[发明专利]一种基于忆阻器的多值逻辑器件及操作方法

说明书

本发明公开了一种基于忆阻器的非易失性多值逻辑器件及其操作方法。本发明基于忆阻器的多电阻状态转变特性实现了多值逻辑，如三值逻辑的完备集，提出了三值逻辑的取反、右旋以及多值T门逻辑的操作方法。逻辑运算结果都以非易失性电阻状态存储在器件中，从而在器件中实现逻辑运算功能并同时实现数据存储功能，亦即存储和计算的融合，由此为超越信息器件摩尔定律的限制和突破计算机架构中冯·诺依曼瓶颈奠定器件基础。本发明公开的忆阻多值逻辑器件能够作为基本单元应用于新型固态存储器、逻辑运算器、可编程门阵列和片上系统等领域，为推动新型计算机架构提供一条新的道路。

技术领域

本发明属于微电子器件领域，更具体地，涉及一种基于忆阻器多电阻状态转变特性的多值逻辑器件及其逻辑操作方法。

背景技术

在计算机的发展历史中，人们总要求计算机的速度更快、功能更强。目前电子计算机已经显现出难以满足人类处理复杂系统问题的新需求。于是，人们开始寻求各种新型计算机，如光计算机、分子计算机、量子计算机等。在新型计算机架构研究中，基于多值逻辑的体系架构是一个极具前景的研究思路。然而由于现有多值逻辑电路结构较为复杂，且与现有二值系统兼容性不佳，多值逻辑计算机系统的发展缓慢。相比于二值逻辑，多值逻辑具有很多优点：多值数字逻辑兼容二值数字逻辑、多值逻辑位密度更高、能实现更完善的逻辑功能、A/D转换和D/A转换精度更高、能构建所有计算机经典模块。这些优点可以突破现有电子器件发展中摩尔定律的限制。中国发明专利CN200810073552.X中提出了一种光谱编码的多值光信息处理系统，光谱的多种颜色对应多种光信息编码值，但是具体设计架构还是存在一定的复杂性。中国发明专利CN201210454111.0中提出了一种具有非易失性存储器件的多值逻辑器件，但是存储在器件中的数据仍然是二进制数据，没有利用到非易失性器件本身具备的多值存储特性。基于此，我们提出了一种基于忆阻器多电阻状态转变特性的多值逻辑器件，具有结构简单、功能完善、功耗低、操作方法简便和兼容性好等特点。

发明内容

针对新型多值逻辑计算机的发展背景和迫切需求，本发明的目的在于提供一种基于忆阻器多电阻状态转变特性的、能同时实现非易失性逻辑运算和信息存储的多值逻辑器件及其逻辑操作方法。

本发明提供了一种基于忆阻器的多值逻辑器件，包括一个忆阻器，通过在所述忆阻器的两端施加外界激励信号使得所述忆阻器呈现高阻态H、低阻态L或更低阻态B。

本发明还提供了一种基于上述的多值逻辑器件实现三值逻辑加的操作方法，包括下述步骤：

(1)通过在所述忆阻器的一端接零电平脉冲，且在所述忆阻器的另一端接正向第二阈值转变电压脉冲+V_th2，使得所述忆阻器的电阻状态初始化为更低阻态B；

(2)通过在所述忆阻器的一端施加逻辑信号a，且在所述忆阻器的另一端接零电平脉冲，来实现所述逻辑信号a写入并储存在所述忆阻器中；其中，所述输入逻辑信号a为零电平脉冲、V₁电压脉冲或V₂电压脉冲；

(3)通过在所述忆阻器的一端输入逻辑信号b，且在所述忆阻器的另一端接零电平脉冲，来实现所述逻辑信号a和所述逻辑信号b的三值逻辑加MAX(a，b)运算；其中，所述逻辑信号b为零电平脉冲、V₁电压脉冲或V₂电压脉冲；

(4)通过在所述忆阻器的两端施加读取电压，来实现三值逻辑加运算结果的读取。

本发明还提供了一种基于上述的多值逻辑器件实现三值逻辑乘的操作方法，包括下述步骤：

(1)通过在所述忆阻器的一端接零电平脉冲，且在所述忆阻器的另一端接正向第二阈值转变电压脉冲+V_th2，使得所述忆阻器的电阻状态初始化为更低阻态B；

(2)通过在所述忆阻器的一端输入逻辑信号a，且在所述忆阻器的另一端接零电平脉冲，使得所述逻辑信号a写入并储存在所述忆阻器中；