基于碳掺杂Ge1Sb4Te7的相变突触阵列的控制方法及应用

本发明属于微电子技术和存算一体，更具体地，涉及一种基于碳掺杂ge1sb4te7的相变突触阵列的控制方法及应用。

背景技术：

1、在当今信息时代，海量数据的存储与处理已成为亟待解决的关键技术问题。传统的冯·诺依曼计算架构因采用存储与计算分离的设计方式，其数据处理性能与能源效率均受到显著制约，已逐渐逼近其应用能力的极限。在此背景下，存算一体架构应运而生。该架构将存储单元与计算单元融合为一体，通过在存储阵列中直接完成计算任务，能够有效提升系统的数据处理性能与能效水平。

2、神经形态计算是存算一体架构的一种典型实现方式，其核心在于利用人工突触器件模拟生物突触的权重存储与调节功能。相变存储器因其具备非易失性、多级电导可调、快速状态切换以及与半导体工艺兼容等优势，被认为是构建人工突触阵列的重要候选技术。然而，传统ge-sb-te基相变材料在多级调控过程中仍存在若干技术缺陷，包括电阻漂移、多级状态保持能力不足、权重更新过程的非线性行为，以及阵列级权重刷新难度较大等问题。这些问题直接影响了基于相变存储器的神经形态计算系统的计算精度。

3、因此，如何将相变存储器进一步应用于人工突触阵列，并实现神经网络权重的稳定表征、可控调节与长期刷新，仍是当前本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于碳掺杂ge1sb4te7的相变突触阵列的控制方法及应用，其目的在于基于碳掺杂 ge1sb4te7相变突触阵列的低电阻漂移特性，通过reset操作实现神经网络权重的调控，在权重调控过程中，通过选择性地向相变存储单元施加reset脉冲，调节对应存储单元的电导状态，从而实现神经网络权重的增强或抑制，该方法能够利用reset过程中的连续电导调制特性，实现线性度较高、对称性较好的神经网络权重更新。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于碳掺杂ge1sb4te7的相变突触阵列的控制方法，其中相变突触阵列包括多个相变突触单元，每个相变突触单元包括第一相变存储单元和第二相变存储单元，相变突触单元沿行方向和列方向排列组成相变突触阵列，相变突触单元通过行线和列线寻址，每个相变突触单元用于模拟神经网络中的突触结构，包括：

3、s1：对相变突触单元进行初始化，初始化状态为低阻态或高电导态，其中相变突触单元中的第一相变存储单元具有第一电导，第二相变存储单元具有第二电导；

4、s2：将相变突触单元配置成以第一电导和第二电导的电导差表示神经网络的突触权重；

5、s3：当神经网络中突触的目标权重需要减小时，对第一相变存储单元施加reset脉冲，使第一相变存储单元的电导降低；当突触的目标权重需要增大时，对第二相变存储单元施加reset脉冲，使第二相变存储单元的电导降低；当目标权重超出通过继续施加reset脉冲能够调节的权重范围时，对第一相变存储单元和第二相变存储单元进行初始化，使其恢复至低阻态，并根据目标权重重新对第一相变存储单元和第二相变存储单元施加reset脉冲，以将相变突触单元的差分电导权重调节至目标权重范围内；其中reset脉冲为幅值逐渐增加阶梯状的电压脉冲；

6、s4：读取第一相变存储单元和第二相变存储单元的电导，并根据读取结果获得每个相变突触单元更新后的突触目标权重。

7、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

8、本发明采用碳掺杂ge1sb4te7相变材料作为相变突触单元的功能层，碳掺杂能够提高相变材料的结构稳定性，抑制相变存储单元中间电导态随时间发生明显漂移，相变突触单元在reset脉冲调控下形成多个稳定中间电导态，不同中间电导态可用于表示神经网络权重的多个离散等级，提高单个突触单元的权重存储能力，满足神经形态计算中多级权重调控和高密度权重存储的应用需求，降低神经网络权重在保持过程中的偏移，提高相变突触阵列的长期稳定性和计算可靠性，实现权重增强和权重抑制过程的对称调控，并获得线性度较高的权重更新特性，从而提高神经网络训练和推理过程中的权重调控精度。

1.一种基于碳掺杂ge1sb4te7的相变突触阵列的控制方法，其中相变突触阵列包括多个相变突触单元，每个相变突触单元包括第一相变存储单元和第二相变存储单元，相变突触单元沿行方向和列方向排列组成相变突触阵列，相变突触单元通过行线和列线寻址，每个相变突触单元用于模拟神经网络中的突触结构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于碳掺杂ge1sb4te7的相变突触阵列的控制方法，其特征在于，其中相变突触单元中的第一相变存储单元和第二相变存储单元包括底电极、相变功能层、顶电极，相变功能层为碳掺杂ge1sb4te7相变材料。

3.根据权利要求1所述的基于碳掺杂ge1sb4te7的相变突触阵列的控制方法，其特征在于，神经网络的突触权重w由下式表示：

4.根据权利要求1所述的基于碳掺杂ge1sb4te7的相变突触阵列的控制方法，其特征在于，相变材料为cx(ge1sb4te7)100-x，其中x表示碳元素相对于所述相变材料总原子数的原子百分比，且5≤x≤15；除碳元素外，ge、sb和te按ge:sb:te=1:4:7的原子比组成。

5.根据权利要求1所述的基于碳掺杂ge1sb4te7的相变突触阵列的控制方法，其特征在于，相变存储单元包括via-hole型相变存储单元、交叉点型相变存储单元或垂直型相变存储单元。

6.根据权利要求1所述的基于碳掺杂ge1sb4te7的相变突触阵列的控制方法，其特征在于，第一相变存储单元和第二相变存储单元分别具有多个稳定中间电导态，多个稳定中间电导态用于表示神经网络权重的多个离散等级。

7.根据权利要求1所述的基于碳掺杂ge1sb4te7的相变突触阵列的控制方法，其特征在于，对相变突触单元进行初始化包括对第一相变存储单元和第二相变存储单元施加set脉冲，使其进入低阻态。

8.一种根据权利要求1-7中任一所述基于碳掺杂ge1sb4te7的相变突触阵列的控制方法实现神经网络权重的更新方法，其特征在于，包括：

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的基于碳掺杂ge1sb4te7的相变突触阵列的控制方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求8所述的神经网络权重的更新方法。