Аналоговая обработка сигналов и изображений с большими мемристорными поперечинами

• Артикул
• Опубликовано: 04 декабря 2017 г.

• Кан Ли ORCID: orcid.org/0000-0003-3795-2008 ¹ ,
• Мяо Ху ^2,5 ,
• Юньнин Ли ¹ ,
• Хао Цзян ¹ ,
• Нин Гэ ³ ,
• Эрик Монтгомери ² ,
• Цзямин Чжан ² ,
• Вэньхао Сун ¹ ,
• Норайка Давила 900 12 2 ,
• Кэтрин Э. Грейвс ² ,
• Чжиюн Ли ² ,
• Джон Пол Страчан ² ,
• Пэн Линь ¹ ,
• Чжунжуй Ван ¹ ,
• Марк Барнелл ⁴ ,
• Цин Ву ⁴ ,
• Р. Стэнли Уильямс ORCID: orcid.org/0000-0003-2526-2720 ² ,
• Дж. Джошуа Ян ORCID: orcid.org/0000-0003-0671-6010 ¹ и
• …
• Цянфэй Ся ¹  

Природная электроника том 1 , страницы 52–59 (2018 г.)Процитировать эту статью

• 31 тыс. обращений

• 718 цитирований

• 42 Альтметрический

• Сведения о показателях

Предметы

• Вычислительные науки
• Электротехника и электроника
• Электронные устройства

Abstract

Мемристорные поперечины предлагают реконфигурируемые энергонезависимые состояния сопротивления и могут устранить узкие места скорости и энергоэффективности в векторно-матричном умножении, основной вычислительной задаче при обработке сигналов и изображений. Однако использование таких систем для умножения вектора амплитуды аналогового напряжения на матрицу аналоговой проводимости в достаточно большом масштабе оказалось затруднительным из-за трудностей проектирования устройств и интеграции массивов. Здесь мы показываем, что реконфигурируемые мемристорные поперечины, состоящие из мемристоров из оксида гафния поверх транзисторов металл-оксид-полупроводник, способны к аналоговому векторно-матричному умножению с размерами матрицы до 128 × 64 ячеек. Наша выходная точность (5–8 бит, в зависимости от размера массива) является результатом высокого ресурса устройства (99,8%) и многоуровневость, устойчивые состояния мемристоров, а линейность вольт-амперных характеристик прибора и малое сопротивление проводов между ячейками обуславливают высокую точность. С помощью больших мемристорных поперечин мы демонстрируем обработку сигналов, сжатие изображений и сверточную фильтрацию, которые, как ожидается, станут важными приложениями в развитии Интернета вещей (IoT) и граничных вычислений.

Это предварительный просмотр содержимого подписки, доступ через ваше учреждение

Соответствующие статьи

Статьи открытого доступа со ссылкой на эту статью.

• Нанозерновая сетевая память с реконфигурируемыми путями перколяции для синаптических взаимодействий

  • Ху-Чхоль Ли
  • , Чонкил Ким
  •  … Парк Хонг-Гю

  Свет: наука и приложения Открытый доступ 15 мая 2023 г.

Варианты доступа

Подпишитесь на этот журнал

Получите 12 цифровых выпусков и онлайн-доступ к статьям

118,99 € в год

всего 9,92 € за выпуск

Узнать больше

Взять напрокат или купить эту статью

Получите только эту статью до тех пор, пока она вам нужна

$39,95

Узнать больше

Цены могут облагаться местными налогами, которые рассчитываются при оформлении заказа

Рис. 1. Данные, хранящиеся в мемристорной перемычке 1T1R размером 128 × 64, демонстрируют линейность состояния проводимости, точность и правильность записи, а также стабильность и воспроизводимость чтения. Рис. 2. Экспериментальная точность выходных данных и точность дискретного косинусного преобразования (ДКП) с использованием мемристорных поперечин. Рис. 3: Экспериментальная реализация анализатора спектра на основе мемристорной поперечины. Рис. 4: Экспериментальная демонстрация 2D DCT с использованием дифференциальных пар проводимости для сжатия и обработки изображений. Рис. 5: Экспериментальная демонстрация свертки с дифференциальными парами проводимости мемристоров.

Каталожные номера

1. Уильямс, Р. С. Что дальше? Вычисл. науч. англ. 19 , 7–13 (2017).

   Артикул Google Scholar

2. Уолдроп, М. М. Закон Мура на кону. Природа 530 , 144–147 (2016).

   Артикул Google Scholar

3. Губби, Дж., Буйя, Р., Марусик, С. и Паланисвами, М. Интернет вещей (IoT): видение, архитектурные элементы и будущие направления.

   Фут. Общие вычисления. Сист. 29 , 1645–1660 (2013).

   Артикул Google Scholar

4. Yocam, E. W. Эволюция на границе сети: интеллектуальные устройства. ИТ-специалист 5 , 32–36 (2003).

   Артикул Google Scholar

5. Чуа, Л. Мемристор — недостающий элемент схемы. IEEE Trans. Теория цепей 18 , 507–519 (1971).

   Артикул Google Scholar

6. «>

   Струков Д. Б., Снайдер Г. С., Стюарт Д. Р. и Уильямс Р. С. Пропавший мемристор найден. Природа 453 , 80–83 (2008).

   Артикул Google Scholar

7. Ян Дж. Дж., Струков Д. Б. и Стюарт Д. Р. Мемристивные устройства для вычислений. Нац. Нанотех. 8 , 13–24 (2013).

   Артикул Google Scholar

8. Де Сальво, Б. Кремниевая энергонезависимая память: пути инноваций (Oxford, Wiley, 2013).

9. Вонг, Х.-С. П. и др. Металлооксидная RRAM. Проц. IEEE 100 , 1951–1970 (2012).

   Артикул Google Scholar

10. Вентра М. Д., Першин Ю. В., Чуа Л. О. Элементы схем с памятью: мемристоры, мемконденсаторы, меминдукторы. Проц. IEEE 97 , 1717–1724 (2009).

    Артикул Google Scholar

11. «>

    Труонг, С. Н. и Мин, К.-С. Новая архитектура массива перекладин на основе мемристоров с уменьшением площади на 50% и энергосбережением на 48% для умножения матрицы на вектор в аналоговых нейроморфных вычислениях.

    Дж. Полуконд. Технол. науч. 14 , 356–363 (2014).

    Артикул Google Scholar

12. Ся, Л. и др. Технологическое исследование массива поперечин RRAM для умножения матрицы на вектор. Дж. Вычисл. науч. Технол. 31 , 3–19 (2016).

    Артикул MathSciNet Google Scholar

13. Ли, Б., Гу, П., Ван, Ю. и Ян, Х. Изучение ограничения точности для аналоговых приближенных вычислений на основе RRAM. IEEE Design Test 33 , 51–58 (2016).

    Артикул Google Scholar

14. Прециозо, М. и др. Обучение и работа интегрированной нейроморфной сети на основе металлооксидных мемристоров.

    Природа 521 , 61–64 (2015).

    Артикул Google Scholar

15. Ю. С. и др. в проц. Междунар. Электрон Дев. Встретиться.  416–419 (Сан-Франциско, IEEE, 2016 г.).

16. Парк, С. и др. Электронная система с мемристивными синапсами для распознавания образов. науч. Респ. 5 , 10123 (2015).

    Артикул Google Scholar

17. Ху, М. и Страчан, Дж. П. в Proc. 2016 IEEE Междунар. конф. Перезагрузка комп. (ICRC) 1–5 (Сан-Диего, IEEE, 2016 г.).

18. Гао Л., Чен П.-Ю. & Ю, С. Демонстрация работы ядра свертки на массиве резистивных точек пересечения. IEEE Electron Dev. лат. 37 , 870–873 (2016).

    Артикул Google Scholar

19. Индивери Г. , Линарес-Барранко Б., Легенштейн Р., Делигиоргис Г. и Продромакис Т. Интеграция наноразмерных мемристорных синапсов в нейроморфные вычислительные архитектуры. Нанотехнологии 24 , 384010 (2013).

    Артикул Google Scholar

20. Парк, Дж. и др. Синапс RRAM на основе TiO

    x с 64 уровнями проводимости и симметричным изменением проводимости за счет применения гибридной импульсной схемы для нейроморфных вычислений. IEEE Electron Dev. лат. 37 , 1559–1562 (2016).

    Артикул Google Scholar

21. Fumarola, A. et al. в проц. 2016 IEEE Междунар. конф. Перезагрузка комп. (ICRC) 1–8 (Сан-Диего, IEEE, 2016 г.).

22. Ge, N. et al. Эффективный аналоговый компаратор расстояния Хэмминга, реализованный с помощью массива униполярных мемристоров: образец физических вычислений. науч. Респ. 7 , 40135 (2017).

    Артикул Google Scholar

23. Ху, М. и др. в проц. 53-я конструкция Автомат. конф.  1–6 (Остин, ACM, 2016).

24. Гао Л., Алибарт Ф. и Струков Д. Б. в IEEE/IFIP 20th Int. конф. СБИС и система на кристалле, 2012 г. (СБИС-SoC) 88–93 (Санта-Крус, IEEE, 2012).

25. Чакрабарти, Б. и др. Механизм многократного сложения с монолитно интегрированной трехмерной мемристорной матрицей и гибридной схемой CMOS. науч. Респ. 7 , 42429 (2017).

    Артикул Google Scholar

26. Ластрас-Монтаньо, М. А., Чакрабарти, Б., Струков, Д. Б. и Ченг, К. Т. на конференции и выставке Design, Automation & Test in Europe (2017) 1257–1260 (Лозанна, IEEE, 2017).

27. млн лет, В. и др. в проц. Междунар. Электрон Дев. Встретиться.  436–439 (Сан-Франциско, IEEE, 2016 г.).

28. Яо, П. и др. Классификация лиц с использованием электронных синапсов. Нац. коммун. 8 , 15199 (2017).

    Артикул Google Scholar

29. Шеридан, П. М. и др. Разреженное кодирование с помощью мемристорных сетей. Нац. Нанотех. 12 , 784–789 (2017).

    Артикул Google Scholar

30. Чой, С., Шин, Дж. Х., Ли, Дж., Шеридан, П. и Лу, В. Д. Экспериментальная демонстрация извлечения признаков и уменьшения размерности с использованием мемристорных сетей. Нано Летт. 17 , 3113–3118 (2017).

    Артикул Google Scholar

31. Юппи, Н. П., Янг, К., Патил, Н. и Паттерсон, Д. в 44-й междунар. Симп. Комп. Архит. (ISCA) 1–17 (ACM/IEEE, Торонто, 2017 г.).

32. ЛеКун Ю., Бенжио Ю. и Хинтон Г. Глубокое обучение. Природа 521 , 436–444 (2015).

    Артикул Google Scholar

33. Далли, В. в Системах обработки нейронной информации (NIPS2015) Учебное пособие (Фонд NIPS, Монреаль, 2015 г.).

34. Шафи, А. и др. в 2 016 ACM/IEEE 43rd Int. Симп. Комп. Архит. (ИСКА) 14–26 (Сеул, IEEE, 2016 г.).

35. Hu, M., Li, H., Wu, Q. & Rose, GS in 2012 49th ACM/EDAC/IEEE Design Automat. конф. (DAC) 498–503 (Сан-Франциско, IEEE, 2012 г.).

36. Jiang, H. et al. Канал Ta размером менее 10 нм отвечает за превосходную производительность мемристора HfO ₂ . науч. Респ. 6 , 28525 (2016).

    Артикул Google Scholar

37. «>

    Линн, Э., Розезин, Р., Кугелер, К. и Васер, Р. Дополнительные резистивные переключатели для пассивных запоминающих устройств с нанопереходниками. Нац. Матер. 9 , 403–406 (2010).

    Артикул Google Scholar

38. Ким, К. М. и др. Маломощный, самовыпрямляющийся и не формирующий мемристор с асимметричным напряжением программирования для применения в кроссбарах с высокой плотностью. Нано Летт. 16 , 6724–6732 (2016).

    Артикул Google Scholar

39. Li, C. et al. Трехмерные поперечные решетки самовыпрямляющихся мемристоров Si/SiO ₂ /Si. Нац. коммун. 8 , 15666 (2017).

    Артикул Google Scholar

40. Мидья, Р. и др. Анатомия селекторов на основе Ag/Hafnia с нелинейностью 10 ¹⁰ . Доп. Матер. 29 , 1604457 (2017).

    Артикул Google Scholar

41. Джо, С. Х., Кумар, Т., Нараянан, С. и Назарян, Х. Резистивная ОЗУ с перекрестной точкой на основе сверхлинейного порогового селектора с полевым управлением. IEEE Trans. Электрон Дев. 62 , 3477–3481 (2015).

    Артикул Google Scholar

42. Choi, B.J. et al. Трехслойные туннельные селекторы для мемристорных ячеек памяти. Доп. Матер. 28 , 356–362 (2016).

    Артикул Google Scholar

43. Ji, L. et al. Интегрированная архитектура «один диод — один резистор» в резистивной коммутационной памяти nanopillar SiO _x с помощью литографии наносфер. Нано Летт. 14 , 813–818 (2014).

    Артикул Google Scholar

44. «>

    Van Wees, B.J. et al. Квантовая проводимость точечных контактов в двумерном электронном газе. Физ. Преподобный Летт. 60 , 848–850 (1988).

    Артикул Google Scholar

45. Yi, W. et al. Квантованная проводимость совпадает с нестабильностью состояния и избыточным шумом в мемристорах на основе оксида тантала. Нац. коммун. 7 , 11142 (2016).

    Артикул Google Scholar

46. Рао, К. Р. и Йип, П. Дискретное косинусное преобразование: алгоритмы, преимущества, приложения (Кембридж, Academic Press Professional, 1990).

47. Пеннебейкер, В. Б. и Митчелл, Дж. Л. JPEG: Стандарт сжатия данных неподвижных изображений (Берлин, Springer Science & Business Media, 1992).

48. Маларвижи Д. и Куппусамы Д. К. Новый алгоритм энтропийного кодирования для сжатия изображений с использованием DCT. Междунар. Дж. Инж. Тенденции Технол . 3 , 327–332 (2012).

49. Крижевский А., Суцкевер И. и Хинтон Г. Э. в Достижения в области систем обработки нейронной информации 25 (NIPS 2012) 1097–1105 (Stateline, NV, NIPS Foundation, 2012).

50. Лоуренс С., Джайлз К.Л., А Чанг Т. и Бэк А.Д. Распознавание лиц: подход на основе сверточной нейронной сети. IEEE Trans. Нейронные сети 8 , 98–113 (1997).

    Артикул Google Scholar

51. Ху, М. и др. Аналоговые вычисления на основе мемристоров и классификация нейронных сетей с механизмом скалярного произведения. Доп. Матер.  https://doi.org/10.1002/adma.201705914 (в печати).

    Артикул Google Scholar

Загрузить ссылки

Благодарности

Эта работа была частично поддержана Исследовательской лабораторией ВВС (AFRL; грант № FA8750-15-2-0044), Управлением научных исследований ВВС США (AFOSR; ​​грант № FA9550-12-1-0038), Проекты перспективных исследований в области разведки (IARPA; контракт 2014-14080800008) и Национальный научный фонд (NSF; ECCS-1253073). Эта работа была частично выполнена в Центре иерархического производства (CHM), спонсируемом NSF Наномасштабном научно-инженерном центре (NSEC) Массачусетского университета в Амхерсте.

Информация об авторе

Авторы и организации

1. Факультет электротехники и вычислительной техники Массачусетского университета, Амхерст, Массачусетс, США

   Цань Ли, Юннинг Ли, Хао Цзян, Вэньхао Сун, Пэн Линь, Чжун Руи Ван, Дж. Джошуа Ян и Цянфей Ся

2. Hewlett Packard Labs, Hewlett Packard Enterprise, Пало-Альто, Калифорния, США

   Мяо Ху, Эрик Монтгомери, Цзямин Чжан, Норайка Давила, Кэтрин Э. Грейвс, Чжиюн Ли, Джон Пол Страчан и Р. Стэнли Уильямс

3. HP Labs, HP Inc., Пало-Альто, Калифорния, США

   Ning Ge

4. Исследовательская лаборатория ВВС, Информационное управление, Рим, штат Нью-Йорк, США

   Mark Barnell & Qing Wu

5. Департамент Электротехника и вычислительная техника, Бингемтонский университет, Бингемтон, штат Нью-Йорк, США

   Miao Hu

Авторы

1. Can Li

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия

2. Miao Hu

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

3. Yunning Li

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

4. Hao Jiang

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

5. Нин Ге

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

6. Эрик Монтгомери

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

7. Jiaming Zhang

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

8. Wenhao Song

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

9. Noraica Dávila

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

10. Кэтрин Э. Грейвс

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

11. Zhiyong Li

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

12. John Paul Strachan

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

13. Peng Lin

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

14. Zhongrui Wang

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия

15. Марк Барнелл

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

16. Qing Wu

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

17. R. Stanley Williams

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

18. J. Joshua Yang

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

19. Qiangfei Xia

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Contributions

C.L., HJ, NG, ND, P.L. и З.В. встроенные микросхемы. К.Л., М.Х., Ю.Л. и J.P.S. провел замеры. Э.М., М.Х. и J.P.S. построил измерительную систему. Ю.Л., М.Х. и В.С. выполнено моделирование схемы. Дж.З. сделал изображения поперечного сечения SEM и TEM. J.P.S., J.J.Y. и Q.X. планировал эксперименты и руководил проектом. Q.X., C.L., J.J.Y. и Р.С.В. написал рукопись. Все авторы внесли свой вклад в анализ результатов и прокомментировали рукопись.

Авторы переписки

Переписка с Джон Пол Страчан, Дж. Джошуа Ян или Цянфэй Ся.

Заявление об этике

Конкурирующие интересы

Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов.

Дополнительная информация

Примечание издателя: Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Дополнительный электронный материал

Дополнительная информация

Дополнительные рисунки 1–16, дополнительная таблица 1 и дополнительные примечания 1–4.

Видео

Дополнительное видео 1

Программирование проводимости мемристоров в массиве 64 × 64 на произвольные значения в заданном диапазоне проводимости.

Дополнительное видео 2

Вывод кроссбара в реальном времени с изменением входных частот.

Права и разрешения

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

Эту статью цитирует

• Сверхбыстрая биполярная флэш-память для самоактивируемых вычислений в памяти

  • Сяохэ Хуан
  • Чунсен Лю
  • Пэн Чжоу

  Природа Нанотехнологии (2023)

• Нанозерновая сетевая память с реконфигурируемыми путями перколяции для синаптических взаимодействий

  • Ху-Чеол Ли
  • Чонкил Ким
  • Хонг-Гю Парк

  Свет: наука и приложения (2023)

• Архитектура вычислений в памяти, основанная на дуплексной двумерной структуре материала для машинного обучения на месте.

  
  • Хункай Нин
  • Чжихао Ю
  • Синран Ван

  Природа Нанотехнологии (2023)

• Тысячи уровней проводимости в мемристорах, интегрированных в CMOS

  • Минъи Рао
  • Хао Тан
  • Дж. Джошуа Ян

  Природа (2023)

• Оптоэлектронные синапсы ближнего инфракрасного диапазона на основе гетероперехода Te/α-In2Se3 для нейроморфных вычислений

  • Тао Ян
  • Юйчен Цай
  • Чжэньсин Ван

  Наука Китай Информационные науки (2023)

Обработка фотографий | Colorado Springs, CO

Проявление пленки C-41

Только проявка C41: на следующий день; разработка и компакт-диск: 2 дня

Черно-белая проявка пленки

Только черно-белая проявка или проявка и заказы на компакт-дисках: доставка до полудня вторника, отправка в пятницу до 15:00; в полдень пятницы, во вторник 15:00.

Перепечатки и увеличения (плюс плата за сканирование негативов и прозрачных пленок)

Перепечатки и дополнения: 3 дня. Необычно большие заказы или периоды пикового спроса могут немного увеличить это время.

Текстуру льна, гальки или посольства можно добавить к бумаге Lustre или Metallic для дополнительных 10%

Для крупных заказов на разработку и печать может потребоваться дополнительный день. Если время критично, проконсультируйтесь с персоналом лаборатории. В заказах на перепечатку или увеличение, где важно совпадение цветов, предоставьте нам соответствующий отпечаток для работы. Близкие совпадения являются стандартными; точные совпадения невозможны.

Отпечатки с глянцевой отделкой входят в стандартную комплектацию. Глянцевая доступна по запросу.

Сканирование с негативов на компакт-диски (все заказы на сканирование включают компакт-диск)

Сканирование с прозрачных пленок 

35 мм в стандартном пластиковом или картонном креплении (слайды на стекле сканировать нельзя)

Копии сканов (Плюс компакт-диск)

Для сканов плоских иллюстраций большего размера, изогнутых предметов, фотографий, приклеенных к стеклу, оригиналов с высокой отражающей способностью или светочувствительных оригиналов потребуется предварительная оценка.

Реставрации

Цены на реставрацию включают сканирование плоского изображения (до оригинала размером 8,5 x 14 дюймов). Сканы с плоского изображения большего размера, изогнутых предметов, фотографий, приклеенных к стеклу, высокоотражающих или светочувствительных оригиналов требуют предварительной оценки. Все реставрационные работы делается на компьютере, оригиналы возвращаются в том виде, в каком они были получены Все реставрации должны относиться к одной из следующих категорий:

Минимум

$35,00

Базовая очистка крупных дефектов печати (незначительные царапины, пятна плесени и пятна) в областях, не связанных с лицом, незначительное восстановление контраста и сопоставление слегка выцветших участков. Без реставрации лица. Некоторые мелкие дефекты могут остаться.

Средний

55,00 $

Ремонт выцветших, состаренных, окрашенных, пятнистых участков или мелких трещин. Мелкая реставрация одного-двух дефектов области лица, контрастное восстановление и полное сопоставление блеклых или небольших отсутствующих участков.

Heavy

95,00 $

Капитальный ремонт всей области печати, восстановление нескольких участков лицевых, контрастных, пятнистых или окрашенных участков.

Чудо

Только оценка

Отпечатки с большими отсутствующими областями, сильным выцветанием, большими складками, множественными дефектами лица требуют утвержденной оценки, прежде чем можно будет начать любую работу.

Цифровые отпечатки нестандартного размера со сканов/реставраций (ч/б, сепия или цвет)

Доступны стандартные размеры печати, но если требуется близкое соответствие размеру исходного изображения или изображения нестандартного размера, они могут быть предоставлены по запросу.

Цифровое хранилище файлов

Все заказы на реставрацию включают компакт-диск с проделанной работой, пригодный для будущих распечаток и дополнений. Если требуется постоянная копия файла, мы можем загрузить ее на CD или DVD.

Перенос карт памяти, на одну карту

Восстановление цифровых карт (только с физически неповрежденных носителей; копирование сломанных карт невозможно)

16 ГБ и больше требуют утвержденного ценового предложения.