潜通路效应对忆阻器阵列神经形态特性的影响机制研究

Memristor has huge potential for simulating neural patterns, memristor-based neuromorphic computing chips are expected to realize artificial brain-function, is a hotspot in the world. Sneak path effect was found in memristor array-based storage devices, which restricts the preparation and application of memristor-based mass storage chip . This project studies the sneak path effect on memristor-array based neuromorphic simulation, including the sneak path impact on the neuromorphic characteristics (Spike-timing-dependent plasticity (STDP), short term potentiation/depression(STP/STD), and long term potentiation/depression (LTD/LTP)), further research is focus on the sneak path effect under different structure, scale, and excitation mode of memristor-based array. A circuit simulation model for This topic can provide an important reference for the design and theoretical research of the circuit structure of the neuromorphic simulation, so as to promote the design and implementation of the super-large brain-like chip.

忆阻器在模拟人工神经形态方面具有巨大潜力，基于忆阻器的神经形态计算芯片有望实现类脑计算的功能，是国际上的研究热点。潜通路（Sneak path）效应是在基于忆阻器阵列的存储器件研究中发现的普遍问题，该效应严重制约了基于忆阻器的大规模存储器的制备与应用。本课题拟围绕潜通路效应对忆阻器阵列神经形态特性的影响机制开展深入的分析和研究，重点研究潜通路效应对于忆阻器模拟神经形态特性（脉冲时序依赖可塑性(STDP)、短时程可塑性(STP/STD)、长时程可塑性(LTD/LTP)等）的影响机制，在此基础上进一步研究这一影响机制与忆阻器阵列架构、阵列规模、激励模式的相互关系，建立潜通路效应评估的电路仿真模型。本课题可以为模拟神经形态的电路架构设计及理论研究提供重要参考依据，从而推动超大规模类脑芯片的设计和实现。

本项目通过深入研究潜通路效应对忆阻器阵列神经形态特性的影响机制，为构建基于忆阻器阵列的大规模神经网络提供重要的设计依据，从而推动超大规模类脑芯片的设计与实现。项目研究成果包括：（1）研究了潜通路效应对忆阻器阵列神经形态特性（STDP、STP/STD、LTD/LTP等）的影响机制。建立了一种忆阻器阵列神经单元模型，该单元模型表达式形式简单，易于分析调整，便于增加易失性影响，模型稳定性好，计算资源开销小，相比于其他忆阻器模型具有更快的仿真速度(至少5%)和内存资源消耗(至少6%)，并且可以拟合多种材料的器件。（2）构建了一种用于神经形态模拟的无选通器件的忆阻器阵列模型，量化评估潜通路效应对于神经形态特性的影响。通过数学推导和阵列建模，我们揭示了潜通路效应对忆阻器阵列神经形态特性，包括长时程增强效应(LTP)、长时程抑制效应(LTD)、短时程增强效应(LTP)、短时程抑制效应(LTD)、神经突触时间依赖可塑性(STDP)等性能的影响。（3）搭建了一种适用于无选通器件的忆阻器阵列测试电路，通过实测验证实际忆阻阵列中潜通路效应对神经形态特性的影响。测试电路基于卷积神经网络（CNN），采用脉冲方式和模拟计算，实现一个3-layers网络的硬件验证。处理底板采用Xilinx Kintex-7作为处理核心，配合4个DAC和1个ADC，配合USB3.0通信模块和缓存模块，实现对CNN电路的调控和与上位机的通信、显示。我们设计了一个4×4的阻值矩阵，用于验证潜通路问题对神经形态计算的乘累加结果的影响。测试平台有效验证了实际忆阻阵列中潜通路效应对神经形态特性的影响。相关研究成果能够为忆阻器的应用和产业发发展提供器件设计、应用电路设计的参考和支撑，具有较好的成果转化潜力和广阔的应用前景。