基于相变存储单元的电子突触仿真研究

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随着现代生活智能化程度越来越高,传统冯诺依曼结构的计算机并不能有效的完成一些复杂的问题:图像识别、声音识别等等。对于处理一些与现实世界交互的并没有准确定义的输入与输出的问题时,生物大脑表现出比传统计算机优越更加的性能。生物大脑的优越计算性能吸引了研究人员去探索其工作原理,但是由于缺少小巧低功率设备可实现模拟生物突触,建立这种高度平行的三维紧致硬件是系统是存在一定困难,因此用生物突触级别的电子突触模拟其工作机制将是推进类神经系统进步的关键所在。  本文主要研究对象是基于相变存储单元的电子突触,验证了相变存储单元实现电子突触的可行性,并对其进行量化及仿真计算。根据有限元法,仿真系统将主方程与材料参数结合,建立仿真模型,编制了仿真计算程序。在验证其实现电子突触可行性的基础上,以功率为考量,对基于相变存储单元的电子突触进行了详细的研究,分别对上电极接触、GST相变层、加热器、突触后释放脉冲等重要因素对进行了详细的仿真研究。  仿真实验结果表明,通过控制外加脉冲(神经元释放脉冲)的幅值与脉宽可使相变存储单元分别实现多长时程增强与长时程抑制的过程,成功验证了其实现电子突触的可行性,其功率级别可低至pW级别。在此基础上,更加深入研究各方面因素影响,改变相变存储单元中上电极接触 X、Y方向尺寸对相变存储单元电子突触影响拟合学习规则影响较小;改变相变存储单元中GST相变层和下电极接触X、Y方向尺寸,对相变存储单元电子突触影响拟合学习规则影响较为明显;改变突触后神经元释放脉冲幅值,发现其学习规则中LTD过程影响较为明显,其幅值越大突触权重变化率越小,对LTP过程影响不明显,但是有其幅值越大突触权重变化率越大的趋势。
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