基于忆阻存储阵列的读写及逻辑运算研究

摘要

作为第四种基本无源电路元件，忆阻不仅可以用于信息的存储，还能实现以忆阻状态为逻辑变量的逻辑操作，从而将数据的存储和逻辑操作紧密地结合。本文以此为思路，主要研究了基于忆阻存储阵列的读写及逻辑操作。
　　首先对忆阻的两种主要模型—惠普TiO2模型和阈值模型的性质进行比较，并给出了它们的Simscape模型，可用于Matlab中物理系统的仿真。通过对忆阻蕴含、或非等状态逻辑的研究，给出了相应的或、与非的基本实现电路，并计算了相应的参数，对非线性可分的同或和异或，本文分别用5个忆阻实现。其次探讨了忆阻交叉阵列的读写实现方法，理论计算和实验仿真证实该方案的可行性。通过研究证实随着阵列规模的增大，复制和蕴含等操作受漏电流影响会越来越大，为了克服漏电流，本文采用1个晶体管和一个忆阻串联作为一个存储单元的1T1M结构存储器实现行和列的复制、蕴含等操作。最后利用输入电平和忆阻存储状态的同或逻辑设计了由3个晶体管，2个忆阻和1个电阻构成混合结构的3T2M1R相联存储器(CAM)，分析了其读和写的过程，相比传统9个晶体管或10个晶体管构成的相联存储器，3T2M1R具有集成度高、功耗低等优点，可应用于大规模的CAM阵列。
　　由于忆阻具有纳米级尺寸，非易失性，转换速度快（小于10ns）和与CMOS技术兼容等特性，不仅可以续写摩尔定律，而且能够将数据的存储和逻辑运算相结合，为克服“存储墙”问题提供新的思路。

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1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 忆阻在存储和逻辑运算方面的应用

1.3 本文的研究内容

1.4 本文的内容安排

2 忆阻的基本性质与逻辑运算

2.1 忆阻的基本性质

2.2 忆阻的惠普模型和阈值模型

2.3 忆阻的Simulink/Simscape模型

2.4 忆阻的逻辑运算

2.5 本章小结

3 忆阻交叉阵列的读写及逻辑操作

3.1 交叉阵列漏电流对读写及逻辑运算的影响

3.2 交叉阵列读写操作与功耗分析

3.3 基于忆阻交叉阵列的复制与逻辑运算

3.4 仿真实验

3.5 本章小结

4 忆阻-MOS的存储与运算结构

4.1 1T1M存储结构的读写

4.2 基于1T1M的复制与逻辑运算

4.3 3T2M1R结构的相联存储器

4.4 仿真实验

4.5 本章小结

5 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

致谢

参考文献