基于忆阻器的spiking神经网络在图像边缘提取中的应用

根据生物视觉系统的功能原理,用忆阻器模拟生物突触,结合忆阻器的记忆特性和spiking神经网络的高效处理能力,构造了一种可用于图像边缘提取的三层spiking神经网络模型,该网络用忆阻器电导的变化量来表征图像边缘信息,仿真结果表明,该方法的边缘提取结果具有连续性、光滑性、低误检漏检性和边缘定位准确性,该神经网络的处理过程符合生物信息处理机制,为视觉系统的仿生实现提供了新的思路。     

忆阻器及其阻变机理研究进展

忆阻器是除电阻、电容、电感之外的第四种电路元件,在信息存储、逻辑运算和神经网络等研究领域具有重要的应用前景.本文综述了忆阻器以及忆阻器材料的研究进展,主要介绍了忆阻器的内涵与特征、阻变机理、材料类型以及应用前景,指出了目前忆阻器研究中需要关注的主要问题,并对以后的发展趋势进行了展望.     

忆阻类脑计算

随着深度学习的高速发展,目前智能算法的飞速更新迭代对硬件算力提出了很高的要求.受限于摩尔定律的告竭以及冯·诺伊曼瓶颈,传统CMOS集成无法满足硬件算力提升的迫切需求.利用新型器件忆阻器构建神经形态计算系统可以实现存算一体,拥有极高的并行度和超低功耗的特点,被认为是解决传统计算机架构瓶颈的有效途径,受到了全世界的广泛关注.本文按照自下而上的顺序,首先综述了主流忆阻器的器件结构、物理机理,并比较分析了它们的性能特性.然后,介绍了近年来忆阻器实现人工神经元和人工突触的进展,包括具体的电路形式和神经形态功能的模拟.接着,综述了无源和有源忆阻阵列的结构形式以及它们在神经形态计算中的应用,具体包括基于神经网络的手写数字和人脸识别等.最后总结了目前忆阻类脑计算从底层到顶层所遇到的挑战,并对该领域后续的发展进行了展望.     

忆阻突触耦合环形Hopfield神经网络动力学分析及其电路实现

提出一种新型忆阻器模型, 利用标准非线性理论分析三个忆阻特性, 并设计模拟电路。基于忆阻突触, 构建一个忆阻突触耦合环形Hopfield神经网络模型。采用分岔图、李雅普诺夫指数谱、时序图等方法, 揭示与忆阻突触密切相关的特殊动力学行为。数值仿真表明: 在忆阻突触权重的影响下, 它能够产生多种对称簇发放电模式和复杂的混沌行为。实现了该忆阻环形神经网络的模拟等效电路, 并由PSIM电路仿真验证MATLAB数值仿真的正确性。     

改进型细胞神经网络实现的忆阻器混沌电路

在通用细胞神经网络单元的基础上,本文利用忆阻器本身的非线性实现了一种改进型细胞神经网络单元.通过连接4个改进的细胞神经网络单元导出了一种基于状态控制细胞神经网络的忆阻器混沌电路.为了验证该方法的正确性,采用通用的电子器件构建了一个忆阻器的模拟等效电路,并对提出的电路进行了实验分析.实验结果与数值仿真结果的一致性表明采用改进型的细胞神经网络可以有效地实现忆阻器混沌电路.     

忆阻Hopfield神经网络动力学分析及其电路实现

提出一种超多稳态忆阻Hopfield神经网络, 它仅包含3个神经元和一个多稳态忆阻突触。从理论上分析神经网络的耗散性和平衡点的稳定性, 并利用分岔图、李雅普诺夫指数谱和相位图等数值方法分析不同忆阻突触耦合强度对神经网络动力学的影响。网络参数固定时, 揭示与初始状态值密切相关的超多稳态性动力学行为。最后, 设计忆阻Hopfield神经网络的模拟等效电路, 并通过PSIM电路仿真验证MATLAB数值仿真结果。     

电磁场耦合忆阻Izhikevich神经网络电活动研究

考虑到电磁场的影响,在Izhikevich神经元模型中引入电场变量和磁通变量,利用电突触耦合构建神经网络,研究电磁场耦合忆阻Izhikevich神经网络集体动力学行为。数值仿真发现：随着电突触耦合强度的增大,神经网络逐渐达到同步状态,并且神经元的放电模式也会随之改变。增大磁场耦合值可以提高神经元的放电活性,并且对网络同步也有一定的促进作用,而增大电场则会抑制神经元的放电活动。另外,当电突触与磁场耦合共同作用时,磁场耦合值越小,电突触耦合更能有效促进网络同步;在电突触耦合强度的作用下,电场抑制电活动的效果更明显。研究结果可望为理解神经系统中的信号编码和传递提供新的见解。     

双层结构突触仿生忆阻器的时空信息传递及稳定性

现有计算机体系架构下的神经网络难以对多任务复杂数据进行高效处理,成为制约人工智能技术发展的瓶颈之一,而人脑的并行运算方式具有高效率、低功耗和存算一体的特点,被视为打破传统冯·诺依曼计算体系最具潜力的运算体系.突触仿生器件是指从硬件层面上实现人脑神经拟态的器件,它可以模拟脑神经对信息的处理方式,即记忆和信息处理过...     

钙钛矿相界面插层对SrFeOx基忆阻器的性能提升

SrFeO_x(SFO)是一种能在SrFeO_2.5钙铁石(BM)相和SrFeO₃钙钛矿(PV)相之间发生可逆拓扑相变的材料.这种相变能显著改变电导却维持晶格框架不变,使SFO成为一种可靠的阻变材料.目前大部分SFO基忆阻器使用单层BM-SFO作为阻变功能层,这种器件一般表现出突变型阻变行为,因而其应用被局限于两态存储.对于神经形态计算等应用,单层BM-SFO忆阻器存在阻态数少、阻值波动大等问题.为解决这些问题,本研究设计出BM-SFO/PV-SFO双层忆阻器,其中PV-SFO层为富氧界面插层,可在导电细丝形成过程中提供大量氧离子并在断裂过程中回收氧离子,使导电细丝的几何尺寸(如直径)在更大范围内可调,从而获得更多、更连续且稳定的阻态,可用于模拟长时程增强和抑制等突触行为.基于该器件仿真构建了全连接神经网络(ANN),在手写体数字光学识别(ORHD)数据集进行在线训练后获得了86.3%的识别准确率,相比于单层忆阻器基ANN的准确率提升69.3%.本研究为SFO基忆阻器性能调控提供了一种新方法,并展示了它们作为人工突触器件在神...     

NbOx忆阻神经元的设计及其在尖峰神经网络中的应用

NbO_x忆阻器凭借其纳米尺寸、阈值切换及局部有源特性在神经形态计算领域展现出巨大的应用前景.对NbO_x忆阻器动力学特性的深入分析和研究有利于忆阻神经元电路的设计和优化.本文基于局部有源理论,采用小信号分析方法对NbO_x忆阻器物理模型展开了研究,定量分析了产生尖峰振荡的区域和条件,并确定了激励信号幅值和尖峰频率之间的定量关系.基于上述理论分析,进一步设计了NbO_x忆阻器神经元,并结合忆阻突触十字交叉阵列,构建了25×10的尖峰神经网络(spiking neuron network,SNN).最后,分别利用频率编码和时间编码两种方式,有效地实现了数字0到9模式的识别功能.     

忆阻混沌系统的脉冲同步与初值影响研究

以光滑三次型磁控忆阻器的蔡氏电路为例, 研究了两个同构忆阻混沌系统的脉冲控制同步方法.基于Lyapunov稳定性理论, 给出了忆阻混沌系统的脉冲同步渐近稳定条件; 结合误差系统的最大条件Lyapunov指数谱, 讨论了系统初值对脉冲同步性能的影响, 并进行了相应的数值仿真实验.结果表明, 在合适的脉冲控制参数条件下, 同构的忆阻混沌系统的脉冲同步是可行而有效的; 忆阻混沌系统的初值对脉冲同步性能存在一定的影响, 但可通过增大脉冲耦合强度来抑制系统初值的影响.     

一种适用于大规模忆阻网络的忆阻器单元解析建模策略

忆阻网络是一种基于忆阻器单元的大规模非线性电路,在下一代人工智能、生物电子、高性能存储器等新兴研究领域发挥着重要作用.描述忆阻器单元物理和电学特性的模型对忆阻网络的性能仿真具有显著影响.然而,现有模型主要为非解析模型,应用于忆阻网络分析时可能存在收敛性问题.因此,提出了一种基于同伦分析法(homotopy analys...     

界面效应调制忆阻器研究进展

忆阻器因其优异的非易失存储特性,且具有结构简单、存储速度快、能耗低、集成度高等优势,在新型电子器件研究领域引起了广泛关注.本文从忆阻器结构出发,对忆阻器主要材料、机理等进行了综述,介绍了忆阻器在电子电路及人工智能等领域的研究进展,重点讨论了界面效应对忆阻行为及性能改善等方面的重要作用,提出了界面纳米点嵌入结构对优化忆阻性能的显著效果,并分析了忆阻器可能的发展趋势.     

场耦合忆阻神经网络的电活动

神经元之间除了突触耦合,还存在磁通耦合.因此在传统的神经元模型中引入磁通量,并研究场耦合下神经网络的放电活动具有实际意义.建立一个含场耦合的Hodgkin-Huxley忆阻神经网络,引入神经元节点之间的距离权重,用磁通量描述时变电磁场,采用磁控忆阻器实现膜电位和磁通量之间的耦合.探讨距离权重和系统大小对神经网络放电活动的影响.研究发现,随着权重增大,神经网络放电活动增强,且系统规模越大,诱导神经元兴奋性的权重阈值越大,系统大小不影响神经网络活性随距离权重变化的规律.在不同的权重值下,神经网络活性随系统大小变化的规律明显不同.研究表明,距离权重和系统大小对含场耦合的忆阻神经网络放电活动有重要影响,其中距离权重起主导作用.     

应用于感存算一体化系统的多模调控忆阻器

交互式人工智能系统的构建依赖于高性能人工感知系统和处理系统的开发.传统的感知处理系统传感器、存储器和处理器在空间上是分离的,感知数据信息的频繁传输和数据格式转换造成了系统的长延时与高能耗.受生物感知神经系统的启发,耦合感知、存储、计算功能的感存算一体化技术为未来感知处理领域提供了可靠的技术方案.具有感知光、压力、化学物质等能力的忆阻器是应用于感存算一体系统的理想器件.本文从器件层面综述了应用于感存算一体化系统忆阻器的研究方向和研究进展,包括视觉、触觉、嗅觉、听觉和多感官耦合类别,并在器件、工艺与集成、电路系统架构和算法方面指出现阶段的挑战与展望,为未来神经形态感存算一体化系统的发展提供可行的研究方向.     

一种改进的WOx忆阻器模型及其突触特性分析

忆阻器被定义为第四种基本电子元器件, 其模型的研究呈现多样性. 目前, 忆阻器模型与忆阻器实际特性的切合程度引起了研究者的广泛关注. 通过改变离子扩散项, 提出了一种新的WO_x忆阻器模型, 更好地匹配了忆阻器的实际行为特性. 首先, 新的模型不仅能够描述忆阻器的一般特性, 而且能够俘获记忆丢失行为. 另外, 将新的忆阻器作为神经突触, 分析了脉冲速率依赖可塑性、短期可塑性、长期可塑性, 并发现了与生物系统中极为相似的“经验学习”现象. 最后, 考虑到温度与离子扩散系数的关系, 探讨了温度对突触权值弛豫过程的影响. 实验表明, 新忆阻器模型比原来的模型更切合实际, 且更适合作为突触而应用到神经形态系统之中.     

基于二维材料MXene的仿神经突触忆阻器的制备和长/短时程突触可塑性的实现

兼具长时程可塑性与短时程可塑性的电子突触被认为是类脑计算系统的重要基础.将一种新型二维材料MXene应用到忆阻器中,制备了基于Cu/MXene/SiO_2/W的仿神经突触忆阻器.结果表明, Cu/MXene/SiO_2/W忆阻器成功实现了稳定的双极性模拟阻态切换,同时成功模拟了生物突触短时程可塑性的双脉冲易化功能和长时程可塑性的长期增强/抑制行为,其中双脉冲易化的易化指数与脉冲间隔时间相关. Cu/MXene/SiO_2/W忆阻器的突触仿生特性,归功于MXene辅助的Cu离子电导丝形成与破灭的类突触响应机理.由于Cu/MXene/SiO_2/W忆阻器兼具长时程可塑性与短时程可塑性,其在突触仿生电子学和类脑智能领域将会具有巨大的应用前景.     

蛋白质基忆阻器研究进展

忆阻器作为一种可实现高密度、多功能、低功耗、多级数据存储的新型电子元器件,为电路结构设计、信息存储理论及突触仿生模拟等领域带来了重大变革.在广泛的忆阻器种类中,蛋白质基忆阻器由于具有结构可控降解、原料丰富低廉、生物兼容等优势,在可植入计算、人机交互、人机结合等前沿信息技术领域有着其他材料基忆阻器无可比拟的天然优势,因此被视为是构建下一代高科技信息电子产品最具潜力的候选者.本文归纳了近期蛋白质基忆阻器的研究进展,首先总结了部分蛋白质的研究进展,包含被广泛研究的鸡蛋白蛋白及性能优越的人工重组蛋白等,然后进一步介绍了蚕丝蛋白基忆阻器的研究历程,详细介绍了功能化策略所带给蚕丝蛋白基介观忆阻器的性能提升,并分析了功能化蚕丝蛋白结构与性能之间的构效关系.最后对蛋白质基忆阻器性能进行了综合分析,并展望了该生物电子器件的未来发展契机.     

忆阻混沌电路的分析与实现

具有记忆功能的忆阻器是除电阻器、电容器和电感器之外的第四种基本二端电路元件. 提出了由φ-q平面上的一条三次单调上升的非线性曲线来确定的光滑磁控忆阻器,它有着斜"8"字形的类紧磁滞回线的伏安特性曲线. 采用此忆阻器和负电导构成的有源忆阻器替换蔡氏混沌电路中的蔡氏二极管,导出了一个基于忆阻器的混沌振荡电路. 此外,利用常规的运算放大器和乘法器等元器件给出了有源忆阻器的等效电路实现形式. 理论分析、数值仿真和电路仿真结果一致,均表明忆阻混沌电路的动力学行为依赖于忆阻器的初始状态,在不同初始状态下存在混沌振荡、周期振荡或稳定的汇等不同的运行轨道. 关键词： 忆阻器 混沌电路 初始状态 等效电路     

基于串并联磁控忆阻器的耦合行为研究

忆阻器是纳米级器件, 其功耗低, 集成度高, 有着巨大的应用潜能. 单个器件具有丰富的电学性质, 其串并联电路更展现了丰富的动力学行为. 然而, 忆阻器在高密度集成的环境下, 其耦合效应不可忽视. 因此, 本文首先基于磁控忆阻器推导了耦合忆阻器的数学模型. 其次, 在考虑不同极性连接和耦合强度的前提下, 讨论两个磁控忆阻器串并联的耦合情况, 进行了详细的理论分析, 并通过数值仿真探索了耦合效应对忆阻系统的影响. 同时, 设计了基于Matlab的图形用户界面, 直观地展示了不同参数下的耦合特性曲线. 进一步, 本文展示了有无耦合情况下, 初始阻值对忆阻器正常工作范围的影响. 最后, 构建耦合忆阻器的Pspice仿真器, 从电路的角度再次验证了忆阻器间的耦合效应. 实验结果表明: 同极性耦合增强了阻值的改变, 相反极性的耦合减缓了阻值的改变. 这些动力学特性可以很好地应用于忆阻网络中, 也为全面考虑忆阻系统电路的设计提供了强大的理论基础.