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    基于憶阻的全功能巴甫洛夫聯(lián)想記憶電路的設(shè)計、實現(xiàn)與分析

    2022-06-25 08:40:34董哲康錢智凱周廣東紀(jì)曉悅齊冬蓮賴俊升
    電子與信息學(xué)報 2022年6期
    關(guān)鍵詞:巴甫洛夫阻器低電平

    董哲康 錢智凱 周廣東 紀(jì)曉悅 齊冬蓮 賴俊升

    ①(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院 杭州 310018)

    ②(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 杭州 310027)

    ③(西南大學(xué)人工智能學(xué)院 重慶 400715)

    ④(英國倫敦布魯奈爾大學(xué)電子與計算機(jī)工程系 倫敦 UB8 3PH)

    1 引言

    神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)描述了受生物大腦啟發(fā)運用動/靜態(tài)電路來模擬神經(jīng)生物學(xué)結(jié)構(gòu)和功能的超大規(guī)模集成系統(tǒng),其以現(xiàn)代電路理論為基礎(chǔ),廣泛融合神經(jīng)生物學(xué)、材料科學(xué)、腦科學(xué)等不同領(lǐng)域的前沿成果,旨在解決傳統(tǒng)計算架構(gòu)并行計算能力弱、信息層級處理效率低等問題[1,2]??茖W(xué)界普遍認(rèn)為:由腦科學(xué)啟發(fā)的神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)的深入研究有利于推進(jìn)新一代人工智能技術(shù)和新型信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[3,4]。特別地,在神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)的研究過程中,“聯(lián)想記憶電路”能夠模擬生物真實的學(xué)習(xí)和遺忘過程,是構(gòu)建更接近于人類大腦結(jié)構(gòu)和功能的智能信息處理系統(tǒng)的關(guān)鍵[5,6]。

    巴甫洛夫條件反射實驗作為生物聯(lián)想記憶的經(jīng)典案例之一[7,8],其對應(yīng)的電路實現(xiàn)方案被相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者廣泛研究。目前,巴甫洛夫聯(lián)想記憶電路的實現(xiàn)方案大致可以分為兩類:

    (1)基于憶阻器實物的實現(xiàn)方案:2012年德國基爾大學(xué)Zigler團(tuán)隊[7]成功研制了一種Pt/Ge0.3Se0.7/SiO2/Cu結(jié)構(gòu)的憶阻器,并結(jié)合少量的模擬電路元器件,設(shè)計了一種具有簡單聯(lián)想學(xué)習(xí)功能的巴甫洛夫條件反射電路。2013年Bicher等人[8]設(shè)計了一種基于單個納米顆粒有機(jī)記憶場效應(yīng)管 (Nanoparticle Organic Memory Field-Effect Transistor, NOMFET)憶阻器的電子突觸,在此基礎(chǔ)上搭建了巴甫洛夫條件反射電路,實現(xiàn)了聯(lián)想記憶中的學(xué)習(xí)和遺忘過程。Hu等人[9]研制了一種具有生物突觸的短/長時程可塑性的憶阻器,并利用該憶阻器構(gòu)建了相應(yīng)的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),成功模擬了巴甫洛夫條件反射實驗過程。Li等人[10]制備了Ag/AgInSbTe/Ta結(jié)構(gòu)的憶阻器,并結(jié)合該器件特征,設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的聯(lián)想學(xué)習(xí)電路,實驗證明該電路能夠模擬巴甫洛夫條件反射實驗中的學(xué)習(xí)和遺忘功能。Yu等人[11]以殼聚糖為原料制備了一種柔性憶阻器,基于脈沖時序依賴可塑性學(xué)習(xí)規(guī)則設(shè)計了憶阻神經(jīng)形態(tài)電路,模擬巴甫洛夫聯(lián)想記憶中的學(xué)習(xí)和遺忘過程。徐威等人[12]制備了一種Cu/MXene/SiO2/W結(jié)構(gòu)的憶阻器,基于該器件構(gòu)建了憶阻突觸并設(shè)計神經(jīng)形態(tài)電路,成功模擬了經(jīng)典巴浦洛夫條件反射行為。Pei等人[13]研制了低功耗、高穩(wěn)定的碳量子點憶阻器,完成了包括短/長時程可塑性、脈沖時序依賴可塑性、穩(wěn)態(tài)可塑性在內(nèi)的多類型突觸可塑性的測試,并以此構(gòu)建憶阻神經(jīng)形態(tài)電路,實現(xiàn)了巴甫洛夫聯(lián)想記憶。

    (2)基于憶阻器模型的實現(xiàn)方案:2010年P(guān)ershin團(tuán)隊[14]設(shè)計了一種2輸入1輸出(2I1O)結(jié)構(gòu)的巴甫洛夫條件反射電路,該電路使用2個憶阻突觸連接3個電子神經(jīng)元實現(xiàn)聯(lián)想記憶。2013年Chen等人[15]基于MIF學(xué)習(xí)規(guī)則和多閾值神經(jīng)元模型設(shè)計了一種憶阻神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)能夠模擬巴甫洛夫條件反射的泛化和分化學(xué)習(xí)。2016年Wang等人[16]構(gòu)建了基于脈沖速率依賴可塑性的憶阻神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)了聯(lián)想記憶中的學(xué)習(xí)過程和兩類遺忘過程。2018年Yang等人[17]構(gòu)建了一種基于憶阻器的全功能巴甫洛夫聯(lián)想記憶電路,實現(xiàn)了聯(lián)想記憶中的學(xué)習(xí)過程和3類遺忘過程。該團(tuán)隊進(jìn)一步設(shè)計了一種具有泛化和分化學(xué)習(xí)能力的聯(lián)想記憶電路,采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方法對電路進(jìn)行訓(xùn)練,擴(kuò)展了巴甫洛夫條件反射電路的功能[18]。2021年Sun等人[19]設(shè)計了一種具有雙模式切換功能的憶阻神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路,該電路考慮了不同學(xué)習(xí)過程之間的抑制效應(yīng),成功模擬了包含聲音和光照兩種刺激的巴甫洛夫條件反射行為。

    上述兩類實現(xiàn)方案在一定程度上均能模擬經(jīng)典的巴甫洛夫條件反射實驗,但是也存在著各自的問題(匯總于表1):基于憶阻器實物的實現(xiàn)方案由于憶阻器在制備過程中影響因素較多且難以控制,使得憶阻器性能不穩(wěn)定且器件之間存在較大差異,僅能模擬聯(lián)想記憶中簡單的學(xué)習(xí)或遺忘過程;基于憶阻器模型的實現(xiàn)方案通常能模擬功能相對完備的巴甫洛夫聯(lián)想記憶過程,但是往往存在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、器件數(shù)量繁多、功耗過高等問題。此外,對于經(jīng)典的條件反射來說,條件刺激與非條件刺激必須遵循嚴(yán)格的時序關(guān)系[7,8]。部分實現(xiàn)方案的學(xué)習(xí)過程未考慮刺激的輸入順序,與實際的條件反射形成機(jī)制不符,缺乏真實的生物特性?;诖?,本文提出一種新型全功能巴甫洛夫聯(lián)想記憶電路,主要貢獻(xiàn)如下:

    表1 巴甫洛夫聯(lián)想記憶電路的對比信息匯總

    (1)基于水熱合成法和磁控濺射法成功制備了Ag/TiOxnanobelt/Ti憶阻器,利用電化學(xué)工作站、四探針測試臺和透射電子顯微鏡組成的性能測試系統(tǒng),剖析了空氣中水分子與氧空位作用對Ag/TiOxnanobelt/Ti憶阻器性能的影響,為后續(xù)憶阻器件的制備和應(yīng)用提供了良好的參照。

    (2)分析Ag/TiOxnanobelt/Ti憶阻器內(nèi)部的物理機(jī)制,利用測試數(shù)據(jù)分別構(gòu)建了對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和SPICE電路模型,為實物憶阻器與神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)、大規(guī)模集成電路等領(lǐng)域的深度融合提供了模型支持。

    (3)利用提出的憶阻器電路模型,設(shè)計了一種包含2類學(xué)習(xí)過程和3類遺忘過程的全功能巴甫洛夫聯(lián)想記憶電路,相比于已有的工作,提出的電路設(shè)計更簡單、功能更完善且實現(xiàn)過程更符合生物的真實特性。

    2 Ag/TiOx nanobelt/Ti憶阻器的制備

    本文基于水熱合成法和磁控濺射法制備了Ag/TiOxnanobelt/Ti 結(jié)構(gòu)的憶阻器,其中水熱合成法用于制備TiOx納米帶,磁控濺射法用于制備Ag電極,具體的憶阻器制備流程如圖1所示。

    步驟1 為了去除鈦片表面的污染物,將鈦片用去離子水、鹽酸依次清洗30 min;

    步驟2 將清洗干凈的鈦片移至馬沸爐,在200 °C的空氣中熱處理3 h;

    步驟3 稱取2.0 g的NaOH加入20 mL的去離子水中,并且在室溫下攪拌30 min直至其完全溶解;

    步驟4 稱取2.0 g的TiO2納米粉末(納米球的平均直徑約為20 nm),加入到上述制備好的NaOH溶液中,同時用磁力攪拌器不斷攪拌直至TiO2納米粉末完全溶解,制備得到前驅(qū)體溶液;

    步驟5 將上述前驅(qū)體溶液轉(zhuǎn)移到50 mL的水熱反應(yīng)釜中,同時往水熱反應(yīng)釜中插入經(jīng)過熱處理的鈦片,本次制備過程中,鈦片將作為TiOx納米帶陣列的基底;

    步驟6 將反應(yīng)釜放置于一個200 °C的烘箱中并保持48 h,鈦片基底表面形成藍(lán)灰色薄膜;

    步驟7 取出鈦片,依次使用濃度為10%HCl和去離子水清洗90 s和10 min;

    步驟8 清洗操作完成之后,將該鈦片放置在80 °C的烘箱中干燥24 h;

    步驟9 采用磁控濺射的方法,在表面生長TiOx納米帶陣列的鈦片上制備直徑約為200 μm、厚度約為100 nm的Ag電極,形成Ag/TiOxnanobelt/Ti結(jié)構(gòu)的憶阻器。

    本文利用電化學(xué)工作站(CHI-660D)、四探針測試臺(Lake Shore TTPX)和透射電子顯微鏡對制備的Ag/TiOxnanobelt/Ti憶阻器進(jìn)行聯(lián)合性能測試,具體的測試電路如圖2(a)所示。特別地,電化學(xué)工作站主要用于測試憶阻器的I-V特性曲線,四探針測試臺腔體內(nèi)安裝有小型濕度計負(fù)責(zé)檢測空氣相對濕度(Relative Humidity, RH),透射電子顯微鏡用于表征材料的化學(xué)性能?;趫D2(a),測試電路的左邊為Ag電極的光學(xué)圖像,測試電路的右邊為納米帶的透射電子顯微鏡圖像。Ag/TiOxnanobelt/Ti憶阻器的憶阻效應(yīng)是由氧空位遷移和金屬(Ag)導(dǎo)電細(xì)絲的形成和斷裂共同主導(dǎo)的。當(dāng)對Ag電極施加負(fù)向掃描電壓,Ti電極接地時,TiOxnanobelt/Ti界面處的氧空位逐漸向Ag電極方向遷移,而Ag/TiOxnanobelt界面處的水分子與氧空位進(jìn)行分解反應(yīng)產(chǎn)生OH—。隨著負(fù)向掃描電壓逐漸增加,OH—不斷增加,氧空位遷移形成的導(dǎo)電通道不斷被擴(kuò)寬,憶阻器逐漸由高阻態(tài)(High Resistance State, HRS)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)(Low Resistance State,LRS)。同樣地,當(dāng)對Ag電極施加正向掃描電壓,Ti電極接地時,Ag電極開始氧化形成Ag+,在電場作用下向Ti電極遷移,到達(dá)Ti電極后還原成Ag原子并堆積產(chǎn)生金屬細(xì)絲導(dǎo)電通道。特別地,該導(dǎo)電通道與氧空位遷移形成的導(dǎo)電通道方向相反,此時器件電流增加緩慢,器件仍處于LRS。當(dāng)正向掃描電壓逐漸減小至零時,金屬細(xì)絲導(dǎo)電通道和氧空位遷移形成的導(dǎo)電通道處于斷裂狀態(tài),器件由LRS轉(zhuǎn)變?yōu)镠RS。

    圖2(b)分別是空氣相對濕度為0%,35%和95%時測量得到的器件I-V特性曲線,器件兩端所加的電壓為±6 V,電壓掃描的速率為1 V/s。需要說明的是,3類空氣相對濕度的實驗環(huán)境可以通過以下方法獲得:(1)在實驗室條件下,其空氣相對濕度約為35%;(2)將加熱后的實驗室空氣通入3個相互連接的裝有CaO粉末的試管,可獲得空氣相對濕度為0%的實驗環(huán)境;(3)將實驗室空氣持續(xù)通入裝有去離子水的洗氣瓶,可以得到空氣相對濕度約為95%的實驗環(huán)境?;趫D2(b),Ag/TiOxnanobelt/Ti憶阻器的I-V特性會受到環(huán)境濕度的影響。具體地,當(dāng)環(huán)境濕度RH=0%時,器件中能觀察到非標(biāo)準(zhǔn)法拉第電容狀態(tài)(Non-standard Faradic Capacitance, NFC);當(dāng)RH的值增加到35%~45%時,器件中能夠觀察到類電池電容狀態(tài)(Battery-Like Capacitance, BLC);當(dāng)RH的值繼續(xù)增加到95%~100%時,器件中能夠觀察到阻變狀態(tài)(Resistive Switching, RS)。需要說明的是,本文討論的Ag/TiOxnanobelt/Ti憶阻器即環(huán)境濕度RH保持在95%~100%時的Ag/TiOxnanobelt/Ti器件。

    圖2 Ag/TiOx nanobelt/Ti憶阻器的性能測試

    3 Ag/TiOx nanobelt/Ti憶阻器建模

    基于文獻(xiàn)[20-22],大部分憶阻器的制備容易受到實驗環(huán)境、納米材料等諸多不可控因素的影響,導(dǎo)致器件差異性較大,后續(xù)的應(yīng)用研究難以開展。因此,這部分主要對制備得到的Ag/TiOxnanobelt/Ti憶阻器進(jìn)行建模,具體如下:

    Ag/TiOxnanobelt/Ti憶阻器的憶阻效應(yīng)由氧空位遷移形成的導(dǎo)電通道和金屬細(xì)絲形成的導(dǎo)電通道共同主導(dǎo),滿足肖特基隧穿(Schottky tunneling)機(jī)理[23]。該機(jī)理的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

    其中,wc, aL和aH均為擬合參數(shù)。

    需要指出的是,本文中各項擬合參數(shù)均采用基于順序模型的全局參數(shù)優(yōu)化算法[26](Sequential Model-Based global Optimization, SMBO)得到。

    接著,本文構(gòu)建了Ag/TiOxnanobelt/Ti憶阻器模型的等效電路(如圖3(a)所示),該電路包含兩個電流源Gm, Gx和一個電容Cx。對應(yīng)地,模型擬合仿真結(jié)果如圖3(b)所示,其中藍(lán)色圓球表示Ag/TiOxnanobelt/Ti憶阻器在掃描電壓(幅值:6 V,掃描速率:1 V/s)作用下實測的I-V響應(yīng)數(shù)據(jù),紅色實線表示憶阻器的I-V響應(yīng)曲線。為了驗證構(gòu)建的憶阻器模型的精確度,本文使用相對均方根誤差(Relative Root Mean Square Error, RRMSE)作為評判標(biāo)準(zhǔn)[27],RRMSE的數(shù)值越小,表明構(gòu)建的憶阻器模型與制備的實物憶阻器越接近。經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠嬎悖疚哪P偷腞RMSE為0.138%(遠(yuǎn)小于1%),驗證了提出模型的精準(zhǔn)度。

    圖3 Ag/TiOx nanobelt/Ti憶阻器建模

    相應(yīng)地,為了促進(jìn)該憶阻器模型在電路仿真中的應(yīng)用,本文構(gòu)建了Ag/TiOxnanobelt/Ti憶阻器的SPICE模型,其子電路描述如表2所示。

    表2 Ag/TiOx nanobelt/Ti憶阻器SPICE模型子電路描述

    4 基于憶阻的全功能巴甫洛夫聯(lián)想記憶電路

    基于經(jīng)典的巴甫洛夫條件反射實驗[28,29],實驗過程可以分為兩個部分,即學(xué)習(xí)過程和遺忘過程。

    (1)學(xué)習(xí)過程:初始狀態(tài)下,當(dāng)實驗者給狗喂肉時,狗本能地發(fā)生流涎反應(yīng),此時肉屬于非條件刺激(Unconditional Stimulus, US);當(dāng)單獨給狗提供鈴聲時,狗不會發(fā)生流涎反應(yīng),此時的鈴聲屬于中性刺激(Neural Stimulus, NS)。學(xué)習(xí)過程分為2種情況,L1:當(dāng)給狗喂肉之前先提供鈴聲,經(jīng)過反復(fù)訓(xùn)練后,僅給狗提供鈴聲時,狗會發(fā)生流涎反應(yīng),此時鈴聲由NS變?yōu)闂l件刺激(Conditional Stimulus, CS)。特別地,當(dāng)實驗者繼續(xù)給狗提供一個類似刺激(Similar Stimulus, SS)時,狗同樣也會產(chǎn)生流涎反應(yīng)。需要注意的是,本文將SS假設(shè)為另一低響度鈴聲。L2:當(dāng)給狗喂肉之前提供正常鈴聲,而提供低響度鈴聲時并不給狗喂肉,經(jīng)過反復(fù)訓(xùn)練后,狗在聽到正常鈴聲時會發(fā)生流涎反應(yīng),而在聽到低響度鈴聲時將停止分泌唾液。

    (2)遺忘過程:條件反射已經(jīng)形成,遺忘過程分為3種情況,F(xiàn)1:僅給狗喂肉,經(jīng)過一段時間,當(dāng)單獨給狗提供鈴聲時,狗未發(fā)生流涎反應(yīng);F2:僅給狗提供鈴聲,經(jīng)過一段時間,當(dāng)繼續(xù)給狗提供鈴聲時,狗未發(fā)生流涎反應(yīng);F3:不提供任何刺激,經(jīng)過一段較長的時間,給狗提供鈴聲時,狗未發(fā)生流涎反應(yīng)。

    需要說明的是,基于參考文獻(xiàn)[30],生物體記憶的形成過程包括感覺記憶(Sensory Memory,SM)、短期記憶(Short-Term Memory, STM)和長期記憶(Long-Term Memory, LTM)3個階段。本文從短期記憶的機(jī)理出發(fā),主要研究巴甫洛夫聯(lián)想記憶中短期的學(xué)習(xí)過程和遺忘過程。為了更直觀地表達(dá)上述兩種學(xué)習(xí)過程和3種遺忘過程,本文將兩個過程中涉及的所有信息匯總于表3。

    4.1 電路設(shè)計

    結(jié)合表3,本文根據(jù)Ag/TiOxnanobelt/Ti憶阻器模型的電氣特性,提出了一種新的基于憶阻的全功能巴甫洛夫聯(lián)想記憶電路,如圖4所示。

    表3 巴甫洛夫聯(lián)想記憶信息匯總

    基于圖4,電路為3輸入1輸出的結(jié)構(gòu),輸入端US, RS和SS分別表示肉信號、正常鈴聲信號和低響度鈴聲信號,且每個信號均具有兩種狀態(tài),即高電平狀態(tài)VH和低電平狀態(tài)VL。具體地,當(dāng)US,RS和SS為VH時,表示給狗提供對應(yīng)的信號;反之,當(dāng)3種信號為VL時,表示不給狗提供任何信號。輸出端則由輸出電壓Vout表示。主體電路由3個部分組成,即邏輯模塊、計算模塊以及輸出模塊。其中,邏輯模塊由兩個異或門構(gòu)成,主要用于改變輸入信號的狀態(tài)。計算模塊包含1個增益電路,2個憶阻器M1和M2(極限阻值為RL和RH)、2個常規(guī)電阻R1和R2、2個晶體管(控制電壓為g)以及1個絕對值電路。特別地,絕對值電路為經(jīng)典的雙運算放大器級聯(lián)電路,該電路具有精確性高、魯棒性強(qiáng)的優(yōu)勢[31]。本文基于PSpice軟件平臺給出了一組絕對值電路的仿真測試結(jié)果(如圖4左下區(qū)域所示)。輸出模塊由1組CMOS晶體管構(gòu)成,主要用于模擬狗的流涎反應(yīng)。具體地,當(dāng)輸出電壓Vout=Vdd時,表示狗發(fā)生了流涎反應(yīng);當(dāng)Vout=Gnd時,表示狗未發(fā)生流涎反應(yīng)。特別地,為了電路能夠正常運行,本文假設(shè):RL=R1<<R2<<RH, M1和M2的初始阻值分別設(shè)置為RH和RL,電壓VC<0。

    圖4 基于憶阻的全功能巴甫洛夫聯(lián)想記憶電路

    4.2 功能分析

    基于表3,本文將整個過程分為7種情況(情況1-情況7):其中,情況1為初始狀態(tài),情況2、情況4和情況6為學(xué)習(xí)過程(包含訓(xùn)練部分和測試部分),情況3、情況5和情況7為遺忘過程,具體如下:

    情況1 (1) 當(dāng)g=US=1, RS=SS=0時(邏輯“1”表示高電平VH,邏輯“0”表示低電平VL),根據(jù)基爾霍夫電流定律KCL,得到節(jié)點電壓方程

    根據(jù)參數(shù)設(shè)定,M1的初始阻值為RH,本文設(shè)定VL=0 V,得到節(jié)點電壓VS≈VC·R1/(R1+R2)≈0 V。此時Vout等于Gnd,表明給狗單獨提供鈴聲未發(fā)生流涎反應(yīng),此時鈴聲信號屬于NS。

    情況2 (1) 當(dāng)g=US=RS=1,SS=0時(訓(xùn)練階段),根據(jù)KCL得到節(jié)點電壓方程

    根據(jù)憶阻值的變化規(guī)律,M1將減小至RL,本文假設(shè)RL=R1,得到節(jié)點電壓VS≈0.5VH。此時,輸出電壓Vout等于Vdd,表明給狗提供鈴聲和肉時,狗能夠發(fā)生流涎反應(yīng)。

    (2) 當(dāng)g=RS=1, US=SS=0時(測試階段),由于憶阻器具有非易失性,M1仍為RL,此時節(jié)點電壓VS≈0.5VH, Vout=Vdd,表明經(jīng)過訓(xùn)練后單獨給狗提供鈴聲能發(fā)生流涎反應(yīng),鈴聲信號轉(zhuǎn)變?yōu)镃S。

    (3) 當(dāng)g=RS=US=0,SS=1時(測試階段),根據(jù)KCL得到節(jié)點電壓方程

    其中,VMid為經(jīng)過增益電路得到的輸出電壓,其幅值為VH的1/2。由于M2的初始阻值為RL,得到瞬時節(jié)點電壓VS≈0.25VH, Vout=Vdd,表明經(jīng)過訓(xùn)練后,給狗提供一個類似信號也能發(fā)生流涎反應(yīng)(屬于L1類別)。

    情況3 (1) 當(dāng)g=US=1, RS=SS=0時,電路的輸入、輸出情況與情況1的(1)相同,憶阻器M1將增大至極大憶阻值RH,節(jié)點電壓VS≈VH,輸出電壓Vout等于Vdd,表明狗發(fā)生了流涎反應(yīng)。

    (2) 當(dāng)g=RS=1, US=SS=0時,節(jié)點電壓方程與式(8)一致,由于M1的阻值趨于RH,此時VS≈0 V, Vout=Gnd,狗未發(fā)生流涎反應(yīng)。上述兩個步驟表明:給狗單獨喂肉一段時間后再給狗提供鈴聲,狗不會發(fā)生流涎反應(yīng),表明狗遺忘了先前建立的條件反射(屬于F1類別)。

    情況4 該種情況下電路的輸入、輸出情況與情況2的(1)和(2)相同,根據(jù)憶阻值的變化規(guī)律,M1將減小至RL,VS≈0.5VH,Vout=Vdd,表明再次給狗提供肉和鈴聲訓(xùn)練一段時間,狗能重新建立條件反射。

    情況5 (1) 當(dāng)g=RS=1,US=SS=0時,電路的輸入、輸出與情況4的(2)相同,M1瞬時阻值為RL,瞬時節(jié)點電壓VS≈0.5VH,輸出電壓Vout=Vdd,表明該時刻單獨給狗提供鈴聲能夠發(fā)生流涎反應(yīng)。

    (2) 保持輸入信號狀態(tài)不變,節(jié)點電壓方程與式(8)一致,M1將增大至RH, VS≈VC·R1/(R1+R2)≈0 V,輸出電壓Vout等于Gnd,表明給狗單獨提供鈴聲一段時間后,狗不會發(fā)生流涎反應(yīng),表明狗遺忘了先前建立的條件反射(屬于F2類別),此時鈴聲信號屬于中性刺激NS。

    情況6 (1) 當(dāng)g=US=RS=1,SS=0時(訓(xùn)練階段),電路的輸入、輸出與情況2的(1)相同,經(jīng)過很短時間的訓(xùn)練,M1將減小至RL, VS≈0.5VH,Vout=Vdd,表明給狗提供鈴聲和肉時,狗能夠發(fā)生流涎反應(yīng)。

    (2) 當(dāng)g=RS=US=0,SS=1時(訓(xùn)練階段),經(jīng)過一段時間的訓(xùn)練,M2將從初始阻值RL增大為RH,此時VS≈VL, Vout=Gnd,表明給狗單獨提供另一鈴聲訓(xùn)練一段時間后,狗不會發(fā)生流涎反應(yīng)。

    (3) 當(dāng)g=RS=1, US=SS=0時(測試階段),電路的輸入、輸出與情況2的(2)相同,此時M1的瞬時阻值為RL, VS≈0.5VH, Vout=Vdd,表明經(jīng)過訓(xùn)練后單獨給狗提供鈴聲能發(fā)生流涎反應(yīng),鈴聲信號轉(zhuǎn)變?yōu)镃S。

    (4) 當(dāng)g=RS=US=0, SS=1時(測試階段),M2的阻值為RH,節(jié)點電壓VS≈VL,輸出電壓Vout等于Gnd,表明經(jīng)過強(qiáng)化訓(xùn)練后,當(dāng)給狗提供另一低響度鈴聲時,狗不會發(fā)生流涎反應(yīng)。

    情況7 (1) 當(dāng)SS=RS=US=0, g=1時,根據(jù)KCL得到節(jié)點電壓方程

    基于式(11),得到VS≈VC/(R2/R1+R1/M1)≈0 V,表面此時M1無論取何值,輸出電壓Vout均趨于Gnd,表明既不給狗提供鈴聲也不給狗喂肉,狗不會發(fā)生流涎反應(yīng)。

    (2) 當(dāng)g=RS=1, US=SS=0時,電路的輸入、輸出與情況1的(2)相同,表明給狗單獨提供鈴聲時,狗不會發(fā)生流涎反應(yīng),狗遺忘了先前建立的條件反射(屬于F3類別),此時鈴聲為中性刺激NS。

    5 仿真結(jié)果與分析

    5.1 實驗平臺及參數(shù)設(shè)置

    本文實驗過程中的硬件設(shè)備:戴爾塔式工作站(酷睿i7-6700型處理器、16 GB DDR4內(nèi)存)。本文實驗過程中使用的軟件平臺主要有Matlab 2016b和PSpice 9.2。其中,Matlab主要用于實現(xiàn)Ag/TiOxnanobelt/Ti憶阻器的數(shù)學(xué)建模以及數(shù)值仿真;PSpice主要用于模擬基于憶阻的巴甫洛夫聯(lián)想記憶電路。

    實驗過程中具體參數(shù)設(shè)置如下:Ag/TiOxnanobelt/Ti憶阻器模型的參數(shù)詳見表2,巴甫洛夫聯(lián)想記憶電路中常規(guī)電阻R1=RL=100 Ω, R2=10 kΩ, RH=1 MΩ,絕對值子電路中電阻Ra1=Ra2=Ra3=Ra4=Ra5=10 kΩ,增益子電路中電阻Rg1=Rg2=Rg4=10 kΩ, Rg3=30 kΩ,電壓部分VC=-3 V,Vdd=VH=6 V, VL=0 V。

    5.2 實驗結(jié)果及分析

    圖5中,實驗結(jié)果包含兩個過程:過程(1)和過程(2)??刂菩盘杇(黑色實線)一直處于高電平狀態(tài),表明RS支路處于連通狀態(tài)。過程 (1):當(dāng)US(紅色實線)處于高電平狀態(tài)而RS(綠色實線)處于低電平狀態(tài)時,輸出信號Vout(棕色實線)為高電平,表明給狗喂肉時,狗會發(fā)生流涎反應(yīng);過程 (2):當(dāng)US處于低電平狀態(tài)而RS處于高電平狀態(tài)時,輸出信號Vout為低電平,表明給狗單獨提供鈴聲時,狗未發(fā)生流涎反應(yīng),此時鈴聲屬于NS。兩個過程中,M1的阻值(紫色實線)一直處于初始狀態(tài)(即RH)。

    圖5 情況1(初始狀態(tài))的電路仿真結(jié)果

    基于圖6,實驗結(jié)果包含3個過程:過程(1)、過程(2)和過程(3)。其中,過程(1)為訓(xùn)練過程,過程(2)和(3)均為測試過程。過程 (1):控制信號g處于高電平狀態(tài),表明RS支路處于連通狀態(tài),RS提前US Δt≈10 ms輸入電路,此時M1的阻值趨于RL,Vout為與US同步的高電平信號,表明狗產(chǎn)生流涎反應(yīng)。特別地,當(dāng)時間t≈500 ms時,鈴聲信號RS先于肉信號US提供給狗,Vout為高電平,表明狗建立了相應(yīng)的條件反射,鈴聲信號由NS變?yōu)镃S。過程(2):控制信號g處于高電平狀態(tài),RS支路連通,此時US為低電平而RS為高電平,M1的阻值在2 ms之內(nèi)由RL增大到2.0 kΩ,Vout處于高電平。該測試過程表明:當(dāng)單獨給狗提供鈴聲時,狗產(chǎn)生流涎反應(yīng)。過程(3):控制信號g處于低電平狀態(tài),SS支路連通,此時US為低電平而SS為高電平,M2的阻值(藍(lán)色實線)在2 ms之內(nèi)由RL增大到1.0 kΩ,輸出Vout為與SS同步的高電平信號,該測試過程表明:當(dāng)單獨給狗提供另一低響度鈴聲時,狗也能發(fā)生流涎反應(yīng)。

    圖6 情況2(L1)的電路仿真結(jié)果

    基于圖7,實驗結(jié)果包含兩個過程:過程(1)和過程(2)??刂菩盘杇一直處于高電平狀態(tài),表明RS支路處于連通狀態(tài)。過程(1):當(dāng)US處于高電平狀態(tài)而RS處于低電平狀態(tài)時,M1的阻值持續(xù)增加至4.2 kΩ,Vout與US保持同步(即高電平狀態(tài)),該實驗結(jié)果表明:條件反射形成后繼續(xù)給狗喂肉,狗產(chǎn)生流涎反應(yīng)。過程(2):當(dāng)US處于低電平狀態(tài)而RS處于高電平狀態(tài)時,M1的阻值繼續(xù)增加至6.5 kΩ,輸出信號Vout為低電平,該實驗結(jié)果表明:給狗提供鈴聲時,狗未產(chǎn)生流涎反應(yīng),建立的條件反射消失,鈴聲變回NS。

    圖7 情況3(F1)的電路仿真結(jié)果

    基于圖8,實驗結(jié)果包含兩個過程:過程(1)和過程(2)。其中,過程(1)為訓(xùn)練過程,過程(2)為測試過程。在(1)和(2)兩個過程中,控制信號g均為高電平,表明RS支路一直處于連通狀態(tài)。過程(1):RS提前US Δt≈0.28 ms輸入電路,此時M1的阻值趨于RL,Vout為高電平信號,表明狗發(fā)生了流涎反應(yīng)。特別地,當(dāng)時間t≈4.32 ms時,鈴聲信號RS先于肉信號US提供給狗,Vout表現(xiàn)為高電平,表明:狗在此時重新建立了條件反射。過程(2):US為低電平而RS為高電平,M1的阻值由RL增大到0.6 kΩ,Vout處于高電平狀態(tài),該測試過程表明:當(dāng)單獨給狗提供鈴聲時,狗能發(fā)生流涎反應(yīng)。

    圖8 情況4(L1)的電路仿真結(jié)果

    基于圖9,實驗結(jié)果包含兩個過程,即過程(1)和過程(2)??刂菩盘杇一直處于高電平狀態(tài),表明RS支路處于連通狀態(tài)。過程(1):當(dāng)US為低電平而RS為高電平時,M1的阻值從0.6 kΩ增加至1.6 kΩ,Vout與RS保持同步(即高電平狀態(tài))。該實驗結(jié)果表明:條件反射形成后繼續(xù)單獨給狗提供鈴聲,狗能發(fā)生流涎反應(yīng)。過程(2):維持輸入信號的狀態(tài)不變,M1的阻值持續(xù)增加。特別地,當(dāng)t≈0.50 ms時,Vout由高電平變?yōu)榈碗娖?。該實驗結(jié)果表明:繼續(xù)給狗提供鈴聲,狗逐漸終止流涎反應(yīng),建立的條件反射消失。

    圖9 情況5(F2)的電路仿真結(jié)果

    基于圖10,實驗結(jié)果包含4個過程:過程(1)、過程(2)、過程(3)和過程(4)。其中,過程(1)和(2)為訓(xùn)練過程,過程(3)和(4)為測試過程。特別地,本次學(xué)習(xí)為過程(1)和(2)的交替學(xué)習(xí),分別用紫色和藍(lán)色方框表示。過程(1):控制信號g處于高電平狀態(tài),RS提前US約5 ms(Δt)輸入電路,M1的阻值在Δt內(nèi)保持不變?nèi)缓笾饾u減小,Vout為與US同步的高電平信號,表明狗產(chǎn)生流涎反應(yīng)。當(dāng)t≈500 ms時,鈴聲信號RS先于肉信號US提供給狗,Vout表現(xiàn)為高電平,表明狗在此時建立了對應(yīng)的條件反射(即給狗提供鈴聲,狗發(fā)生流涎反應(yīng)),鈴聲信號由NS變?yōu)镃S。過程(2):控制信號g處于低電平狀態(tài),US為低電平而SS為高電平,M2的阻值在Δt內(nèi)保持不變?nèi)缓笾饾u增加。當(dāng)t≈50 ms時,給狗提供低響度鈴聲信號,Vout由高電平變?yōu)榈碗娖?,表明狗在此時建立了對應(yīng)的條件反射(即給狗提供低響度鈴聲,狗不發(fā)生流涎反應(yīng)),低響度鈴聲信號由NS變?yōu)镃S。需要說明的是,兩個學(xué)習(xí)過程結(jié)束后,M1的阻值為RL,M2的阻值約為0.28 MΩ。過程(3):控制信號g處于高電平狀態(tài),此時US為低電平而RS為高電平,M1的阻值由RL增大到2.0 kΩ,Vout處于高電平狀態(tài),表明:當(dāng)單獨給狗提供鈴聲時,狗能發(fā)生流涎反應(yīng)。過程(4):控制信號g處于低電平狀態(tài),此時US為低電平而SS為高電平,M2的阻值增大到0.3 MΩ,Vout處于低電平狀態(tài),表明:當(dāng)單獨給狗提供另一低響度鈴聲時,狗未發(fā)生流涎反應(yīng)。

    圖10 情況6(L2)的電路仿真結(jié)果

    基于圖11,實驗結(jié)果包含兩個過程,即過程(1)和過程(2)??刂菩盘杇一直處于高電平狀態(tài),RS支路處于連通狀態(tài)。過程(1):當(dāng)US和RS均為低電平時,M1的阻值維持在2.0 kΩ,Vout處于低電平狀態(tài),實驗結(jié)果表明:當(dāng)不給狗提供任何信號,狗不會發(fā)生流涎反應(yīng)。過程(2):當(dāng)US為低電平而RS為高電平時,M1的阻值從2.0 kΩ持續(xù)增加到4.2 kΩ,Vout仍然保持低電平狀態(tài),該實驗結(jié)果表明:給狗單獨提供鈴聲時,狗未產(chǎn)生流涎反應(yīng),建立的條件反射消失,鈴聲變回NS。

    圖11 情況7(F3)的電路仿真結(jié)果

    6 結(jié)束語

    本文主要研究基于憶阻的全功能巴甫洛夫聯(lián)想記憶電路的實現(xiàn)方法,具體如下:首先,本文基于水熱合成法和磁控濺射法制備了Ag/TiOxnanobelt/Ti 結(jié)構(gòu)的憶阻器,并完成相應(yīng)的性能測試,剖析了空氣中水分子與氧空位作用對Ag/TiOxnanobelt/Ti憶阻器的影響;接著,構(gòu)建了Ag/TiOxnanobelt/Ti憶阻器的數(shù)學(xué)模型和SPICE電路模型,并通過客觀評價驗證了模型的精確度(RRMSE=0.138%);進(jìn)一步,提出了一種基于Ag/TiOxnanobelt/Ti憶阻器的全功能巴甫洛夫聯(lián)想記憶電路,通過全面的電路分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo),理論說明了該電路能夠正確模擬巴甫洛夫?qū)嶒炛袃深悓W(xué)習(xí)過程(L1和L2)和3類遺忘過程(F1, F2和F3);最后,通過一系列PSpice電路仿真和分析(情況1-情況7),驗證了提出電路的正確性和有效性。需要說明的是,本文提出的電路有望進(jìn)一步應(yīng)用于類腦智能機(jī)器人中模擬其記憶與遺忘的方式。同時,本文方案為后續(xù)基于真實憶阻器件的神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)研究提供了一定的理論基礎(chǔ)和實驗支撐,同時為納米材料科學(xué)與現(xiàn)代電路理論的深度融合提供了新的途徑。

    此外,本文主要從現(xiàn)有的短期記憶機(jī)理出發(fā),旨在模擬巴甫洛夫聯(lián)想記憶中的短期記憶形成和遺忘過程。在未來研究工作中,本研究團(tuán)隊將進(jìn)一步研究如何自主實現(xiàn)短期記憶向長期記憶的功能轉(zhuǎn)換和動態(tài)更新機(jī)制,設(shè)計對應(yīng)的系統(tǒng)演化模型,構(gòu)建記憶網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化電路。

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