[发明专利]一种利用忆阻器进行非易失性复杂运算的方法

说明书

本发明公布了一种利用忆阻器进行非易失性复杂运算的方法及忆阻器，利用忆阻器实现复杂运算算术运算，包括：针对忆阻器设定逻辑状态的含义；设置忆阻器的器件结构；设置利用忆阻器进行布尔逻辑运算的两种方式，针对两种方式进行配置实现非易失性复杂运算；包括将忆阻器的电压值作为逻辑输入和将忆阻器器件状态作为逻辑输入进行布尔逻辑运算；可选择最优的实现方案，使得方案所需的器件数目和操作步骤最少。本发明利用了交叉阵列结构，适合大规模集成，而且高效实现复杂运算，有助于突破传统计算架构的速度和能耗瓶颈。

技术领域

本发明涉及半导体和新型非冯诺依曼计算技术领域，具体涉及一种利用忆阻器进行非易失性复杂算术运算的方法。

背景技术

现有的传统计算机由于采用分离的存储、计算单元，面临性能不高、功耗大等多重挑战。而基于氧化物忆阻器等非易失存储器的逻辑单元具有小尺寸、低功耗等特点，且能融合存储与计算功能，有望克服冯诺依曼瓶颈，降低数据交互所产生的能量、时间耗费。因此采用非易失逻辑器件有望突破传统计算架构的速度和能耗瓶颈，进而推动新一代高能效计算的发展。

但是，采用非易失逻辑器件进行高能效计算的技术还处于研究起步阶段，当前多数技术研究仍停留在实现基本布尔逻辑功能的层面上，针对较复杂运算功能如算术运算的技术实现难度较大，而对于更复杂问题的研究，目前尚未有可行的技术方案。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种利用忆阻器进行非易失性复杂运算的方法，利用忆阻器实现复杂运算，达到运算快速、高效的目的。

本发明提供的技术方案是：

一种利用忆阻器进行非易失性复杂运算的方法，其步骤如下：

S1、针对忆阻器设定逻辑状态的含义。

当忆阻器两端电压作为逻辑输入时，1代表可以使器件发生转变的电压脉冲，0代表接近于0的电压。而当器件状态对应逻辑状态时，器件处于低电阻状态表示逻辑状态为1，器件处于高电阻状态表示逻辑状态为0。

S2、设置忆阻器器件结构。

忆阻器器件是交叉阵列(crossbar)结构，字线(Wordline，WL)代表顶电极，位线(Bitline，BL)代表底电极，垂直方向上顶、底电极之间夹着一层阻变层，所以字线和位线的每一个交点都是一个忆阻器。同一条字线上的器件拥有相同的顶电极电位，同一条位线上的器件拥有相同的底电极电位。

S3、设计复杂运算的实现方案。

本发明具体实施时，根据具体的非易失性复杂运算的要求，选择最优的实现方案，使得方案所需的器件数目和操作步骤最少；可以对两种实现布尔逻辑的方式进行配置来实现复杂运算，分别是：将忆阻器的电压值作为逻辑输入进行布尔逻辑运算、将忆阻器器件状态作为逻辑输入进行布尔逻辑运算。

S4、将忆阻器的电压值作为逻辑输入进行布尔逻辑运算，输出忆阻器器件的阻态，实现逻辑AND操作和逻辑OR操作；同一位线的器件可实现并行逻辑操作。

用器件两端电压作为逻辑输入，利用两端电压差引起器件阻变来实现布尔逻辑，输出的是器件的阻态。当器件初始态是1时，可以通过不断在字线加输入变量，同时保持位线是高电压的方式来实现AND操作。当器件初始态是0时，如果位线是接地，可以实现OR操作。整个过程BL是保持不变的，所以对于同一位线的器件来说，可以并行实现逻辑操作。

S5、将忆阻器器件状态作为逻辑输入进行布尔逻辑运算，输出忆阻器器件的阻态，实现逻辑NOR操作、逻辑NOT操作、逻辑OR操作。