Behavior of Multiple Memristor Circuits

A memrisztor egy olyan új áramköri elem, aminek a feszültség és áram kapcsolatát egy állapot-függő Ohm-törvény definiálja. A közelmúltban több sikeres fizikai implementációja is született, azonban elektromos jellemzőit még nem ismerjük teljesen. Mint a többi alapvető áramköri elem (ellenállás, tekercs, kondenzátor) esetében, több memrisztorból is különböző áramköri konfigurációk alakíthatóak ki, mint például soros és párhuzamos kapcsolások különböző alkalmazási célokra. Amikor több memrisztort tartalmazó áramkörre kapcsolunk feszültséget illetve áramot, az adott eszköz viselkedése bonyolulttá válik és nehéz azt előre megjósolni. Ebben a cikkben a memrisztorok soros és párhuzamos áramköri kapcsolásait vizsgálják lineáris és nemlineáris modellek alkalmazásával. Továbbá, egy memrisztor viselkedésének matematikai leírására, valamint több memrisztort tartalmazó áramkörök általános számítására is javasolnak módszert. 

Budhathoki, Ram Kaji, Maheshwar P. Sah, Shyam Prasad Adhikari, Hyongsuk Kim, and Leon Chua. "Behavior of Multiple Memristor Circuits." In Memristor Networks, pp. 323-349. Springer International Publishing, 2014.

Bionics: At the crossroads of Biotechnology and Information Technologies

Bionika - új irányzat az információ-technológia, a biotechnológia és a nanotechnológiák határán:
From Cellular Wave Computing to Lab on a Chip technologies
Az Olasz Köztársaság Külügyminisztériumával közösen rendezett tudományos tanácskozás

"A bionika az innovativ technológiák átfogó területe, amely az információs technológia, a biotechnológia és a nanotechnológia határterületén helyezkedik el, és amelynek már most jelentős, és gyorsan növekvő piacai vannak az egészségügy sok területén. Tágabb vonzáskörébe nemcsak a beültetett implantátumok és protézisek tartoznak, de a modern mikrofluidikai dignosztikai rendszerek, mint a Lab-on-a-Chip technológia, a személyes orvoslás és a molekuláris diagnozisok számítógépes módszerei is. A Torinói Műegyetem és a Pázmány Egyetem Információs Technológiai és Bionikai kara már évek óta rendez közös tudományos összejöveteleket ebben a témakörben. Az Olasz Külügyminisztérium Tudományos és Technológiai Együttmüködésért felelős részlegének kezdeményezésére ez a rendezvény az Olasz-Magyar Kulturális Év programjába is bekerült. A Budapesti Olasz Kultúrintézet által szervezett rendezvényen a trieszti Nemzetközi Génsebészeti és Biotechnológiai Központ előadói fogják bemutatni az Olasz Külügyminisztérium által támogatott biotechnológiai együttműködések rendszerét. A tanácskozás célja, hogy párbeszédet kezdeményezzen e széles, interdiszciplináris terület résztvevői között, és hogy előmozdítsa az olasz-magyar kapcsolatokat ezen a gyorsan fejlődő területen."

A "Bio-inspired and neuromorphic circuits" előadást tartó Fernando Corinto Professzor egyik fő kutatási területe a memrisztorok neuromorf alkalmazásainak vizsgálata. Tanulmányaiban és előadásaiban memrisztorokat tartalmazó nem-lineáris áramkörök dinamikáját vizsgálja, melyek alapegységei lehetnek memrisztorokra épülő bio-inspirált rendszerek és nem felejtő memóriák felépítéséhez. Egy egyszerű memrisztort tartalmazó oszcillátor áramkörnek is gazdag, komplex viselkedése van, amely mérnöki értelemben akár kaotikus is lehet. Egyik fontos eredménye a Hodgkin-Huxley neurális modellt memrisztorokkal megvalósító áramkör megvalósítása és viselkedésének elemzése. 

A memristor SPICE model accounting for volatile characteristics of practical ReRAM

A nemrég felfedezett memrisztor néven ismert nano-ionic eszközök nagyméretű áramkörökben történő alkalmazása függ előfeszített állapotban történő viselkedésének pontos modellezhetőségtől. Jelenleg az összes elérhető memrisztor SPICE modell csak a nem-volatilis karakterisztikát veszi figyelembe. A legújabb gyakorlati ReRAM-mal kapcsolatos tanulmányok volatilis jelenségeket is bemutatnak, ezért elengedhetetlen, hogy ez a viselkedés is megjelenjen a modellezésben. Ebben a cikkben egy olyan új memrisztor SPICE modellt mutatunk be, ami figyelembe veszi mind a volatilis, mind a nem volatilis hatásokat. A modell több szimulaciós eseten keresztül kerül bemutatásra, valamint az eredmények TiO2 ReRAM eszköz mérési eredményeivel is össze vannak vetve. 

Berdan, R., Lim, C., Khiat, A., Papavassiliou, C. and Prodromakis, T. (2013) A memristor SPICE model accounting for volatile characteristics of practical ReRAM. IEEE Electron Device Letters.

Hybrid dynamical systems for memristor modelling an approach avoiding the terminal-state problem

1971-ben mutatta be a memrisztort Leon O. Chua, mint a negyedik áramköri elemet, így téve teljessé az alapvető, passzív kétkapuk halmazát. Sokáig úgy tűnt, mintha a memrisztor csak hálózatelméleti szakmeberek játéka lenne. A helyzet hirtelen megváltozott 2008-ban, amikor a HP-nál dolgozó tudósok olyan nanoelektronikai eszközt fedeztek fel, amely memrisztiv viselkedést mutatott. A felfedezéssel kapcsolatban a kutatók új lehetőségeket és áramköri koncepciókat remélnek egyre növekvő áramköri integritás mellett. E lehetőségek szimulációval történő vizsgálatához nagy számú memrisztor modellt dolgoztak ki az elmúlt években. A vizsgált memrisztive nanoelektronikai eszközök modelljeinek különleges tulajdonsága abelső állapotváltozók korlátozott tartománya. Számos trükkös megoldást dolgoztak ki, hogy kezelni lehessen ezt a problémát. Cikkünkben hibrid dinamikai rendszerek keretében mutatunk be egy egyszerű megoldás erre a problémára.

Haase, Joachim, and Andre Lange. "Hybrid dynamical systems for memristor modelling an approach avoiding the terminal-state problem." Specification & Design Languages (FDL), 2013 Forum on. IEEE, 2013.

Emulation of analog memristors using low yield digital switching memristors

Az elfogadott cikk és a hozzá kapcsolódó, a konferencián megtartott előadás témája analóg memrisztorok emulációjáról szól. Új áramöröket javasoltunk analóg célú memrisztorok emulációjára, melyek csak digitális kapcsoló célú memrisztorokat tartalmaznak. Ezzel a megközelítéssel nem csak a gyártási áramköri hibák hatása csökkenthető és így robosztus megvalósítás elérése lehetséges, hanem alacsony technológiai kihozatallal rendelkező gyártással is működő eszközöket lehet készíteni. Szimulációink azt mutatták, hogy az áramkörök kapcsolási zaja az alkalmazott memrisztorok számával csökken, miközben a gyártási kihozatal nem lesz kisebb, mint az építőelemként alkalmazott digitális célú memrisztorok esetében. 

Ádám Rák and György Cserey, 21st European Conference on Circuit Theory and Design, ECCTD 2013.

Nano-scale memristor SPICE implementation using ideal operational amplifier model

Ebben a tanulmányban a memrisztor áramköri modelljének egy SPICE kódját mutatják be. Ideális zárt műveleti erősítő (OP-AMP) alkalmazásával valósítják meg a visszacsatolás-vezérelt integrátort, amely kiterjeszti a memrisztor modellezés egyenleteinek eddigi megoldási módszereit. A szerzők a javasolt SPICE modell viselkedését megvizsgálták. A kívánt gerjesztő forrás és a kezdeti állapot egyaránt könnyen hangolható  a memristor modellben. Különböző hiszterézis hurok i-v görbék vannak bemutatva szinusz és négyszögjel ingerek használata során.

Xu, Kaida, et al. "Nano-scale memristor SPICE implementation using ideal operational amplifier model." ISPDI 2013-Fifth International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging. International Society for Optics and Photonics, 2013.

Reconfigurable Memristor Fabrics for Heterogeneous Computing

A fém-oxid-félvezető (CMOS) technológia méretezés és teljesítmény korlátai várhatóan az információ feldolgozás új számítási paradigmáinak gyors elterjedéséhez fognak vezetni. Ezért a rendkívül ígéretes CMOS / memristor hibrid technológiának, ahol memristive eszközök vannak 3D-ben integrálva, izgalmas lehetőségei vannak. Ezek az új technológiák az ipar és az akadémia közös erőfeszítéseiből emelkednek ki, a gyártási folyamatok, anyagok, eszközök és áramkörök innovatív megújításából. A memrisztor alapú számítástechnika fő előnye, hogy képes Tera-bti sűrűségű adattárolásra ultra alacsony fogyasztás és hosszú adatmegőrzési idő mellett. Ezek az egyedülálló tulajdonságok motiválják a számítási eszközök gyártásának fejlesztését, amelyek dinamikus átalakulás során idővel megfelelnek a heterogén informatikai alapú rendszer követelményeinek, helyébe lépve a klasszikus CMOS architektúráknak. A könyvfejezet áttekinti a memrisztorok különböző modelljeit, amelyek lehetővé azok megvalósításait és alkalmazásait, mint a memória, érzékelés, a logika és nueromorphic egységek.

Kudithipudi, Dhireesha, and Cory E. Merkel. "Reconfigurable memristor fabrics for heterogeneous computing." Advances in Neuromorphic Memristor Science and Applications. Springer Netherlands, 2012. 89-106.

The First Radios Were Made Using Memristors!

Williams és társai 2008-ban számoltak be a negyedik alapvető passzív áramköri elem, a memristor felfedezéséről, amely elektromosan vezérelhető állapotfüggõ ellenállás tulajdonságaival rendelkezik. Ebben a cikkben a szerzők bemutatják, hogy az egyik első vezeték nélküli rádiós érzékelő, az úgynevezett macskabajúsz, ami a világ első szilárdtest diódája volt, memristive tulajdonságokkal rendelkezik.. Azonosították az állapotváltozót, mely vezérli az eszköz ellenállásának állapotát, és képesek programozni, hogy kapcsolni tudjon több stabil ellenállásérték között. Megfigyeléseik és eredményeik nagyobb készülékhalmazra érvényesek, amelyek egyike a macskabajúsz. Ezek az eszközök alkotják a memrisztor hiányzó kanonikus, fizikai megvalósításati.

Gandhi, G., V. Aggarwal, and L. Chua. "The First Radios Were Made Using Memristors!." Circuits and Systems Magazine, IEEE 13.2: 8-16.

An introduction to the memristor

Az utóbbi években az elektronika területén forradalom következett be, melynek során fizikai jelenségek sorozatát használták fel új típusú memória áramkörök tervezéséhez a számítógépes alkalmazások területén. A memrisztor olyan eszköz, melynek szerepe egyre nő, annak ellenére, hogy korábban a fizika oktatásban ritkán került említésre. Ez a cikk egyszerű bevezetést nyújt a memrisztor fogalmához, és segítséget nyújt abban, hogy miként lehet összeszerelni és tesztelni egy működő eszközt a laborban.

Atkin, Keith. "An introduction to the memristor." Physics Education 48.3 (2013): 317.

Design of a hybrid robot control system using memristor-model and ant-inspired based information transfer protocols

Nem mindig lehetséges, hogy egy robot az összes szenzorából beérkező információt időben fel tudja dolgozni, ezért szükség van gyors és mégis megfelelő közelítésekre a robot helyzetének meghatározásához. A cikk bemutatja a tervezett hibrid vezérlést egy limitált robot segitségével olyan algoritmusokkal, melyeket a dolgozó hangya elhelyezkedése ihletett, és amely memrisztor alapú nemlinearitáson alapul. 

Gale, E. , de Lacy Costello, B. and Adamatzky, A. In: International Conference on Robotics and Automation (ICRA) 2013, Karlsruhe, 10th May 2013. Karlsruhe: IEEE 

Memristor-based modified recoded-multiplicand systolic serial-parallel multiplier

Ebben a tanulmányban egy memrisztor alapú módosított szisztolikus soros-párhuzamos szorzó kialakítására tettek javaslatot. A memrisztor előnyei ebben az alkalmazásaban leginkább a megvalósításához szükséges kis terület és jobb teljesítmény. A szorzó architektúra bemutatása egy n-bites szorzandó és m-bites szorzó szerkezetet foglal magába. A szorzó architektúra megvalósítása, és a késleltetések bemutatása valamint az eredmények megvitatása egy egységnyi "IMPLY" kapu vizsgálatán keresztül történik.

Shaltoot, A.H., Madian, A.H. 1st International Conference on Communications, Signal Processing, and their Applications (ICCSPA), 2013

The modified single input Op-Amps memristor based oscillator

A bemutatott memrisztor alapú alkalmazás egy módosított egybementű műveleti erősítő oszcillátor. Az oszcillátort ideális, LM741 és áram visszacsatolásos (AD844) műveleti erősítő segítségével valósították meg, ahol az ellenállásokat memrisztorokra cserélték. A vizsgálat bemutatja a memrisztor a rezgési frekvenciára és az oszcilláció állapotára történő hatását, melyek teljesen függetlenek. Az áramkör viselkedését befolyásoló kezdeti feltételek hatását a cikk részletesen tárgyalja. Az ellenállások kicserélését követően az oszcillátor dinamikus pólusait a szerzők ábrákkal mutatják be. Megfigyeléseik hosszantartó rezgésről számolnak be és a szimulációs eredmények a számított eredményekkel nagyságrendileg megegyeznek. 

ElSamman, A.H. Radwan, A.G.; Madian, A.H. 1st International Conference on Communications, Signal Processing, and their Applications (ICCSPA), 2013

Frequency dependent rectifier memristor bridge used as a programmable synaptic membrane voltage generator

Dinamikai viselkedése miatt, a memristor egy csomó új analóg áramköri alkalmazást tesz lehetővé. Amióta fizikai megvalósítása is lehetővé vált (pl. 2007 by Hewlett Packard), a memrisztorok alkalmazásainak fejlesztése is egyre izgalmasabb és érdekesebb. Leggyakrabban neurális hálózatokban és tárolóeszközökben (memóriák) történő felhasználásával találkozhatunk, de emellett az analóg, memrisztív áramkörökben történő alkalmazásuk is igéretes. Ennek egyik példájaként ez a cikk frekvenciafüggő memrisztor alapú egyenírányító híd alkalmazását javasolja különböző célokra, mint például a programozható szinaptikus membrán feszültség generátor áramköréhez. Ebben az esetben megmutatható, hogy a Picard iteráció egy lehetőség arra, hogy analitikusan megoldható a memristor áramkörök nemlineáris állapotegyenlet rendszere. A szerzők bemutatják, hogy hogyan működik a memrisztor a hálózatban, és javaslatot tesznek arra, hogy neuronként hogyan használható a bemutatott memrisztor hid.

O Pabst, T Schmidt - Journal of Electrical Bioimpedance, 2013

FPGA-Memristor Network Based Hybrid Computational Architecture

Az IRUN Winter School on Nonlinear Dynamics in Cellular Wave Computing konferencián előadást tartottam két fiatal kollégámmal közösen elvégzett eredményeinkről: Ádám Rák, Balázs Jákli: FPGA-Memristor Network Based Hybrid Computational Architecture. Eddigi eredményeink összefoglalásaként, röviden ismertettük azokat a chipeket, melyeket a Michigen-i Egyetemről kaptunk kutatási célra. A memrisztor un. cross-bar hálózatokat tartalmazó chipeken végzett méréseink alátámasztják és megalapozzák korábbi szimulációinkat és alkalmas platformot biztosítanak a további kísérletek elvégzéséhez. Bemutattam a tervezet architektúra főbb elemeit. Az általunk elkészített mérőrendszer felépítését, paramétereit és a végzett, első méréseket. Ismerettem a korábbi szimulációinkat, valamint az ezekhez szükséges megtervezett és implementált szimulátort. Elméleti eredményeink azt mutatják, hogy a memrisztor cross-bar hálózatokkal teljesen összekötött neurális hálózatok súlymátrixait tudjuk tanítani, amennyiben a memrisztorok nemlinearitással rendelkeznek. Fizikai méréseink alátámasztották, hogy a rendelkezésünkre álló memrisztorok rendelkeznek ilyen tulajdonsággal, ezért azt várjuk, hogy valós kísérletekkel meg tudjuk ismételni korábbi szimulációs eredményeinket. 

Memrisztor

"A memrisztor szó két szó összetételéből áll a memory (memória) és a resistor (elektromos ellenállás). A memrisztor egy passzív elektromos elem. Egy olyan elem amelynek az elektromos ellenállása nem állandó, hanem a múltbeli állapotától függ. Az első memrisztort 2007-ben állították elő. Az ellenállás, a kondenzátor és az induktivitás mellett a negyedik passzív áramköri elem.

Leon Chua írta le először a memrisztor létezését 1971-ben. Bár ekkor még mint csak elméleti szinten létezett, de sikeresen leírta a tulajdonságait. ..." (forrás: wikipédia).

Két megjegyzés: Már 2007 előtt is megfigyeltek memrisztor működésű "eszközöket", de nem nevezték memrisztornak őket. Nem gondolom, hogy az ellenállás, kondenzátor és induktivitás áramköri elemekkel egyenértékű negyedik elemként gondolhatunk rá, bár a fizikai összefüggések szimmetriája miatt következtetett Leon Chua arra, hogy léteznie kell.