阻變器件的非易失性存儲與神經(jīng)形態(tài)應用研究.pdf

1、阻變器件作為當前研究的熱點在非易失性存儲、神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)等方面有著重要應用。一方面，傳統(tǒng)浮柵存儲器存在工作電壓高、速度慢、耐擦寫次數(shù)低等不足，越來越難以滿足非易失性存儲器高性能要求以及日益增長的市場需求，研發(fā)性能優(yōu)良的新型非易失性存儲器顯得尤為緊迫。而阻變器件具有非易失性，且其結構簡單、集成度高、速度快、功耗低、工作電壓低，有望作為下一代非易失性存儲器。另一方面，人類長期以來夢想著構造一臺能像人腦一樣工作的計算系統(tǒng)。神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)是一種受人

2、腦啟發(fā)產(chǎn)生的類腦計算系統(tǒng)，而如何有效實現(xiàn)其基本信息存儲和處理單元——突觸和神經(jīng)元，也成了構造大規(guī)模神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)首先需要解決的問題。阻變器件可實現(xiàn)類似于生物突觸和大腦的功能，有望作為信息存儲單元應用到神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)中。本文在阻變器件的非易失性存儲和神經(jīng)形態(tài)應用研究中重點開展了以下四個方面的工作。
　　1、針對阻變器件的非易失性存儲應用，制作了一種雙極型二氧化鉿阻變器件，并用電流掃描的方法在二氧化鉿阻變器件中實現(xiàn)了8個可明顯區(qū)分的電阻狀

3、態(tài)，用該方法得到的電阻狀態(tài)有良好的數(shù)據(jù)保持特性，表明單個二氧化鉿阻變器件單元就有望存儲多位數(shù)據(jù)，這也是實現(xiàn)高密度存儲的一種簡單、有效、且成本低廉的方法。采用伽馬射線，對二氧化鉿阻變器件進行了總劑量輻照效應研究。器件在總劑量為20 Mrad(Si)的伽馬輻照過后仍可擦寫10000次以上，并且伽馬輻照引起的置位/復位電壓、高/低阻態(tài)的微小變化對器件正常工作幾乎沒有影響，表明該二氧化鉿阻變器件具有優(yōu)越的抗伽馬輻照特性，有潛力應用于伽馬射線環(huán)境

4、中。
　　2、針對阻變器件的神經(jīng)形態(tài)應用，制作了氧化鎳阻變器件，實驗驗證了阻變器件可以模擬大腦行為級的學習記憶和遺忘功能，還可以模擬突觸可塑性?；谘趸囎枳兤骷M了大腦的學習記憶和遺忘功能；在具有電導衰減特性的氧化鎳阻變器件中模擬了大腦遺忘曲線；在氧化鎳阻變器件中模擬了突觸長時程增強特性和突觸雙脈沖易化特性，且觀察到阻變器件雙脈沖易化幅度隨著脈沖間隔時間增大而減小，并通過擬合從中分離出了快相和慢相。
　　3、在阻變器件的

5、研究基礎上，從電路系統(tǒng)層面呈現(xiàn)了阻變器件的神經(jīng)形態(tài)應用。提出了一種基于CMOS和阻變器件的、可實現(xiàn)脈沖時序依賴可塑性的突觸電路，基于此突觸電路設計了一種包含3個神經(jīng)元和2個突觸的聯(lián)想學習網(wǎng)絡，結合氧化鎳阻變器件和外圍電路搭建了該網(wǎng)絡，從實驗上實現(xiàn)了巴普洛夫狗實驗中的聯(lián)想學習以及記憶的遺忘；設計并搭建了基于二氧化鉿阻變器件的、具有類似于大腦聯(lián)想記憶功能的可重構 Hopfield網(wǎng)絡，實現(xiàn)了單目標和多目標聯(lián)想記憶，為用硬件實現(xiàn)可模擬大腦記憶