基于忆阻器蕴含操作的全加器的设计
基于忆阻器的模拟域近感计算与感内计算研究
基于忆阻器的模拟域近感计算与感内计算研究1. 概述近感计算和感内计算是当前研究热点之一，其在人工智能、机器学习、生物信息学等领域有着广泛的应用。
本文将重点关注基于忆阻器的模拟域近感计算与感内计算的研究。
忆阻器是一种基于电容-电阻混合模型的器件，具有良好的非线性特性和忆阻效应。
利用忆阻器进行模拟域近感计算和感内计算具有很大的潜力和优势。
本文将对这一领域的研究现状和发展趋势进行探讨，以期为相关领域的研究提供新的思路和方法。
2. 忆阻器的基本原理忆阻器是一种新型的电子器件，其工作原理基于忆阻效应。
忆阻效应是指在材料中存储了电荷或磁通，并在外加电压或磁场的作用下导致了电阻值的变化。
忆阻器利用这一效应，通过调控储存的电荷或磁通量来实现电阻值的调节。
忆阻器与传统的电阻器相比，具有更大的电阻调节范围和更低的功耗，因此在模拟电路设计中具有很大的优势。
3. 模拟域近感计算模拟域近感计算是指利用模拟电路进行类似于人类感知的计算。
传统的近感计算方法主要基于数字电路，其需要较大的功耗和芯片面积，且计算精度受限。
而基于忆阻器的模拟域近感计算可以通过利用忆阻器的非线性特性和忆阻效应来实现低功耗、高精度的近感计算。
利用忆阻器可以构建出一种基于模拟域的神经网络，实现类似于人脑的感知和计算。
这种基于忆阻器的模拟域近感计算具有很大的应用潜力，可以广泛应用于智能传感器、智能控制等领域。
4. 感内计算感内计算是指利用感知信息进行计算。
传统的感内计算方法主要依赖于数字信号处理和微处理器，其计算速度和功耗存在一定的局限性。
基于忆阻器的感内计算可以利用其优异的非线性和存储特性来实现更快速、更低功耗的感知信息处理和计算。
利用忆阻器可以构建出一种快速响应的感知器件，实现对环境信息的高速采集和处理。
这种基于忆阻器的感内计算技术有着广泛的应用前景，可以应用于智能驾驶、智能家居等领域。
5. 研究现状目前，基于忆阻器的模拟域近感计算与感内计算的研究已取得了一些初步成果。
忆阻器等效电路设计
忆阻器等效电路设计
忆阻器等效电路设计是一种基于忆阻器的电路设计方法，用于实现电路的特定功能。
忆阻器是一种特殊的电阻器，具有记忆和可编程功能，可以存储和调整电阻值。
在忆阻器等效电路设计中，忆阻器被用作可编程电阻元件，该电路可以根据输入信号实现不同的电阻值和功能。
忆阻器等效电路设计可以应用于各种电路中，包括数字电路和模拟电路。
在数字电路中，忆阻器等效电路设计可以用于实现数字信号的存储、延迟和滤波等功能。
在模拟电路中，忆阻器等效电路设计可以用于实现模拟信号的放大、滤波和正弦波形变换等功能。
忆阻器等效电路设计的实现过程包括忆阻器电路的设计和电路元件的连接。
首先需要确定电路的设计目标和功能，然后选择适合的忆阻器类型和电路元件。
接下来，需要确定电路的拓扑结构和电路元件的参数值，通过仿真和调试验证电路的性能和稳定性。
最后，将电路元件连接起来，实现忆阻器等效电路的设计目标和功能。
总之，忆阻器等效电路设计是一种灵活、高效的电路设计方法，可以实现各种电路的特定功能。
它的应用范围广泛，具有重要的理论意义和实际应用价值。
基于忆阻器的实现与分析(1)
题目：
提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：
1设计（论文）说明书共页
2 设计（论文）图 纸共页
3 指导人、评阅人评语共页
毕业设计（论文）答辩委员会评语：
[主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价]
答辩委员会主任：（签名）
关键词：忆阻器模型；非线性电路；忆阻器混沌电路；混沌保密通信
ABSTRACT
Memristorisproposedby the Chinese-AmericanscientistChua L. O in 1971. It was limitedbylaboratory conditions;the first physical memristor deviceisproducedin the laboratoryuntil2008, then thememristor has been tremendous development.Memristor is anonlinear circuit element controlled by charge and flux.It has potentialapplications inartificial neural networkandcomputer memoryandanalog circuitbecause of itsnano-scale and memoryproperties. Becauseit’s nonlinearproperties,Memristor possesses complex dynamicswhich make memristor-basednonlinearcircuit generate special dynamical behaviors such aschaos,Memristor chaotic systemissensitive to the initial conditions and system parameters,and italso depends on the initial value of the memristor, andmay reflect a stronger pseudo-randomness. Thenmemristor has a wide range of applications.
基于实质蕴涵逻辑的忆阻运算阵列设计及功能实现研究
摘要忆阻器作为一种新型的非易失性信息器件，被认为是第四种基本电路元件。
因其非易失性的电阻转变特性，且具有高速、低功耗、擦写次数高、易集成、与CMOS 工艺兼容等优点，忆阻器已成为下一代存储器的潜力候选。
近几年，研究人员又提出了基于忆阻器的非易失逻辑运算方案，全新的状态逻辑颠覆了传统CMOS电路电平逻辑的思路，实现了存储与计算融合，突破了传统冯·诺依曼瓶颈问题，使得忆阻器有望成为未来信息处理架构的核心基础器件。
本文在基于忆阻器的逻辑电路研究背景下，以最早惠普公司实现的忆阻实质蕴涵（IMP）逻辑作为基本逻辑算法，在忆阻阵列中研究传统的字线IMP电路结构及实现方式的同时，探索并提出了阵列中另一种IMP——位线IMP电路结构及其实现方式，设计出能够融合两种IMP逻辑操作的新型忆阻运算阵列，并提出阵列中的“直线型”逻辑运算模式和“折线型”逻辑运算模式。
在这个忆阻运算阵列中，可实现数据的写入、读取、计算与存储一体化功能。
随后，采用2×2 Ti/HfO2/W忆阻阵列及HSPICE 忆阻仿真模型，在阵列中设计并实现了由字线IMP和位线IMP逻辑配合完成的“与非”逻辑、数据传输、“同或”逻辑和一位全加器功能，从实验和仿真两个方面验证了基于IMP逻辑的忆阻运算阵列实现所有逻辑功能的可行性。
逻辑操作过程中，“直线型”逻辑运算模式和“折线型”逻辑运算模式的高效配合，使得复杂逻辑的实现方法更为灵活；且阵列中任意可用的忆阻器都可参与计算并且存储数据，解决了资源分配问题，阵列的利用率得以提高。
最后本文还讨论了忆阻阵列中的漏电流问题，提出忆阻单元可用1D1R结构以避免漏电流带来的误操作，从而减少错误逻辑操作数，降低运算误码率，保证结果的准确性，完善了忆阻运算阵列的性能。
基于IMP逻辑的忆阻运算阵列的提出，是对传统IMP逻辑研究的扩展与实际应用，为构建非冯·诺依曼架构的新型存储与计算融合架构提供了选择。
基于SSI逻辑器件全加器的设计
基于SSI逻辑器件全加器的设计
喻文倩
【期刊名称】《科技创新与应用》
【年(卷),期】2015(000)017
【摘要】以最基本的SSI逻辑器件作为核心器件,包括2输入与非门(74LS00),2输入异或门(74LS86),4输入与非门(74LS20)等基本的元器件,组成全加器的运算,当有二进制数相加有进位时则Ci为1,否则为0,当各位相加和为1时,Si为1,否则为0.通过二极管来显示Si与Ci的结果,灯亮为1,灯灭为0.
【总页数】1页(P64)
【作者】喻文倩
【作者单位】西南科技大学,四川绵阳 621010
【正文语种】中文
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基于忆阻器蕴含操作的8位全加器的设计汪纪波李刚屈凤霞贺芬摘要：本文以忆阻器蕴含操作为基础，构成非和或非完备逻辑，用以实现任意组合逻辑。
该完备逻辑可以快捷的实现异或操作，最后以此完备逻辑设计实现了8位全加器。
关键词：忆阻器；蕴含操作；异或操作；全加器Abstract:Based on the implication operation, memristor can realize the NOT operation and NOR operation, which can constitute the complete logic to implement any combinational logic. The complete logic can achieve fast XOR operation, in order to complete the final design and implementation of the eight logic full adder.Key words: Memristor; Implication operation; XOR operation; Full adder1.引言1971年，加州理工学院的华裔科学家蔡绍棠教授分析了电路变量之间的关系，根据对称性性从理论上预测了电荷q与磁通量 之间关系，并把满足此关系的器件命名为忆阻器]1[。
37年后的2008年，美国惠普实验室研制出世界首个忆阻器]2[，其优异的性能受到广泛的关注，研究也日益活跃。
再到2010年8月惠普实验室Julien Borghetti等人在《Nature》杂志上提出了用忆阻器进行蕴含操作来实现状态逻辑运算]3[，该研究为忆阻器能实现逻辑操作开创了一片广阔的空间。
忆阻器实现的蕴含操作和非操作在逻辑功能上是完备的，所以，它能对任意的布尔逻辑函数进行操作。
E.Lehtonen等人]4[提出在输入忆阻器状态不改变的情况下，3个额外忆阻器能实现所有的布尔逻辑函数。
并在基于蕴含操作的基础上设计了全加器，但计算序列太长，导致将会浪费更多的时间。
之后，一些研究者对此做了改进，Shahar Kvatinsky等人]5[提出了基于忆阻器蕴含操作的设计原则和方法，并减少了全加器的计算长度。
本文在前人研究的基础上，用以蕴含实现的非操作和或非操作作为基本操作。
根据此方法可以高效的实现异或门，并详细介绍了8位全加器的设计。
2.忆阻器逻辑操作的介绍在这里首先介绍一下理想忆阻器的V-I曲线，如图1。
当对其施加交流偏置电压时，其上通过的电流表现为滞回效应。
当施加不同极性的偏执电压一定时间后，忆阻器在高阻和低阻之间进行转变，高阻和低阻之间的阻值比例高达10102010～，从而使忆阻器具备了开关特性。
当施加忆阻器的负偏执电压小于负V时，忆阻器将会由低阻态(―1‖)切换到高阻态(―0‖)；当施加忆阻器阀值电压OPENV时，忆阻器将会由高阻态(―0‖)切换到低阻态的正偏执电压大于正阀值电压CLOSE(―1‖)；如果所加的偏执电压没有达到阀值电压，忆阻器的状态将保持不变。
在[3]中首次提出了一种基于忆阻器的状态逻辑——蕴含操作。
基本蕴含操R，及垂直交叉的纳米线构成，水平作电路有两个忆阻器P, Q，一个负载电阻G纳米线和垂直纳米线通过忆阻器相连接，并通过负载电阻G R 接地。
其中负载电阻G R 的阻值介于低阻和高阻之间，满足O PEN G CLO SE R R R <<。
忆阻器P 与Q 的的逻辑状态用q p ,表示，p 与q 的蕴含表示为：pIMPq ，简写为q p →，蕴含结果存在忆阻器Q 上。
其中忆阻器P 上加偏执电压COND V ，Q 上加偏执电压SET V 。
蕴含操作的实现如图2所示。
‘0’(开)‘1’(关)0’图1 理想忆阻器的V-I 曲线R OPEN > R G > R CLOSEIn In p q0 0 1q IMPqp '←q 'SETQ COND P V V V V ==,(b)(a)(c)0 1 1 1 0 0 1 1 1图2 蕴含操作的实现(a) 蕴含操作电路图 (b) 蕴含操作激励电压序列 (c) 蕴含真值表根据蕴含操作，很容易实现取非操作。
基于蕴含的非操作如图3所示，该蕴含操作记为：S=0，P S ，其含义为：S 置0，P 与S 进行蕴含操作，其结果存在S 中。
(a)(b) (c)图3 基于蕴含的非操作(a) 非操作电路图 (b) 非操作的激励电压序列 (c)非操作真值表Sangho Shin 等人在忆阻器蕴含操作的基础上，提出了针对大规模逻辑阵列集成的或非门的重构]6[，运用此方法，对任意位输入的或非操作，只需要2步就可以完成，大大缩短了操作的时间。
由于本文的全加器运用或非操作时只需2个输入，所以在此就以2输入来介绍或非操作，多个输入也是一样的。
基于蕴含或非操作的实现如图4所示，该或非操作记为：q p p 21=+。
(b) (c)图4 基于蕴含或非操作(a) 或非操作的电路图 (b) 或非操作的激励电压序 (c) 或非真值表3. 8位全加器的设计本文以8位全加器的设计为例来介绍此方法。
[4]提出在输入忆阻器状态不改变的情况下，3个额外忆阻器就能实现所有的布尔逻辑函数。
两个8位的原始输入}p ,p ,p ,p ,p ,p ,p ,{p P 87654321=，},,,,,,,{87654321q q q q q q q q Q =，一个8位的输出}s ,s ,s ,s ,s ,s ,s ,s {87654321=S ，一个进位输出忆阻器out C ，3个额外忆阻器3,2,1m m m 。
8位全加器的基本结构如图5所示，电路图如图6所示。
q p图5 8位全加器的基本结构Step1: CLEAR Q V V =Step2:COND P P V V V ==21 SET Q V V =图6 8位全加器忆阻器实现的电路图8位全加器就当于8个一位的全加器串联，每一位的全加操作都是相同的。
设一位全加操作的输入为A ，B ，低位进位C ，输出本位和S ，输出进位out C ，3个额外忆阻器3,2,1m m m ,则一位全加器操作的逻辑表达式为：C B A S ⊕⊕=））（（）（B A C B A C out ⊕∙+∙= 计算S ，分成两个异或操作，C B A S ⊕⊕=）（，先计算异或操作B A ⊕，每一步操作都用非和或非表示：B A B A B A B A B A B A B A +++=∙+∙=∙+∙=⊕非操作和或非操作在本文的第二部分已详细先介绍了。
B A ⊕的计算序列如下：(1)m1=0, m2=0 , S=0 (2) B →m1 (m1=B )(3)S 1A B A →+=+m (4)m1=0 A →m2 (m2=A ) (5)12B A m B m →+=+ (6) m2=0; (7) 21S m m →+ (8) S =0; (9) m2→S (S=2m )实现此异或门需要9个计算序列。
如果按文献[5]的规则，每一步操作只产生一个结果，将会有12个计算序列，如下，(1) m1=0 (2) m2=0(3) S=0 (4) B →m1 (m1=B ) (5)S 1A B A →+=+m (6) m1=0(7) A →m2 (m2=A ) (8)12B A m B m →+=+ (9) m2=0 (10)21S m m →+ (11) S =0 (12) m2→S (S=2m )文献[5]中实现的异或门与本文所用的忆阻器个数相同，但需要13个电压序列，相比之下，本文用基于蕴含的非和或非操作来实现的异或门将少一个计算步骤。
[5]中基于蕴含操作实现异或门的操作如下：A XORB : m1=0, S=0, A →S, S →m1 m2=0, S=0, B →S, S →m2B →m1, S=0, m1→S A →m2, m2→S为了下面计算第二个异或门和计算out C 的需要，需要把S=B A ⊕的值保存下来。
我们在这里保存S 的值，也就是B A ⊕的值。
需要第三个额外忆阻器m3，操作序列如下：(1) m3=0(2) S →m3(m3=s =B A ⊕) (*)计算第二个异或门C S ⊕，用非和或非表示为：C S C S S +++=⊕C计算C S ⊕的计算序列如下，(1) m1=0, m2=0 (2) C →m2 (m2=C ) (3)12S S m m C →+=+ (4) S=0 (5)S 3S →+=+C m C (6) m2=0(7)2S 1m m →+ (8) S=0 (9) m2→S (S=2m )完成第二个异或运算需要9个计算序列。
综上，完成S 的操作共需要20个计算序列。
计算out C 。
也用非和或非的组合形式表示，3C )()(C out m C B A S B A S C B A +++=+++=∙+∙=其中，由（*）式，S =m3。
out C 操作序列如下，(1) m1=0 ,m2=0 (2) C →m1 (m1=C ) (3) 2313C m m m m →+=+ (4) m1=0 , m3=0, C=0 (5) A →m1 (m1=A ) (6) B →m3 (m3=B ) (7)C m m →+=+31B A (8) m1=0 (9) 1m2C m →+ (10) C=0 (11)m1→C （C=1m ） 完成out C 操作共需要11步综上，一位全加器的计算共需要31个计算序列。
输入忆阻器}p ,p ,p ,p ,p ,p ,p ,{p P 87654321=,},,,,,,,{Q 87654321q q q q q q q q =，输出忆阻器}s ,s ,s ,s ,s ,s ,{s S 87653421=，一个进位输出忆阻器out C ，3个额外忆阻器3,2,1m m m ，8位全加器结构中，每一位操作结果的本位和存在i s 中，这一位的进位输出作为下一位的输入，最后的进位结果存在忆阻器C 中。
按照计算序列很容易得到在忆阻器上施加的激励电压序列，B A ⊕操作的激励电压表如表1所示，保存S 到m3的激励电压表如表2所示，计算out C 的激励电压表如表3所示。
表2 保存S到m3的激励电压表SCXORC的激励电压序列表表4 计算out以上是一位全加运算的计算激励电压，当计算8位全加器的操作时，激励电压的长度是一位计算序列长度的8 倍。
4．结论本文在忆阻器蕴含操作的基础上，用蕴含实现的非操作和或非操作(非和或非可以构成完备集)作为基本操作，对8位全加器进行了设计，详细介绍了全加器设计过程中的操作序列和所加激励电压序列。