前沿专题丨忆阻器专题

Original 电子与信息学报电子与信息学报 2022-07-02

收录于合集

忆阻器专题2020年第4期

早在1971年，华裔科学家蔡少棠教授根据对4个基本电学物理量（电压、电流、电荷和磁通）之间的关系进行理论推导，提出了除电阻、电容、电感3种元件之外的第4种基本元件——忆阻器。2008年惠普实验室用TiO2材料制造出第一个忆阻器。忆阻器由于具有记忆特性在混沌电路、人工神经网络、神经形态学、类脑计算等方向及领域中具有重要的应用。

专|题|主|编

王春华

男，1963年生，湖南大学信息科学与工程学院教授，研究方向为模拟/混合集成电路设计、混沌电路与系统、神经网络与类脑智能、混沌图像加密。

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专题文章
01

基于忆阻器的混沌、存储器及神经网络电路研究进展

作者：王春华、蔺海荣、孙晶如、周玲、周超、邓全利

第一单位：湖南大学信息科学与工程学院

关键词：忆阻器；混沌电路；存储器；神经网络

摘要：忆阻器是除电阻、电容、电感之外发现的第4种基本电子元件，它是一种具有记忆特性的非线性器件，可用于混沌、存储器、神经网络等电路与系统的实现。该文对基于忆阻器的混沌电路、存储器、神经网络电路的设计与神经动力学的国内外研究进行了综述，并给出了对它们的研究展望。

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忆阻高通滤波电路准周期与混沌环面簇发震荡及慢通道效应

作者：李芳苑、陈墨、武花干

第一单位：南京信息职业技术学院电子信息学院

关键词：高通滤波器；忆阻模拟器；簇发振荡；慢通道效应

摘要：该文提出了一种忆阻高通滤波电路，它是由有源高通RC滤波器与二极管桥级联LC振荡器的忆阻模拟器并联耦合组成的。该文建立了电路方程与系统模型。基于分岔图、相平面图、庞加莱映射等数值仿真，开展了以反馈增益为可调参数的分岔分析，揭示了忆阻高通滤波电路中存在的准周期、混沌环面、混沌和多周期等簇发振荡行为。进一步地，通过快慢分析法，导出了快子系统的Hopf分岔集，并进而阐述了忆阻高通滤波电路慢通道效应的形成机理。最后，基于Multisim电路仿真验证了数值仿真结果。

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基于双曲正切忆阻器的Duffing系统中簇发、共存分析及其DSP实现

作者：王梦蛟, 邓勇, 李志军, 曾以成

第一单位：湘潭大学自动化与电子信息学院

关键词：忆阻器；Duffing；簇发；延时分岔；共存

摘要：忆阻器作为第4种基本电路元件由蔡少棠首次提出，它的提出为混沌电路的设计和工程应用提供了新思路。该文通过在Homles型Duffing系统中引入一个双曲正切忆阻模型，得到了一个新忆阻Duffing非自治系统。利用转换相图、相图、Lyapunov指数等，揭示了该系统具有振荡尖峰数目可控簇发、非完全对称双边簇发、非完全对称的簇发共存、多种周期混沌共存等新颖动力学行为。并通过分岔图及平衡点分析，研究了其簇发产生机理。采用Multisim电路仿真与数字信号处理平台(DSP)对系统进行了硬件实现，与理论分析基本一致的实验结果证明该系统是可行的且是物理可实现的。

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系统电路原理图

基于忆阻器的乘法器电路设计

作者：王光义, 沈书航, 刘公致, 李付鹏

第一单位：杭州电子科技大学现代电路与智能信息研究所

关键词：忆阻器；逻辑电路；乘法器

摘要：忆阻器作为一种非易失性的新型电路元件，在数字逻辑电路中具有良好的应用前景。目前，基于忆阻器的逻辑电路主要涉及全加器、乘法器以及异或(XOR)和同或(XNOR)门等研究，其中对于忆阻乘法器的研究仍比较少。该文采用两种不同方式来设计基于忆阻器的2位二进制乘法器电路。一种是利用改进的“异或”及“与”多功能逻辑模块，设计了一个2位二进制乘法器电路，另一种是结合新型的比例逻辑，即由一个忆阻器和一个NMOS管构成的单元门电路设计了一个2位二进制乘法器。对于所设计的两种乘法器进行了比较，并通过LTSPICS仿真进行验证。该文所设计的乘法器仅使用了2个N型金属-氧化物-半导体(NMOS)以及18个忆阻器(另一种为6个NMOS和28个忆阻器)，相比于过去的忆阻乘法器，减少了大量晶体管的使用。

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基于新型比例的二位二进制乘法器

基于多通道忆阻脉冲耦合神经网络的多帧图像超分辨率重建算法

作者：董哲康, 杜晨杰, 林辉品, 赖俊昇, 胡小方, 段书凯

第一单位：杭州电子科技大学电子信息学院

关键词：高通滤波器；忆阻模拟器；簇发振荡；慢通道效应

摘要：高清晰度的图像是信息获取和精确分析的前提，研究多帧图像的超分辨率重建能够有效解决因外部拍摄环境引起的图像细节丢失、边缘模糊等问题。该文基于纳米级忆阻器，设计一种多通道忆阻脉冲耦合神经网络模型(MMPCNN)，能够有效模拟网络中连接系数的动态变化，解决神经网络中固有的参数估计问题。同时，将提出的网络应用于多帧图像超分辨率重建中，实现低分辨率配准图像的融合操作，并通过基于稀疏编码的单帧图像超分辨率重构算法对获得的初始高分辨率图像进行优化。最终，一系列计算机仿真及分析(主观/客观分析)验证了该文提出方案的正确性和有效性。

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多通道忆阻脉冲耦合神经网络MMPCNN

荷控忆阻器记忆衰退的寄生效应

作者：沈怡然, 李付鹏, 王光义

第一单位：杭州电子科技大学现代电路与智能信息研究所

关键词：忆阻器；记忆衰退；寄生效应

摘要：荷控忆阻器在寄生元件存在的情况下，可能发生记忆衰退现象。该文采用忆阻器动力学路线图和仿真的方法，研究了忆阻器寄生电阻和寄生电容对其动力学特性的影响。理论和仿真分析发现，理想荷控(流控)忆阻器在直流和交流激励下，寄生电阻或寄生电容单独存在时不发生记忆衰退现象，但在寄生电阻和寄生电容同时存在的情况下会发生记忆衰退，其机理是寄生元件形成放电通路，从而导致荷控忆阻器产生了记忆衰退。

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理想核控忆阻器和寄生电容

忆阻数字逻辑电路设计

作者：王晓媛, 金晨曦, 周鹏飞

第一单位：杭州电子科技大学电子信息学院

关键词：忆阻器；数字逻辑电路；二值特性

摘要：该文简要概述了忆阻器理论的提出、应用现状及其在电子技术领域发展的现状，介绍了忆阻器在数字逻辑电路设计中的重要意义，并结合惠普(HP)忆阻器的二值特性及其电路特性，对忆阻器在数字逻辑电路设计中的发展、趋势及可应用前景进行了综述，可为忆阻器在数字逻辑电路中的后续研究及相关应用提供一定的参考。

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HP忆阻器阻值变化机制

简洁无电感忆阻混沌电路及其特性

作者：曾以成, 成德武, 谭其威

第一单位：湘潭大学物理与光电工程学院

关键词：忆阻器；混沌电路；多稳态；暂态混沌

摘要：采用非理想有源电压控制忆阻器和磁通控制型光滑3次非线性忆阻器，该文设计了一种不含电感的简单(只含5个电子元器件)双忆阻混沌电路。采用常规的非线性分析手段详细研究了电路参数变化时系统的基本动力学行为，例如平衡点稳定性分析，相轨图以及李雅普诺夫指数谱和分岔图等。通过调节系统控制参数，该系统可产生多涡卷、多翼以及暂态混沌等十分丰富的动力学现象。此外，还研究了系统依赖于忆阻器初始状态的多稳态，得到了一些有意义的结果。为验证电路的可行性及稳定性，通过对忆阻器的模拟等效电路的搭建，并将该等效电路应用于所提出的混沌电路中，硬件电路实验结果以及Multisim电路仿真结果与理论分析一致。

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Multisim仿真电路原理图

忆阻突触耦合Hopfield神经网络的初值敏感动力学

作者：陈墨, 陈成杰, 包伯成, 徐权

第一单位：常州大学信息科学与工程学院

关键词：非理想忆阻突触；Hopfield神经网络；状态初值；数值仿真

摘要：该文报道了3神经元Hopfield神经网络(HNN)在电磁感应电流作用下的初值敏感动力学。利用非理想忆阻突触，模拟由两个相邻神经元膜电位之差引起的电磁感应电流，构建了一种简单的4维忆阻Hopfield神经网络模型。借助理论分析和数值仿真，分析了不同忆阻突触耦合强度下的复杂动力学行为，揭示了与状态初值密切相关的特殊动力学行为。最后，设计了该忆阻HNN的模拟等效实现电路，并由PSIM电路仿真验证了MATLAB数值仿真的正确性。

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忆阻HNN模型的等效实现电路

多频激励忆阻型Shimizu-Morioka系统的簇发振荡及机理分析

作者：李志军, 方思远, 周成义

第一单位：湘潭大学信息工程学院

关键词：忆阻型S-M系统；多频慢激励；扭曲型“sub-Hopf/sub-Hopf”簇发；级联嵌套型sub-Hopf/sub-Hopf”簇发

摘要：为了研究忆阻系统的簇发振荡及其形成机理，该文在Shimizu-Morioka(S-M)系统的基础上引入忆阻器件和两个慢变化的周期激励项，建立了一种多时间尺度的忆阻型S-M系统。首先研究了单一激励下S-M系统的簇发行为及分岔机制，得到一种对称型“sub-Hopf/sub-Hopf”簇发模式。然后借助De Moivre公式将多频激励系统转化为单频激励系统，结合快慢分析法重点分析了附加激励幅度对“sub-Hopf/sub-Hopf”簇发模式的影响。对应于不同附加激励幅度该文发现了两种新的簇发模式，即扭曲型“sub-Hopf/sub-Hopf”簇发和嵌套级联型sub-Hopf/sub-Hopf”簇发。借助时序图、分岔图和转换相图分析了相应的簇发机制。最后，采用Multisim软件搭建电路模型并进行仿真实验，得到的实验结果与理论分析结果相吻合，从而实验证明了忆阻型S-M系统的簇发模式。

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双频激励下忆阻型S-M系统的电路原理图

分数阶忆阻退化Jerk系统的特性分析与DSP实现

作者：孙克辉, 秦川, 王会海

第一单位：中南大学物理与电子学院

关键词：忆阻器；混沌；分数阶微积分；吸引子共存；多稳态

摘要：为了探究分数阶形式下该类系统的动力学特性，该文将分数阶微积分引入到忆阻退化Jerk系统中，增加了一个自由度，提升了系统性能。通过相图、分岔图、李雅普诺夫指数谱、复杂度混沌图等分析了系统的动力学特性，并采用DSP技术，实现了该系统的数字电路。研究结果表明，系统拓展到分数阶后有两种不同的单涡卷吸引子，系统随初值变化呈现倍周期分岔路径，在某些特定初值处系统演化路径出现跃变。系统具有无限多个吸引子共存。