φορά πολλαπλές πεπερασμένες καταστάσεις, παρέχοντας ευελιξία και περαιτέρω ακρίβεια στην πιθανοκρατική μοντελοποίηση των memristor.Από τη σκοπιά της σχεδίασης κυκλωμάτων, η στοχαστικότητα του memristor επιβάλλει επιζήμια μεταβλητότητα στον προγραμματισμό των διατάξεων memristor. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, υιοθέτησα μια αντισυμβατική προσέγγιση όπου ο θόρυβος προστίθεται στα σήματα προγραμματισμού για να ενισχυθεί η ικανότητα μεταγωγής του memristor. Μια τέτοια προσέγγιση βασίζεται στο φαινόμενο του μη γραμμικού συστήματος που ονομάζεται Στοχαστικός Συντονισμός (Stochastic Resonance - SR), το οποίο υποστηρίζει ότι ένα κατάλληλα επιλεγμένο θορυβώδες σήμα μπορεί να βελτιώσει την απόδοση ενός μη γραμμικού συστήματος. Αρχικά, ο SR χρησιμοποιήθηκε για την ενίσχυση του παραθύρου αντίστασης μιας διάταξης memristor. Στη συνέχεια, στην παρούσα διατριβή, το φαινόμενο αυτό μελετήθηκε για μια ευρύτερη ποικιλία μοντέλων memristor, συμπεριλαμβανομένης της μεταβλητότητας της διάταξης, το φαινόμενο αποδείχθηκε επίσης με πειραματικές μετρήσεις σε μεμονωμένες διατάξεις memristor. Πραγματοποιήθηκε λεπτομερής μελέτη για τον υποβοηθούμενο από θόρυβο προγραμματισμό ενός memristor σε κυψέλες μνήμης ReRAM, είτε μεμονωμένα είτε σε συστοιχία διασταυρωμένων αγωγών, αναδεικνύοντας την αποδοτικότητα της προτεινόμενης προσέγγισης υποβοηθούμενης από θόρυβο ως προς την καταναλισκόμενη ισχύ, καθώς τα ονομαστικά πλάτη τάσης προγραμματισμού μπορούν να μειωθούν παρουσία θορύβου χωρίς να βλάπτεται η ακρίβεια προγραμματισμού.Πέρα από την αντιμετώπιση της στοχαστικότητας του memristor ως επιζήμιο χαρακτηριστικό, η εκμετάλλευσή του στο πλαίσιο ενός νέου υπολογιστικού παραδείγματος διερευνήθηκε κατά τη διάρκεια αυτής της διατριβής. Λαμβάνοντας υπόψη μια δομή Αναδυόμενων Υπολογισμών, γνωστή ως Κυψελιδωτά Αυτόματα (Cellular Automata - CA), η διάταξη memristor ενσωματώνεται στη συστοιχία CA ως μέρος των απλοϊκών τοπικά αλληλεπιδρώντων υπολογιστικών μονάδων, που ονομάζονται κυψελίδες (CA cells), οι οποίες την αποτελούν. Ενώ αρχικά έχουν προταθεί ως ντετερμινιστικές δομές, οι ικανότητες των CA επεκτείνονται μετά την ενσωμάτωση της πιθανοκρατικής μεταγωγής του memristor στις κυψελίδες, καθιερώνοντας τη νέα δομή Πιθανοκρατικών Κυψελιδωτών Αυτομάτων με memristor (memristor-based Probabilistic CA - MemPCA). Έχοντας της απλούστερη μορφή CA, τα στοιχειώδη κυψελιδωτά αυτόματα (Elementary Cellular Automata - ECA), όπου κάθε κελί περιέχει μια δυαδική κατάσταση και το εύρος της αλληλεπίδρασης των κελιών περιορίζεται στο ελάχιστο δυνατό, δηλαδή στα δύο γειτονικά κελιά σε ένα μονοδιάστατο πλέγμα, μελετήθηκε η επίδραση της πιθανοκρατικής μεταγωγής των memristor για όλους τους κανόνες αλληλεπίδρασης των κυψελίδων, με αποτέλεσμα τη βελτίωση της εντροπίας του συστημάτος σε ορισμένο ποσό πιθανότητας μεταγωγής. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε η πρώτη εφαρμογή των ECA σε επίπεδο τρανζίστορ με την χρήση μίας προσέγγισης που βασίζεται ολοκληρωτικά σε memristor, που συμμετέχουν τόσο στο κύκλωμα των κυψελίδων όσο και σε εκείνο των κανόνων. Η προτεινόμενη νέα υλοποίηση MemPCA είναι σε θέση να επιτύχει υψηλή ταχύτητα λειτουργίας και χαμηλές απαιτήσεις σε επιφάνεια ολοκληρωσης, ενώ παράλληλα ενσωματώνει μια εξαιρετικά γρήγορη πηγή εντροπίας ανά κυψελίδα, δηλαδή τη διάταξη memristor. Η λειτουργικότητα του συστήματος επιδεικνύεται τόσο σε ντετερμινιστικές όσο και σε πιθανοκρατικές λειτουργίες, οι οποίες μπορούν να προσαρμόζονται από εξωτερικά επιλεγμένες παραμέτρους, χωρίς καμία τροποποίηση του κυκλώματος. Τέλος, η προτεινόμενη προσέγγιση MemPCA παρέχει επίσης αναδιαμορφώσιμη υλοποίηση της μονάδας κανόνων που επιτρέπει τόσο τη χωρική όσο και τη χρονική ανομοιογένεια των κανόνων.

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
周南发布了新的文献求助10
刚刚
Ava应助xjllp6采纳,获得10
刚刚
刚刚
linsen发布了新的文献求助10
1秒前
2秒前
2秒前
2秒前
2秒前
2秒前
Tuffy_Du完成签到,获得积分10
3秒前
大力的颖发布了新的文献求助10
3秒前
彭佳丽发布了新的文献求助10
3秒前
cnnnn完成签到 ,获得积分10
4秒前
4秒前
JamesPei应助科研通管家采纳,获得10
5秒前
江楠发布了新的文献求助10
5秒前
molihuakai应助科研通管家采纳,获得30
5秒前
5秒前
无花果应助科研通管家采纳,获得10
5秒前
今后应助科研通管家采纳,获得10
5秒前
NexusExplorer应助科研通管家采纳,获得10
5秒前
爆米花应助科研通管家采纳,获得10
6秒前
隐形曼青应助科研通管家采纳,获得10
6秒前
多次婉拒章若楠完成签到,获得积分10
6秒前
爆米花应助科研通管家采纳,获得10
6秒前
bkagyin应助科研通管家采纳,获得10
6秒前
Hello应助科研通管家采纳,获得10
6秒前
赘婿应助科研通管家采纳,获得10
6秒前
Ava应助科研通管家采纳,获得10
6秒前
大个应助科研通管家采纳,获得10
6秒前
NexusExplorer应助科研通管家采纳,获得10
6秒前
6秒前
情怀应助科研通管家采纳,获得10
6秒前
6秒前
丘比特应助科研通管家采纳,获得10
6秒前
NexusExplorer应助科研通管家采纳,获得10
7秒前
斯文败类应助科研通管家采纳,获得10
7秒前
SciGPT应助科研通管家采纳,获得10
7秒前
7秒前
awa606发布了新的文献求助10
7秒前
高分求助中
Principles of Economics, 11th Edition 10000
University Physics with Modern Physics, 16th edition 10000
(应助此贴封号)【重要!!请各用户(尤其是新用户)详细阅读】【科研通的精品贴汇总】 10000
Arthritis and Related Conditions, An Issue of Orthopedic Clinics 1000
Development of a Bridge Weigh-In-Motion System: A technology to convert the bridge response to the passage of traffic into data on vehicle configurations, speeds, times of travel and weights 1000
ズームレンズの光学設計に関する研究 800
Fundamentals of Pharmaceutical and Biologics Regulations: A Global Perspective, Second Edition 700
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 医学 生物 纳米技术 工程类 有机化学 化学工程 生物化学 计算机科学 内科学 物理 复合材料 催化作用 细胞生物学 无机化学 光电子学 物理化学 电极 基因
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 7288516
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 8908149
关于积分的说明 18853869
捐赠科研通 6957162
什么是DOI,文献DOI怎么找? 3208907
关于科研通互助平台的介绍 2378678
邀请新用户注册赠送积分活动 2184676