High-Linearity Ta2O5 Memristor and Its Application in Gaussian Convolution Image Denoising

材料科学 记忆电阻器 卷积(计算机科学) 线性 高斯分布 图像(数学) 降噪 图像去噪 光电子学 人工智能 电子工程 计算机科学 人工神经网络 物理 量子力学 工程类
作者
Yucheng Wang,Hexin Wang,Dingyun Guo,Zeyang An,Jiawei Zheng,Ruixi Huang,Antong Bi,Junyu Jiang,Shaoxi Wang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (36): 47879-47888
标识
DOI:10.1021/acsami.4c09056
摘要

In the image Gaussian filtering process, convolving with a Gaussian matrix is essential due to the numerous arithmetic computations involved, predominantly multiplications and additions. This can heavily tax the system's memory, particularly with frequent use. To address this issue, a W/Ta2O5/Ag memristor was employed to substantially mitigate the computational overhead associated with convolution operations. Additionally, an interlayer of ZnO was subsequently introduced into the memristor. The resulting Ta2O5/ZnO heterostructure layer exhibited improved linearity in the pulse response, which enhanced linearity facilitates easy adjustment of the conductance magnitude through a linear mapping of the number of pulses and the conductance. Subsequently, the conductance of the W/Ta2O5/ZnO/Ag bilayer memristor was employed as the weights for the convolution kernel in convolution operations. Gaussian noise removal in image processing was achieved by assembling a 5 × 5 memristor array as the kernel. When denoising was performed using memristor arrays, compared to denoising achieved through Gaussian matrix convolution, an average loss of less than 5% was observed. The provided memristors demonstrate significant potential in convolutional computations, particularly for subsequent applications in convolutional neural networks (CNNs).
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