忆阻器的伴随忆容效应及其对忆阻电路动力学的深度影响

The memristor has potential applications in digital storage, logic circuits, neural networks and nonlinear circuits. The 20nm 1Gb ReRAM and a 12×12 memristor cross array integrated neural network has been implemented. However, it is found that the switching speed and the states of the two value memristor are severely limited by the frequency and pulse width of the driving square wave. The v-i hysteresis curve of the memristor turns into a straight line at the frequency of several hundred Hz and the memrisistive characteristic is lost, and the continuous oscillation can be generated by the pure memrisistive circuit without energy storage elements.These phenomena limit the application of the memristor, but have not yet been explained and solved. We have recently found that the nanomemristor is a metal-oxide/insulator-metal structure, and itself is a concomitant memcapacitor, of which the concomitant capacitor effect is directly related to the above issues. In order to explore the concomitant memcapacitor effect, the memrisor-memcapacitor circuit and the mathematical model of the memristor are established to reveal the influence on the switching characteristics and the hysteresis curves of the binary memristor. We are to establish an analytical methods on the "flux- charge-charge impulse" domain for the memristor-memcapacitorin circuits, for further revealing the concomitant capacitor depth effects on the oscillation of the memristor circuit, local active memristor, negative differential resistor, nonvolatile and its loss. Finally, a feasible implementation scheme of the actual memcapcitor is put forward based on the mechanism of concomitant memcapacitor.

忆阻器在数字存储、逻辑电路、神经网络及非线性电路中有极具潜力的应用前景，20nm 1Gb ReRAM及12×12忆阻交叉阵列集成神经网络已实现。但发现在这些应用中忆阻器的开关速率和其状态严重受限于激励电压频率和脉宽，忆阻器v-i滞回曲线在激励频率几百Hz即变为直线而失去忆阻特性，纯忆阻电路即可产生持续振荡。这些现象限制了忆阻器应用却尚未得到解释与解决。我们近期发现，主流忆阻器都是金属-氧化物/绝缘体-金属结构，此结构存在一个与忆阻器伴随共生的寄生忆容器，其效应与上述问题直接相关。为探索这种伴随忆容效应，本项目拟建立忆阻器的忆阻-忆容伴随电路和数学模型，揭示其对忆阻器开关特性、滞回特性的影响规律；建立一种适合忆阻-忆容本构关系的“磁通-电荷-电荷冲量”域分析方法，进一步揭示伴随忆容对忆阻振荡、局部有源、负微分电阻、非易失及其丧失效应的深度影响；基于伴随忆容机理，提出忆容器的一种可实现方法。

忆阻器是一种新型纳米电路元件，具有非易失和阻值可调特性，可作为优选的神经形态元件进行类脑计算，可实现存算一体的新型计算架构从而突破冯诺依曼瓶颈。为探索忆阻器在高频下的寄生效应和局部有源忆阻器的复杂振荡机理，以便为忆阻器应用电路设计提供理论基础，本项目利用电路理论建立了HP、商用SDC和VO2忆阻器的寄生效应模型，建立了HP忆阻器的寄生忆容机理和理论公式。通过对寄生效应模型的分析，发现了寄生效应对HP忆阻器基本特性的影响规律。同时，基于HP忆阻器的寄生忆容机理给出了“金属-氧化物-金属”和“金属-绝缘体-金属”纳米结构忆容器的一种实现方案。建立了忆阻器q-φ-ϭ域分析方法，并用其对HP忆阻器的寄生效应现象进行了理论分析，获得了寄生效应对典型忆阻器历史擦除现象的影响规律；基于VO2局部有源忆阻器及其碳纳米管寄生电阻设计了神经元电路和耦合的CNN，发现了模式形成的基本规律；利用商用SDC忆阻器实现了数字调制/解调电路并进行了硬件实验。为揭示局部有源忆阻器的基本特性和产生复杂性的机理，利用Chua展开定理设计了多个局部有源忆阻器的数学模型和小信号等效电路模型，获得了非易失性、局部有源性的一些基本规律。利用忆阻器的小信号导纳函数，给出了多个局部有源忆阻器的振荡条件和振荡频率的理论公式。利用局部有源和混沌边缘理论，提出了忆阻器电路在混沌边缘或其附近发生超临界或亚临界Hopf分叉从而产生周期和混沌振荡的机理与方法。通过对忆阻振荡电路的分析，发现了局部有源忆阻器电路中隐藏吸引子的一种形成机理，即忆阻器自身的局部有源不稳定平衡点可引起隐藏振荡和隐藏吸引子。为揭示忆阻神经元电路的动作电位形成机理，基于混沌边缘理论和CCM局部有源忆阻器设计了多个神经元电路，发现了十几种典型的神经形态动作电位，为人工神经元设计提供了一种理论方法。与忆阻器的发明者L O Chua进行合作研究，首次发现了二阶神经元电路中的亚临界Hopf分叉，提出了混沌边缘的零极点判定方法，继而又发现了利用忆阻电路雅克比矩阵判断混沌边缘的新方法，提出了局部有源忆阻器神经元动作电位的生成机理，证明了动作电位出现在混沌边缘或其附近。