忆阻器应用于人工神经网络的前景与展望

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1、瞄囵溘互盈豳3．．h吼ina万方数据NewTeehnologi。。。d酬。信息技术忆阻器应用于人工神经网络的前景与展望王国权刘亮(黑龙江科技学院计算机与信息工程学院，黑龙江哈尔滨150027)擒要：忆阻器理论的建立为电子电路设计带来了新的发展空间．将对于人工神经网络的研完进程起到巨大的推动作用，本文介绍了忆阻器的主要特性和优势，以及展望了忆阻嚣在人工神经网络权值存储上的发展前景。关键词：忆阻器；人工神经网络；权值存储随着大规模集成电路制造技术和纳米蚀刻技术的发展，为在微米时代忆阻特性不明显的无源忆阻

2、器件的实现提供了可能。忆阻器的出现。使电路设计的基础元器件由电阻、电容、电感，增加到了4个。忆阻器为电路设计提供了新的发展空间。1忆阻器的特性与新进展上世纪70年代忆阻器作为一种电子元器件理论被提出。由于具体实物证明的稀缺而进展缓慢。2008年惠普实验窄宣布成功制造出忆阻器，证明r忆阻器的存在．引起广泛的关注。I．卜匕阡I器的特性忆阻器具有以F特点：l、由于忆阻器是连续器件，因而存储的精度是无限的。2．由于忆阻器在使用过程中其内部的结构发生变化，因而具有电不易失性。3、由于忆阻器是基础元器件．可以方

3、便的将忆阻器设计在电路中，获得混合型的电路，便于使用。4，随着忆阻器内部，竖量变化方式的不同，可以实现数字与模拟两种状态。图l在电学领域中，有四个基本的组成元素分别是电压v，电流i，电荷q，磁链‘P，他们构成了六个关系，dq，=vdt，dq=idt，电阻dv=rdi，电容dq=cdv，电感d‘P=ldi与忆阻dq)=mdq．根据Chua在1971提出的理论，忆阻器的基础建立在电荷q与磁链‘p的基础上。电荷控制的忆阻器上的电压可通过以下公式定义v(f)：M(q_(f))Mf1)其中肘(口)三如(q)／

4、dqf2)相似的．流壁控制的忆阻器町通过以下公式定义i(t)一W(clD(f))v(f)(3)其中w(妒)三dqr(妒)，d妒(41由于四大基础变量问可以相互转化．因而与的关系可以转化为与的关系。由于的度量单位足欧姆．因此它可以称为忆阻增hr．：同理由于的度垃单位是西门子，因此町以称其为忆导增一18一‘中国新技术新产品量。特别，当确定了忆阻器上的电压v(t)或电流jfO时．忆阻器町视为是线性时变电阻器。而当忆阻器的‘P—q曲线为直线时，忆阻器变为线性时不变电阻器。Chua同时给出了忆阻器的5个定理：

5、定理1无源定理：一条可微的且电荷控制的曲线表示特性的忆阻器是无源的，当且仅当其忆阻增皱是非负的。定理2等效定理：一个只包含忆阻器的单端口网络等价于一个忆阻器。定理3稳定定理：一个只包含忆阻增墙为正的忆阻器的忆阻器网络对给定输入只有唯一输出。定理4静态作用(协同作用)原则：设忆阻器网络N只包含电荷控制(流量控制)的忆阻器．则网络N的解是向量qf=吼(妒3iI：ff3)的条件为：此向皱是网络N的全作用aqtl全协同作用d(nJ1中的一个静态点。定义电荷控制(流量控制)的忆阻器的作用为以下积分．。A(q)

6、三f≯(鼋)由(5)“U—P∞A(妒)三I：口(∞d妒(6)设有包含电荷控制(流量控制)的忆阻器的网络N。其全作用日礼【全协』口1作用d(n)J可通过以下标鞋函数定义：a(q￡)-Ao∞‘q￡)i(妒3)-Ao(D‘妒3)∽(8)^一^(g)=z知-^(q，)·∑知tJ≯竹(劬J4qr91izi(9)=￡知-Jj'(qJ)=∑；；。J，q，(叻)4码f‰其中D和B分别是基本割集矩阵和基本循环矩阵。定理5复杂度的阶：设网络N包含电阻、电容、电感，忆阻器以及独立电压源和独立电流源。则网络N的复杂度的阶f

7、fl可以定义为：m=(h+k+k)一(g-+gcs+g埘)一(

8、一+乱，+虹0(11)其中是b．电感的总数；bc是电容的总数；h是忆阻器的总数；鼬是只包含忆阻器的独立回路数；彝旺是jl包含忆阻器和电容的独立叫路数；舯是只包含忆阻器和电感的独立回路教；“是只包含忆阿l器的独奇割集数；i。是只包含电感和电流源的独屯割集数；占Ⅲ是只包含电容和忆阻器的独市割集数。1．2忆阻器的新进展虽然忆阻器理论提m已有近50年的历史，但是无源的忆阻器物理模型一直没有被发现。2008年HP实验室宦称实现了忆阻器的物理模型，

9、并在《自然》杂志上发表了文章《nleMissingMernristorFound)。HP实验室作出的忆阻器模型如陶2。图2aHP模型可以描述为薄膜器件．HP模型的结构是P／rio／P,。由图可见此模型可分为两部分，一是两端的铂导电层，二是夹在导电层之问的二氧化钛。设金属氧化半导体的厚度为D．为状态变鲢，当w／D时，杂质均匀地分布在金届氧化半导体巾．忆阻器处于导通状态设为R。当w=0时。金属氧化半导体巾的杂质被捧到某一端，导致杂质的分布极端不均处于高阻念设为R，。囤2忆