Preview

Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники

Расширенный поиск

Нелинейно-динамический подход в анализе нестабильности параметров мемристора

https://doi.org/10.17073/1609-3577-2019-4-253-261

Аннотация

Представлен общий комплекс идей, связанных с моделированием мемристоров. Мемристор рассматривается частично упорядоченная физико-химическая система, находящаяся с точки зрения нелинейной динамики в пределах «края хаоса». Логико-историческая взаимосвязь физики мемристоров, нелинейной динамики и нейроморфных систем иллюстрируется в виде схемы. Нелинейность разделена нами на внешнюю, когда описывается поведение электрической цепи, содержащей мемристор, и внутреннюю, обусловленную процессами в объеме филамента. В рамках имитационного моделирования обращается внимание на коннекционистский подход, известный в теории нейронных сетей, но применимый для описания эволюции филамента как динамики сети ловушек, связанных электрически и квантово-механически. Состояние каждой ловушки дискретно, а сама она называется «осциллятором». Указывается на прикладное значение теории решеток связанных осцилляторов. Протекание через филамент тока большой плотности может приводить к необходимости учета и дискретных процессов (генерация ловушек), и непрерывных процессов (введение в модель элементов зонной теории твердого тела).

Тем не менее, далее развивается компактная модель, в которой состояние такой сети агрегировано до трех фазовых переменных: длина филамента, его суммарный заряд и локальная температура. Несмотря на кажущийся физический смысл, все переменные имеют формальный характер, присущий обычно параметрам компактных моделей. Модель состоит из одного алгебраического уравнения, двух дифференциальных и одного уравнения интегральной связи и наследована из простейшей модели Струкова. Поэтому в ней используется подход функции окна. Указывается, что по теореме Пуанкаре-Бендиксона, этого достаточно для объяснения нестабильности четырех ключевых параметров (напряжений переключения и сопротивлений) при циклировании мемристора. На небольшой выборке экспериментальных данных проанализированы Фурье-спектры временного ряда данных параметров. Данные относятся к структуре TiN/HfOx/Pt (0<x<2). Предварительный вывод, требующий дальнейшей проверки, заключается в преобладании низких частот и стохастичности появления частот.

Об авторе

И. В. Матюшкин
АО «НИИ молекулярной электроники»
Россия
Матюшкин Игорь Валерьевич


Список литературы

1. М.С.Тарков. Реализация нейронной WTA-сети на мемристорном кроссбаре // Прикладная дискретная математика. Приложение. – 2015. – №.8.

2. Wang, Z., Wu, H., Burr, G.W. et al. Resistive switching materials for information processing. Nature Review Materials (2020) doi:10.1038/s41578-019-0159-3

3. Meiran Zhao et al. Reliability of analog resistive switching memory for neuromorphic computing // Appl. Phys. Rev. 7, 011301 (2020), 16p. doi: 10.1063/1.5124915

4. Benderli S. Wey T.A. On SPICE macromodeling of TiO2 memristors //Electronics letters. – 2009. – T.45. – № 7. – С. 377-379.

5. Pickett M.D. et al. Switching dynamics in titanium dioxide memristive devices // Journal of Applied Physics. – 2009. – T. 106. – №. 7. – C. 074508

6. Yakopcic C. et al. A memristor device model // IEEE electron device letters. – 2011. – T. 32. – №. 10. – C. 1436-1438.

7. L. Chua. Memristor. The missing circuit element//IEEE Transactions on circuit theory. – 1971. – T.18. – №.5. – C. 507-519.

8. Hui Chang et al. Unstable Limit Cycles and Singular Attractors in a Two-Dimensional Memristor-Based Dynamic System // Entropy 2019, 21(4), 415; https://doi.org/10.3390/e21040415

9. R. Mikheev, G. Teplov and I. Matyushkin, "Compact Model of Nonlinear Dynamics While the Cycling of a Memristor," 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), Saint Petersburg and Moscow, Russia, 2019, pp. 2057-2061. doi: 10.1109/EIConRus.2019.8657191

10. Y. V. Pershin and V. A. Slipko Dynamical attractors of memristors and their networks, Europhysics Letters 125, 20002 (2019)

11. Y. V. Pershin and V. A. Slipko Bifurcation analysis of a TaO memristor model, arXiv:1906.01377, June 2019

12. J. P. Crutchfield and K. Young, "Computation at the Onset of Chaos", in Entropy, Complexity, and the Physics of Information, W. Zurek, editor, SFI Studies in the Sciences of Complexity, VIII, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts (1990) 223-269.

13. Gyorgy Csaba and Wolfgang Porod. Coupled oscillators for computing: A review and perspective // Applied Physics Reviews 7, 011302 (2020)

14. Daniel Malagarriga et al, Synchronization-based computation through networks of coupled oscillators,” Front. Comput. Neurosci. 9, 97 (2015).

15. Damir R. Islamov et al. Identification of the nature of traps involved in the field cycling of Hf0.5Zr0.5O2-based ferroelectric thin films // Acta Materialia 166 (2019) pp.47-55

16. Panda D., Sahu P. P., Tseng T. Y. A collective study on modeling and simulation of resistive random access memory // Nanoscale Research Letters. – 2018. – T. 13. – №. 1. – C. 8.

17. Giovanna Miritello et al. Central limit behavior in the Kuramoto model at the «Edge of Chaos», Physica A 388 (2009) 4818–4826.

18. Arnoud S. Everhardt et al. Periodicity-Doubling Cascades: Direct Observation in Ferroelastic Materials // PHYSICAL REVIEW LETTERS 123, 087603 (2019) 6pp. DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.087603

19. O. Orlov ; V. Murashev ; A. Lebedev ; V. Orlov ; Sergei Ivanov. Features of the Improving of the HFO2 ReRAM Cells Characteristics Reproducibility //2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus) 28-31 Jan., Page s: 2087 – 2089, Publisher: IEEE, DOI: 10.1109/EIConRus.2019.8657230

20. Strukov D.B. et al. The missing memristor found //Nature. – 2008. – T.453. – №. 7191. – С. 80.

21. Sungho Kim. Compact Two-State-Variable Second-Order Memristor Model // Small, 12(24):3320-6 (2016) DOI: 10.1002/smll.201600088


Для цитирования:


Матюшкин И.В. Нелинейно-динамический подход в анализе нестабильности параметров мемристора. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2019;22(4):253-261. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2019-4-253-261

Просмотров: 198


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1609-3577 (Print)
ISSN 2413-6387 (Online)