Μοντελοποίηση και προσομοίωση μνημών μεταβλητής αντίστασης και νευρομορφικών ιδιοτήτων σε LTSpice και Simulink

Abstract

Η αυξανόμενη ανάγκη για υπολογιστική ισχύ έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας να αποτελεί καίριο ζήτημα για τους σχεδιαστές κυκλωμάτων. Ενώ οιεπεξεργαστές γενικού σκοπού βελτιώνονται ακούσια από την κλιμάκωση των transistor, εντούτοις οι μνήμες δεν ακολουθούν την ίδια πρόοδο σε ταχύτητα και κατανάλωση. Υπό αυτό το πρίσμα, εναλλακτικές διατάξεις μνήμης όπως οι μνήμες μεταβλητής αντίστασης(memristors) αποτελούν μια λύση για την δημιουργία μνημών τεράστιας πυκνότητας και μικρής κατανάλωσης ισχύος. Τα memristor είναι μια σχετικά πρόσφατη ανακάλυψη στον τομέα της ηλεκτρονικής πουδιευρύνει το σύνολο των θεμελιωδών παθητικών στοιχείων. Οι μνήμες μεταβλητής αντίστασης παρουσιάζουν μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον ως προς τον χαρακτηρισμό τους. Καθώς γίνονται όλο και περισσότερες προσπάθειες για την κατασκευή τους, η ανάγκη για προσομοίωση των ιδιοτήτων τους με βάση τις φυσικές αρχές τους γίνεται πιο εμφανής. Τα memristor χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες ως προς την διατήρηση της εσωτερικής τους κατάστασης - την πτητική και μη πτητική λειτουργία. Στην πτητική λειτουργία, η εσωτερική κατάσταση επανέρχεται αυτόματα σε μια αρχική σταθερή κατάσταση με την διακοπή της επιβαλλόμενης διέγερσης, ενώ στην μη πτητική λειτουργία το μεμριστορ διατηρεί την εσωτερική του κατάσταση και μετά το πέρας της διέγερσης. Οι δύο αυτές κατηγορίες είναι σημαντικές για ένα εύρος εφαρμογών που ποικίλει από μνήμες μεγάλης πυκνότητας ως και νευρομορφικές διατάξεις και εφαρμογές. Σε αυτή την εργασία διερευνούμε τη μοντελοποίηση των conductive filament memristor με βάση τους φυσικούς μηχανισμούς που διέπουν την λειτουργία τους καλύπτωντας και τη μη πτητική και τη πτητική λειτουργία των memristor. Οι δύο αυτές περιπτώσεις περιγράφονται από το ίδιο μοντέλο αλλά με διαφορετικές τιμές των παραμέτρων τους. Επιπλέον, προσομοιώνουμε το μοντέλο κυκλωματικά τόσο σε LTSpice όσο και σε MATLAB/Simulink καθώς και σε DC και σε AC λειτουργία.