ỨNG DỤNG MEMRISTOR để THIẾT kế MẠCH NHẬN DẠNG kí tự

M CL C Trang t a Trang Lụ L CH KHOA H C i L I CAM ĐOAN ii L I C M N iii TÓM T T iv ABSTRACT v M C L C vi DANH SÁCH HỊNH V viii DANH SÁCH B NG BI U ix CH NG T NG QUAN 1.1 T ng quan chung 1.2 Các k t qu nghiên c u đƣ công b 1.3 M c đích c a đ tƠi 1.4 Nhi m v gi i h n c a đ tài 1.4.1 Nhi m v c a đ tài 1.4.2 Gi i h n c a đ tài 1.5 Ph ng pháp nghiên c u 1.6 Tóm t t đ tƠi CH NG C S Lụ THUY T 2.1 T ng quan v memristor 2.2 Tính chất c a memristor 2.3 Đ nh nghĩa memristor 12 2.4 Tr kháng nh (memristance) 12 2.5 Nguyên lý ho t đ ng c a memristor 14 2.5.1 Hình dáng bên 14 2.5.2 Quá trình ho t đ ng 14 2.6 So sánh gi a transistor vƠ memristor 17 2.7 Các ng d ng 18 2.7.1 B nh không bay h i 18 vi 2.7.2 Các m ch logic/ tính toán 18 2.7.3 M ng thần kinh sinh h c (neuromorphic) 19 2.7.4 Các ng d ng khác 19 2.8 Chất li u lƠm memristor 19 2.8.1 T bƠo ph kim lo i 19 2.8.2 Perovskite: 19 2.8.3 Phơn tử/ polime: 20 2.9 Các thu n l i c a memristor: 20 2.10 Các thách th c 21 CH NG MỌ HỊNH MEMRISTOR C A HP 22 3.1 Cấu trúc mô hình memristor 22 3.2 Mô hình d ch n tính 23 CH NG D NG Kệ T NG D NG MEMRISTOR TRONG THI T K M CH NH N 26 4.1 Memristor cấu trúc m ch t h p 26 4.1.1 Cấu trúc memristor lỦ t ng 26 4.1.2 C ng ắkéo theo” 27 4.1.2.1 Đặc m 27 4.1.2.2 Nguyên lỦ ho t đ ng 28 4.1.3 C ng XOR 29 4.1.3.1 Đặc m 29 4.1.3.2 Nguyên lỦ ho t đ ng 30 4.1.3.3 Mô ph ng cadence 31 4.2 ng d ng memristor thi t k m ch nh n d ng kí t 35 4.2.1 S đ m ch nh n d ng kí t sử d ng memristor 35 4.2.2 Nguyên lỦ ho t đ ng 39 4.2.3 Mô ph ng: M ch nh n d ng kí t phần m m Cadence 40 CH NG K T LU N, ĐÁNH GIÁ VÀ H NG PHÁT TRI N 44 TÀI LI U THAM KH O 46 vii DANH SÁCH HỊNH VẼ HÌNH TRANG Hình 2.1: nhơn t m ch c b n Hình 2.2: 17 memristor đ c phóng to kính hi n vi Hình 2.3: S đ minh h a memristor qua dòng n vƠ đ l n c a ng 10 Hình 2.4: Đặc n I-V c a n tr vƠ memristor 11 Hình 2.5: Đặc n I-V c a memristor vƠ s co l i tần s tăng 12 Hình 2.6: kí hi u c a memristor 12 Hình 2.7: Ki n trúc crossbar vƠ chuy n m ch n tr nh đ c phóng to 14 Hình 2.8: s khu ch tán phơn tử oxy 16 Hình 3.1: S đ c a m t memristor HP 22 Hình 4.1: Đặc n lỦ t ng c a memristor 26 Hình 4.2: Kí hi u c a c ng ắkéo theo” 27 Hình 4.3: C ng ắkéo theo” đ Hình 4.4: Mô t m t tr c xơy d ng từ memristor vƠ n tr 28 ng h p c ng ắkéo theo” 29 Hình 4.5: Kí hi u c ng XOR 30 Hình 4.6: (a) C ng XOR đ c xơy d ng từ memristor RP RY; (b) Quá trình th c thi; (c) B ng tr ng thái ho t đ ng 30 Hình 4.7: S đ m ch c ng XOR Cadence 31 Hình 4.8: D ng sóng tín hi u u n S1, S2, VP 31 Hình 4.9: V l i hình 4.7: (a) B c v i Vx = 0; (b) B c v i Vx = VEVL > 32 Hình 4.10: D ng sóng ngõ c a Vx, Ry, Rp 34 Hình 4.11: S đ kh i m ch nh n d ng kí t [10] 35 Hình 4.12: So sánh kh i nh n d ng kí t sử d ng b nhơn: (a) V i c ng XOR thông th ng; (b) V i c ng XOR sử d ng memristor 36 Hình 4.13: (a) M ch c ng L bit; (b) M ch c ng bit 37 Hình 4.14: Cấu trúc c ng XOR sử d ng memristor 38 Hình 4.15: M ch hình 4.12(b) đ cv l i viii b c III 39 Hình 4.16: (a) S đ m ch nh n d ng kí t Cadence; (b) Cấu trúc c ng XOR 41 Hình 4.17: D ng sóng ngõ c a m ch nh n d ng kí t 42 DANH SÁCH B NG BI U B NG TRANG B ng 2.1: So sánh gi a transistor vƠ memristor 17 B ng 4.1: B ng s th t c a c ng ắkéo theo” 27 B ng 4.2: B ng s th t c a c ng XOR truy n th ng (⊕) 29 B ng 4.3: So sánh m ch nh n d ng theo công ngh 38 B ng 4.4: Trình t th c thi c a m ch nh n d ng kí t 39 B ng 4.5: 16 tr ng h p ngõ vƠo v i k t qu ngõ t ng ng (theo tính toán) 41 B ng 4.6: Đi n áp ngõ đo đ c b c III t ix ng ng v i ngõ vƠo 42 Ch ng 1: T ng quan CH NG T NG QUAN 1.1 T ng quan chung Theo đ nh lu t Moore, s transistor chip s nhơn đôi sau năm Tuy nhiên, t c đ nƠy dần ch m l i thƠnh t đƣ b thu hẹp kích cỡ xu ng ch vƠi phơn tử vƠ khó đ thu hẹp nh n a vấn đ v đ xác vƠ n đ nh Vì th mƠ nhi u ph ng pháp, lỦ thuy t m i đ i VƠ v i s đ c p ắmemristor”(đi n tr nh ) c a nhƠ nghiên c u Leon Chua, m t t ng lai m i đƣ m v i m t công ngh khác, công ngh nƠy th m chí t t h n c công ngh CMOS v n đƣ vƠ phát tri n m nh hi n t i Từ công ngh n tử b t đầu đ i, ta ch bi t đ n lo i thi t b m ch c b n n tr (R), cu n c m (L) t n (C) Nh ng đ n năm 1971, nhà nghiên c u Leon Chua c a UC Berkeley đƣ nh n kh t n t i c a m t lo i thi t b th t , m t lo i thi t b th hi n m i quan h gi a n l ng (q) v i từ thông (φ), Memristor Và lơu sau đó, R Stanley Williams v i đ ng nghi p phòng thí nghi m Hewlett-Packard m i hoàn thành đ cm t memristor Thi t b có kh nh m t n tr , nh ng n tr có m t kh đặc bi t thay đ i đ c tr ng thái tr kháng c a có dòng n, n áp đặt vào hai đầu nó, dừng vi c cấp n áp thi t b v n l u tr đ c tr ng thái lúc mà không h b theo th i gian dài V i kích th c nh kh thay đ i nhi u tr ng thái tr kháng rõ ràng, nên memristor đƣ đ c nghiên c u nhi u v i vai trò nh m t b nh có th th c hi n phép logic, hay ho t đ ng nh m t b nh có nhi u m c tr ng thái khác nhau, nhằm c i thi n công ngh s n xuất chip hi n v i t c đ nhanh, ti t ki m n, chi phí thấp, cấu trúc đ n gi n vƠ đ tích h p dƠy đặc h n VƠ đặc bi t ti m mô t sử d ng n tr nh nh kh p thần kinh nhằm b t ch c ch c c a m t b não th t s v i kích th c nh h n nhi u lần so v i công ngh tr c đơy Ch ng 1: T ng quan V lý thuy t, Memristor s có giá r h n vƠ t c đ cao h n so v i b nh flash, cho phép m t đ b nh l n h n nhi u Nh ti t ki m chi phí gi m thi u l ng linh ki n sử d ng nên công ngh s t o nh ng h th ng máy tính giá r đ vừa chi c túi áo ch y nhanh h n gấp nhi u lần so v i h th ng hi n t i Memristor mang l i nhi u u m nh t n l h n vƠ m t khu v c l u tr t th ng memristor có th l u tr l ng đ ng, ho t đ ng nhanh ng b nh bán d n thông ng d li u nhi u h n lần Ngoài ra, th c t memristor "mi n d ch" v i b c x v n nguyên nhân gây gián đo n công ngh bán d n hi n th i V i y u t này, memristor s giúp thi t b tr nên nh h n bao gi h t nh ng m nh m h n bao gi h t M t u m n a c a memristor chúng không bao gi "quên", u cho phép có th thay th cho RAM, vƠ cho phép h th ng máy tính không cần ph i kh i đ ng qua m t trình r m rƠ mà ng i dùng ch vi c b t t t máy nh công t c đèn Và v i đặc tính v n có Memristor s th c s t o m t th h máy tính m i nh kh ghi nh c chuỗi tr ng thái n h n lƠ ch có tr ng thái t” ắb t” nh b xử lý s hi n đ i Chính nh ng tính u vi t c a memristor nên đ tƠi quy t đ nh ch n h ng nghiên c u lƠ: ắ ng d ng memristor đ thi t k m ch nh n d ng kí t ”, nhằm nghiên c u đặc tính c b n c a memristor nh t o ti n đ đ nghiên c u sơu h n v công ngh nƠy t ng lai, m t công ngh mƠ có th thay th cho công ngh CMOS hi n v i m t đ tích h p nh , ti t ki m l ng, kh l u tr , xử lỦ tín hi u nhanh t t h n 1.2 Các k t qu nghiên c u đƣ công b K từ năm 1971, nhà nghiên c u Leon Chua c a UC Berkeley đƣ nh n kh t n t i c a memristor nh m t lo i thi t b c b n th t báo: ắMemristor ậ The Missing Circuit Element”, c a Leon O Chua, thành viên ch Ch ng 1: T ng quan ch t c a IEEE, đ c công b vào năm 1971 Đây nhân t m ch th đ ng, th hi n m i quan h gi a n l th ch ng minh rõ ràng đ ng từ thông ch y qua Nh ng ông ch a c s t n t i th t s c a Cho đ n năm 2008, R Stanley Williams đ ng nghi p đƣ công b chi ti t v n tr nh v i m t s kh t v i c a báo: ắHow we found the missing Memristor” V i s k t h p transistor v i n tr nh , R Stanley có th tăng hi u c a m ch s mà không cần thu nh transistor l i Sử d ng transistor hi u qu h n có th giúp trì lu t Moore không cần t i trình nhân đôi m t đ transistor v n t n nhi u chi phí ngày khó khăn V lâu dài n tr nh th m chí có th b c ngoặt đánh dấu s xuất hi n c a m ch t ng t (analog) bi t tính toán nh sử d ng ki n trúc gi ng nh ki n trúc c a b não Qua báo này, ông trình bày s b v đặc m c a memristor Đi n tr nh (memristor) từ vi t g n c a ắmemory resistor” ch c c a nó: ghi nh l ch sử c a b n thân M t phần tử n tr nh có hai c c, v i tr kháng c a ph thu c vào đ l n, chi u phân c c kho ng th i gian c a n th áp lên Khi b n t t n th n tr nh v n nh m c tr kháng tr c t t cho t i lần b t lên k ti p, bất chấp vi c có x y sau m t ngày hay m t năm BƠi báo:”Disclosing the secrets of memristors and implication logic” c a Jens Burger l i t p trung vào th o lu n memristor ng c nh t ng h p logic s Và đ a m t nhìn t ng quan v đặc tính c a memristor chúng đ c sử d ng logic s nh th Bài báo s gi i thi u cách th c mà memristor ánh x v i phép toán logic s cách memristor có th đ d ng v i ph c sử ng pháp t ng h p chung đ bi n m t ch c lu n lý d thay đ i thành m t m ch logic c th V i báo: ắMemristor-based Circuits for Performing Basic Arithmetic Operations” c a Farnood Merrikh-Bayat, Saeed Bagheri Shouraki Trong hầu h t m ch n hi n t i, đặc bi t m ch t ng t th c thi ng d ng xử lý tín hi u, phép tính s h c ví d nh phép nhân, phép c ng, phép Ch ng 1: T ng quan trừ phép chia đ c th hi n giá tr n áp dòng n Tuy nhiên, báo đ xuất m t ph ng pháp m i đ n gi n đ th c hi n phép toán s h c, lƠ tín hi u đ c đ i di n l u tr thông qua kh nh tr kháng c a m t nhân t m i đ c phát hi n, memristor VƠ k t qu mô ph ng đƣ th hi n đ c s hi u qu , đ xác, tính đ n gi n vƠ t c đ nhanh c a m ch đƣ đ c đ xuất M t đ n v tính toán logic có tính tr kháng d a memristor đ c gi i thi u qua báo: ắMemristive Computing ậ Multiplication and Correlation” c a Sangho Shin, Kyungmin Kim, Sung-Mo ắSteve” Kang tr ng đ i h c c a California, Stanta Cruz Bài báo t p trung vƠo th c hi n phép nhân tín hi u thi t b memristor đ n c c thi t b chuy n m ch u n K t qu tính toán s đ c l u vào m t b nh memristor, có th l u tr đ li u c t t ngu n, ngõ c a tính toán có th đ cd c truy c p l i vào bất c lúc vi c đ c tr ng thái c a ngõ memristor 1.3 M c đích c a đ tƠi V i yêu cầu ngƠy cƠng kh c khe lĩnh v c vi m ch ngƠy nay, nên đ tƠi nƠy đ c ti n hƠnh v i m c đích nghiên c u cấu trúc, đặc m, nguyên lý c a công ngh m i ậ ắMemristor”, nh kh thay th vƠ k t h p v i cấu trúc vi m ch hi n th i đ tăng kh tích h p, t c đ xử lỦ, gi m chi phí ti t ki m n tiêu hao cho thi t b 1.4 Nhi m v gi i h n c a đ tài 1.4.1 Nhi m v c a đ tài - Phơn tích cấu trúc, đặc m vƠ nguyên lỦ ho t đ ng c a n tr nh (memristor) - Tìm hi u công ngh thi t k vi m ch hi n - Xem xét đ tích h p, t c đ th c thi c a m ch n sử d ng memristor Ch ng 1: T ng quan - CƠi đặt vƠ nghiên c u sử d ng b công c thi t k vi m ch Cadence n n h u hƠnh Redhat - ng d ng memristor xơy d ng m ch t h p s c b n - ng d ng memristor thi t k m ch nh n d ng kí t m u 1.4.2 Gi i h n c a đ tài Đ tƠi ch t p trung vƠo nghiên c u lỦ thuy t, thi t k vƠ mô ph ng memristor máy tính, không th thi công th c t chi phí l n B c đầu kh o sát cách th c ho t đ ng c a memristor m ch t h p s ; qua đó, ng d ng memristor vƠo thi t k m t m ch nh n d ng kí t ng d ng memristor vƠo thi t k m ch t 1.5 Ph b n, ch a ng t ng pháp nghiên c u Do m c đích nghiên c u c a đ tƠi ch y u t p trung vƠo nghiên c u công ngh vi m ch m i, nên ph ng pháp nghiên c u đ c sử d ng ch y u là: - Tìm hi u v đặc m, cấu trúc memristor, - Đặc n vƠ nguyên lý ho t đ ng, - Ph - Thông qua đó, ng d ng memristor thi t k m t s m ch t h p, ng pháp k t h p memristor v i cấu trúc vi m ch sẵn có cấu trúc c a m t m ch nh n d ng kí t m u 1.6 Tóm t t đ tƠi V i yêu cầu vƠ m c tiêu đ ra, lu n văn đ c xơy d ng bao g m ch ng sau: - Ch ng 1: T ng quan v lĩnh v c nh đ tƠi nghiên c u Trình bƠy khái quát v tình hình lĩnh v c vi m ch nghiên c u hi n nay, thông qua đ c p đ n tầm quan tr ng c a đ tƠi - Ch ng 2: Trình bƠy v cấu trúc, đặc m, chất li u vƠ nguyên lỦ ho t đ ng c a memristor Qua đó, trình bày kh ng d ng c a memristor Ch ng 1: T ng quan nhi u lĩnh v c k thu t, rút nh ng tính v t tr i, nh thách th c c a v t li u m i nƠy - Ch ng 3: Trình bƠy v m t mô hình memristor đ c xơy d ng b i nhƠ nghiên c u c a t p đoƠn HP - Ch ng 4: Trình bƠy v ng d ng memristor k t h p v i công ngh CMOS truy n th ng đ xơy d ng m ch s t h p Và d a m ch s t h p sử d ng memristor, thi t k m ch nh n d ng kí t - Ch ng 5: K t lu n vƠ h ng phát tri n đ tƠi Ch ng 4: Thi t k m ch nh n d ng kí t „0‟ „0‟ „0‟ „1‟ „1‟ „0‟ „1‟ „1‟ „0‟ (a) „0‟ (b) „1‟ (c) „1‟ (d) Hình 4.10: D ng sóng ngõ c a Vx, Ry, Rp Theo hình 4.10, trình xử lỦ tín hi u v i cặp ngõ vƠo s di n 20 us, g m b c nh hình 4.6 (b), b c di n 10 us B c v i m c đích lƠ đ a RP v giá tr „0‟mƠ không ph thu c vƠo tr ng thái tr RP b c 2, tùy thu c vƠo ngõ vƠo c a m ch, ngõ RP s đ „1‟ hay gi nguyên tr ng thái „0‟ C th : 34 c c a c đ a lên m c Ch ng 4: Thi t k m ch nh n d ng kí t Trong hình 4.10(a), ngõ vào VX = „0‟ (0V), RY = „0‟ (ROFF), ngõ thu đ c qua giai đo n: giai đo n 1: RP = „0‟ (ROFF), giai đo n 2: RP = „0‟ (ROFF) Trong hình 4.10(b), ngõ vào VX = „0‟ (0V), RY = „1‟ (RON), ngõ thu đ c qua giai đo n: giai đo n 1: RP = „0‟ (ROFF), giai đo n 2: RP = „1‟ (RON) Trong hình 4.10(c), ngõ vào VX = „1‟ (3V), RY = „0‟ (ROFF), ngõ thu đ c qua giai đo n: giai đo n 1: RP = „0‟ (ROFF), giai đo n 2: RP = „1‟ (RON) Trong hình 4.10(d), ngõ vào VX = „1‟ (3V), RY = „1‟ (RON), ngõ thu đ c qua giai đo n: giai đo n 1: RP = „0‟ (ROFF), giai đo n 2: RP = „0‟ (ROFF) 4.2 ng d ng memristor thi t k m ch nh n d ng kí t 4.2.1 S đ m ch nh n d ng kí t sử d ng memristor Trong nhi u ng d ng nh n d ng m u c a ơm thanh, kí t , hình nh, hay nhi u phơn tích d li u khoa h c c a khí h u, không gian, y h c…, phép nhơn gi a m u d li u ngõ vƠo vƠ d li u tham chi u đ c l u tr tr c lƠ m t ph ng pháp xác đ nh s đ ng d ng c b n đ nh n m u d li u ngõ vƠo Ph ng pháp xác đ nh s đ ng d ng nƠy s đ c ng d ng vƠo thi t k m ch nh n d ng kí t M ch chuy n đ i song song sang n i ti p Clk kí t Clk bít M ch mƣ hóa Chuỗi kí t Thanh ghi d ch X0 X1 Y0 3x Clk bít VP(XL) YL-1 Y1 Clk bít KH I ĐI U KHI N XUNG CLOCK XL-1 VXY RD Hình 4.11: S đ kh i m ch nh n d ng kí t [10] Hình 4.11 lƠ s đ t ng quát c a m ch nh n d ng kí t có sử d ng memristor S đ m ch nƠy g m kh i: m ch mƣ hóa đ chuy n chuỗi kí t sang d ng thích 35 Ch ng 4: Thi t k m ch nh n d ng kí t h p, m ch chuy n đ i song song sang n i ti p đ chuy n d li u thƠnh m t lu ng tín hi u đ truy n vƠo h th ng xử lỦ, ghi d ch dùng đ d ch chuỗi d li u vƠo kh i c ng XOR đ nh n d ng, kh i u n xung clock dùng đ cấp xung cho h th ng ho t đ ng vƠ kh i g m c ng logic XOR đ c xơy d ng từ memristor k t h p v i công ngh CMOS truy n th ng Trong mô hình này, kh i t o xung, kh i mƣ hóa, kh i chuy n đ i vƠ kh i d ch đ u d a công ngh cũ, đ tƠi ch t p trung vƠo kh i nh n d ng kí t (kh i c ng XOR) dùng đ nh n d ng kí t vƠ đầu c a c h th ng s lƠ tín hi u t ng t d ng n áp (VXY) D a mô hình nh n d ng kí t sử d ng b nhơn CMOS truy n th ng (hình 4.12(a)), đ tƠi xơy d ng m t mô hình nh n d ng kí t m i sử d ng b nhơn đ c k t h p công ngh CMOS truy n th ng vƠ memristor (hình 4.12(b)) VX VXY (a) (b) Hình 4.12: So sánh kh i nh n d ng kí t sử d ng b nhơn: (a) V i c ng XOR thông th ng; (b) V i c ng XOR sử d ng memristor 36 Ch ng 4: Thi t k m ch nh n d ng kí t AL-1 BL-1 CL-2 C ng bit A2 B2 C1 A1 B1 C0 A0 B0 C C ng bit C ng bit C ng bit CL-1 SL-1 S2 S1 S0 DAC VXY (a) Hình 4.13: (a) M ch c ng L bit; (b) M ch c ng bit (b) Hình 4.12(a) lƠ m t d ng m ch nh n d ng, sử d ng phần tử nhơn XOR theo công ngh CMOS truy n th ng Ngõ c a c ng XOR nƠy ch mang m c logic „0‟ vƠ „1‟, vƠ không th k t h p tr c ti p v i nhau, v y ph i sử d ng thêm m t b c ng ngõ vƠ theo sau lƠ b chuy n đ i s sang t hình 4.13) m i thu đ c ngõ d ng n áp t ng t ( nh ng t S ngõ vƠo c a m ch cƠng l n, cấu trúc b c ng vƠ b chuy n đ i s sang t ng t cƠng ph c t p, th i gian xử lỦ cƠng lơu Trong đó, hình 4.12(b) lƠ m ch nh n d ng, sử d ng phần tử nhơn XOR có ch a memristor Ngõ c a c ng XOR nƠy lƠ tr kháng RPi, nên ngõ có th đ c k t n i tr c ti p v i vƠ tính t ng tr c a ngõ c a c ng XOR thông qua n áp VXY mƠ không cần dùng thêm b c ng hay b chuy n từ s sang t ph thu c vƠo s l ng t Ki n trúc m ch nƠy có t c đ xử lỦ hoƠn toƠn không ng ngõ vƠo, s l ng linh ki n ít, đ tích h p cao (b ng 4.3) Cấu trúc chi ti t c a m t c ng XOR d a memristor, đ c sử d ng kh i m ch nh n d ng nh hình 4.14 C ng XOR xơy d ng từ memristor đ c sử d ng nh lƠ m t phần tử nhơn, đ thi t k m ch nh n d ng kí t M t hai ngõ vƠo c a c ng XOR đ c dùng đ l u tr d li u tham chi u (R Y), ngõ vào l i (VX) dùng lƠm ngõ vƠo c a m ch L phần tử nhơn XOR đ c sử d ng đ xơy d ng m ch nh n d ng kí t NgoƠi ra, m ch có thêm m t ngõ vƠo u n áp VP Vì v y, n u dùng L c ng XOR, m ch s g m L+1 ngõ vƠo vƠ m t ngõ 37 Ch ng 4: Thi t k m ch nh n d ng kí t Ngõ c a m ch lƠ t ng tr kháng RPi nh ng đ c th hi n thông qua n áp VXY đặt n tr RD nh hình 4.12(b) B ng 4.3: So sánh m ch nh n d ng theo công ngh Công ngh S l ng linh ki n CMOS truy n th ng Sử d ng nhi u linh ki n CMOS k t h p Memristor Sử d ng linh ki n h n Đ tích h p ngõ vƠo l n Kích th Kích th c m ch nh vƠ thay đ i không nhi u T c đ xử lỦ Gi m s ngõ vƠo l n Không đ i s ngõ vào thay đ i Ti t ki m l ng - Cấu trúc m ch l n nên cần nhi u l ng - Không l u tr đ c d li u ng ng cấp ngu n - Cấu trúc m ch nh h n nên l ng tiêu hao nh - L u tr đ c d li u ng ng cấp ngu n Kh đáp H th ng ph i thi t l p l i ng kh i đ ng từ đầu l i h th ng Do tr ng thái v n đ c l u tr ng t ngu n nên h th ng đáp ng sau kh i đ ng l i Đ n đ nh c m ch l n Đặc n ch a n đ nh (đang giai đo n nghiên c u) Đặc n n đ nh Hình 4.14: Cấu trúc c ng XOR sử d ng memristor Cấu trúc vƠ nguyên lỦ ho t đ ng c a c ng XOR hình 4.14 t c ng XOR hình 4.6, nh ng s có b c xử lỦ, vƠ có thêm chuy n m ch S3 SD dùng đ tính n áp ngõ c a m ch th c a m ch đ b c III Quá trình ho t đ ng c c di n theo giai đo n nh b ng 4.4 38 ng t nh Ch ng 4: Thi t k m ch nh n d ng kí t B ng 4.4: Trình t th c thi c a m ch nh n d ng kí t B c VP I VRST II VSET III VEVL S1 0 S2 S3 1 SD 0 Ch đ Reset XOR Evaluate 4.2.2 Nguyên lỦ ho t đ ng Ngõ vào RYi (yi) c a c ng XOR đóng vai trò l u tr d li u tham chi u, đ c đặt c đ nh lƠ ROFF („0‟) Các ngõ vào VXi (xi) lƠ ngõ vƠo c a m ch Quá trình xử lỦ c a m ch nh n d ng di n theo b b c nh b ng 4.4 Trong c I vƠ II, phần tử XOR th c hi n phép nhơn m t bit nh c ng XOR hình 4.6, đ tính toán tr kháng c a RPi V i ngõ vƠo RYi đ u đ c c đ nh tr c ROFF, nên ngõ vào VXi có giá tr logic lƠ „1‟, RPi s đ o tr ng thái lên „1‟ (RON); ng c l i, VXi có giá tr logic lƠ „0‟, RPi gi nguyên tr ng thái „0‟ (ROFF) Nguyên lỦ c ng XOR 2b c nƠy hoƠn toƠn gi ng v i nguyên lỦ ho t đ ng c a hình 4.6 Trong b d n, SD d n Các memristor RPi đ c III, chuy n m ch S1, S2, S3 đ u ng ng c cách ly v i m ch vƠ k t n i song song v i nh hình 4.15 Hình 4.15: M ch hình 4.12(b) đ cv l i b Theo hình 4.15 ta có: (4.4) 39 c III Ch ng 4: Thi t k m ch nh n d ng kí t (4.5) VP RD ph i th a mƣn rƠng bu c sau: VOPEN < (VEVL - VXY) < VCLOSE K t h p (4.5) (4.6) ta đ (4.6) c: (4.7) V y VP RD đ c l a ch n phù h p v i rƠng bu c (4.7), ta s tính đ c n áp ngõ VXY (theo công th c (4.5)) Giá tr n áp VXY thay đ i theo ngõ vào VXi c a m ch D a vƠo n áp VXY, ta xác đ nh đ c kí t cần đ c nh n d ng 4.2.3 Mô ph ng: M ch nh n d ng kí t phần m m Cadence S đ m ch ho t đ ng v i thông s c th nh sau: ROFF = kΩ, RON = kΩ, VCLOSE = 3,5 V, VOPEN = -3,5 V, TS= 0, THOLD = 10 ns, RD = kΩ, VEVL = V, VRST = -5 V, VSET = V Đ tƠi đƣ đ c mô ph ng công c Cadence, công c chuyên sử d ng lĩnh v c thi t k chất bán d n, v i c ng XOR (L=7), RD = kΩ, VP (hay VEVL) sử d ng m c n áp V vƠ -5 V t b c III) Các ngõ vào RYi đƣ đ ng ng v i m c logic „1‟ vƠ „0‟ (trong c đặt c đ nh m c „0‟ Vì v y, m ch có ngõ vƠo vƠ ngõ nh hình 4.16(a) V i s đ m ch nƠy, ta có th nh n d ng đ tất c m u kí t , cách quy tr c c kí t mu n nh n d ng ng v i m t ng h p ngõ vƠo Trong mô ph ng nƠy, đ tƠi đƣ ti n hƠnh nh n d ng 16 kí t ch vi t từ „E‟ đ n „T‟ b ng ch 16 tr m c n áp ngõ s t ng h p ngõ vƠo v i 16 ng ng v i 16 kí t nh b ng 4.5 40 Ch ng 4: Thi t k m ch nh n d ng kí t (a) (b) Hình 4.16: (a) S đ m ch nh n d ng kí t Cadence; (b) Cấu trúc c ng XOR B ng 4.5: 16 tr ng h p ngõ vƠo v i k t qu ngõ t ng ng (theo tính toán) CHARACTER E F G H I J K L M N O P Q R S T VP 0 0 0 0 1 1 1 1 VX5 0 1 1 1 0 1 1 1 VX0 0 0 0 0 0 0 VX1 0 0 0 1 0 0 0 1 VX2 0 0 1 0 0 1 41 VX3 0 0 1 1 0 0 1 1 VX4 0 1 1 0 1 1 VX6 1 1 1 1 1 1 1 VXY (V) -2,917 -3,438 -3,750 -3,958 -4,107 -4,219 -4,306 -4,375 2,917 3,438 3,750 3,958 4,107 4,219 4,306 4,375 Ch ng 4: Thi t k m ch nh n d ng kí t S đ mô ph ng m ch đ c thi t k nh hình 4.16 công c Cadence Quá trình th c thi di n theo b c nh b ng 4.4 VƠ v i 16 kí t ch đƣ đ ng h p ngõ vƠo nh b ng 4.5, đ tƠi đƣ c qui ct ng ng v i 16 tr ti n hƠnh nh n di n kí t : E, I, M, O, R, S, T từ ắMEMRISTOR” K t qu d ng sóng tr v lƠ n áp ngõ VXY nh hình 4.17 VƠ n áp đo đ c( b c III) mô ph ng t ng ng v i b ngõ vƠo đ c t ng h p b ng 4.6 I II III I II III I II III I II III I II III I II III I II III I II III I II III M E M I R T S R O Hình 4.17: D ng sóng ngõ c a m ch nh n d ng kí t B ng 4.6: Đi n áp ngõ đo đ c Kí t M Vxy đo đ M c (V) E 2.917 -2.917 b c III t R 2.917 4.2 ng ng v i ngõ vƠo I S T O R -4.1 4.3 4.4 3.75 4.2 Vxy tính toán (V) 2.917 -2.917 2.917 4.219 -4.107 4.306 4.375 3.75 4.219 Đ xác (%) 100 b ngõ vào t 100 100 99 99 99 ng ng v i kí t cần nh n d ng đ th ng Mỗi b ngõ vƠo đ 99 c đ a lần l c th c thi qua m t trình g m b th c hi n 10 us, vƠ d ng sóng ngõ thu đ 100 c nh hình 4.17 99 t vƠo h c, b c giai đo n I II c a b ngõ vƠo, ngõ gần nh b cách ly b i chuy n m ch Sd nên giá tr xấp x giai đo n 3, ngõ (VXY) đ c k t n i v i memristor RPi nh hình 4.15, vƠ ng v i b ngõ vƠo, giá tr ngõ thay đ i t 42 ng ng Ch ng 4: Thi t k m ch nh n d ng kí t Đi n áp ngõ (VXY) dùng đ nh n d ng kí t đ trình (k t qu đo đ b c III c a c c th nh b ng 4.6) Cu i cùng, so sánh n áp ngõ VXY mô ph ng đ đ nh đ c lấy c v i k t qu tính toán theo lỦ thuy t c kí t cần nh n d ng nh b ng 4.6 43 b ng 4.5, ta xác Ch ng 5: K t lu n, đánh giá vƠ h ng phát tri n CH NG K T LU N, ĐÁNH GIÁ VÀ H NG PHÁT TRI N Đ tƠi nƠy nghiên c u t p trung v cấu trúc, đặc m c a công ngh vi m ch m i ậ n tr nh (Memristor) Qua đó, ng d ng memristor đ thi t k m ch nh n d ng kí t Trong u ki n lỦ t ng, b qua n áp tiêu hao c a m ch, k t qu nh n d ng xác đ n 99% Bên c nh u m m ch có nh ng h n ch : - M c đ phi n c a k t qu l n, v i m c ng ỡng thấp gi a ngõ lƠ 0.071(V) Tuy nhiên, m c ng ỡng thấp có th kh c ph c đ l c, cách tăng s ng ngõ vƠo, tính toán vƠ l a ch n l i VP RD - Đặc n Memristor ch a n đ nh - Không th thi công th c t chi phí cao V i vi c sử d ng memristor, kích th c m ch nh h n, s l h n kéo theo t c đ xử lỦ nhanh h n l ng phần tử m ch ng tiêu hao thấp h n phần tử memristor có kh tích h p cao, vƠ trì đ c tr ng thái c ng ng cấp ngu n Cấu trúc ắMemristor” gi ng v i t bƠo thần kinh, t o u ki n nghiên c u, xơy d ng h thần kinh nhơn t o Công ngh ắMemristor” m kh xơy d ng m ch tích h p m t đ cao, t c đ xử lỦ nhanh vƠ t n hao l ng thấp Tuy nhiên, đơy lƠ lĩnh v c m i, vƠ m i b t đầu đ ch a nhi u ti m đ phát tri n công ngh vi m ch c nghiên c u Nh ng n c nhƠ, lƠ m t thách th c l n công ngh nƠy v n th i gian thử nghi m 44 Ch ng 5: K t lu n, đánh giá vƠ h Sau hoƠn thƠnh đ tƠi nƠy, h ng phát tri n ng phát tri n ti p theo s t p trung nghiên c u: - T c đ chuy n m ch c a memristor - Kh l u tr d li u ng ng cấp ngu n - Kh tích h p - Ti t ki m l ng Nhằm xơy d ng b nh , m ch t h p có đ tích h p cao, t c đ xử lỦ nhanh vƠ ti t ki m l ng 45 TÀI LI U THAM KH O [1] L O Chua, and S.-M Kang, ắMemristive Devices and Systems,” Proc IEEE, vol 64, pp.209-223, Feb 1976 [2] D B Strukov, and K K Likharev, ắCMOL FPGA: a reconfigurable architecture for hybrid digital circuits with two-terminal nanodevices,” Nanotechnology, vol 16, pp 888-900, 2005 [3] G S Snider, and R S Williams, ắNano/CMOS architectures using a field programmable nanowire interconnect,” Nanotechnology, vol 18, no 3, pp 035 204, Jan 2007 [4] S Shin, K Kim, and S.-M Kang, ắMemristor Applications for Programmable Analog ICs,” IEEE Trans on Nanotechnology, vol 10, no 2, pp 266-274, Mar 2011 [5] B Mouttet, ắProposal for Memristors in Signal Processing,” Nano-Net 2008, pp 11-13, 2009 [6] K Kim, S Shin, and S.-M Kang, ắField Programmable Stateful Logic Array,” IEEE Trans on Computer-Aided Design, in press, 2011 [7] J Borghetti, G S Snider, P J Kuekes, J J Yang, D R Stewart, and R S Williams, ắ„Memristive‟ switch enable „stateful‟ logic operations via material implication,” Nature, vol 464, pp 873-876, Apr 2010 [8] S Shin, K Kim, and S.-M Kang, ắReconfigurable Stateful NOR Gate for Large-Scale Logic-Array Integrations,” IEEE Trans On Circuits and Systems II, vol 58, no 7, pp 442-446, July 2011 [9] S Shin, K Kim, and S.-M Kang, ắMemristive XOR for Resistive Multiplier,” Electronics Letters, vol 48, no 2, pp 78-80, Jan 2012 [10] Sangho Shin, Kyungmin Kim, and Sung-Mo Kang, ắResistive Computing: Memristors-Enabled Signal Multiplication”, IEEE transactions on circuits and systems, VOL 60, NO 5, MAY 2013 46 [11] S Shin, K Kim, and S.-M Kang, ắMemristive computing-multiplication and correlation,” inProc ISCAS, pp 1608ậ1611, May 2012 [12] L O Chua, ắMemristor The missing circuit element”, IEEE Trans Circuit Theory, vol.CT-18, pp 507ậ519, 1971 [13] MohanUjwal Bandaru, ắModelling And The Study Of The Memristor”, University Of Dayton, Dayton, Ohio, December, 2012 47 S K L 0 [...]... Đƣ có nhi u nghiên c u v chất bán d n memristor, nh ng v n ch a th t s hoƠn thi n 21 Ch ng 3: Mô hình Memristor c a HP CH NG 3 MỌ HỊNH MEMRISTOR C A HP 3.1 Cấu trúc mô hình memristor Trong năm 2008, 37 năm sau khi Leon Chua đ xuất các khái ni m ban đầu v memristor, thì Stanley Williams và nhóm c a ông ấy đƣ hi n th c hóa memristor phòng thí nghi m HP Đ xây d ng memristor, trong d ng m t thi t b th c... ng d ng memristor vƠo thi t k vƠ s n xuất vi m ch đó lƠ chất li u sử d ng đ ch t o memristor Transistor th silicon, không ph i kim lo i Th th ng lƠm bằng ng thì chất li u không ph i kim lo i ng rất khó đ lƠm nh Trong khi đó, memristor đ Titan lƠ m t kim lo i, nên vi c ch t o v i kích th c lƠm từ titan oxit c nh d dƠng h n Memristor cần ngu n cấp l n gấp nhi u lần transistor, tuy nhiên khi memristor. .. co l i khi mƠ tần s ngu n tăng Hình 2.5 mô t đặc tuy n I-V c a memristor, vƠ s thay đ i c a đ 11 ng cong I-V khi thay đ i tần s Ch ng 2: C s lỦ thuy t Th t v y, khi mƠ tần s kích thích tăng đ n vô cùng, thì memristor ho t đ ng nh m t đi n tr Hình 2.5: Đặc tuy n I-V c a memristor vƠ s co l i khi tần s tăng [13] 2.3 Đ nh nghĩa memristor Memristor vi t t t c a: memory resistor, lƠ m t thi t b th đ ng,... thái n i c a memristor s lƠ: Khi đó, m i quan h I-V đ √ c xác đ nh b i ph √ 24 (3.14) ng trình sau: (3.15) Ch ng 3: Mô hình Memristor c a HP Bi u th c (3.15) cho thấy m i quan h t l bình ph ng ngh ch gi a tính tr kháng nh vƠ đ dày D c a TiO2 Do đó, khi kích th c D càng nh thì các đặc tính tr kháng nh c a memristor th hi n càng rõ 25 Ch ng 4: Thi t k m ch nh n d ng kí t CH NG 4 NG D NG MEMRISTOR TRONG... 4 nhơn t m ch c b n [12] Leon Chua đƣ đặt tên cho nhơn t nƠy lƠ memristor, vi t t t c a: memory resistor Memristor có tr kháng th hi n m i liên h gi a từ thông vƠ đi n tích VƠo năm 8 Ch ng 2: C s lỦ thuy t 2008, Stanley Williams, c a t p đoƠn Hewlett Packard, đƣ công b memristor đầu tiên đƣ đ m t c s n xuất 2.2 Tính chất c a memristor Memristor lƠ m t nhơn t 2 c c th đ ng, mô t m i quan h c a đi n... logic 0,1; trong khi memristor có th có nhi u m c giá tr (ví d : 0.3, 0.5, 0.8…), lƠm cho memristor có th l u tr đ c nhi u d li u - Nhanh h n b nh Flash - Đ tăng t c đ vƠ s c m nh c a memristor, thì ta ch cần thay đ i chất li u c a thi t b 20 Ch ng 2: C s lỦ thuy t - M t dòng đi n l n vƠ nhanh giúp cho memristor ho t đ ng nh m t thi t b s - M t dòng đi n nh vƠ ch m có th giúp memristor ho t đ ng nh... b t ng t , nhi u m c - Kích th c b nh lƠm từ memristor có dung l kích th -T ng 100GB t ng đ ng v i c 16GB c a b nh flash ng thích công ngh CMOS hi n nay - Nh m t b nh không bay h i, memristor không tiêu th đi n khi tr ng thái ngh 2.10 Các thách th c chính - Thách th c chính lƠ t c đ c a nó t nghiên c u xơy d ng các m ch đi n m i đ ng đ i thấp, vƠ cần các nhƠ thi t k ng d ng memristor vƠo th c t -... c c lƠ m t hƠm c a l lƠ m t nhơn t ch a năng l ng đi n tích ch y qua nó Memristor không ph i ng NhƠ nghiên c u Leon Chua đ nh nghĩa nhơn t nƠy nh m t đi n tr , mƠ tr kháng thay đ i d a trên l ng đi n tích ch y qua Kí hi u nh hình sau: Hình 2.6: kí hi u c a memristor 2.4 Tr kháng nh (memristance) Tr kháng nh lƠ m t tính chất c a memristor Khi lu ng đi n tích ch y qua thi t b theo m t h ch y theo h ng,... gơy nh h ng đ n s di chuy n c a các phơn tử trong memristor, ta s ti n hƠnh đ c tr ng thái tr kháng c a memristor nh lƠ đ c m t d li u đ c l u tr tr c đó N u mu n sử d ng m t đi n áp d oxit có ch a các lỗ tr ng nằm ng đ t t memristor, thì ta sử d ng l p titan l p trên Nh ng n u mu n đi n áp d m t memristor, thì ta ch vi c xoay ng tr ng s nằm l pd ng m c memristor l i, l p titan oxit có ch a lỗ i Bằng... NG Kệ T 4.1 Memristor trong cấu trúc m ch t h p 4.1.1 Cấu trúc memristor lỦ t ng Nh đặc tính c a memristor lƠ tr kháng b bi n đ i khi có đi n áp đặt vƠo nó m t cách phi tuy n nh hình 2.4 Vì th mƠ tr kháng c a memristor s có nhi u tr ng thái, nhi u giá tr khác nhau tùy thu c vƠo biên đ đi n áp vƠ th i gian dòng đi n ch y qua Nh ng trong tr ng h p nƠy ta s ch phơn tích tr ng h p lỦ t ng c a memristor V