Исследование электрофизических свойств комбинированного мемристорно-диодного кроссбара, являющегося основой для аппаратной реализации биоморфного нейропроцессора

Abstract

The aim of this article lies in checking the efficiency of memory and logic matrices. Achieving this has required producing a composite memristor-diode crossbar and studying its electrophysical properties. For these purposes, the authors have made a measuring bench, which consists of a composite memristor-diode crossbar, control peripheral circuitry, based on discrete elements with CMOS logic, and Keithley SourceMeter 2400. The silicon junction p-Si/n-Si has been chosen because its electrical properties better suit the Zenner diode’s requirements compared to the p-Si/ZnO junction. The memristor-diode crossbar with the TiN/Ti0,93Al0,07Ox/p-Si/n-Si/W structure was made with implementation of a new diode. The results show that the crossbar cell with a p-Si/n-Si diode has better rectifying properties in comparison with a p-Si/ZnOx diode, because the current in the crossbar cell with positive voltage bias is much higher than with negative voltage bias. Strong rectifying properties of the cell are necessary for the functioning of diode logic in the logic matrix and for memristor state recording in the logic and memory matrices. The study of electrophysical properties of the composite memristor-diode crossbar, measurement of current-voltage characteristics of the diode and composite memristor-diode crossbar cell and signal processing were performed. The signal processing was performed in the following modes: addition of output impulses of neurons and their routing to synapses of other neurons; multiplication of number matrix by vector, performed in the memory matrix with weighing and totalling of signals; and associative self-learning. For the first time, the generation of a new association (new knowledge) in the composite memristor-diode crossbar has been shown, as opposed to associative self-learning in existing hardware neural networks with discrete-memristors-based synapses. The change of crossbar cell’s output current caused by parasitic currents through adjacent cells has been determined. The results show that the control over Zenner diode characteristics allows reducing the power consumption of the composite crossbar. Obtained electrophysical characteristics prove the efficiency of the composite memristor-diode crossbar, intended for production of the memory and logic matrices.

С целью проверки работоспособности запоминающей и логической матриц биоморфного нейропроцессора изготовлен комбинированный мемристорно-диодный кроссбар, являющийся основой этих матриц, и проведено исследование его электрофизических свойств. Изготовлен измерительный лабораторный стенд, который содержит мемристорно-диодный кроссбар и управляющую периферийную электрическую схему на дискретных элементах с КМОП-логикой, подключенную к источнику-измерителю Keithley SourceMeter 2400. Сделан выбор в пользу кремниевого перехода p-Si/n-Si, поскольку его электрические свойства лучше удовлетворяют требованиям, предъявляемым к диоду Зенера, по сравнению с переходом p-Si/ZnO. Изготовлен мемристорно-диодный кроссбар со структурой TiN/Ti0,93Al0,07Ox/p-Si/n-Si/W, включающей новый диод. Показано, что ячейка кроссбара с диодом p-Si/n-Si обладает лучшим выпрямляющим свойством по сравнению с ячейкой с диодом p-Si/ZnOx, поскольку ток в открытой ячейке при положительном напряжении значительно выше, чем при отрицательном напряжении. Высокое выпрямляющее свойство ячейки необходимо для функционирования диодной логики в логической матрице и при записи состояний мемристоров в запоминающей и логической матрицах. Проведено исследование электрофизических свойств мемристорно-диодного кроссбара: измерение вольт-амперных характеристик диода и мемристорно-диодной ячейки и обработка сигналов в следующих режимах: сложения выходных импульсов нейронов и их маршрутизации на синапсы других нейронов; умножения матрицы чисел на вектор, которое выполняется в запоминающей матрице при взвешивании и суммировании сигналов; а также ассоциативного самообучения. Впервые продемонстрирована генерация новой ассоциации (нового знания) в изготовленном мемристорно-диодном кроссбаре, в отличие от ассоциативного самообучения в существующих аппаратных нейросетях с синапсами на базе дискретных мемристоров. Определено изменение выходного тока ячейки кроссбара, связанное с протеканием паразитных токов через соседние ячейки. Показано, что, управляя параметрами диода Зенера, можно уменьшить энергопотребление при работе комбинированного кроссбара. Полученные электрофизические характеристики свидетельствуют об эффективной работоспособности комбинированного мемристорно-диодного кроссбара, предназначенного для изготовления запоминающей и логической матриц.