一种电流型忆阻器矩阵权值运算方法与流程

本发明涉及一种电流型忆阻器矩阵权值运算方法，可用于类脑计算技术领域。

背景技术：

忆阻器，全称记忆电阻器。它是表示磁通与电荷关系的电路器件。忆阻具有电阻的量纲，但和电阻不同的是，忆阻的阻值是由流经它的电荷确定。因此，通过测定忆阻的阻值，便可知道流经它的电荷量，从而有记忆电荷的作用。1971年，蔡少棠从逻辑和公理的观点指出，自然界应该还存在一个电路元件，它表示磁通与电荷的关系。2008年，惠普公司的研究人员首次做出纳米忆阻器件，掀起忆阻研究热潮。

忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻。通过控制电流的变化可改变其阻值，如果把高阻值定义为“1”，低阻值定义为“0”，则这种电阻就可以实现存储数据的功能。实际上就是一个有记忆功能的非线性电阻器。

忆阻器矩阵是由忆阻器纵横排列生成的阵列，根据不同节点处忆阻器电导值不同可应用于数据存储、权值运算等领域中。由于传统忆阻器矩阵的正常运转依赖于各节点忆阻器的稳定性，而现有技术下，忆阻器矩阵中忆阻器单元的存活率有限，成品率不高，故传统的忆阻器矩阵结构在生成大规模忆阻器矩阵时具有较大局限性。同时，传统忆阻器矩阵各节点权值种类依赖于忆阻器自身导态个数，在权值计算过程中缺乏应对突发问题的灵活性。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种电流型忆阻器矩阵权值运算方法。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种电流型忆阻器矩阵权值运算方法，该方法包括如下步骤：

s1：信号发生器中的数字电路根据编码格式设计数字电路的输出信号；

s2：数模转换器将数字电路处理过的模拟信号输入单元忆阻器矩阵；

s3：忆阻器单元矩阵对数模转换器输入的信号进行处理之后，经过忆阻器单元矩阵输出端选通开关；

s4：选通开关输出的信号被下一级进行采集。

优选地，在所述s1步骤中，数字电路之后连接的数模转换芯片dac7678为i2c协议，数字电路编码时需将有效数据写入i2c数据的数据位中，即在地址校验结束后才能对数模转换芯片发送有效数据。

优选地，在所述s2步骤中，数字电路输出的高低电平为数模转换器的驱动信号，数模转换器芯片根据从i2c协议对数字电路输出的i2c数据帧做ack应答，待接收到全部有效数据后，dac7678将数值写入数模转换寄存器，待下一个时钟上升沿到达时，执行转换操作。

优选地，在所述s2步骤中，信号发生器中数模转换器的精度大于16位且转换速度大于10m/s。

优选地，所述有效数据为3路并行传输，将储存数据位依先后顺序进行a、b、c循环编号，对具有相同编号的有效数据将从忆阻器单元矩阵的同一输入端口输入。

优选地，在所述s3步骤中，当对节点处选择通路时，数字电路预设引脚输出+5v直流电压，继电器双掷开关连接输入端口4，即电路选通；当对节点处选择断路时，数字电路预设引脚拉低，即输出0v电平，继电器双掷开关连接端口5，即输入悬空。

优选地，在所述s4步骤中，信号输出端口为ch0与ch1，ch0与ch1需外界解耦电路，ch0与ch1线路的输出端口连接电压跟随器进行信号解耦，芯片信号为opa2626，电压跟随器输出给外接的电流信号采集装置，通过输出信号波形匹配，进而进行图像识别等工作。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：该方法可在忆阻器单元现有导态的基础上开发包含负数权值在内的全新权值，同时为克服传统忆阻器矩阵结构在生成大规模忆阻器矩阵时的局限性，以节点权值固定的小规模忆阻器矩阵替代单个忆阻器的作为忆阻器矩阵的最小单元，方便忆阻器矩阵各单元的测试以及拓展。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的开关电路连接示意图；

图3为本发明的忆阻器矩阵模拟权值连接示意图；

图4为本发明的解耦电路图。

具体实施方式

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

本发明由数字电路与数模转换器连接构成的信号发生器、单元忆阻器矩阵、数字电路与继电器构成的开关电路、电流反相器组成。本发明用于克服现有忆阻器矩阵依赖于单个忆阻器稳定性，在现有技术下难以生产大规模忆阻器矩阵以及现有忆阻器矩阵的权值种类依赖于忆阻器自身导态个数的问题，实现了负数权值运算，提高了权值运算的灵活性。

本发明揭示了一种电流型忆阻器矩阵权值运算方法，该方法通过以下步骤实现：

s1：数字电路根据编码格式设计输出信号：本设计中，由于所选数模转换芯片dac7678为i2c协议，数字电路编码时需将有效数据写入i2c数据的数据位中即在地址校验结束后发送有效数据。本设计中，有效数据为3路并行传输，数字电路首先将储存数据位依先后顺序进行a、b、c循环编号，对具有相同编号的有效数据将从忆阻器单元矩阵的同一输入端口输入。

s2：数模转换器将模拟信号输入单元忆阻器矩阵：数字电路输出的高低电平为数模转换器的驱动信号，数模转换器芯片根据从i2c协议对数字电路输出的i2c数据帧做ack应答。待接收到全部有效数据后，dac7678将数值写入数模转换寄存器，待下一个时钟上升沿到达时，执行转换操作。

s3：选通单元忆阻器矩阵输出端开关：如图1中，开关所在位置由符号“×”标注。如图3，在本发明中，以两个单元忆阻器矩阵为例，为获得等效忆阻器权值矩阵，对如图3符号“●”标注端口进行选通，对符号“×”标注处设为断路。具体电路通断操作如图2所示：当对节点处选择通路时，数字电路预设引脚输出+5v直流电压，继电器双掷开关连接输入端口4，即电路选通；当对节点处选择断路时，数字电路预设引脚拉低，即输出0v电平，继电器双掷开关连接端口5，即输入悬空。

s4：采集输出信号：如图3，ch0与ch1为信号输出端口，为保证单元忆阻器矩阵权值运算精度，ch0与ch1需外界解耦电路，具体电路可自行搭建，如图4，本发明连接电压跟随器进行信号解耦，芯片信号为opa2626，电压跟随器输出端自行连接下一级电路进行信号采集操作。

数字电路根据特定编码方式将权值运算的输入数据以并行或串行信号的方式通过数模转换器输入忆阻器矩阵。

小规模忆阻器矩阵具有完全相同的权值特征，其具体规模由使用者生产、测试能力决定，若使用者配备先进的测试、制造技术，可适当扩大单元矩阵的规模大小，对数个小规模忆阻器矩阵进行排列组合可得到具有全新权值大规模忆阻器矩阵。

数字电路与继电器构成的开关电路在单元忆阻器矩阵的各输出端口进行信号选通，通过选通特定单元矩阵的输出通道可增强忆阻器矩阵权值设定的灵活性，同时，开关电路可对由单元忆阻器矩阵构成的矩阵集合的输出端口进行信号选通，以实现压缩感知等权值运算功能。

电流反相器用于对单元矩阵的输出电流实现反向功能，为信号选通提供更多选择，为负数权值运算提供条件。

所述信号发生器中数模转换模块精度不小于16位且转换速度不小于10m/s；所述单元忆阻器矩阵中单个忆阻器阻态数不小于单元忆阻器矩阵的行列数；所述单元忆阻器矩阵中各行列节点权值不等；所述电流反相器输入阻抗小于单个忆阻器最小组态阻值的百分之一；所述开关电路由fpga与继电器连接构成。

下面结合具体应用谈谈本系统的工作流程：

单个忆阻器可替代多个晶体管执行权值固定功能，故忆阻器矩阵权值运算方法可运用于类脑计算相关领域中。以对9个像素点的二值化图像进行图像识别为例，数字电路以数字1为黑色色块，数字2为白色色块储存图像数据，三路输入通道分别以开关键控的方式周期性输出三行图像数据。

携带图像数据的模拟信号流经如图3两个串联的单元忆阻器矩阵，根据开关电路的选通状态，单元忆阻器矩阵a与单元忆阻器矩阵b特定行列被特定数据线选中，在本应用中假设输出数据线只有一路，即所有选中的输出通道的输出信号将在同一个线路上相互叠加，本应用外接电流信号采集装置，通过输出信号波性匹配，进而进行输入图像识别。

本技术方案可克服现有技术下忆阻器矩阵中忆阻器单元成品率不高，忆阻器矩阵节点权值种类依赖于忆阻器自身导态个数的问题。该方法可在忆阻器单元现有导态的基础上开发包含负数权值在内的全新权值，同时为克服传统忆阻器矩阵结构在生成大规模忆阻器矩阵时的局限性，以节点权值固定的小规模忆阻器矩阵替代单个忆阻器的作为忆阻器矩阵的最小单元，方便忆阻器矩阵各单元的测试以及拓展。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。