基于忆阻的非易失性动态存储建模分析及数据组织优化

The successful development of memristor indicates that the existing mode of information storage will change radically, and the prior information processing method is expected to be thoroughly changed.The project makes full use of memristor nonlinear characteristic,memory characteristic,nanometer size,fast switching,low power consumption,and can perform logical operations.On the basis of the available memristor crossbar array model,a memristor circuit model can be established by increasing the diode, triode, or other components,and the leakage current of the memristor crossbar array is reduced or eliminated due to their unidirectional continuity characteristics. A series of control circuits for storage unit from bit to page are designed, and the flow charts and circuits are designed on the basis of a page to read, write and erase. The storage structure model for memristor dynamic storage is established, and using the tree structure to manage data.The new data organization optimization model is established, and the new-style data organization optimization algorithm can be discussed ,achieving the goal of maximizing the utilization rate of the storage space,reading efficiency,writing efficiency,a search success rate and minimizing the search time. The study of this project will definitely be an important boost for the area of information storage, modeling and optimization etc. Moreover, it will also set up a good foundation for the application of the memristor on the area of information storage.

忆阻的成功研制预示着现有的信息存储方式将发生根本的改变，有望彻底改变现有信息处理方法。本项目充分利用忆阻的非线性特性、记忆特性、纳米级尺寸、快速开关、耗电量低，以及可以进行逻辑运算的特点，在现有的忆阻交叉阵列基础上，通过增加二极管、三极管或其他元件，建立忆阻电路模型，其模型充分利用二极管或三极管的单向导通性，可以达到减小或消除忆阻交叉阵列的漏电流的目的。设计一系列新的存储单元从位到页的控制电路，以及按页进行读写擦除的流程图和电路。建立反映忆阻本质特性的动态存储结构模型，采用树形结构管理数据。建立新的数据组织优化模型，探讨新型的基于忆阻动态存储的数据组织优化算法，其目标是可望达到最大化存储空间利用率、读效率、写效率、一次检索成功率，最小化检索花费时间。本项目对信息存储、建模与优化等学科都将产生重要的推动作用，为忆阻在信息存储领域的应用奠定坚实的基础。

大数据时代迫切需要新的信息存储载体和存储方法，本项目对基于忆阻的非易失性动态存储方法进行了深入的研究。. 基于Pt/Tio2/Pt薄膜型忆阻，定量分析了忆阻的二值状态切换过程中的电流变化和忆阻指数模型中的四个参数对I-V曲线的影响，揭示了Pt/Tio2/Pt薄膜型忆阻阻值切换机理。根据不同材质的忆阻，分别建立了带有阈值、压控阈值和考虑了忆阻非线性特性Verilog-A的忆阻数学模型。. 理论上证明了实质蕴涵不能连续运算，提出了非实质蕴涵逻辑，实现了连续运算。提出了两种忆阻或门、实现了在存储器上直接进行逻辑运算，具有能集成且不需要初始化等优点，可以扩展到多个或大规模输入的或电路。提出了基于忆阻的实质蕴涵、非、与非、或非、同或、异或和基于“非实质蕴涵”的多路复用器，设计了基于忆阻的二进制比较器、二阶有源低通滤波放大器、多涡卷电路、忆阻混沌振荡器和行波进位加法器，解决了基于CMOS门电路集成度低、功耗高以及可靠性差的问题，优化了基于忆阻的蕴涵逻辑电路，达到减少忆阻数目、简化操作步骤的目的。. 设计了基于忆阻的开关、存储单元，得到了忆阻存储阵列。提出了基于1T2M多值存储器的读写方式，设计了基于忆阻的多值存储结构、非易失性存储器及其读、写、擦除操作方法和测试电路，优化了读写擦除过程，具有读写操作速度快、连续读次数多、读出结果易识别、刷新间隔长、功耗低、兼容性更好等特点，解决了漏电流问题。. 建立了忆阻多层神经网络电路，实现了异或功能，完成了手写10进制数识别，降低了面积、功耗，提高了硬件的兼容性。制备了Pt/STO/Nb-STO结构、具有长时和短时状态变量的二阶忆阻器，建立了二阶忆阻器数学模型，设计了具有自激活功能的二阶忆阻神经元电路，实现了LIF模型的时间、空间整合、三脉冲STDP，探究了不同电阻态下STDP学习规则的变化。设计了具有学习和三种遗忘功能的巴甫洛夫联想记忆电路和基于忆阻的文件管理机制MFS。. 依托本项目共发表与录用50篇论文，其中SCI收录（或源刊）38篇，论文被他人引用382余次；授权发明专利2项；为3名博士生（1人获中国自动化学会优博论文，1人获中国自动化学会优博论文提名）、26名硕士生提供研究课题及经费支持。