Fabrication and characterization of memristive devices for bioinspired applications

Abstract

Οι συσκευές μνημοαντίστασης προτάθηκαν αξιωματικά το 1971 και απαντήθηκαν για πρώτη φορά το 2008, παρόλο που έχουν υπάρξει για πολύ μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Κυκλώματα προσομοίωσης συσκευών μνημοαντίστασης είχαν χτιστεί και στο παρελθόν, αλλά υπέφεραν είτε από μεγάλες τοπολογίες ή από υπερβολικές απαιτήσεις σε χώρο και ισχύ. Οι χαρακτηριστικές ιδιότητες των μονολιθικών συσκευών μνημοαντίστασης, όμως, υπόσχονται σημαντικές βελτιώσεις σε διάφορους τομείς της μικροηλεκτρονικής. Στο πλαίσιο της αρχιτεκτονικής υπολογιστών von Neumann, προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα που θα μπορούσαν να αποδειχθούν ζωτικής σημασίας για τη συνέχιση των σημερινών τάσεων κλιμάκωσης. Με την προσθήκη τους στην εργαλειοθήκη των ηλεκτρονικών συσκευών, νέες εφαρμογές - ή βελτιώσεις υφισταμένων - προτείνονται. Αλλά κυρίως, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την υλοποίηση ηλεκτρονικών συνάψεων, που παρουσιάζουν πλαστικότητα και μάθηση. Η μελέτη αυτή έχει ως στόχο την μοντελοποίηση, την κατασκευή και τον χαρακτηρισμό των εν λόγω συσκευών μνημοαντίστασης και την ενσωμάτωσή τους σε πρωτότυπες βιομιμητικές εφαρμογές. Για το σκοπό αυτό, περιγράφεται ο σχεδιασμός και η κατασκευή νέων συσκευών μνημοαντίστασης: μία συσκευή μνημοαντίστασης έξυπνου κράματος νικελίου-τιτανίου (NiTi) και μία μνημοαντίσταση χαλκού/πεντοξειδίου τανταλίου (Cu/Ta2O5). Είναι εντός του πεδίου εφαρμογής της παρούσας εργασίας η αξιολόγηση των χαρακτηριστικών αυτών των συσκευών και η εξαγωγή μοντέλων συμπεριφοράς για να καταστεί δυνατή η ένταξή τους στο σχεδιασμό κυκλωμάτων. Ως εκ τούτου, ο εκτεταμένος χαρακτηρισμός και μοντελοποίηση που εκτελέστηκαν σε αυτές τις δομές παρουσιάζονται ενδελεχώς. Αυτό περιλαμβάνει θερμική προσομοίωση, εκτός από θερμικές και ηλεκτρικό χαρακτηρισμό, για τη συσκευή NiTi. Ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός για τη συσκευή Cu/Ta2O5 περιλαμβάνει καθεστώτα συνεχούς ρεύματος, εναλλασσόμενου ρεύματος, και παλμού. Μοντέλα προσομοίωσης κατασκευάστηκαν για κάθε συσκευή και υλοποιήθηκαν σε Hardware Description Language (HDL). Τα μοντέλα ταιριάζουν με επιτυχία με τις μετρήσεις μέσω προσομοιώσεων, επιτρέποντας την ένταξή τους σαν ενότητες σε κυκλώματα. Τέλος, η μελέτη αυτή εμπεριέχει την κατασκευή εφαρμογών κυκλωμάτων που εκμεταλλεύονται τις ιδιότητες μνημοαντίστασης. Αρχικά, παρουσιάζεται ένας ταλαντωτής χαμηλής συχνότητας που βασίζεται σε συσκευή μνημοαντίστασης και που απευθύνεται στον παράγοντα του χώρου. Στη συνέχεια, ένα νευρομορφικό σύστημα που ενσωματώνει τις κατασκευασμένες μνημοαντιστάσεις Cu/Ta2O5 φτιάχνεται για να διερευνήσει τη δυνατότητα της πλαστικότητα και της μάθησης και χρησιμοποιώντας μνημοαντιστάσεις. Τα κυκλώματα που είναι σχεδιασμένα για αυτό το σκοπό αναλύονται και το δίκτυο αξιολογείται. Κατά τη διαδικασία της παρούσας διατριβής, συσκευές μνημοαντίστασης, τα βασικά δομικά στοιχεία της βιοεμπνευσμένης αρχιτεκτονικής, κατασκευάζονται και μελετούνται. Οι μοναδικές τους ιδιότητες στοιχειοθετούνται και μοντελοποιούνται. Ακολούθως, ενσωματώνονται στο σχεδιασμό και την κατασκευή νέων βιοεμπνευσμένων εφαρμογών.

Memristive devices were postulated in 1971 and identified in 2008, even though they have existed for much longer. Memristive-device-emulating circuits had been built in the past, but suffered from either large topologies or excessive area and power requirements. The distinctive properties of monolithic memristive devices, however, hold promise for significant improvements in various areas of microelectronics. In the framework of von Neumann computer architecture, they offer significant advantages that could prove crucial in continuing current scaling trends. With their addition to the toolbox of electronic devices, novel applications - or improvements to existing ones - are being proposed. But most significantly, they can be used for implementing electronic synapses, exhibiting plasticity and learning. This thesis is aimed at modeling, fabricating and characterizing such memristive devices and incorporating them in prototype bioinspired applications. To that end, the design and fabrication of novel memristive devices is reported: a nickel titanium (NiTi) smart alloy memristive device and copper/tantalum pentoxide (Cu/Ta2O5) memristor. It is within the scope of this work to evaluate the characteristics of these devices and extract behavioral models to enable their integration into circuit design. Therefore, the extensive characterization and modeling performed on these structures is comprehensively presented. This includes thermal simulation, in addition to thermal and electrical characterization, for the NiTi device. Electrical characterization for the Cu/Ta2O5 device includes DC, AC, and pulse regimes. Behavioral models were constructed for each device and implemented in Hardware Description Language (HDL). The models were successfully matched to measurements through simulations, enabling their inclusion as modules in circuits. Finally, this study encompasses constructing circuit applications exploiting memristive properties. First, a low-frequency memristor-based oscillator addressing space considerations is presented. Next, a neuromorphic system incorporating the fabricated Cu/Ta2O5 memristors is built to investigate the possibility of plasticity and learning using memristors. The circuits designed for this purpose are thus analyzed and the network evaluated. In the process of this thesis, memristive devices, the basic building blocks of bioinspired architecture, are built and studied. Their unique properties are established and modeled. Subsequently, they are incorporated in the fabrication of novel bioinspired applications.