[發明專利]基于負反饋思想的憶阻器阻值狀態控制電路

有效

• 申請號: 201310153346.0
• 申請日: 2013-04-27
• 公開（公告）號: CN103199813A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發明（設計）人: 李伯勛;汪玉;單羿;楊華中
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H03G3/20
• 分類號: H03G3/20
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 張大威

技術領域

本發明涉及計算機及電子信息技術領域，特別涉及一種憶阻器阻值狀態控制電路結構。

背景技術

能效水平是困擾當今嵌入式設備應用的關鍵所在。一方面，隨著人們對應用要求的不斷增加，越來越多復雜的算法被提出，所需的計算能力爆炸性增長；另一方面，由于便攜性的要求，嵌入式系統僅能提供有限的能源供應。于是，為了同時滿足便攜性與計算能力的要求，人們對嵌入式系統的能效水平提出了越來越高的要求。

然而，當今數字系統的能效水平已越來越難以滿足人們的需求，人們不得不將目光逐漸轉向新型非數字計算系統。數模混合計算系統正是潛在的高能效解決方案之一，通過有效結合具有極高能效水平的模擬計算單元和具有成熟設計流程的數字系統，數模混合系統可以充分發揮數字與模擬兩種電子系統的優點，大幅度提升系統的能效水平。

遺憾的是，數模混合系統的潛力尚未能得到良好的挖掘。其中問題主要來自于模擬電路，例如：模擬電路的數值運算并不像數字系統那樣靈活，無法很好地完成許多復雜的代數運算；模擬量尚沒有有效的存儲方法，而如果采用數字存儲+AD/DA的方案會增加大量額外的功耗開銷，會大大降低系統的能效收益等問題。幸運的是，憶阻器的出現為模擬電路的上述問題提供了潛在的解決方法。

憶阻器（Memristor）是由加州大學伯克利分校蔡少棠教授于1971年提出相關理論，并于2008年由惠普實驗室首次物理實現的新型電路元件。由于其體積小，功耗低，特別是其阻值狀態會隨通過電流而發生變化的特點吸引了人們極大的關注。

憶阻器是解決模擬電路上述問題的潛在方法。例如，使用憶阻器構造交叉陣列（Crossbar），可以實現矩陣乘法進而實現函數擬合，因此可以完成復雜的函數計算功能，極大地提高了模擬計算的靈活性。此外，由于憶阻器類似于電阻，通過設計憶阻器的阻值狀態與模擬量（如電流、電壓）間的映射關系，可以有效地實現模擬量的存儲，并可以將這種模擬存儲器作為基本單元方便地使用在幾乎所有的電路之中。

雖然憶阻器具有許多優點，但是目前尚未出現較為理想的憶阻器的阻值控制方案。Shin,S.,et?al.Memristor?applications?for?programmable?analog?ICs.Nanotechnology,IEEE?Transactions?on10,no.2(2011):266-274.中提出了采用電壓脈沖來調整憶阻器阻值的方案，通過調整電壓脈沖的數量來將憶阻器阻值調整到不同狀態。雖然該方案原理簡單易于實現，但是其控制精度較差，一般僅能達到4～5bit。此外，Yi,W.,et?al.Feedback?write?scheme?for?memristive?switching?devices.Applied?Physics?A:Materials?Science&Processing102,no.4(2011):973-982.中提出了另一種電路結構，其原理在于通過提供大量參考電阻，使憶阻器的阻值狀態盡量的去貼近這些參考電阻的阻值，因此極大的提高了控制精度，通常可以達到8～9bit以上的準確度。然而，該方案所需的參考電阻數量也隨控制精度而指數提高，例如為達到8-bit的精度一般需要256個參考電阻，因此該方案的電路尺寸過大，難以有效集成。總而言之，目前尚未出現一種較為理想的憶阻器阻值狀態控制方案與電路結構。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決上述技術問題之一或至少提供一種有用的商業選擇。為此，本發明的目的在于提出一種控制精度好、電路尺寸小且組織控制速度高的憶阻器阻值狀態控制電路結構。