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大数据时代迫切要求计算机表现出更强大的信息处理能力。传统冯·诺依曼计算架构中，存储与计算的分离使得计算性能在功耗、延时方面受“冯·诺依曼瓶颈”所限制。而基于非易失性忆阻器件的存内计算技术可以在存储器中实时处理数据，为“后摩尔定律”时代革新传统冯·诺依曼计算架构、突破计算瓶颈、继续提升信息处理效率提供了实现途径。
逻辑计算是现代数字计算机实现任何信息处理的根本手段。本论文工作重点研究了电阻输入-电阻输出(R-R)式和电压输入-电阻输出(V-R)式这两类最具应用潜力的忆阻存内逻辑计算方案。一方面，针对无障碍逻辑级联的R-R式逻辑计算，本工作以构建纯忆阻存内计算系统为目标，从底层的逻辑计算方法设计与优化，到顶层的存内计算架构搭建，开展了系统的研究。在具体研究工作中，首先以电阻为输入、输出信号，在忆阻阵列中设计了普适性、可重构、非易失R-R式逻辑计算方法，使用较少的资源高效地实现了16种布尔逻辑、多种算术运算功能以及多种操作模式；其次提出了优化方法，降低器件及电路中非理想因素对R-R式逻辑计算的影响，保障实际操作的高计算准确率；最后搭建了忆阻存内计算架构，设计了存内计算阵列结构，满足了基本数据存储功能与信息处理功能的实现，为基于忆阻R-R式逻辑计算的新型存内计算架构的硬件实现奠定基础。
另一方面，针对V-R式逻辑计算，根据器件、电路结构以及计算任务的特点，设计了多种功能性强的逻辑计算方案，并演示于多种重要的信息处理应用场合，以拓宽忆阻存内计算技术的应用领域。在具体研究工作中，首先，保留两个电压信号，在忆阻反向串联结构中高效实现了V-R式XOR逻辑功能，并且在单个多值忆阻器件中实现了V-R式数位比较器和可逆逻辑等特定逻辑功能，展示了忆阻器的多值特性用于二值计算的能力；进一步在汉明距离计算、电路功能实现、低功耗计算等重要信息计算领域展现出性能优势。其次，保留一个电压信号，在1T1R结构中设计了V/R-R式AND和XOR等特定逻辑操作方法，进一步实现了高效的汉明重量计算、高安全性的数据加密等具体应用技术，拓宽了忆阻存内计算的应用范围。
本论文工作为构建数字式忆阻存内计算系统提供了方案支撑，同时挖掘了忆阻逻辑计算在特定信息处理任务中的潜力，为忆阻存内逻辑计算的发展与应用提供了方向。
逻辑计算是现代数字计算机实现任何信息处理的根本手段。本论文工作重点研究了电阻输入-电阻输出(R-R)式和电压输入-电阻输出(V-R)式这两类最具应用潜力的忆阻存内逻辑计算方案。一方面，针对无障碍逻辑级联的R-R式逻辑计算，本工作以构建纯忆阻存内计算系统为目标，从底层的逻辑计算方法设计与优化，到顶层的存内计算架构搭建，开展了系统的研究。在具体研究工作中，首先以电阻为输入、输出信号，在忆阻阵列中设计了普适性、可重构、非易失R-R式逻辑计算方法，使用较少的资源高效地实现了16种布尔逻辑、多种算术运算功能以及多种操作模式；其次提出了优化方法，降低器件及电路中非理想因素对R-R式逻辑计算的影响，保障实际操作的高计算准确率；最后搭建了忆阻存内计算架构，设计了存内计算阵列结构，满足了基本数据存储功能与信息处理功能的实现，为基于忆阻R-R式逻辑计算的新型存内计算架构的硬件实现奠定基础。
另一方面，针对V-R式逻辑计算，根据器件、电路结构以及计算任务的特点，设计了多种功能性强的逻辑计算方案，并演示于多种重要的信息处理应用场合，以拓宽忆阻存内计算技术的应用领域。在具体研究工作中，首先，保留两个电压信号，在忆阻反向串联结构中高效实现了V-R式XOR逻辑功能，并且在单个多值忆阻器件中实现了V-R式数位比较器和可逆逻辑等特定逻辑功能，展示了忆阻器的多值特性用于二值计算的能力；进一步在汉明距离计算、电路功能实现、低功耗计算等重要信息计算领域展现出性能优势。其次，保留一个电压信号，在1T1R结构中设计了V/R-R式AND和XOR等特定逻辑操作方法，进一步实现了高效的汉明重量计算、高安全性的数据加密等具体应用技术，拓宽了忆阻存内计算的应用范围。
本论文工作为构建数字式忆阻存内计算系统提供了方案支撑，同时挖掘了忆阻逻辑计算在特定信息处理任务中的潜力，为忆阻存内逻辑计算的发展与应用提供了方向。