一种电压源串联遗忘忆阻突触结构及图片存储器的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术领域，更具体地说，它涉及一种电压源串联遗忘忆阻突触结构及图片存储器。

背景技术：

忆阻器由蔡少棠教授1971年提出，普惠实验室2008年发现实物忆阻器，忆阻器具有记忆性、高存储量、小体积、易集成等优点，随着对忆阻器的深入研究，它在电路设计、生物神经系统仿真等领域的作用逐渐被人们认知。忆阻器的记忆特性使其成为低功耗的纳米级可变性电阻，忆阻器的非易失性使其成为存储器，忆阻器的易失性使其具有遗忘特性。由于忆阻器与生物突触的诸多相似，忆阻器成为了天然的突触设备，并在人工神经网络领域广泛应用。

目前，常见的基于忆阻器的突触有单一忆阻器突触，串并联忆阻器突触，忆阻器晶体管组合突触，忆阻桥突触等。然而，这些常见的忆阻突触都是基于非易失性忆阻器构建，其功能单一，对忆阻器的控制要求较高。

因此，如何研究设计一种多功能、对忆阻器要求低的电压源串联遗忘忆阻突触结构及图片存储器是我们目前急需解决的问题。

技术实现要素：

为解决现有忆阻器突触功能单一、对忆阻器控制要求较高的问题，本实用新型的目的是提供一种电压源串联遗忘忆阻突触结构及图片存储器。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

第一方面，提供了一种电压源串联遗忘忆阻突触结构及图片存储器，包括电压源、第一忆阻器、第二忆阻器，电压源的正极与第一忆阻器、第二忆阻器依次串联后连接电流输出端，电压源的负极接地。

进一步的，所述第一忆阻器为具有阈值特性的非易失性忆阻器，第二忆阻器为易失性忆阻器。

进一步的，所述第二忆阻器的电导为短时记忆与第一忆阻器电导对应长时记忆的差值。

进一步的，所述电流输出端的输出电流值等于电压源的电压值与第一忆阻器、第二忆阻器电导值之和的乘积。

进一步的，所述第一忆阻器的电导具体为：

dgl＝klsign(v1)v1^2,ifv1＞vth

其中，gl表示非易失性忆阻器对应的长时记忆电导，v1为写电压，kl为变化常数，sign(v1)为电压信号v1的符号，vth为电压阈值，低于阈值以下的电压对第一忆阻器长时记忆无影响。

进一步的，所述第二忆阻器的电导具体为：

其中，gs表示易失性忆阻器对应的电导，v2为短时记忆写电压，ks为短时记忆变化常数，sign(v2)为电压信号v2的符号，f为衰减速度，gs最后会衰减至0。

第二方面，提供了一种图片存储器，包括如第一方面中任意一项所述的一种电压源串联遗忘忆阻突触结构。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型提供的电压源串联遗忘忆阻突触结构，通过设置不同参数，对忆阻器的遗忘特性进行调整和控制，同时具有长短时记忆功能；

2、本实用新型通过控制忆阻器的电阻，使输出电流信号与权值对应，结合遗忘特性，可以通过控制单个忆阻器的长短时记忆电阻，控制遗忘突触的长短时记忆权值，串联遗忘忆阻器突触对忆阻器要求最低，可以采用目前已发现的忆阻器实现；

3、本实用新型提供的电压源串联遗忘忆阻突触结构应用于长时和短时图片存储，存储容量翻倍；

4、本实用新型提供的电压源串联遗忘忆阻突触结构，其短时记忆权值通过时间变化自动切换成长时记忆权值，不需要外加信号，因此遗忘突触也不会增加系统的功耗。对比传统突触，遗忘突触更具有应用价值；

5、传统突触设置的权值通常是单一的，而本实用新型提供的电压源串联遗忘忆阻突触结构的长短时记忆特性导致它能表示两个权值，两个权值在不同的时间工作，因此相同结构下，遗忘突触的功能更为强大。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例中的工作原理示意图；

图2是本实用新型实施例中突触结构控制脉冲信号的示意图；

图3是本实用新型实施例中突触结构存储图片的图片演变示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。

实施例1：一种电压源串联遗忘忆阻突触结构，如图1所示，包括电压源、第一忆阻器、第二忆阻器，电压源的正极与第一忆阻器、第二忆阻器依次串联后连接电流输出端iout，电压源的负极接地。

在本实施例中，第一忆阻器为具有阈值特性的非易失性忆阻器，第二忆阻器为易失性忆阻器。将忆阻器电阻值映射到[0,1]之间，并与映射到[0,1]之间的权值一一对应。忆阻器的电阻有两种类型，一种是长时记忆，保持时间比较长，通常称为非易失性，一种是短时记忆，保持时间比较短，通常称为易失性。

非易失性忆阻器为只具有长时记忆的忆阻器，将忆阻器行为进行理想化处理，并考虑阈值特性，第一忆阻器的电导具体为：

dgl＝klsign(v1)v1^2,ifv1＞vth

其中，gl表示非易失性忆阻器对应的长时记忆电导，v1为写电压，kl为变化常数，sign(v1)为电压信号v1的符号，vth为电压阈值，低于阈值以下的电压对第一忆阻器长时记忆无影响。

而易失性忆阻器，其最低电导为其稳定状态，可理解为只具有短时记忆的忆阻器，也即长时记忆为0，第二忆阻器的电导具体为：

gs表示易失性忆阻器对应的电导，v2为短时记忆写电压，ks为短时记忆变化常数，sign(v2)为电压信号v2的符号，f为衰减速度，gs最后会衰减至0。

忆阻器的电导值映射到[0,1]之间，使忆阻器电导与权值对应，串联忆阻器的权值表示范围为[0,2]之间，但串联忆阻器的长时记忆小于短时记忆，并且不超过1。电压信号与权值，也即电导值进行乘法运算之后输出的为电流信号，输出的电流信号可以直接进行累加运算，从而避免了镜像电路，但依然受权值表示范围上的限制。

对于串联忆阻器而言，两个忆阻器的电导相当于短时记忆，非易失性忆阻器的电导相当于长时记忆，易失性忆阻器的电导为短时记忆与长时记忆的差值，因此非易失性和易失性忆阻器两者串联形成的突触，同时具有了可编写的长短时记忆，如图1所示，m1为具有阈值特性的非易失性忆阻器，m2为易失性忆阻器。此种类型的串联突触，iout＝(g1 g2)vin＝wvin，也即w＝g1 g2，权值等价于串联之后的电导。两个忆阻器的串联电导能在[0，2]之间变化，但是短时记忆始终大于长时记忆，而且长时记忆必定小于1，同时长短时记忆对应权值符号必须相同(通常只能表示正权值，加上反相器，就只能表示负权值)。用两个忆阻器串联的电阻g1 g2表示短时记忆权值，用g1表示长时记忆权值，因此g2对应短时记忆权值与长时记忆权值的差。

为方便权值的统一设置，将串联忆阻器对应的长时记忆电导值g1和短时记忆与长时记忆电导差值g2作为一组权值一起设置，称为重置信号。重置信号分为两种，长时记忆重置信号和短时记忆重置信号，长时记忆的重置信号采用大于阈值的高电压v1，单位作用周期为t1，短时记忆的重置信号采用小于阈值的低电压v2，单位作用时间为t2。单位周期t1内，v1可以使长时记忆从最小电导到最大电导互转，单位周期t2内，v2可以使短时记忆从最小电导到最大电导互转。t1和t2作为固定脉冲周期，可以使不同忆阻器权值的设置进行同步控制。所有的重置信号都包含两个部分，第一部分为初始化信号，将串联忆阻器的长时记忆或短时记忆初始化，正权值(包括0)初始化为1，负权值初始化为-1，第二部分为设置信号，根据相应权值设计单位周期里电压信号占空比将长时记忆或短时记忆设置到对应权值。由于v1>v2，因此先重置长时记忆，后重置短时记忆，v1作用完之后，随后的短时记忆电压v2可重新初始化短时记忆，v2由于幅值小于长时记忆阈值，不会影响长时记忆。设置好的长短时记忆电阻值之间，串联忆阻器首先处于短时记忆电导状态，而短时记忆电导会随着时间变化自发变化为长时记忆电导，忆阻器到达长时记忆电导状态后不再随着时间变化，但可以通过短时记忆重置信号重新回到短时记忆电导状态。

权值设置实例，以mv和μs作为标准单位，设置忆阻器模型中kl＝10^-5，ks＝10^-2，采用三组权值进行对比，假如第一组权值长时记忆为1.2，短时记忆为0.5，第二组权值长时记忆为0.1，短时记忆为-0.1，第三组权值长时记忆为0.2，短时记忆为0.5。

串联遗忘忆阻器突触，取电压信号v1＝100mv，单位周期t1为10μs，v2＝10mv，单位周期t2为1μs。经计算可知长时记忆电导δgl和短时记忆电导δgs等于输入电压信号v1和v2的占空比。根据上述公式，第一组权值长时记忆大于1，而且大于短时记忆，无法设置。第二组长时记忆和短时记忆一个为正权值一个为负权值，无法同时表示。第三组权值，根据权值与电导的对应关系，可得g1为0.2，g2为0.3，所以控制信号幅值和占空比为，(v1，1)(-v1，0.8)(v2，1)，(-v2，0.7)。

结合v1和v2的单位周期t1和t2，展示权值设置信号，(100mv，10μs)(-100mv，8μs)(10mv，1μs)，(-10mv，0.7μs)，如图2所示，串联遗忘突触电压源端口的完整控制信号，包括第三组权值长时记忆初始化信号，长时记忆重置信号，短时记忆初始化信号，短时记忆重置信号。

实施例2：一种图片存储器，该存储器基于实施例1所示的一种电压源串联遗忘忆阻突触结构。

如图3所示，采用由遗忘串联忆阻器组成的忆阻交叉架构表示图片，每一个像素点对应一个串联遗忘突触，可以实现图片的长短时记忆存储和演变。串联忆阻器的整体电导对应灰度[0,255]，其中非易失性忆阻器表示长时记忆，存储样本图片1，对应灰度[0,127]；非易失性和易失性忆阻器一起的电导表示短时记忆，对应样本图片2，这是初始图片，对应像素范围[128,255]，短时记忆图片与长时记忆图片的灰度差采用易失性忆阻器表示，易失性忆阻器表示的灰度范围在[0,127]之间，最后所有易失性电导都会变为最低状态，这里对应0，所以这部分灰度为容易遗忘的部分。衰减速度随机，一旦写入完毕，只需等待时间流逝，串联忆阻器会收敛到非易失性忆阻器电导上，样本图片1会逐渐显现出来。具体流程如下：

(1)将样本图片1像素值映射到[0,127]之间，作为长时记忆电导，也即非易失忆阻器的电导。

(2)将样本图片2像素值映射到[128,255]范围，作为短时记忆电导；将样本图片2与样本图片1的差值作为易失性忆阻器的电导值。

(3)通过电压源将非易失性忆阻器写入长时记忆对应电导，电导值也即长时信号v1占空比。

(4)通过电压源将易失性忆阻器写入长时记忆与短时记忆差值对应电导，电导值也即短时信号v2占空比。

(5)忆阻器电导从短时记忆随时间收敛至长时记忆电导，对应样本图片2收敛至长时样本图片1。

(6)将长时图片对应灰度翻倍，即可得到样本图片1。

图片存储和演变效果如图3所示，作为对比我们将串联忆阻器电导对应像素灰度[0，255]展示图片，可以看到与实际图片对比，初始图片偏亮，这是因为初始图片映射到[128,255]灰度区间，忆阻器上存储的最终图片相较原图偏暗，这是因为长时电导对应的图片只映射到[0,127]，中间过程中图片从亮到暗是因为短时记忆电导一直在衰减。其中，a为串联忆阻器上初始图片；b为易失性忆阻器初始图片；c为串联忆阻器上中间图片；d为串联忆阻器上最终图片；e为实际初始图片；f为易失性忆阻器实际初始图片；g为实际中间图片；h为实际最终图片。

本具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。