ứng dụng memristor để thiết kế mạch nhận dạng kí tự

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH HOÀNG HÀ ỨNG DỤNG MEMRISTOR ĐỂ THIẾT KẾ MẠCH NHẬN DẠNG KÍ TỰ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH HOÀNG HÀ ỨNG DỤNG MEMRISTOR ĐỂ THIẾT KẾ MẠCH NHẬN DẠNG KÍ TỰ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2015 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Huỳnh Hoàng Hà Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 05/12/1989 Nơi sinh: Đồng Nai Quê quán: Hải Dƣơng Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: Khoa Điện – Điện Tử, Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP HCM, Số – Võ Văn Ngân, Q Thủ Đức, TP HCM E-mail: hahh@hcmute.edu.vn II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Hệ đào tạo: Đại học quy Thời gian đào tạo từ 10/2007 đến 12/2011 Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP HCM Ngành học: Công nghệ kỹ thuật máy tính Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: “NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MÁY HIỆN SÓNG TRÊN NỀN MÁY TÍNH” Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 07/2011 Ngƣời hƣớng dẫn: ThS Đậu Trọng Hiển III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 09/2011 đến 05/2012 05/2012 đến Nơi công tác Công việc đảm nhiệm CÔNG TY TNHH THIẾT KẾ RENESAS VIỆT NAM ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM i Kỹ sƣ Giảng viên LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015 Học viên ii LỜI CẢM ƠN Đề tài luận văn hoàn thành thời gian quy định đạt đƣợc kết nhƣ mong đợi Để đạt đƣợc kết này, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy hƣớng dẫn, thầy Võ Minh Huân Thầy tận tình giúp đỡ Tôi trình nghiên cứu hoàn thành đề tài Bên cạnh đó, Tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn học viên giúp đỡ, góp ý cho Tôi trình nghiên cứu TP HCM, Ngày tháng năm 2015 Học viên iii TÓM TẮT Ứng dụng memristor thiết kế mạch nhận dạng kí tự mẫu thông qua phép nhân tín hiệu trình bày luận văn Mạch nhận dạng sử dụng cổng XOR thiết kế từ memristor Bằng cách điều khiển hoạt động memristor phù hợp, ta thu điện áp ngõ tương ứng với tập liệu ngõ vào Dựa vào điện áp ngõ tập mẫu liệu có sẵn, ta xác định kí tự cần nhận dạng Đặc biệt, ngõ lưu trữ phần tử memristor, không bị liệu ngưng cấp nguồn, liệu ngõ truy cập lại sau Cấu trúc mạch nhận dạng kí tự có ứng dụng memristor giúp tiết kiệm lượng tiêu hao, trình xử lý nhanh mật độ tích hợp cao số ngõ vào lớn Đề tài sử dụng mô hình memristor lý tưởng Tất kết nghiên cứu mô công cụ chuyên dụng thiết kế IC Cadence Từ khóa – memristor, cổng XOR, phép nhân tín hiệu, nhận dạng kí tự iv ABSTRACT A character recognition based on memristor via resistive logic signal multiplication is introduced The integrated circuit uses seven memristor-based XOR gates, and XOR gate is made by the combination of Memristors By controlling the memristor’s operation suitably, we obtain the corresponding output voltage according to the inputs The interests of this circuit structure is the output registerd in the nonvolatile memristors, so that the computed output can be stored without power supply and accessed anytime later This circuit struture saves energy, the processing speed is fast and the integration density is high for the large number of inputs The report mainly focuses on the model of ideal memristor All the simulation results are studied using Cadence tool Index Terms – memristor, XOR, signal multiplication, character recognition v MỤC LỤC Trang tựa Trang LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH SÁCH HÌNH VẼ viii DANH SÁCH BẢNG BIỂU ix CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung 1.2 Các kết nghiên cứu công bố 1.3 Mục đích đề tài 1.4 Nhiệm vụ giới hạn đề tài 1.4.1 Nhiệm vụ đề tài 1.4.2 Giới hạn đề tài 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.6 Tóm tắt đề tài CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan memristor 2.2 Tính chất memristor 2.3 Định nghĩa memristor 12 2.4 Trở kháng nhớ (memristance) 12 2.5 Nguyên lý hoạt động memristor 14 2.5.1 Hình dáng bên 14 2.5.2 Quá trình hoạt động 14 2.6 So sánh transistor memristor 17 2.7 Các ứng dụng 18 2.7.1 Bộ nhớ không bay 18 vi 2.7.2 Các mạch logic/ tính toán 18 2.7.3 Mạng thần kinh sinh học (neuromorphic) 19 2.7.4 Các ứng dụng khác 19 2.8 Chất liệu làm memristor 19 2.8.1 Tế bào phủ kim loại 19 2.8.2 Perovskite: 19 2.8.3 Phân tử/ polime: 20 2.9 Các thuận lợi memristor: 20 2.10 Các thách thức 21 CHƢƠNG MÔ HÌNH MEMRISTOR CỦA HP 22 3.1 Cấu trúc mô hình memristor 22 3.2 Mô hình dịch tuyến tính 23 CHƢƠNG ỨNG DỤNG MEMRISTOR TRONG THIẾT KẾ MẠCH NHẬN DẠNG KÍ TỰ 26 4.1 Memristor cấu trúc mạch tổ hợp 26 4.1.1 Cấu trúc memristor lý tƣởng 26 4.1.2 Cổng “kéo theo” 27 4.1.2.1 Đặc điểm 27 4.1.2.2 Nguyên lý hoạt động 28 4.1.3 Cổng XOR 29 4.1.3.1 Đặc điểm 29 4.1.3.2 Nguyên lý hoạt động 30 4.1.3.3 Mô cadence 31 4.2 Ứng dụng memristor thiết kế mạch nhận dạng kí tự 35 4.2.1 Sơ đồ mạch nhận dạng kí tự sử dụng memristor 35 4.2.2 Nguyên lý hoạt động 39 4.2.3 Mô phỏng: Mạch nhận dạng kí tự phần mềm Cadence 40 CHƢƠNG KẾT LUẬN, ĐÁNH GIÁ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 vii DANH SÁCH HÌNH VẼ HÌNH TRANG Hình 2.1: nhân tố mạch Hình 2.2: 17 memristor đƣợc phóng to kính hiển vi Hình 2.3: Sơ đồ minh họa memristor qua dòng điện độ lớn ống 10 Hình 2.4: Đặc tuyến I-V điện trở memristor 11 Hình 2.5: Đặc tuyến I-V memristor co lại tần số tăng 12 Hình 2.6: kí hiệu memristor 12 Hình 2.7: Kiến trúc crossbar chuyển mạch điện trở nhớ đƣợc phóng to 14 Hình 2.8: khuếch tán phân tử oxy 16 Hình 3.1: Sơ đồ memristor HP 22 Hình 4.1: Đặc tuyến lý tƣởng memristor 26 Hình 4.2: Kí hiệu cổng “kéo theo” 27 Hình 4.3: Cổng “kéo theo” đƣợc xây dựng từ memristor điện trở 28 Hình 4.4: Mô tả trƣờng hợp cổng “kéo theo” 29 Hình 4.5: Kí hiệu cổng XOR 30 Hình 4.6: (a) Cổng XOR đƣợc xây dựng từ memristor RP RY; (b) Quá trình thực thi; (c) Bảng trạng thái hoạt động 30 Hình 4.7: Sơ đồ mạch cổng XOR Cadence 31 Hình 4.8: Dạng sóng tín hiệu điều khiển S1, S2, VP 31 Hình 4.9: Vẽ lại hình 4.7: (a) Bƣớc với Vx = 0; (b) Bƣớc với Vx = VEVL > 32 Hình 4.10: Dạng sóng ngõ Vx, Ry, Rp 34 Hình 4.11: Sơ đồ khối mạch nhận dạng kí tự [10] 35 Hình 4.12: So sánh khối nhận dạng kí tự sử dụng nhân: (a) Với cổng XOR thông thƣờng; (b) Với cổng XOR sử dụng memristor 36 Hình 4.13: (a) Mạch cộng L bit; (b) Mạch cộng bit 37 Hình 4.14: Cấu trúc cổng XOR sử dụng memristor 38 Hình 4.15: Mạch hình 4.12(b) đƣợc vẽ lại bƣớc III 39 viii Chƣơng 4: Thiết kế mạch nhận dạng kí tự „0‟ „0‟ „0‟ „1‟ „1‟ „0‟ „1‟ „1‟ „0‟ (a) „0‟ (b) „1‟ (c) „1‟ (d) Hình 4.10: Dạng sóng ngõ Vx, Ry, Rp Theo hình 4.10, trình xử lý tín hiệu với cặp ngõ vào diễn 20 us, gồm bƣớc nhƣ hình 4.6 (b), bƣớc diễn 10 us Bƣớc với mục đích đƣa RP giá trị „0‟mà không phụ thuộc vào trạng thái trƣớc RP Ở bƣớc 2, tùy thuộc vào ngõ vào mạch, ngõ RP đƣợc đƣa lên mức „1‟ hay giữ nguyên trạng thái „0‟ Cụ thể: 34 Chƣơng 4: Thiết kế mạch nhận dạng kí tự Trong hình 4.10(a), ngõ vào VX = „0‟ (0V), RY = „0‟ (ROFF), ngõ thu đƣợc qua giai đoạn: giai đoạn 1: RP = „0‟ (ROFF), giai đoạn 2: RP = „0‟ (ROFF) Trong hình 4.10(b), ngõ vào VX = „0‟ (0V), RY = „1‟ (RON), ngõ thu đƣợc qua giai đoạn: giai đoạn 1: RP = „0‟ (ROFF), giai đoạn 2: RP = „1‟ (RON) Trong hình 4.10(c), ngõ vào VX = „1‟ (3V), RY = „0‟ (ROFF), ngõ thu đƣợc qua giai đoạn: giai đoạn 1: RP = „0‟ (ROFF), giai đoạn 2: RP = „1‟ (RON) Trong hình 4.10(d), ngõ vào VX = „1‟ (3V), RY = „1‟ (RON), ngõ thu đƣợc qua giai đoạn: giai đoạn 1: RP = „0‟ (ROFF), giai đoạn 2: RP = „0‟ (ROFF) 4.2 Ứng dụng memristor thiết kế mạch nhận dạng kí tự 4.2.1 Sơ đồ mạch nhận dạng kí tự sử dụng memristor Trong nhiều ứng dụng nhận dạng mẫu âm thanh, kí tự, hình ảnh, hay nhiều phân tích liệu khoa học khí hậu, không gian, y học…, phép nhân mẫu liệu ngõ vào liệu tham chiếu đƣợc lƣu trữ trƣớc phƣơng pháp xác định đồng dạng để nhận mẫu liệu ngõ vào Phƣơng pháp xác định đồng dạng đƣợc ứng dụng vào thiết kế mạch nhận dạng kí tự Mạch mã hóa Clk kí tự Chuỗi kí tự Mạch chuyển đổi song song sang nối tiếp Thanh ghi dịch X0 Clk bít X1 Y0 3x Clk bít VP(XL) YL-1 Y1 Clk bít KHỐI ĐIỀU KHIỂN XUNG CLOCK XL-1 VXY RD Hình 4.11: Sơ đồ khối mạch nhận dạng kí tự [10] Hình 4.11 sơ đồ tổng quát mạch nhận dạng kí tự có sử dụng memristor Sơ đồ mạch gồm khối: mạch mã hóa để chuyển chuỗi kí tự sang dạng thích 35 Chƣơng 4: Thiết kế mạch nhận dạng kí tự hợp, mạch chuyển đổi song song sang nối tiếp để chuyển liệu thành luồng tín hiệu để truyền vào hệ thống xử lý, ghi dịch dùng để dịch chuỗi liệu vào khối cổng XOR để nhận dạng, khối điều khiển xung clock dùng để cấp xung cho hệ thống hoạt động khối gồm cổng logic XOR đƣợc xây dựng từ memristor kết hợp với công nghệ CMOS truyền thống Trong mô hình này, khối tạo xung, khối mã hóa, khối chuyển đổi khối dịch dựa công nghệ cũ, đề tài tập trung vào khối nhận dạng kí tự (khối cổng XOR) dùng để nhận dạng kí tự đầu hệ thống tín hiệu tƣơng tự dạng điện áp (VXY) Dựa mô hình nhận dạng kí tự sử dụng nhân CMOS truyền thống (hình 4.12(a)), đề tài xây dựng mô hình nhận dạng kí tự sử dụng nhân đƣợc kết hợp công nghệ CMOS truyền thống memristor (hình 4.12(b)) VX Y VXY (a) (b) Hình 4.12: So sánh khối nhận dạng kí tự sử dụng nhân: (a) Với cổng XOR thông thƣờng; (b) Với cổng XOR sử dụng memristor 36 Chƣơng 4: Thiết kế mạch nhận dạng kí tự AL-1 BL-1 CL-2 Cộng bit A2 B2 C1 A1 B1 C0 A0 B0 C Cộng bit Cộng bit Cộng bit CL-1 SL-1 S2 S1 S0 DAC VXY (a) (b) Hình 4.13: (a) Mạch cộng L bit; (b) Mạch cộng bit Hình 4.12(a) dạng mạch nhận dạng, sử dụng phần tử nhân XOR theo công nghệ CMOS truyền thống Ngõ cổng XOR mang mức logic „0‟ „1‟, kết hợp trực tiếp với nhau, phải sử dụng thêm cộng ngõ theo sau chuyển đổi số sang tƣơng tự ( nhƣ hình 4.13) thu đƣợc ngõ dạng điện áp tƣơng tự Số ngõ vào mạch lớn, cấu trúc cộng chuyển đổi số sang tƣơng tự phức tạp, thời gian xử lý lâu Trong đó, hình 4.12(b) mạch nhận dạng, sử dụng phần tử nhân XOR có chứa memristor Ngõ cổng XOR trở kháng RPi, nên ngõ đƣợc kết nối trực tiếp với tính tổng trở ngõ cổng XOR thông qua điện áp VXY mà không cần dùng thêm cộng hay chuyển từ số sang tƣơng tự Kiến trúc mạch có tốc độ xử lý hoàn toàn không phụ thuộc vào số lƣợng ngõ vào, số lƣợng linh kiện ít, độ tích hợp cao (bảng 4.3) Cấu trúc chi tiết cổng XOR dựa memristor, đƣợc sử dụng khối mạch nhận dạng nhƣ hình 4.14 Cổng XOR xây dựng từ memristor đƣợc sử dụng nhƣ phần tử nhân, để thiết kế mạch nhận dạng kí tự Một hai ngõ vào cổng XOR đƣợc dùng để lƣu trữ liệu tham chiếu (RY), ngõ vào lại (VX) dùng làm ngõ vào mạch L phần tử nhân XOR đƣợc sử dụng để xây dựng mạch nhận dạng kí tự Ngoài ra, mạch có thêm ngõ vào điều khiển áp VP Vì vậy, dùng L cổng XOR, mạch gồm L+1 ngõ vào ngõ 37 Chƣơng 4: Thiết kế mạch nhận dạng kí tự Ngõ mạch tổng trở kháng RPi nhƣng đƣợc thể thông qua điện áp VXY đặt điện trở RD nhƣ hình 4.12(b) Bảng 4.3: So sánh mạch nhận dạng theo công nghệ Công nghệ Số lƣợng linh kiện CMOS truyền thống Sử dụng nhiều linh kiện CMOS kết hợp Memristor Sử dụng linh kiện Độ tích hợp ngõ vào lớn Kích thƣớc mạch lớn Kích thƣớc mạch nhỏ thay đổi không nhiều Tốc độ xử lý Giảm số ngõ vào lớn Không đổi số ngõ vào thay đổi Tiết kiệm lƣợng - Cấu trúc mạch lớn nên cần nhiều lƣợng - Không lƣu trữ đƣợc liệu ngƣng cấp nguồn - Cấu trúc mạch nhỏ nên lƣợng tiêu hao nhỏ - Lƣu trữ đƣợc liệu ngƣng cấp nguồn Khả đáp Hệ thống phải thiết lập lại ứng khởi động từ đầu lại hệ thống Do trạng thái đƣợc lƣu trữ ngắt nguồn nên hệ thống đáp ứng sau khởi động lại Độ ổn định Đặc tuyến ổn định Đặc tuyến chƣa ổn định (đang giai đoạn nghiên cứu) Hình 4.14: Cấu trúc cổng XOR sử dụng memristor Cấu trúc nguyên lý hoạt động cổng XOR hình 4.14 tƣơng tự nhƣ cổng XOR hình 4.6, nhƣng có bƣớc xử lý, có thêm chuyển mạch S3 SD dùng để tính điện áp ngõ mạch bƣớc III Quá trình hoạt động cụ thể mạch đƣợc diễn theo giai đoạn nhƣ bảng 4.4 38 Chƣơng 4: Thiết kế mạch nhận dạng kí tự Bảng 4.4: Trình tự thực thi mạch nhận dạng kí tự Bƣớc I II III VP VRST VSET VEVL S1 0 S2 S3 1 SD 0 Chế độ Reset XOR Evaluate 4.2.2 Nguyên lý hoạt động Ngõ vào RYi (yi) cổng XOR đóng vai trò lƣu trữ liệu tham chiếu, đƣợc đặt cố định ROFF („0‟) Các ngõ vào VXi (xi) ngõ vào mạch Quá trình xử lý mạch nhận dạng diễn theo bƣớc nhƣ bảng 4.4 Trong bƣớc I II, phần tử XOR thực phép nhân bit nhƣ cổng XOR hình 4.6, để tính toán trở kháng RPi Với ngõ vào RYi đƣợc cố định trƣớc ROFF, nên ngõ vào VXi có giá trị logic „1‟, RPi đảo trạng thái lên „1‟ (RON); ngƣợc lại, VXi có giá trị logic „0‟, RPi giữ nguyên trạng thái „0‟ (ROFF) Nguyên lý bƣớc hoàn toàn giống với nguyên lý hoạt động cổng XOR hình 4.6 Trong bƣớc III, chuyển mạch S1, S2, S3 ngƣng dẫn, SD dẫn Các memristor RPi đƣợc cách ly với mạch kết nối song song với nhƣ hình 4.15 Hình 4.15: Mạch hình 4.12(b) đƣợc vẽ lại bƣớc III Theo hình 4.15 ta có: (4.4) 39 Chƣơng 4: Thiết kế mạch nhận dạng kí tự (4.5) VP RD phải thỏa mãn ràng buộc sau: VOPEN < (VEVL - VXY) < VCLOSE (4.6) Kết hợp (4.5) (4.6) ta đƣợc: (4.7) Vậy VP RD đƣợc lựa chọn phù hợp với ràng buộc (4.7), ta tính đƣợc điện áp ngõ VXY (theo công thức (4.5)) Giá trị điện áp VXY thay đổi theo ngõ vào VXi mạch Dựa vào điện áp VXY, ta xác định đƣợc kí tự cần đƣợc nhận dạng 4.2.3 Mô phỏng: Mạch nhận dạng kí tự phần mềm Cadence Sơ đồ mạch hoạt động với thông số cụ thể nhƣ 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 Đề tài đƣợc mô công cụ Cadence, công cụ chuyên sử dụng lĩnh vực thiết kế chất bán dẫn, với cổng XOR (L=7), RD = kΩ, VP (hay VEVL) sử dụng mức điện áp V -5 V tƣơng ứng với mức logic „1‟ „0‟ (trong bƣớc III) Các ngõ vào RYi đƣợc đặt cố định mức „0‟ Vì vậy, mạch có ngõ vào ngõ nhƣ hình 4.16(a) Với sơ đồ mạch này, ta nhận dạng đƣợc tất mẫu kí tự, cách quy ƣớc kí tự muốn nhận dạng ứng với trƣờng hợp ngõ vào Trong mô này, đề tài tiến hành nhận dạng 16 kí tự chữ viết từ „E‟ đến „T‟ bảng chữ 16 trƣờng hợp ngõ vào với 16 mức điện áp ngõ tƣơng ứng với 16 kí tự nhƣ bảng 4.5 40 Chƣơng 4: Thiết kế mạch nhận dạng kí tự (a) (b) Hình 4.16: (a) Sơ đồ mạch nhận dạng kí tự Cadence; (b) Cấu trúc cổng XOR Bảng 4.5: 16 trƣờng hợp ngõ vào với kết ngõ tƣơng ứng (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 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 VX5 0 1 1 1 0 1 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 Chƣơng 4: Thiết kế mạch nhận dạng kí tự Sơ đồ mô mạch đƣợc thiết kế nhƣ hình 4.16 công cụ Cadence Quá trình thực thi diễn theo bƣớc nhƣ bảng 4.4 Và với 16 kí tự chữ đƣợc qui ƣớc tƣơng ứng với 16 trƣờng hợp ngõ vào nhƣ bảng 4.5, đề tài tiến hành nhận diện kí tự: E, I, M, O, R, S, T từ “MEMRISTOR” Kết dạng sóng trả điện áp ngõ VXY nhƣ hình 4.17 Và điện áp đo đƣợc (ở bƣớc III) mô tƣơng ứng với ngõ vào đƣợc tổng hợp bảng 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: Dạng sóng ngõ mạch nhận dạng kí tự Bảng 4.6: Điện áp ngõ đo đƣợc bƣớc III tƣơng ứng với ngõ vào Kí tự M Vxy đo đƣợc (V) 2.917 -2.917 E M R 2.917 4.2 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 Độ xác (%) 100 100 100 99 99 99 99 100 99 ngõ vào tƣơng ứng với kí tự cần nhận dạng đƣợc đƣa lần lƣợt vào hệ thống Mỗi ngõ vào đƣợc thực thi qua trình gồm bƣớc, bƣớc thực 10 us, dạng sóng ngõ thu đƣợc nhƣ hình 4.17 Ở giai đoạn I II ngõ vào, ngõ gần nhƣ bị cách ly chuyển mạch Sd nên giá trị xấp xỉ Ở giai đoạn 3, ngõ (VXY) đƣợc kết nối với memristor RPi nhƣ hình 4.15, ứng với ngõ vào, giá trị ngõ thay đổi tƣơng ứng 42 Chƣơng 4: Thiết kế mạch nhận dạng kí tự Điện áp ngõ (VXY) dùng để nhận dạng kí tự đƣợc lấy bƣớc III trình (kết đo đƣợc cụ thể nhƣ bảng 4.6) Cuối cùng, so sánh điện áp ngõ VXY mô đƣợc với kết tính toán theo lý thuyết bảng 4.5, ta xác định đƣợc kí tự cần nhận dạng nhƣ bảng 4.6 43 Chƣơng 5: Kết luận, đánh giá hƣớng phát triển CHƢƠNG KẾT LUẬN, ĐÁNH GIÁ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Đề tài nghiên cứu tập trung cấu trúc, đặc điểm công nghệ vi mạch – điện trở nhớ (Memristor) Qua đó, ứng dụng memristor để thiết kế mạch nhận dạng kí tự Trong điều kiện lý tƣởng, bỏ qua điện áp tiêu hao mạch, kết nhận dạng xác đến 99% Bên cạnh ƣu điểm mạch có hạn chế: - Mức độ phi tuyến kết lớn, với mức ngƣỡng thấp ngõ 0.071(V) Tuy nhiên, mức ngƣỡng thấp khắc phục đƣợc, cách tăng số lƣợng ngõ vào, tính toán lựa chọn lại VP RD - Đặc tuyến Memristor chƣa ổn định - Không thể thi công thực tế chi phí cao Với việc sử dụng memristor, kích thƣớc mạch nhỏ hơn, số lƣợng phần tử mạch kéo theo tốc độ xử lý nhanh lƣợng tiêu hao thấp phần tử memristor có khả tích hợp cao, trì đƣợc trạng thái ngƣng cấp nguồn Cấu trúc “Memristor” giống với tế bào thần kinh, tạo điều kiện nghiên cứu, xây dựng hệ thần kinh nhân tạo Công nghệ “Memristor” mở khả xây dựng mạch tích hợp mật độ cao, tốc độ xử lý nhanh tổn hao lƣợng thấp Tuy nhiên, lĩnh vực mới, bắt đầu đƣợc nghiên cứu Nhƣng chứa nhiều tiềm để phát triển công nghệ vi mạch nƣớc nhà, thách thức lớn công nghệ thời gian thử nghiệm 44 Chƣơng 5: Kết luận, đánh giá hƣớng phát triển Sau hoàn thành đề tài này, hƣớng phát triển tập trung nghiên cứu: - Tốc độ chuyển mạch memristor - Khả lƣu trữ liệu ngƣng cấp nguồn - Khả tích hợp - Tiết kiệm lƣợng Nhằm xây dựng nhớ, mạch tổ hợp có độ tích hợp cao, tốc độ xử lý nhanh tiết kiệm lƣợng 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] L O Chua, and S.-M Kang, “Memristive Devices and Systems,” Proc IEEE, vol 64, pp.209-223, Feb 1976 [2] D B Strukov, and K K Likharev, “CMOL 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, “Nano/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, “Memristor Applications for Programmable Analog ICs,” IEEE Trans on Nanotechnology, vol 10, no 2, pp 266-274, Mar 2011 [5] B Mouttet, “Proposal for Memristors in Signal Processing,” Nano-Net 2008, pp 11-13, 2009 [6] K Kim, S Shin, and S.-M Kang, “Field 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, “„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, “Reconfigurable 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, “Memristive XOR for Resistive Multiplier,” Electronics Letters, vol 48, no 2, pp 78-80, Jan 2012 [10] Sangho Shin, Kyungmin Kim, and Sung-Mo Kang, “Resistive 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, “Memristive computing-multiplication and correlation,” inProc ISCAS, pp 1608–1611, May 2012 [12] L O Chua, “Memristor The missing circuit element”, IEEE Trans Circuit Theory, vol.CT-18, pp 507–519, 1971 [13] MohanUjwal Bandaru, “Modelling And The Study Of The Memristor”, University Of Dayton, Dayton, Ohio, December, 2012 47 S K L 0 [...]... tốc độ thực thi của mạch điện khi sử dụng memristor 5 Chƣơng 1: Tổng quan - Cài đặt và nghiên cứu sử dụng bộ công cụ thiết kế vi mạch Cadence trên nền hệ điều hành Redhat - Ứng dụng memristor xây dựng các mạch tổ hợp số cơ bản - Ứng dụng memristor trong thiết kế mạch nhận dạng kí tự mẫu 1.4.2 Giới hạn của đề tài Đề tài chỉ tập trung vào nghiên cứu lý thuyết, thiết kế và mô phỏng memristor trên máy tính,... thức hoạt động của memristor trong các mạch tổ hợp số; qua đó, ứng dụng memristor vào thiết kế một mạch nhận dạng kí tự căn bản, chƣa ứng dụng memristor vào thiết kế các mạch tƣơng tự 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu Do mục đích nghiên cứu của đề tài chủ yếu tập trung vào nghiên cứu công nghệ vi mạch mới, nên phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc sử dụng chủ yếu là: - Tìm hiểu về đặc điểm, cấu trúc memristor, - Đặc... dựa trên các mạch số tổ hợp sử dụng memristor, thiết kế mạch nhận dạng kí tự - Chƣơng 5: Kết luận và hƣớng phát triển đề tài 7 Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về memristor Trong lý thuyết mạch điện tử, có 3 thiết bị mạch cơ bản đã biết, đó là điện trở, cuộn dây, và tụ điện Mỗi thiết bị này đƣợc định nghĩa dựa trên mối liên hệ giữa hai trong bốn biến số mạch cơ bản:... Phƣơng pháp kết hợp memristor với các cấu trúc vi mạch sẵn có - Thông qua đó, ứng dụng memristor trong thiết kế một số mạch tổ hợp, và trong cấu trúc của một mạch nhận dạng kí tự mẫu 1.6 Tóm tắt đề tài Với các yêu cầu và mục tiêu đề ra, luận văn đƣợc xây dựng bao gồm các chƣơng sau: - Chƣơng 1: Tổng quan về lĩnh vực cũng nhƣ đề tài nghiên cứu Trình bày khái quát về tình hình lĩnh vực vi mạch nghiên...Hình 4.16: (a) Sơ đồ mạch nhận dạng kí tự trong Cadence; (b) Cấu trúc 1 cổng XOR 41 Hình 4.17: Dạng sóng ngõ ra của mạch nhận dạng kí tự 42 DANH SÁCH BẢNG BIỂU BẢNG TRANG Bảng 2.1: So sánh giữa transistor và memristor 17 Bảng 4.1: Bảng sự thật của cổng “kéo theo” 27 Bảng 4.2: Bảng sự thật của cổng XOR truyền thống (⊕) 29 Bảng 4.3: So sánh mạch nhận dạng theo 2 công... thể hiện càng rõ 25 Chƣơng 4: Thiết kế mạch nhận dạng kí tự CHƢƠNG 4 ỨNG DỤNG MEMRISTOR TRONG THIẾT KẾ MẠCH NHẬN DẠNG KÍ TỰ 4.1 Memristor trong cấu trúc mạch tổ hợp 4.1.1 Cấu trúc memristor lý tƣởng Nhƣ đặc tính của memristor là trở kháng bị biến đổi khi có điện áp đặt vào nó một cách phi tuyến nhƣ hình 2.4 Vì thế mà trở kháng của memristor sẽ có nhiều trạng thái, nhiều giá trị khác nhau tùy thuộc vào... cứu khá nhiều - Một lý do khác để ứng dụng memristor vào thiết kế và sản xuất vi mạch đó là chất liệu sử dụng để chế tạo memristor Transistor thƣờng làm bằng silicon, không phải kim loại Thƣờng thì chất liệu không phải kim loại thƣờng rất khó để làm nhỏ Trong khi đó, memristor đƣợc làm từ titan oxit Titan là một kim loại, nên việc chế tạo với kích thƣớc nhỏ dễ dàng hơn Memristor cần nguồn cấp lớn gấp... là chỉ có trạng thái “tắt” hoặc “bật” nhƣ trong các bộ xử lý số hiện đại Chính vì những tính năng ƣu việt của memristor nên đề tài quyết định chọn hƣớng nghiên cứu là: Ứng dụng memristor để thiết kế mạch nhận dạng kí tự , nhằm nghiên cứu các đặc tính cơ bản của memristor cũng nhƣ tạo tiền đề để nghiên cứu sâu hơn về công nghệ này trong tƣơng lai, một công nghệ mà có thể thay thế cho công nghệ CMOS hiện... transistor, tuy nhiên khi memristor đƣợc làm nhỏ hơn thì phần cấp nguồn không cần thiết phải nhỏ theo 17 Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết 2.7 Các ứng dụng Ba lĩnh vực chính ứng dụng memristor là: - Bộ nhớ không bay hơi - Các mạch logic và toán học - Mạng lƣới thần kinh sinh học (Neuromorphics) 2.7.1 Bộ nhớ không bay hơi Đây là lĩnh vực cốt yếu để chứng minh hiệu quả của công nghệ memristor Hiện nay có nhiều... nhƣ là mạch điện tƣơng tự, mô phỏng kiến trúc mạng nơ-ron sinh học Từ những bài báo đầu tiên của Leon Chua đã có xem xét cấu trúc memristor gần giống nhƣ một tế bào thần kinh Và nếu memristor đƣợc nghiên cứu và ứng dụng các đặc tính ghi nhớ và việc xử lý tín hiệu tƣơng tự nhƣ các khớp thần kinh thì ta có thể xây dựng một hệ thống điện tử nhân tạo tƣơng tự nhƣ bộ não ngƣời để có thể xử lý các ứng dụng