Chương 1: Tổng quan đề tài nghiên cứu, trình bày mục tiêu, giới hạn và những nghiên cứu có liên quan. - Chương 2: Phân tích cấu trúc, nguyên lý hoạt động của linh kiện điện tử Memristor, và những ứng dụng trong công nghệ vi mạch. - Chương 3: Phân tích một hệ thống neuromorphic dùng Memristor. - Chương 4: Kết quả mô phỏng.
- Chương 5: Kết luận. 4 Luan van CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Tổng quan về Memristor Ta biết theo như định luật Faraday, điện áp được định nghĩa như là vi phân của từ thông, điện trở được định nghĩa bởi mối quan hệ của dòng điện và điện áp, tụ điện hiểu là mối quan hệ giữa điện tích và điện áp, và cuộn dây là mối quan hệ giữa từ thông và dòng điện, nhà nghiên cứu Leon Chua đã đề xuất một nhân tố mạch thứ 4, thể hiện mối liên hệ giữa từ thông và điện tích, nhằm hoàn thành sơ đồ đối xứng giữa các biến số mạch như hình sau: Hình 2.1: 4 nhân tố mạch cơ bản [8] Tính chất của memristor Memristor là một linh kiện bán dẫn có hai cực mà trở kháng của nó phụ thuộc vào độ lớn, cực tính, và thời gian điện áp đặc lên nó, khi điện áp không cấp thì memristor sẽ lưu trạng thái cuối cùng cho đến khi ta cấp nguồn trở lại, bất chấp thời gian sau đó là bao lâu. Để dễ hình dung ta giả sử memristor như một ống dẫn nước, trong đó khả năng cản trở dòng điện tích là đường kính ống dẫn nước và dòng nước 5 Luan van như là dòng điện tích, như vậy khi ống càng nhỏ thì trở kháng càng lớn, nếu như dòng nước chảy theo hướng thuận thì kích thước ống sẽ tăng lên để dòng nước chảy qua dễ dàng và ngược lại nếu dòng nước chạy theo hướng ngược lại thì kích thước ống sẽ giảm đi, khi không cung cấp nước thì kích thước ống sẽ không đổi và nhớ ở trạng thái cuối cùng cho đến khi cung cấp nước lại.2: Dòng qua memristor và kích thước ống [8] Memristor có nhiều đặc điểm giống với điện trở và cũng có đơn vị đo bằng Ohm. Tuy nhiên, khác với điện trở, có trở kháng cố định, thì trở kháng nhớ (memristance) có thể được lập trình hay chuyển sang các trạng thái trở kháng khác dựa vào điện áp đặt vào memristor trước đó.
Hiện tượng này có thể quan sát được bằng đặc tuyến I- V của điện áp và dòng qua điện trở và memristor.3: Đặc tuyến dòng áp điện trở và memristor [8] 6 Luan van Với điện trở thông thường thì mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp là tuyến tính, nên đặc tuyến I-V là một đường thẳng, do trở kháng của nó không đổi. Tuy nhiên, do tính chất thay đổi trở kháng nhớ của memristor, nên đặc tuyến I-V cũng biến thiên một cách phi tuyến như hình 2. Khi tần số nguồn tăng lên thì vòng đường cong I-V bị co lại, khi tần số nguồn tăng lên vô cùng thì đặc tuyến memristor hoạt động tuyến tính như điện trở.4: Đặc tuyến I-V và tần số nguồn [8] Hình 2.5: Ký hiệu Memristor Trở kháng memristor Khi dòng điện chạy theo hướng thuận thì trở kháng memristor giảm và ngược lại khi dòng điện chạy theo nghịch thì trở kháng meristor tăng, khi ngắt điện áp đặt lên hai đầu memristor thì memristor sẽ nhớ trở kháng ở trạng thái cuối cùng, nó sẽ giữ giá trị trở kháng đó cho đến khi cấp điện lại. 7 Luan van Mỗi memristor được mô tả bởi một hàm trở kháng nhớ, mô tả tốc độ thay đổi từ thông dựa trên điện tích chạy qua thiết bị.1) dq Theo như định luật về cảm ứng điện từ của Faraday thì từ thông chính là nguyên phân của điện áp và điện tích là nguyên phân của dòng điện theo thời gian, vì thế mà ta có thể viết công thức trên theo một dạng khác như sau: d v(t ) M(q(t)) = dt = (2.2) dq I (t ) dt Giả sử M(q(t)) là một hằng số thì ta có thể thu được một biểu thức theo định luật v(t ) Ohm là R(t) = , thế nhưng M(q(t)) là thay đổi theo thời gian, phụ thuộc vào điện I (t ) tích đặt lên memristor.
Công suất tiêu thụ : P(t) = V(t).3) Nếu không cấp áp cho memristor, tức V(t) = 0 thì I(t) = 0, và M(t) là không đổi, đây chính là tính chất nhớ trở kháng của memristor. Đồng thời, mạch không tiêu hao năng lượng. Nguyên lý hoạt động của memristor Cấu tạo memristor crossbar Memristor trong phòng thí nghiệm của HP là dạng Crossbar (thanh ngang) chứa một dãy các dây dẫn bạch kim rộng 40 – 50nm và dày khoảng 2 - 3nm song song với nhau, nằm ở lớp trên và vuông góc với các dây dẫn bạch kim nằm ở lớp dưới. Các lớp trên và các lớp bên dưới tách biệt nhau bằng một chuyển mạch bán dẫn dày xấp xỉ 3 - 30nm.
Các chuyển mạch bán dẫn này chứa 2 phần Titan oxit (TiO2) tinh khiết và TiO2-x chứa lỗ trống oxy bằng nhau. Dây bạch kim lớp dưới được nối với phần TiO2 thuần khiết, phần còn lại là lớp TiO2 thiếu oxy, có thể được kí hiệu là TiO2-x với 8 Luan van x là số nguyên tử oxy bị thiếu hay còn gọi là lỗ trống. Toàn bộ mạch và cơ chế được minh họa qua hình 2.6: Cấu trúc Crossbar của memristor [8] Nguyên lý hoạt động Bước 1: Đặt lên hai đầu dây plantium một mức điện áp, nếu điện áp là dương thì làm cho chuyển mạch đóng lại, dẫn điện và ngược lại nếu ta cấp một mức điện áp âm thì làm cho chuyển mạch mở ra. Bước 2: Khi ta đặt lên hai đầu dây plantium một dòng điện dương thì các lỗ trống oxy được nạp điện tích dương di chuyển sang phần TiO2- X sang phần TiO2 , điều này làm giảm trở kháng của memristor, ngược lại khi ta cấp một dòng điện âm vào hai dây dẫn plantium thì các lỗ trống oxy di chuyển về phần TiO2-X , làm tăng phần TiO2 do đó làm cho trở kháng của memristor tăng lên.
9 Luan van Hình 2.7: Sự khuếch tán các phân tử oxy, (a) gốc, (b) dòng dương, (c) dòng âm. Bước 3: Khi ngắt điện thì các lỗ trống oxy vẫn giữ nguyên vị trí kể từ lần cuối trước khi tắt nguồn, do đó trở kháng memristor được dữ cho tới khi cấp nguồn mới vào, và ta có thể đọc giá trị điện trở này như một như một giá trị được lưu. Mô hình toán học Năm 2008, sau 37 năm khi Leon Chua đề xuất các khái niệm ban đầu về memristor, thì Stanley Williams và nhóm của ông ấy đã hiện thực hóa memristor thực tế ở phòng thí nghiệm HP. Để xây dựng memristor, họ đã sử dụng một tấm phim titan oxit (TiO2) rất mỏng.
Tấm phim được nối với 2 cực làm bằng bạch kim (Pt). Một bên của TiO2 được pha thêm các lỗ trống oxy. Các lỗ trống oxy này là các ion mang điện tích dương. Do đó có một lớp chuyển tiếp TiO2, với một bên là chứa lỗ trống oxy và một bên là nguyên chất.8: Cấu trúc một memristor HP Trong đó, W là độ dài phần chứa lỗ trống oxy, D là độ dài của memristor, TiO2 là một bán dẫn có điện trở suất cao, các lỗ trống chứa oxy được thêm vào tạo thành TiO2-X là chất liệu dẫn điện.
10 Luan van Mô hình toán học đơn giản của memristor HP được tính như sau: RON M(q)= ROFF (1- q(t)) (2.4) D2 Trong đó, β = , μD là tốc độ học trung bình với đơn vị tính bằng cm2/sV; D D là độ dày của tấm phim titan oxit; ROFF và RON là trở kháng ở trạng thái đóng và mở, q(t) là lượng điện tích chạy qua thiết bị. Mô hình dịch tuyến tính Giả sử cho một điện trường đều chạy qua thiết bị. Do đó, ta có mối quan hệ giữa tốc độ dịch và điện trường là tuyến tính. Biểu thức trạng thái có thể được viết như sau: 1 dw(t ) R = ON i (2.5) D dt Tích phân 2 vế ta được: w(t ) w(t 0 ) RON = + q(t ) (2.6) D D Với w(t0) là độ dài khởi tạo của w.
Tốc độ dịch với điện trường đều đặt vào thiết bị được tính như sau: dw(t ) vD = (2.7) dt Trong một điện trường đều thì D = vDt. Trong trường hợp này, QD=i.t là lượng điện tích cần để dịch chuyển biên từ w(t0), khi w tiến dần đến 0, đến w(tD), khi w tiến dần đến D và kết hợp với (2.6) suy ra QD= β/RON.8) = + D D QD Nếu đặt x(t)=w(t)/D thì q (t ) x(t) = RON + (2.9) QD Ngoài ra, ta có: 11 Luan van w(t ) w(t ) v(t) = RON + ROFF 1 − i (t ) (2.11) Nếu giả định điện tích ban đầu q(t0)=0, thì w(t)=w(t0)≠0 và M0 = RON(x(t0) + r(1- x(t0))) (2.12) Với r=ROFF/RON. Và M0 là trở kháng nhớ ở t0. Do đó trở kháng nhớ ở t được tính như sau: q(t ) M(q) = M0 + R (2.13) QD Với ∆R = ROFF - RON.
Khi ROFF >> RON thì M0 ≈ ROFF.15) R QD M 02 Kết luận chương 2 Trong chương 2, tôi đã trình bày một cách tổng quát về tính chất, nguyên lý hoạt động, mô hình toán học của memristor, đây là cơ sở để chúng ta vận dụng và hiểu về ý tưởng nhận dạng ảnh sử dụng memristor được trình bày trong chương 3. 12 Luan van CHƯƠNG 3 : XÂY DỰNG HỆ THỐNG NEUROMORPHIC DÙNG MEMRISTOR TRONG NHẬN DẠNG ẢNH Trình bày ý tưởng Mô tả hệ thống Hệ thống gồm có 30 tín hiệu ngõ vào, các nơron được kết nối bên trong thông qua 300 memristor và có 10 tín hiệu ngõ ra, mỗi ảnh được chia làm 30 (5x6) pixel, mỗi pixel được nối với 1 ngõ vào, độ lớn xung điện áp ngõ vào tương ứng với giá trị trên mỗi pixel, các xung điện áp sẽ được cập nhật và tích hợp thông qua các memristor và các nơron ngõ ra.1: Ý tưởng hệ thống nhận dạng ảnh Mạng nơron nhân tạo (ANN) Một mạng nơron nhân tạo ( Artificial Neural Network ) là một mô hình tính toán lấy cảm hứng từ bộ não của con người, nó có khả năng giải quyết thay đổi các vấn đề trong nhận dạng, dự đoán, tối ưu và điều khiển [2]. Mạng nơron nhân tạo cũng được mô tả như là một mạng của các nơron được kết nối bởi các “synaptic”[2], nó có thể được tạo ra, điều chỉnh, lưu trữ thông qua phương pháp học, sự thực hiện của các mạng nơron spiking (SNNs), đang được nghiên cứu phổ biến gần đây, để minh chứng về tính khả thi của các mạng nơron cho một vài ứng dụng công nghiệp như xử lý tín hiệu của các dữ liệu phức tạp.