线性与非线性掺杂漂移Ti02忆阻器电路模型及仿真器研究

TiO2 memeristor is a novel device realized in 2008, which is nonvolatile and exhibits nanoscale structure and synaptic characteristics, and therefor has a great application potential in storage and neural network,etc. However, the basic connection laws （such as series-parallel connection）for memristor are don't know, and nonvolatility of the existing SPICE models are poor. Moreover, commercially available memristors are not expected to appear in the near future so that it is impossible to experiment and apply with physical memristors for current researches. In order to provide certain rationale, simulation models and a replacement for memristor,this project plans to propose a method for designing memristor models, and design SPICE model, circuit model, i.e. emulator, and soft cell model for TiO2 memristor with linear and nonlineare drift. The designed emulator can be used in experiments and applications of memristor as a replacement of memristor, while the designed cell model can implement a new applications of memristor which hardware memristor can be used as a soft one based on the FPGA/ARM hardware platform and certain soft invironment. Moreover, this project also explores the laws of multi-memristors connections, hysteresis characteristics, impulse response, as well as special nature for memristor-based chaos. Finally, the project tries to give a method of mathmatics model first and physical realization later for designing novel memristors, and design some novel meristor models and their emulators so that we can implement the functions of new nanoscale memristor using conventional circuit model before novel memristors are found.

TiO2忆阻器是2008年实现的一种新型器件，它具有记忆性、突触特性和纳米尺度，在非易失性存储器、神经网络等领域有极大的应用潜力。但目前尚未了解忆阻器的一些基本联接规律（如串并联），已有SPICE模型非易失性保持不好，由于近期内忆阻器还无法商品化，导致目前的研究无法进行实验验证和实际应用。为了给忆阻器应用提供理论基础、仿真模型和替代器件，拟提出一种忆阻器电路模型的设计方法，设计线性与非线性漂移TiO2忆阻器的SPICE模型、电路模型（仿真器）和软件细胞模型，仿真器作为忆阻器的一种替代品用于忆阻器实验和应用之中，细胞模型在FPGA/ARM等硬件平台和软件环境中可实现忆阻器硬件软用的一种新途径；基于仿真器探索忆阻器的联接规律、滞回特性、脉冲响应和忆阻器混沌特性；提出一种先数学模型后物理实现的新型忆阻器设计方法，尝试设计新忆阻器模型及仿真器，使新忆阻器问世之前用常规电路超前实现纳米新型忆阻功能。

忆阻器（Memristor）是电阻、电容和电感之外的第四种基本电路元件，其定义在1971 年由L Chua 提出，但直到2008 年才由HP实验室实现了一种纳米TiO2 忆阻器。2009 年扩展了忆阻器概念，提出了忆感器（Meminductor）和忆容器(Memcapacitor)概念，三种纳米器件无需外部电源即可存储信息，在非遗失存储器、非线性电路、神经网络、VLSI 等领域有着极大的潜在应用，迅速成为国内外的研究热点。由于TiO2 忆阻器近期难以市场化，忆感器和忆容器尚未物理实现，因此建立器件数学模型、电路模型，探索其在非线性电路中的规律与应用具有重要意义。基于此背景，本项目建立了多种忆阻器、忆容器和忆感器的数学模型与电路模型，包括忆阻和忆导模型，忆阻器的FPGA 数字化细胞模型，忆感倒数和忆容倒数模型等。基于三种器件模型，探索了它们在非线性电路中的基本特性，发现用其可构成混沌振荡电路，并设计了多种忆阻、忆感和忆容器振荡器，发现了一些新的动力学特性，如过渡混沌、共存吸引子、隐藏吸引子等。测试发现忆阻器混沌具有更好的随机特性等，并尝试将其应用于保密通信、密码系统、数字水印和数字签名等领域之中，获得了良好效果。研究了忆阻器、忆容器和忆感器的串并联电路的基本规律，提出了记忆器件非线性电路的一种降维分析方法，该项目的研究成果为新型记忆器件电路的设计与应用建立了理论基础。标志性成果有：SCI 论文19 篇（第一作者6篇，通信作者6篇），EI 论文4 篇（第一作者1篇，通讯作者3篇），其它论文11篇。授权发明专利6项 （第一完成人4项，第二完成人2项）、授权实用新型专利11 项（第一完成人8项，第二完成人3项）。培养博士3人、硕士13人、青年教师3人，项目组3位青年教师获得了3项省自然科学基金、1项国家自然科学青年基金、2项国家自然科学面上基金项目的资助。