ứng dụng memristor để thiết kế mạch nhận dạng kí tự

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HUỲNH HOÀNG HÀ

ỨNG DỤNG MEMRISTOR ĐỂ THIẾT KẾ
MẠCH NHẬN DẠNG KÍ TỰ

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203

S K C0 0 4 5 3 9

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HUỲNH HOÀNG HÀ

ỨNG DỤNG MEMRISTOR
ĐỂ THIẾT KẾ MẠCH NHẬN DẠNG KÍ TỰ

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2015

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Huỳnh Hoàng Hà

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 05/12/1989

Nơi sinh: Đồng Nai

Quê quán: Hải Dƣơng

Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: Khoa Điện – Điện Tử, Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.
HCM, Số 1 – Võ Văn Ngân, Q. Thủ Đức, TP. HCM.
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
Hệ đào tạo: Đại học chính quy

Thời gian đào tạo từ 10/2007 đến 12/2011

Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. HCM
Ngành học: Công nghệ kỹ thuật máy tính
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: “NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT
KẾ MÁY HIỆN SÓNG TRÊN NỀN MÁY TÍNH”
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 07/2011.
Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Đậu Trọng Hiển.

III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian
09/2011 đến
05/2012
05/2012 đến
nay

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

CÔNG TY TNHH THIẾT KẾ
RENESAS VIỆT NAM
ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ
THUẬT TP. HCM

i

Kỹ sƣ
Giảng viên


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 6 tháng 3 năm 2015
Học viên

ii


LỜI CẢM ƠN
Đề tài luận văn đã hoàn thành đúng thời gian quy định và đạt đƣợc kết
quả nhƣ mong đợi. Để đạt đƣợc kết quả này, tôi xin gửi lời cảm ơn chân
thành đến thầy hƣớng dẫn, thầy Võ Minh Huân. Thầy đã tận tình giúp đỡ
Tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đề tài.
Bên cạnh đó, Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn học viên đã
giúp đỡ, góp ý cho Tôi trong quá trình nghiên cứu.

TP HCM, Ngày 6 tháng 3 năm 2015
Học viên

iii


TÓM TẮT
Ứng dụng memristor trong thiết kế mạch nhận dạng kí tự mẫu thông qua phép
nhân tín hiệu được trình bày trong luận văn. Mạch nhận dạng sử dụng 7 cổng
XOR được thiết kế từ memristor. Bằng cách điều khiển hoạt động của memristor
phù hợp, ta sẽ thu được điện áp ngõ ra tương ứng với từng tập dữ liệu ngõ vào.
Dựa vào điện áp ngõ ra và tập mẫu dữ liệu có sẵn, ta xác định được kí tự cần
nhận dạng. Đặc biệt, ngõ ra được lưu trữ trong các phần tử memristor, không bị
mất dữ liệu ngay cả khi ngưng cấp nguồn, và dữ liệu ngõ ra có thể truy cập lại
được sau đó. Cấu trúc mạch nhận dạng kí tự có ứng dụng memristor giúp tiết
kiệm được năng lượng tiêu hao, quá trình xử lý nhanh và mật độ tích hợp cao khi
số ngõ vào càng lớn. Đề tài sử dụng mô hình memristor lý tưởng. Tất cả kết quả
nghiên cứu được mô phỏng bằng công cụ chuyên dụng trong thiết kế IC Cadence.
Từ khóa – memristor, cổng XOR, phép nhân tín hiệu, nhận dạng kí tự.

iv


ABSTRACT
A character recognition based on memristor via resistive logic signal
multiplication is introduced. The integrated circuit uses seven memristor-based
XOR gates, and XOR gate is made by the combination of Memristors. By
controlling the memristor’s operation suitably, we obtain the corresponding
output voltage according to the inputs. The interests of this circuit structure is
the output registerd in the nonvolatile memristors, so that the computed output
can be stored without power supply and accessed anytime later. This circuit
struture saves energy, the processing speed is fast and the integration density is
high for the large number of inputs. The report mainly focuses on the model of
ideal memristor. All the simulation results are studied using Cadence tool.
Index Terms – memristor, XOR, signal multiplication, character recognition.

v


MỤC LỤC
Trang tựa

Trang

LÝ LỊCH KHOA HỌC ............................................................................................ i
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ iii
TÓM TẮT .............................................................................................................. iv
ABSTRACT ............................................................................................................ v

MỤC LỤC .............................................................................................................. vi
DANH SÁCH HÌNH VẼ ..................................................................................... viii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU .................................................................................. ix
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN .................................................................................... 2
1.1. Tổng quan chung ......................................................................................... 2
1.2. Các kết quả nghiên cứu đã công bố ............................................................. 3
1.3. Mục đích của đề tài...................................................................................... 5
1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài .................................................................. 5
1.4.1. Nhiệm vụ của đề tài .............................................................................. 5
1.4.2. Giới hạn của đề tài ................................................................................ 6
1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................. 6
1.6. Tóm tắt đề tài ............................................................................................... 6
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................... 8
2.1. Tổng quan về memristor .............................................................................. 8
2.2. Tính chất của memristor .............................................................................. 9
2.3. Định nghĩa memristor ................................................................................ 12
2.4. Trở kháng nhớ (memristance) ................................................................... 12
2.5. Nguyên lý hoạt động của memristor ......................................................... 14
2.5.1. Hình dáng bên ngoài ........................................................................... 14
2.5.2. Quá trình hoạt động ............................................................................ 14
2.6. So sánh giữa transistor và memristor ........................................................ 17
2.7. Các ứng dụng ............................................................................................. 18
2.7.1. Bộ nhớ không bay hơi......................................................................... 18

vi


2.7.2. Các mạch logic/ tính toán ................................................................... 18
2.7.3. Mạng thần kinh sinh học (neuromorphic) .......................................... 19
2.7.4. Các ứng dụng khác ............................................................................. 19

2.8. Chất liệu làm memristor ............................................................................ 19
2.8.1. Tế bào phủ kim loại ............................................................................ 19
2.8.2. Perovskite: .......................................................................................... 19
2.8.3. Phân tử/ polime: .................................................................................. 20
2.9. Các thuận lợi của memristor:..................................................................... 20
2.10. Các thách thức chính ............................................................................... 21
CHƢƠNG 3 MÔ HÌNH MEMRISTOR CỦA HP................................................ 22
3.1. Cấu trúc mô hình memristor ...................................................................... 22
3.2. Mô hình dịch tuyến tính ............................................................................ 23
CHƢƠNG 4 ỨNG DỤNG MEMRISTOR TRONG THIẾT KẾ MẠCH NHẬN
DẠNG KÍ TỰ ...................................................................................................... 26
4.1. Memristor trong cấu trúc mạch tổ hợp ...................................................... 26
4.1.1. Cấu trúc memristor lý tƣởng ............................................................... 26
4.1.2. Cổng “kéo theo” ................................................................................. 27
4.1.2.1. Đặc điểm ...................................................................................... 27
4.1.2.2. Nguyên lý hoạt động .................................................................... 28
4.1.3. Cổng XOR .......................................................................................... 29
4.1.3.1. Đặc điểm ...................................................................................... 29
4.1.3.2. Nguyên lý hoạt động .................................................................... 30
4.1.3.3. Mô phỏng bằng cadence............................................................... 31
4.2. Ứng dụng memristor trong thiết kế mạch nhận dạng kí tự ....................... 35
4.2.1. Sơ đồ mạch nhận dạng kí tự sử dụng memristor ................................ 35
4.2.2. Nguyên lý hoạt động ........................................................................... 39
4.2.3. Mô phỏng: Mạch nhận dạng kí tự bằng phần mềm Cadence ............. 40
CHƢƠNG 5 KẾT LUẬN, ĐÁNH GIÁ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ................. 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 46

vii

DANH SÁCH HÌNH VẼ
HÌNH
TRANG
Hình 2.1: 4 nhân tố mạch cơ bản ........................................................................... 8
Hình 2.2: 17 memristor đƣợc phóng to bằng kính hiển vi .................................... 9
Hình 2.3: Sơ đồ minh họa memristor qua dòng điện và độ lớn của ống ............. 10
Hình 2.4: Đặc tuyến I-V của điện trở và memristor ............................................ 11
Hình 2.5: Đặc tuyến I-V của memristor và sẽ co lại khi tần số tăng................... 12
Hình 2.6: kí hiệu của memristor .......................................................................... 12
Hình 2.7: Kiến trúc crossbar và chuyển mạch điện trở nhớ đƣợc phóng to ........ 14
Hình 2.8: sự khuếch tán các phân tử oxy ............................................................ 16
Hình 3.1: Sơ đồ của một memristor HP .............................................................. 22
Hình 4.1: Đặc tuyến lý tƣởng của memristor ...................................................... 26
Hình 4.2: Kí hiệu của cổng “kéo theo” ............................................................... 27
Hình 4.3: Cổng “kéo theo” đƣợc xây dựng từ 2 memristor và 1 điện trở ........... 28
Hình 4.4: Mô tả một trƣờng hợp cổng “kéo theo” .............................................. 29
Hình 4.5: Kí hiệu cổng XOR ............................................................................... 30
Hình 4.6: (a) Cổng XOR đƣợc xây dựng từ 2 memristor RP và RY; (b) Quá trình
thực thi; (c) Bảng trạng thái hoạt động ................................................................ 30
Hình 4.7: Sơ đồ mạch cổng XOR trong Cadence ............................................... 31
Hình 4.8: Dạng sóng tín hiệu điều khiển S1, S2, VP ............................................ 31
Hình 4.9: Vẽ lại hình 4.7: (a) Bƣớc 2 với Vx = 0; (b) Bƣớc 2 với Vx = VEVL > 0
.............................................................................................................................. 32
Hình 4.10: Dạng sóng ngõ ra của Vx, Ry, Rp ..................................................... 34
Hình 4.11: Sơ đồ khối mạch nhận dạng kí tự [10] .............................................. 35
Hình 4.12: So sánh 2 khối nhận dạng kí tự sử dụng bộ nhân: (a) Với cổng XOR
thông thƣờng; (b) Với cổng XOR sử dụng memristor ......................................... 36
Hình 4.13: (a) Mạch cộng L bit; (b) Mạch cộng 1 bit ......................................... 37
Hình 4.14: Cấu trúc cổng XOR sử dụng memristor ............................................ 38
Hình 4.15: Mạch hình 4.12(b) đƣợc vẽ lại ở bƣớc III ......................................... 39

viii


Hình 4.16: (a) Sơ đồ mạch nhận dạng kí tự trong Cadence; (b) Cấu trúc 1 cổng
XOR ..................................................................................................................... 41
Hình 4.17: Dạng sóng ngõ ra của mạch nhận dạng kí tự .................................... 42

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
BẢNG

TRANG

Bảng 2.1: So sánh giữa transistor và memristor .................................................. 17
Bảng 4.1: Bảng sự thật của cổng “kéo theo” ....................................................... 27
Bảng 4.2: Bảng sự thật của cổng XOR truyền thống (⊕) ................................... 29
Bảng 4.3: So sánh mạch nhận dạng theo 2 công nghệ ........................................ 38
Bảng 4.4: Trình tự thực thi của mạch nhận dạng kí tự ........................................ 39
Bảng 4.5: 16 trƣờng hợp ngõ vào với kết quả ngõ ra tƣơng ứng (theo tính toán)
.............................................................................................................................. 41
Bảng 4.6: Điện áp ngõ ra đo đƣợc ở bƣớc III tƣơng ứng với các ngõ vào .......... 42

ix


Chƣơng 1: Tổng quan

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan chung
Theo định luật Moore, số transistor trong mỗi chip sẽ nhân đôi sau 2 năm. Tuy
nhiên, tốc độ này đang dần chậm lại do các thành tố đã bị thu hẹp kích cỡ xuống
chỉ còn vài phân tử và rất khó để thu hẹp nhỏ nữa vì vấn đề về độ chính xác và
ổn định. Vì thế mà nhiều phƣơng pháp, lý thuyết mới ra đời. Và với sự đề cập
“memristor”(điện trở nhớ) của nhà nghiên cứu Leon Chua, thì một tƣơng lai mới
đã mở ra với một công nghệ khác, công nghệ này thậm chí còn tốt hơn cả công
nghệ CMOS vốn đã và đang phát triển mạnh hiện tại.
Từ khi công nghệ điện tử bắt đầu ra đời, thì ta chỉ biết đến 3 loại thiết bị mạch cơ
bản là điện trở (R), cuộn cảm (L) và tụ điện (C). Nhƣng đến năm 1971, nhà
nghiên cứu Leon Chua của UC Berkeley đã nhận ra khả năng tồn tại của một loại
thiết bị thứ tƣ, một loại thiết bị thể hiện mối quan hệ giữa điện lƣợng (q) với từ
thông (φ), đó là Memristor. Và mãi lâu sau đó, thì R. Stanley Williams cùng với
các đồng nghiệp ở phòng thí nghiệm Hewlett-Packard mới hoàn thành đƣợc một
memristor đầu tiên.
Thiết bị này có khả năng nhƣ một điện trở, nhƣng điện trở này có một khả năng
đặc biệt là thay đổi đƣợc trạng thái trở kháng của chính mình khi có dòng điện,
điện áp đặt vào hai đầu nó, khi dừng việc cấp điện áp thì thiết bị này vẫn lƣu trữ
đƣợc trạng thái ngay lúc đó mà không hề bị mất theo thời gian dài. Với kích thức
càng nhỏ thì khả năng thay đổi nhiều trạng thái trở kháng càng rõ ràng, nên
memristor đã và đang đƣợc nghiên cứu rất nhiều với vai trò nhƣ một bộ nhớ có
thể thực hiện các phép logic, hay hoạt động nhƣ một bộ nhớ có nhiều mức trạng
thái khác nhau, nhằm cải thiện công nghệ sản xuất chip hiện nay với tốc độ
nhanh, tiết kiệm điện, chi phí thấp, cấu trúc đơn giản và độ tích hợp dày đặc hơn.
Và đặc biệt là tiềm năng mô tả sử dụng điện trở nhớ này nhƣ là các khớp thần
kinh nhằm bắt chƣớc các chức năng của một bộ não thật sự với kích thức nhỏ
hơn rất nhiều lần so với các công nghệ trƣớc đây.
2

Chƣơng 1: Tổng quan
Về lý thuyết, Memristor sẽ có giá rẻ hơn và tốc độ cao hơn so với bộ nhớ flash,
và cho phép mật độ bộ nhớ lớn hơn nhiều. Nhờ tiết kiệm chi phí và giảm thiểu
lƣợng linh kiện sử dụng nên công nghệ này sẽ tạo ra những hệ thống máy tính giá
rẻ để vừa trong chiếc túi áo và chạy nhanh hơn gấp nhiều lần so với các hệ thống
hiện tại.
Memristor mang lại rất nhiều ƣu điểm nhƣ ít tốn năng lƣợng, hoạt động nhanh
hơn và trong cùng một khu vực lƣu trữ tƣơng đƣơng trên bộ nhớ bán dẫn thông
thƣờng thì memristor có thể lƣu trữ lƣợng dữ liệu nhiều hơn ít nhất là 2 lần.
Ngoài ra, trên thực tế thì memristor "miễn dịch" với các bức xạ vốn là nguyên
nhân gây gián đoạn các công nghệ bán dẫn hiện thời. Với yếu tố này, memristor
sẽ giúp các thiết bị trở nên nhỏ hơn bao giờ hết nhƣng cũng mạnh mẽ hơn bao
giờ hết. Một ƣu điểm nữa của memristor là chúng không bao giờ "quên", điều
này cho phép nó có thể thay thế cho RAM, và cho phép các hệ thống máy tính
không cần phải khởi động qua một quá trình rờm rà mà ngƣời dùng chỉ việc bật
tắt máy nhƣ công tắc đèn.
Và với đặc tính vốn có thì Memristor sẽ thực sự tạo ra một thế hệ máy tính mới
nhờ khả năng ghi nhớ cả chuỗi trạng thái điện năng hơn là chỉ có trạng thái “tắt”
hoặc “bật” nhƣ trong các bộ xử lý số hiện đại.
Chính vì những tính năng ƣu việt của memristor nên đề tài quyết định chọn
hƣớng nghiên cứu là: “Ứng dụng memristor để thiết kế mạch nhận dạng kí tự”,
nhằm nghiên cứu các đặc tính cơ bản của memristor cũng nhƣ tạo tiền đề để
nghiên cứu sâu hơn về công nghệ này trong tƣơng lai, một công nghệ mà có thể
thay thế cho công nghệ CMOS hiện nay với mật độ tích hợp nhỏ, tiết kiệm năng
lƣợng, khả năng lƣu trữ, xử lý tín hiệu nhanh và tốt hơn.
1.2. Các kết quả nghiên cứu đã công bố
Kể từ năm 1971, nhà nghiên cứu Leon Chua của UC Berkeley đã nhận ra khả
năng tồn tại của memristor nhƣ là một loại thiết bị cơ bản thứ tƣ trong bài báo:
“Memristor – The Missing Circuit Element”, của Leon O. Chua, thành viên chủ

3


Chƣơng 1: Tổng quan
chốt của IEEE, và đƣợc công bố vào năm 1971. Đây là nhân tố mạch thụ động,
thể hiện mối quan hệ giữa điện lƣợng và từ thông chạy qua nó. Nhƣng ông chƣa
thể chứng minh rõ ràng đƣợc sự tồn tại thật sự của nó.
Cho đến năm 2008, thì R. Stanley Williams cùng các đồng nghiệp đã công bố các
chi tiết về điện trở nhớ này với một số khả năng tuyệt vời của nó trong bài báo:
“How we found the missing Memristor”. Với sự kết hợp transistor với điện trở
nhớ, R. Stanley có thể tăng hiệu năng của các mạch số mà không cần thu nhỏ các
transistor lại. Sử dụng các transistor hiệu quả hơn có thể giúp chúng ta duy trì
luật Moore và không cần tới quá trình nhân đôi mật độ transistor vốn tốn nhiều
chi phí và ngày càng khó khăn. Về lâu dài thì điện trở nhớ thậm chí còn có thể là
bƣớc ngoặt đánh dấu sự xuất hiện của các mạch tƣơng tự (analog) biết tính toán
nhờ sử dụng kiến trúc giống nhƣ kiến trúc của bộ não. Qua bài báo này, ông cũng
trình bày sơ bộ về đặc điểm của memristor. Điện trở nhớ (memristor) là từ viết
gọn của “memory resistor” vì đó chính là chức năng của nó: ghi nhớ lịch sử của
bản thân. Một phần tử điện trở nhớ có hai cực, với trở kháng của nó phụ thuộc
vào độ lớn, chiều phân cực và khoảng thời gian của điện thế áp lên nó. Khi bạn
tắt điện thế này thì điện trở nhớ vẫn nhớ mức trở kháng ngay trƣớc khi tắt cho tới
lần bật lên kế tiếp, bất chấp việc này có xảy ra sau đó một ngày hay một năm.
Bài báo:”Disclosing the secrets of memristors and implication logic” của Jens
Burger lại tập trung vào thảo luận memristor trong ngữ cảnh tổng hợp logic số.
Và đƣa ra một cái nhìn tổng quan về các đặc tính của memristor và chúng đƣợc
sử dụng trong logic số nhƣ thế nào. Bài báo sẽ giới thiệu cách thức mà memristor
ánh xạ với các phép toán logic số và bằng cách nào memristor có thể đƣợc sử
dụng với các phƣơng pháp tổng hợp chung để biến một chức năng luận lý dễ thay
đổi thành một mạch logic cụ thể.
Với bài báo: “Memristor-based Circuits for Performing Basic Arithmetic

Operations” của Farnood Merrikh-Bayat, Saeed Bagheri Shouraki. Trong hầu
hết các mạch điện hiện tại, đặc biệt là trong các mạch tƣơng tự thực thi các ứng
dụng xử lý tín hiệu, các phép tính số học ví dụ nhƣ phép nhân, phép cộng, phép

4


Chƣơng 1: Tổng quan
trừ và phép chia đƣợc thể hiện bằng các giá trị điện áp và dòng điện. Tuy nhiên,
bài báo này đề xuất một phƣơng pháp mới đơn giản để thực hiện các phép toán
số học, đó là các tín hiệu đƣợc đại diện và lƣu trữ thông qua khả năng nhớ trở
kháng của một nhân tố mới đƣợc phát hiện, memristor. Và kết quả mô phỏng đã
thể hiện đƣợc sự hiệu quả, độ chính xác, tính đơn giản và tốc độ nhanh của các
mạch đã đƣợc đề xuất.
Một đơn vị tính toán logic có tính trở kháng dựa trên memristor đƣợc giới thiệu
qua bài báo: “Memristive Computing – Multiplication and Correlation” của
Sangho Shin, Kyungmin Kim, và Sung-Mo “Steve” Kang ở trƣờng đại học của
California, Stanta Cruz. Bài báo này tập trung vào thực hiện phép nhân các tín
hiệu bằng các thiết bị memristor đơn cực và các thiết bị chuyển mạch điều khiển.
Kết quả tính toán sẽ đƣợc lƣu vào một bộ nhớ memristor, có thể lƣu trữ đƣợc dữ
liệu ngay cả khi tắt nguồn, và ngõ ra của tính toán có thể đƣợc truy cập lại vào
bất cứ lúc nào bằng việc đọc trạng thái của ngõ ra memristor.
1.3. Mục đích của đề tài
Với các yêu cầu ngày càng khắc khe trong lĩnh vực vi mạch ngày nay, nên đề tài
này đƣợc tiến hành với mục đích nghiên cứu cấu trúc, đặc điểm, nguyên lý của
công nghệ mới – “Memristor”, cũng nhƣ khả năng thay thế và kết hợp với cấu
trúc vi mạch hiện thời để tăng khả năng tích hợp, tốc độ xử lý, giảm chi phí và
tiết kiệm điện năng tiêu hao cho thiết bị.
1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
1.4.1. Nhiệm vụ của đề tài

-

Phân tích cấu trúc, đặc điểm và nguyên lý hoạt động của điện trở nhớ
(memristor).

-

Tìm hiểu công nghệ thiết kế vi mạch hiện nay.

-

Xem xét độ tích hợp, tốc độ thực thi của mạch điện khi sử dụng
memristor.

5


Chƣơng 1: Tổng quan
-

Cài đặt và nghiên cứu sử dụng bộ công cụ thiết kế vi mạch Cadence trên
nền hệ điều hành Redhat.

-

Ứng dụng memristor xây dựng các mạch tổ hợp số cơ bản.

-

Ứng dụng memristor trong thiết kế mạch nhận dạng kí tự mẫu.

1.4.2. Giới hạn của đề tài
Đề tài chỉ tập trung vào nghiên cứu lý thuyết, thiết kế và mô phỏng memristor
trên máy tính, không thể thi công thực tế vì chi phí lớn. Bƣớc đầu khảo sát cách
thức hoạt động của memristor trong các mạch tổ hợp số; qua đó, ứng dụng
memristor vào thiết kế một mạch nhận dạng kí tự căn bản, chƣa ứng dụng
memristor vào thiết kế các mạch tƣơng tự.
1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Do mục đích nghiên cứu của đề tài chủ yếu tập trung vào nghiên cứu công nghệ
vi mạch mới, nên phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc sử dụng chủ yếu là:
-

Tìm hiểu về đặc điểm, cấu trúc memristor,

-

Đặc tuyến và nguyên lý hoạt động,

-

Phƣơng pháp kết hợp memristor với các cấu trúc vi mạch sẵn có.

-

Thông qua đó, ứng dụng memristor trong thiết kế một số mạch tổ hợp, và
trong cấu trúc của một mạch nhận dạng kí tự mẫu.

1.6. Tóm tắt đề tài
Với các yêu cầu và mục tiêu đề ra, luận văn đƣợc xây dựng bao gồm các chƣơng
sau:

-

Chƣơng 1: Tổng quan về lĩnh vực cũng nhƣ đề tài nghiên cứu. Trình bày
khái quát về tình hình lĩnh vực vi mạch nghiên cứu hiện nay, thông qua đó
đề cập đến tầm quan trọng của đề tài.

-

Chƣơng 2: Trình bày về cấu trúc, đặc điểm, chất liệu và nguyên lý hoạt
động của memristor. Qua đó, trình bày khả năng ứng dụng của memristor

6


Chƣơng 1: Tổng quan
trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, và rút ra những tính năng vƣợt trội, cũng
nhƣ thách thức của vật liệu mới này.
-

Chƣơng 3: Trình bày về một mô hình memristor đƣợc xây dựng bởi các
nhà nghiên cứu của tập đoàn HP.

-

Chƣơng 4: Trình bày về ứng dụng memristor kết hợp với công nghệ
CMOS truyền thống để xây dựng các mạch số tổ hợp. Và dựa trên các
mạch số tổ hợp sử dụng memristor, thiết kế mạch nhận dạng kí tự.

-

Chƣơng 5: Kết luận và hƣớng phát triển đề tài.

7


Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết

CHƢƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Tổng quan về memristor
Trong lý thuyết mạch điện tử, có 3 thiết bị mạch cơ bản đã biết, đó là điện trở,
cuộn dây, và tụ điện. Mỗi thiết bị này đƣợc định nghĩa dựa trên mối liên hệ giữa
hai trong bốn biến số mạch cơ bản: dòng điện, từ thông, điện tích, điện áp. Dòng
điện đƣợc định nghĩa nhƣ là vi phân của của điện tích. Theo nhƣ định luật
Faraday, điện áp đƣợc định nghĩa nhƣ là vi phân của từ thông. Điện trở đƣợc
định nghĩa bởi mối quan hệ của dòng điện và điện áp, tụ điện đƣợc định nghĩa
bởi mối quan hệ giữa điện tích và điện áp, và cuộn dây đƣợc định nghĩa bởi mối
quan hệ giữa từ thông và dòng điện. Với 4 biến số mạch cơ bản thì có 6 mối liên
hệ giữa 2 biến số với nhau. Tuy nhiên, cho đến nay, ta chỉ thấy có 5 sự kết hợp
này. Vì vậy, nhà nghiên cứu Leon Chua đã đề xuất một nhân tố mạch thứ 4, thể
hiện mối liên hệ giữa từ thông và điện tích, nhằm hoàn thành sơ đồ đối xứng giữa
các biến số mạch nhƣ hình sau:

Hình 2.1: 4 nhân tố mạch cơ bản [12]
Leon Chua đã đặt tên cho nhân tố này là memristor, viết tắt của: memory resistor.
Memristor có trở kháng thể hiện mối liên hệ giữa từ thông và điện tích. Vào năm

8

Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết
2008, Stanley Williams, của tập đoàn Hewlett Packard, đã công bố một
memristor đầu tiên đã đƣợc sản xuất.
2.2. Tính chất của memristor
Memristor là một nhân tố 2 cực thụ động, mô tả mối quan hệ của điện tích chạy
qua thiết bị (tích phân theo thời gian của dòng điện) với từ thông; hay có thể định
nghĩa memristor là một thiết bị bán dẫn 2 cực mà trở kháng của nó phụ thuộc vào
độ lớn và cực tính của điện áp đặt vào nó và thời gian mà điện áp đó tác động
vào. Khi mà ta ngƣng điện áp này thì memristor vẫn ghi nhớ trở kháng gần nhất
của nó cho đến lần tiếp theo tác động vào nó bất chấp thời gian sau đó là bao lâu,
có thể là một vài ngày hay một vài năm sau.

Hình 2.2: 17 memristor đƣợc phóng to bằng kính hiển vi [13]
Cái tên của nó ngụ ý rằng, memristor có thể “nhớ” dòng điện đã chạy qua nó là
bao nhiêu. Đáng chú ý nhất là nó có thể lƣu trạng thái điện tử của nó thậm chí cả
khi dòng điện đã đƣợc ngắt, điều này giúp ta có thể thiết kế một bộ nhớ lƣu trữ
mới sử dụng memristor để thay thế cho bộ nhớ flash hiện nay.
Memristor có đặc tính cũng khá giống trở kháng. Giả sử xem một điện trở nhƣ là
một cái ống mà dòng nƣớc chạy qua nó. Xem dòng nƣớc nhƣ là điện tích. Khả
năng cản trở dòng điện tích của điện trở đƣợc xem nhƣ là độ lớn đƣờng kính của
ống: ống càng nhỏ, trở kháng càng lớn. Trong lịch sử thiết kế mạch, các điện trở
có bán kính ống nƣớc cố định. Nhƣng một memristor là ống nƣớc mà có thể thay
9


Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết
đổi đƣờng kính ống bằng lƣợng nƣớc và hƣớng chảy của luồng nƣớc chạy qua
nó. Nếu cho nƣớc chảy vào theo một hƣớng, thì ống sẽ lớn lên (trở kháng giảm),
nhƣng nếu nƣớc chảy theo hƣớng ngƣợc lại thì ống sẽ bị co lại (trở kháng tăng).

Hơn nữa, khi ngƣng cấp nƣớc thì memristor vẫn nhớ đƣờng kính của nó khi nƣớc
chảy qua lần cuối cùng. Ta thấy, ống nƣớc không lƣu trữ nƣớc mà nó chỉ nhớ đã
có bao nhiêu nƣớc chảy qua nó.
Dòng
điện tăng

Dòng điện
thuận

Trở kháng
trung bình

Trở kháng
giảm

Dòng điện
ngƣợc

Trở kháng
tăng

Hình 2.3: Sơ đồ minh họa memristor qua dòng điện và độ lớn của ống [13]
Nguyên nhân mà memristor khác cơ bản so với các nhân tố mạch căn bản khác là
nó có khả năng nhớ. Khi nhƣng cung cấp điện áp cho nó thì nó vẫn tiếp tục nhớ
đã có bao nhiêu điện áp đƣợc đặt vào và đã đặt vào bao lâu. Kết quả này không
thể đạt đƣợc ở bất cứ nhân tố mạch căn bản nào, vì thế mà memristor đƣợc xem
nhƣ là một nhân tố mạch căn bản. Về mặt kĩ thuật thì cơ chế này có thể đƣợc tái
tạo bằng cách sử dụng nhiều transistor và tụ điện nhƣng nhƣ thế thì quá tốn kém
và phức tạp.
Một memristor lý tƣởng là một thiết bị điện tử 2 cực thụ động, và chỉ mô tả duy

nhất đặc tính trở kháng nhớ. Tuy nhiên, rất khó để xây dựng đƣợc một memristor
tinh khiết nhƣ vậy khi mà tất cả thiết bị thực tế đều chứa một lƣợng nhỏ đặc tính
khác.
Hai tính chất đáng chú ý nhất của memristor đó là: thứ nhất, tính chất nhớ của nó,
thứ hai là kích thƣớc nano siêu nhỏ. Tính chất và khả năng nhớ của memristor
cho chúng ta nghĩ về nhiều phƣơng pháp máy tính siêu nhỏ mới. Với một thiết bị
kích thƣớc nano thì mật độ tích hợp sẽ rất cao và tốn ít năng lƣợng. Thêm nữa,
10


Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết
quá trình sản xuất các thiết bị nano thì đơn giản hơn và rẻ hơn việc sản xuất sử
dụng công nghệ CMOS truyền thống.
Do memristor là một thiết bị thụ động nên để sử dụng nó, ta cần tích hợp nó vào
một mạch điện với các nhân tố chủ động ví dụ nhƣ transistor. Một mạch điện mà
có thêm memristor thì sẽ có nhiều thuận lợi trong việc tăng cƣờng chức năng của
mạch với ít nhân tố hơn, trong một vùng diện tích nhỏ hơn và tốn ít năng lƣợng
hơn.
Nhân tố mạch mới này có nhiều đặc điểm giống với điện trở và cũng có đơn vị
đo bằng Ohm. Tuy nhiên, khác với điện trở, có trở kháng cố định, thì trở kháng
nhớ (memristance) có thể đƣợc lập trình hay chuyển sang các trạng thái trở
kháng khác dựa vào điện áp đặt vào memristor trƣớc đó. Hiện tƣợng này có thể

Dòng điện

quan sát đƣợc bằng đặc tuyến I-V của điện áp và dòng qua điện trở và memristor.

Điện áp

Hình 2.4: Đặc tuyến I-V của điện trở và memristor [13]

Với điện trở thông thƣờng thì mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp là tuyến
tính, nên đặc tuyến I-V là một đƣờng thẳng, do trở kháng của nó không đổi. Tuy
nhiên, do tính chất thay đổi trở kháng nhớ của memristor, nên đặc tuyến I-V cũng
biến thiên một cách phi tuyến nhƣ hình vẽ.
“Vòng đƣờng cong I-V” bị co lại khi mà tần số nguồn tăng. Hình 2.5 mô tả đặc
tuyến I-V của memristor, và sự thay đổi của đƣờng cong I-V khi thay đổi tần số.

11


Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết
Thật vậy, khi mà tần số kích thích tăng đến vô cùng, thì memristor hoạt động nhƣ
một điện trở.

Hình 2.5: Đặc tuyến I-V của memristor và sẽ co lại khi tần số tăng [13]
2.3. Định nghĩa memristor
Memristor viết tắt của: memory resistor, là một thiết bị thụ động, một nhân tố
mạch hai cực, thể hiện mối quan hệ giữa từ thông và điện tích, trong đó từ thông
giữa hai cực là một hàm của lƣợng điện tích chạy qua nó. Memristor không phải
là một nhân tố chứa năng lƣợng.
Nhà nghiên cứu Leon Chua định nghĩa nhân tố này nhƣ một điện trở, mà trở
kháng thay đổi dựa trên lƣợng điện tích chạy qua. Kí hiệu nhƣ hình sau:

Hình 2.6: kí hiệu của memristor
2.4. Trở kháng nhớ (memristance)
Trở kháng nhớ là một tính chất của memristor. Khi luồng điện tích chạy qua thiết
bị theo một hƣớng, thì trở kháng của thiết bị tăng lên. Còn khi luồng điện tích
chạy theo hƣớng ngƣợc lại thì trở kháng của thiết bị giảm. Khi mà điện áp đặt
vào thiết bị bị ngắt, tức là luồng điện tích ngừng, thì memristor vẫn nhớ trạng
thái trở kháng cuối ngay trƣớc khi tắt nguồn cấp. Khi mà cấp điện áp trở lại thì

12


Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết
trở kháng của thiết bị cũng sẽ giống nhƣ là trở kháng cuối cùng mà nó lƣu trữ
đƣợc trƣớc khi ngắt nguồn.
Mỗi memristor đƣợc mô tả bởi một hàm trở kháng nhớ, mô tả tốc độ thay đổi từ
thông dựa trên điện tích chạy qua thiết bị.
( )

(2.1)

Theo nhƣ định luật về cảm ứng điện từ của Faraday thì từ thông chính là nguyên
phân của điện áp và điện tích là nguyên phân của dòng điện theo thời gian, vì thế
mà ta có thể viết công thức trên theo một dạng khác nhƣ sau:
( ( ))

( )
( )

(2.2)

Theo công thức trên ta thấy, trở kháng nhớ nhƣ là trở kháng mà phụ thuộc điện
tích. Nếu M(q(t)) là một hằng số thì ta có thể thu đƣợc đẳng thức theo định luật
Ohm: R(t) = V(t)/ I(t). Tuy nhiên, M(q(t)) biến đổi theo điện tích, vì thế mà đẳng
thức này không đúng. Xem điện áp nhƣ một hàm của thời gian, ta sẽ có mối liên
hệ sau:
V(t) = M(q(t)). I(t)

(2.3)

Biểu thức này cho thấy rằng trở kháng nhớ xác định một mối liên hệ tuyến tính
giữa dòng điện và điện áp khi điện tích không thay đổi. Miễn là M thay đổi ít, ví
dụ ta sử dụng nguồn cấp xoay chiều, thì memristor có thể xem nhƣ là một điện
trở có trở kháng cố định.
Công suất tiêu thụ của memristor đƣợc tính toán nhƣ sau:
P(t) = V(t). I(t) = I2(t). M(q(t))

(2.4)

Nếu không cấp áp cho memristor, tức V(t) = 0 thì I(t) = 0, và M(t) là không đổi,
đây chính là tính chất của hiệu ứng bộ nhớ. Đồng thời, mạch không tiêu hao năng
lƣợng.

13


Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết
2.5. Nguyên lý hoạt động của memristor
2.5.1. Hình dáng bên ngoài
Memristor trong phòng thí nghiệm của HP có nhiều mạch điện trở nhớ loại
crossbar chứa một dãy các dây dẫn bạch kim rộng 40 – 50nm và dày khoảng 2 –
3nm song song với nhau, nằm ở lớp trên và vuông góc với các dây dẫn bạch kim
nằm ở lớp dƣới. Các lớp trên và dƣới đƣợc tách biệt nhau bằng một chuyển mạch
bán dẫn dày xấp xỉ 3 – 30nm. Các chuyển mạch bán dẫn này chứa 2 phần Titan
oxit (TiO2) tinh khiết và TiO2-x chứa lỗ trống oxy bằng nhau. Dây bạch kim lớp
dƣới đƣợc nối với phần TiO2 thuần khiết, phần còn lại là lớp TiO2 thiếu oxy, có
thể đƣợc kí hiệu là TiO2-x với x là số nguyên tử oxy bị thiếu hay còn gọi là lỗ
trống. Toàn bộ mạch và cơ chế không thể quan sát đƣợc bằng mắt, nhƣng ta có

thể tƣởng tƣợng mạch nhƣ hình 2.7:

Hình 2.7: Kiến trúc crossbar và chuyển mạch điện trở nhớ đƣợc phóng to [13]
2.5.2. Quá trình hoạt động
Quá trình hoạt động nhƣ là một chuyển mạch của memristor có thể đƣợc giải
thích theo 3 bƣớc. Bƣớc một là đặt vào memristor một nguồn năng lƣợng hay
dòng điện đi qua. Bƣớc thứ hai gồm lƣợng thời gian mà dòng điện chạy qua các

14


Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết
dây dẫn crossbar và làm cách nào mà khối titan oxit chuyển từ chất bán dẫn sang
chất dẫn điện. Bƣớc cuối cùng là trở kháng nhớ thật sự của khối titan oxit có thể
đƣợc đọc nhƣ là dữ liệu.
Bƣớc 1: Nhƣ giải thích ở trên, mỗi khối titan oxit đƣợc nối với 2 dây platium
chứa một hỗn hợp 2 lớp titan oxit. Trạng thái ranh giới ban đầu của hỗn hợp này
là chính giữa 2 phần chất dẫn và chất bán dẫn. Hai dây platium đƣợc chọn để đặt
năng lƣợng nào, có thể là theo hƣớng dƣơng hoặc theo hƣớng âm. Năng lƣợng
theo hƣớng dƣơng sẽ làm cho chuyển mạch đóng lại, còn hƣớng âm sẽ làm
chuyển mạch mở ra. Áp dụng một nguồn năng lƣợng có thể làm chuyển mạch
mở hoàn toàn nhƣng không thể đóng hoàn toàn chuyển mạch vì vật liệu sử dụng
ở đây vẫn là chất bán dẫn. Năng lƣợng có thể đƣợc đặt vào bất cứ dây dẫn nào để
mở hoặc đóng các chuyển mạch trong memristor tƣơng ứng.
Bƣớc 2: Bƣớc 2 sẽ trình bày quá trình tác động của năng lƣợng vào chuyển mạch
ở mức nguyên tử, nên không thể quan sát đƣợc bằng mắt thƣờng. Quá trình này
sẽ đóng hay mở chuyển mạch mà áp dụng năng lƣợng vào nó. Nhƣ trong bƣớc 1,
thì chuyển mạch gồm một nửa là TiO2 và một nữa là TiO2-x với x đƣợc khởi tạo
là 0.05. Khi mà một dòng điện dƣơng đƣợc đặt vào, thì các lỗ trống oxy đƣợc nạp
điện tích dƣơng bị đẩy sang phần TiO2, điều này làm trở kháng của chuyển mạch

giảm, tăng khả năng dẫn điện, và làm dòng điện tăng. Ngƣợc lại, khi một dòng
điện ngƣợc đƣợc đặt vào thì các lỗ trống oxy bị kéo ngƣợc lại từ phần TiO2 và
đƣợc ngƣng tụ tại phần TiO2-x, phần TiO2 lớn dần lên và điều này làm cho
chuyển mạch tăng tính cản trở dòng điện, dòng điện giảm. Khi dòng điện dƣơng
đặt vào thì chuyển mạch đƣợc xem nhƣ mở (HI), trạng thái này gọi là mức 1. Khi
dòng điện âm và dòng bị giảm, chuyển mạch đƣợc xem là ở trạng thái đóng
(LOW), trạng thái này gọi là mức 0.

15