NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CÁC MẠCH SỐ SỬ DỤNG MEMSISTOR

Một phần tử điện trở nhớ có hai cực, trở kháng phụ thuộc vào độ lớn, chiều phân cực và khoảng thời gian của điện thế đặt lên nó.. Trước tiên ta so sánh hoạt động của memristor với điện t

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CÁC MẠCH SỐ SỬ DỤNG MEMSISTOR

1 Memristor

Memristor là từ viết tắt của “memory resistor”, hay còn gọi là điện trở nhớ Một phần tử điện trở nhớ có hai cực, trở kháng phụ thuộc vào độ lớn, chiều phân cực và khoảng thời gian của điện thế đặt lên nó Khi tắt điện thế này thì điện trở nhớ vẫn nhớ mức trở kháng ngay trước khi nó tắt cho tới lần bật lên kế tiếp

Memristor được coi như là phần tử thụ động thứ tư của mạch điện ngoài điện trở, tụ điện và cuộn cảm Tạo thành mối quan hệ phi tuyến giữa điện tích và liên kết từ thông, nó phụ thuộc vào điện áp, dòng, chiều tác động và thời gian đặt lên nó

Hiện nay, memristor cũng đang là một hướng được các nhà khoa học quan tâm Đây là công nghệ hứa hẹn sẽ là định hướng cho các công nghệ sau CMOS

Trong năm 1960, Giáo sư Leon Chua, tại Đại học Purdue, thành lập các hàm toán học cho lý thuyết mạch phi tuyến Ông là cha đẻ của lý thuyết mạch phi tuyến và các mạng lưới thần kinh tế bào Chua đã tìm ra sự tương quan giữa các phần tử cơ bản của mạch điện: R, L, C và phương trình thể hiện mối tương quan giữa chúng thông qua các đơn

vị định lượng {v,q,i,} Từ bốn đơn vị định lượng ông xác định tổ hợp mối quan hệ của từng cặp đơn vị định lượng như sau (hình 1.):

(,q) ; (q,v) ; (,i) ; (q,v) ; (q,i) ; (v,i)

Trong đó:

 (,v), (q,i) thể hiện mối quan hệ giữa điện và từ

 (v,i); (,i); (q,v) được thể hiện thông qua các phần tử mạch thụ động R,L,C

Hình 1 Quan hệ giữa các tham số tạo nên các linh kiện thụ động[2]

Từ đó suy ra có một mối quan hệ khác biệt độc lập về nguyên tắc kết hợp cách tính điện tích q chảy thông qua một mạch và thông lượng φ trong mạch, dφ = M dq

2 Nguyên lý hoạt động

2.1 Cấu tạo

Memristor được chế tạo bởi nhiều hãng và phòng thí nghiệm, nhưng cấu tạo của

HP là điển hình nhất Linh kiện memristor được cấu tạo từ một chất bán dẫn màng mỏng chuyển đổi điện, kẹp giữa hai điện cực kim loại Platium như mô tả ở hình 2 Các bán dẫn màng mỏng có chiều dài D nhất định, bao gồm một khu vực pha tạp TiO2-x và khu vực chưa pha tạp TiO2

Hình 2: Cấu trúc của memristor HP

Bảng 1: So sánh một số tham số với công nghệ memristor [7]

Mật độ tích hợp Công suất Tốc độ

TTL Mật độ tích hợp

thấp

Công suất tiêu tán cỡ 10mW

Thời gian trì hoãn khoảng 10ns nên tốc độ nhanh hơn

tán cỡ 10nW

10-50 ns

Tham số

Họ

2.2 Nguyên lý hoạt động của memristor

Trước tiên ta so sánh hoạt động của memristor với điện trở thường, được thể hiện trong hình 3

Hình 3: So sánh giữa điện trở thường và memristor

Đối với điện trở thường, khi dòng tăng thì điện áp cũng tăng, và ngược lại khi dòng giảm thì điện áp cũng giảm Mối quan hệ giữa dòng và áp của điện trở thường là tuyến tính và được thể hiện là một đường thẳng như trong hình 3 Còn đối với memristor, có thể dễ dàng thấy tại một nửa chu kỳ tín hiệu dương thì dòng điện có 2 trạng thái phân biệt là cao và thấp

Lớp kép ở giữa memristor gồm hai loại bán dẫn đi-ô-xít TiO2 và TiO2-x là mấu chốt trong hoạt động bật tắt của linh kiện TiO2 thì cách điện, còn TiO2-x thì dẫn điện

Do các vị trí thiếu oxy có khả năng cho đi electron và làm cho bản thân chúng có điện tích dương Phần ô-xít thiếu oxy có thể bị đẩy lên hay xuống tùy thuộc điện áp ngoài

do chúng có mang điện tích

Khi tác động một điện áp dương lên điện cực ở phía dưới của linh kiện sẽ đẩy các phần tử ô-xít thiếu oxy TiO2-x đến lớp TiO2 tinh khiết Quá trình này biến lớp TiO2

thành TiO2-x và khiến cho nó trở nên dẫn điện Do đó linh kiện chuyển sang trạng thái bật (ON-logic1) Và ngược lại, một điện áp âm sẽ có tác dụng ngược lại: Các phần tử TiO2-x bị hút ngược trở lại điện cực dưới, ra khỏi TiO2 bởi vậy độ dày của lớp TiO2

tăng lên và linh kiện chuyển sang trạng thái tắt (OFF- logic 0)

-0.04 -0.02 0 0.02 0.04

Dien ap (V)

Quan he dien ap va dong dien cua R

-2 -1 0 1

2x 10

-4

Dien ap (V)

Quan he giua dien ap va dong cua memristor

Hình 4: Trạng thái của memristor

Nếu gọi W là độ dài lớp TiO2-x và D là độ dài lớp TiO2-x và TiO2 Sự thay đổi W chính là sự thay đổi giá trị điện trở của memristor Nếu khu vực pha tạp cực đại, tức là W /

D = 1, tổng điện trở suất của các thiết bị sẽ bị chi phối bởi vùng điện trở suất thấp, với giá trị

đo được RON Khi các khu vực chưa pha tạp cực đại, tức là W/ D = 0, trở kháng được ký hiệu là ROFF

Có thể mở rộng phạm vi quy định RON và ROFF:

• 0< w(t)/D<0.5 RON hay logic 0

• 0.5< w(t)/D <1 ROFF hay logic 1

3 Các ứng dụng của Memristor

Memristor có ứng dụng đa dạng, có thể dùng để chế tạo chip nhớ không mất dữ liệu với tính năng đặc biệt là ghi nhanh như RAM nhưng lại không mất dữ liệu như ROM hay sử dụng để phát triển xây dựng mạch điện tử phi tuyến, mạng nơ-ron nhân tạo, hệ thống điều khiển

3.1 Ứng dụng trong lĩnh vực công nghệ thông tin

Memristor mang lại rất nhiều ưu điểm như tốn ít năng lượng, hoạt động nhanh hơn và trong cùng một khu vực lưu trữ tương đương trên bộ nhớ bán dẫn thông thường

thì memristor có thể lưu trữ lượng dữ liệu nhiều hơn ít nhất 02 lần

Các nhà khoa học của HP đã thực hiện một bước đột phá nhỏ trong việc phát triển công nghệ bộ nhớ thế hệ memristor và được xem là sự thay thế tiềm năng cho các công nghệ flash và DRAM (Sản phẩm đã được thương mại hóa bởi Panasonic năm

2013 [8])

Trong một bài báo được công bố ngày 5/9/2011 trên tạp chí “Nanotechnology” các nhà khoa học cho biết họ đã tối ưu hóa được cấu trúc và hiểu được cơ chế hoạt động Khám phá này sẽ cho phép HP cải thiện hiệu quả của công nghệ

Là một loại bộ nhớ không mất dữ liệu, ReRAM có tiềm năng để thay thế bộ nhớ flash NAND được sử dụng trong điện thoại di động và máy nghe nhạc kỹ thuật số MP3 Ngoài ra, ReRAM cũng có thể được sử dụng như một phương tiện lưu trữ khối lượng lớn trong dạng của DRAM hoặc công nghệ ổ trạng thái rắn (SSD)

Sau công trình memristor đầu tiên trên thế giới công bố năm 2008 với khả năng ghi nhớ như bộ não người thì nhóm nghiên cứu thuộc phòng thí nghiệm HP vừa khám phá ra rằng sáng chế của họ còn có khả năng lưu trữ lớn hơn rất nhiều so với những hiểu biết ban đầu Bộ nhớ này có thể thực hiện các phép logic và từ đây phương thức thiết kế hệ thống máy tính có thể bị thay đổi cũng như hiệu suất hoạt động của máy tính sẽ nhanh hơn, hiệu quả hơn

Hình 5: a) Sơ đồ bố trí của ReRAM, b) Mặt cắt cấu trúc của thiết bị điện trở , c) HP

ReRAM

Với việc có thể thực hiện được các phép logic, memristor mở ra khả năng một ngày nào đó máy tính sẽ có thể thi hành công việc trực tiếp bằng các chip nhớ thay vì trói buộc vào bộ xử lý trung tâm CPU

Một ưu điểm nữa của memristor là chúng có khả năng nhớ trạng thái, điều này cho phép máy tính không cần phải khởi động qua boot mà người dùng chỉ việc bật tắt máy như công tắc đèn

Hiện tại HP Labs đã chế tạo các cấu trúc phát triển cho chip nhớ sử dụng memristor và nhóm nghiên cứu tin rằng rất có khả năng những thiết bị tích hợp công nghệ này sẽ xuất hiện trên thị trường trong vài năm tới

3.2 Ứng dụng trong lĩnh vực điện tử

 Ứng dụng trong điện tử tương tự

Memristor có mặt rất nhiều trong các ứng dụng cho điện tử tương tự Hình 6 thể hiện sơ đồ của mạch khuếch đại thuật toán- khuếch đại đảo mà thay thế các điện trở thường R1 và R2 bằng các memristor m1 và m2

Hình 6: Mạch khuếch đại không đảo sử dụng memristor

Phương trình cơ bản của mạch khuếch đại không đảo như sau:

Vout=Vin (1+ 𝑚2

𝑚1) (1)

Trong đó: Vout: điện áp ra

Vin : điện áp vào

m1, m2: giá trị trở kháng của memristor 1 và 2

Phương trình này sẽ có 2 giá trị khác nhau Nếu m2 đang ở giá trị ROFF và m1 có giá trị RON thì hệ số khuếch đại của mạch sẽ rất cao vì ROFF>>RON Ngược lại, nếu m2

ở mức trở kháng RON và m1 là ROFF thì hệ số khuếch đại chỉ xấp xỉ 1 Với điện áp đầu vào dương thì m2= ROFF, m1=RON và ngược lại Do đó, mạch khuếch đại không đảo sử dụng memristor chỉ cho hệ số khuếch đại lớn khi đầu vào dương

Một ứng dụng nữa của memristor đó là được sử dụng trong mạch dao động Hình

7 thể hiện sơ đồ mạch dao động dùng 3 mắt RC dịch pha 600

Hình 7: Mạch dao động dịch pha sử dụng memristor

Mạch dao động hình 7 là mạch tự dao động, khi cấp điện áp một chiều để hoạt

động và đầu ra sẽ cho dạng tín hiệu hình sin Các tụ C1, C2, C3 và trở R1, R2, M1 tạo thành cơ cấu hồi tiếp dương tạo dao động cho mạch

 Ứng dụng trong điện tử số

Việc thể hiện hai trạng thái dẫn khác nhau làm cho memristor có khả năng sử dụng để xây dựng các vi mạch số giống như các phần tử chuyển mạch transistor

Hình 8: Hai trạng thái dẫn của Memristor

Khi cho dòng điện I1 chạy qua memristor theo chiều như hình vẽ trở kháng của memristor giảm mạnh, ký hiệu là RON (mức logic 1) Lúc này memristor cho dòng điện chạy qua một cách dễ dàng Ngược lại, khi cho dòng điện I2 chạy qua memristor theo chiều ngược lại, thì trở kháng của memristor tăng lên cao, ký hiệu là ROFF (mức logic 0) Với RON<< ROFF memristor có khả năng được sử dụng để thực hiện các mạch logic, tạo bước đột phá trong ngành công nghệ vi điện tử cũng như khoa học công nghệ của nhân loại

4 Mạch logic với công nghệ Memristor

Có 3 họ logic riêng biệt sử dụng memristor có thể được phân biệt như sau :

- Logic trong bộ nhớ, nơi mà hoạt động logic được thực hiện bên trong các khối bộ nhớ Trong họ này, các giá trị logic được lưu trữ như trở kháng Các cổng trong họ này bao gồm IMPLY và MAGIC [11,12]

- Logic memristor lai CMOS Trong họ này, các memristor chỉ được sử dụng như khối tính toán, nó đòi hỏi cả các cổng CMOS cùng với các cổng meristor cơ sở Các giá trị logic được lưu trữ như điện áp [9]

- Các mảng memristor logic khả trình (PLA)

4.1 Logic IMPLY

IMPLY là một hàm Boolean 2 đầu vào, cùng với hàm “FALSE”(luôn cho giá trị

‘0’) để tạo thành một hoạt động logic hoàn chỉnh

Bảng 2: Bảng trạng thái IMPLY

Từ bảng chân lý ta thấy, với logic IMPLY đầu ra chỉ cho giá trị ‘0’ khi đầu vào P=‘1’ và Q= ‘0’

Hình 9: Cổng Logic IMPLY

Trong cấu tạo này, các giá trị logic được lưu trữ như là trở kháng nhớ của điện trở nhớ P và Q, trong đó ‘0’ được định nghĩa là ROFF và ‘1’ là RON Cần chú ý rằng, các điện trở nhớ đầu vào tại thời điểm bắt đầu hoạt động là P và Q, và điện trở nhớ đầu ra tại thời điểm kết thúc của hoạt động là Q ( giá trị đầu vào của Q đã bị hủy) Giá trị của điện trở Rg được chọn sao cho RON<Rg<ROFF Hoạt động của cổng được thực hiện bởi điện áp cung cấp Vset và Vcond tới Q và P tương ứng, trong đó Vset>Vcond Khi các điện trở nhớ có dòng ngưỡng, một điện áp tới hạn Vc có thể được định nghĩa là một điện áp thấp hơn, nó sẽ không thay đổi trạng thái của memristor khi được cung cấp Để cho hoạt động IMPLY được thực hiện, ta có các điều kiện sau: Vset>Vc>Vcond,

Vset- Vcond<Vc [11,12,13]

Các hàm Boolean sử dụng các cổng logic IMPLY

 PQ

Bảng 1: Logic IMPLY

1 0 0

 P ‘0’ => Q = P̅

Bảng 2: Logic IMPLY kết hợp với hàm ‘FALSE’

Từ các bảng chân lý trên có thể thực hiện các hàm dưới đây

 AB̅̅̅̅=((A(B ‘0’))  ‘0’) ‘0’.(NAND)

Bảng 2 3: Cổng NAND IMPLY

B‘0’ A(B‘0’) (A(B‘0’) ‘0’ 𝐀𝐁̅̅̅̅

 A + B̅̅̅̅̅̅̅= ((A ‘0’)  B) ‘0’.(NOR)

Bảng 2 4: Cổng NOR IMPLY

A ‘0’ (A ‘0’) B 𝐀 + 𝐁̅̅̅̅̅̅̅̅

 A̅ =A ‘0’ (NOT)

Bảng 2 5: Cổng NOT IMPLY

4.2 Magic logic

Họ logic này có các cổng được xây dựng với memristor riêng biệt cho mỗi đầu vào, và một memristor riêng biệt cho đầu ra Cũng giống như IMPLY, giá trị logic được lưu dưới dạng trở kháng Họ logic này bao gồm các hoạt động logic AND,OR,NOT Mỗi cổng logic được hoạt động dựa trên một điện áp duy nhất mà được phân chia giữa các memristor theo các giá trị logic của chúng và do đó bật hoặt tắt chúng Bởi vì, thực tế memristor đầu ra phải được khởi tạo trước khi hoạt động

 Cổng NOT

Hình 10: Cổng NOT[9]

Cổng NOT bao gồm 1 memristor đầu vào và một memristor đầu ra, và một điện trở thường sử dụng để phân áp Memristor đầu ra được thiết lập mức logic ‘0’ trước khi tính toán Điều kiện của điện áp vào như sau :

(1

𝑅𝑂𝐹𝐹) 𝑖𝑡ℎ < 𝑉𝑖𝑛 < (1 + 𝑅𝑓

𝑅𝑂𝑁) 𝑖𝑡ℎ(2)

Trong đó :

ith : ithreshold : dòng ngưỡng

RON: giá trị trở kháng của memristor ở trạng thái điện trở thấp

ROFF: giá trị trở kháng của memristor ở trạng thái cao trở

 Cổng NAND

Hình 11: Cổng NAND

Memristor đầu ra của cổng NAND được cài đặt với mức logic ‘1’ trước khi tính toán Điều kiện của điện áp đầu vào là:

(1+x)i th R ON <V in <i th ((x-1)R OFF +2R ON ) (3)

Trong đó :

ith : ithreshold : dòng ngưỡng

RON: giá trị trở kháng của memristor ở trạng thái điện trở thấp

ROFF: giá trị trở kháng của memristor ở trạng thái cao trở

x:là số đầu vào

 Cổng NOR

Hình 12: Cổng NOR

Memristor đầu ra của cổng NOR được cài đặt ở mức logic ‘1’ trước khi tính toán Điều kiện điện áp của cổng này là:

i off (𝑅𝑂𝐹𝐹

𝑥−1|| R ON )<V in <i off (𝑅𝑂𝐹𝐹

𝑥 + 𝑅𝑂𝑁)(4)

Trong đó:

ioff : dòng qua khi memristor ở trạng thái cao trở

RON: giá trị trở kháng của memristor ở trạng thái điện trở thấp

ROFF: giá trị trở kháng của memristor ở trạng thái cao trở

x: là số đầu vào

4.3 Logic memristor lai với CMOS

Họ logic memristor lai với CMOS là một họ và trong đó các giá trị logic được lưu dưới dạng điện áp, và các memristor được sử dụng chỉ như các thiết bị tính toán Trong họ này chỉ bao gồm cổng AND và OR Do đó, cổng AND và OR không thể tạo thành một hàm hoàn chỉnh, phải cần thêm cổng (như cổng NOT) để tạo thành hàm logic hoàn chỉnh

 Cổng AND

Hình 13: Cổng AND Khi điện áp ở cả 2 đầu vào đều như nhau, hoặc không có điện áp trên các memristor, thì điện áp đầu ra bằng điện áp đầu vào

Khi một tín hiệu vào ở mức cao, và một ở mức thấp thì dòng điện sẽ chảy từ nút điện thế cao về nút có điện thế thấp Theo như tính phân cực của điện trở nhớ, dòng điện tăng khi trở kháng điện trở nhớ của memristor được kết nối với nút điện thế cao,

và ngược lại

𝑉𝑜𝑢𝑡= 𝑅𝑜𝑛

𝑅𝑜𝑛+𝑅𝑜𝑓𝑓 𝑉ℎ𝑖𝑔ℎ ≈ 0 (5) Trong đó: Vout : là giá trị điện áp ra

Ron: giá trị trở kháng của memristor ở trạng thái trở kháng thấp

Roff: giá trị trở kháng của memristor ở trại thái cao trở

Vhigh: điệp áp đầu vào mức cao

 Cổng OR

Hình 14: Cổng OR

Cổng OR hoạt động tương tự như cổng AND Điều khác biệt là tính phân cực của điện trở nhớ Sự thay đổi này làm cho trở kháng cao của điện trở nhớ được đặt gần với điện áp thấp và ngược lại

Vout= 𝑅𝑜𝑓𝑓

Trong đó: Vout : là giá trị điện áp ra

Ron: giá trị trở kháng của memristor ở trạng thái trở kháng thấp

Roff: giá trị trở kháng của memristor ở trại thái cao trở

Vhigh: điệp áp đầu vào mức cao

Như đã để cập ở trên, một cổng đảo CMOS cần được bổ sung cho bất kỳ một hàm logic nào Cấu trúc mạch cổng NOT CMOS được trình bày trong hình 15

Hình 15: Mạch cổng NOT CMOS

Như vậy, muốn tạo ra các cổng NOR và NAND ta phải kết hợp giữa các cổng

OR, AND memristor với cổng NOT CMOS để tạo ra các hàm logic hoản chỉnh