通过金属氧化物器件控制电压电阻的制作方法

通过金属氧化物器件控制电压电阻


背景技术：

1.本发明一般涉及电压电阻领域，具体地涉及通过金属氧化物器件控制电压电阻。
2.忆阻器是涉及电导率和电压的非线性两端子电部件。电压是两点之间的电势差，在静电场中，其被定义为在两点之间移动测试电荷的每单位电荷所需的功。物体的电阻是其对电流流动的抵抗的量度。物体的电阻在很大程度上取决于其制造材料。由电绝缘体(如橡胶)制成的物体往往具有非常高的电阻和低的电导率，而由电导体(如金属)制成的物体往往具有非常低的电阻和高的电导率。
3.金属氧化物是包含金属阳离子和氧化物阴离子的无定形或结晶固体。金属氧化物通常与水反应以形成碱或者与酸反应形成盐。氧化物是在其化学式中包含至少一个氧原子和一种其它元素的化合物。氧化物是氧的二价阴离子。某些元素可以形成多种氧化物，其与氧结合的元素的量不同。示例是碳、铁、氮、硅、钛和铝。在这样的情况下，通过指定所涉及的原子数目或者通过指定元素的氧化数来区分氧化物。


技术实现要素：

4.本发明的实施例提供了一种计算机系统、电压电阻控制装置和方法，包括：在近端端点上的至少两个电极；设置在至少两个电极上的第一层，其中第一层由金属氧化物制成；设置在第一层上的第二层，其中第二层由导电金属氧化物制成；设置在第二层上的成形接触件，其中成形接触件设置在第二层上、第二层设置在第一层上的组合可操作地连接到至少两个电极；以及可操作地连接到成形接触件的计算机系统，其中计算机系统被配置成将预定电压分别施加于第一层和第二层并且使用用户接口显示总体电阻增加。
附图说明
5.图1是根据本发明的至少一个实施例的电压电阻控制系统的框图；
6.图2a是根据本发明的至少一个实施例的电压电阻控制装置的分解图；
7.图2b是根据本发明的至少一个实施例的电压电阻控制装置的组装图；
8.图3是示出根据本发明的至少一个实施例的用于控制金属氧化物装置中的电压电阻的操作步骤的流程图；以及
9.图4是根据本发明至少一个实施例的图1的计算机系统的内部和外部组件的框图。
具体实施方式
10.本发明的实施例认识到需要提供用于使用忆阻装置来控制电压电阻以计算神经网络内的多个突触连接的更高效的系统和方法。通常，细丝状类型的忆阻装置内的电阻范围是100欧姆至10千欧姆，这限制了忆阻装置的电压电阻以及潜在地限制了忆阻器装置最高和最低电阻状态的比。在一些情况下，通过施加电流或电压并且通过施加负电荷或正电荷来获得高电阻状态与低电阻状态之间的切换，氧空位的导电细丝在金属氧化物中形成。本发明的实施例提供了通过增加与金属氧化物装置相关联的多个细丝层的电阻来控制电
压电阻的高效系统和方法。本发明的实施例提供了用于通过经由细丝状部分的串联增加忆阻装置内的电阻来控制电压电阻的高效系统和方法，这减少了低效的功率消耗。本发明的实施例提供了用于通过以下来控制电压电阻的高性价比的系统和方法：使用预定电压同时调谐多个细丝、产生系统级的最小开销以及基于通过多个细丝所施加的预定电压对与忆阻器件相关联的电阻的增强控制。本发明的实施例提供了用于通过以下来控制电压电阻的高效并且高性价比的系统和方法：在第一金属氧化物中施加至少两个细丝状导电通道；通过至少细丝控制电导的单独调谐；并且强制电流横向通过第二金属氧化物层和通过第一金属氧化物中的两个或更多个细丝。以这种方式，如在本说明书中更详细讨论的，本发明的实施例可以用于通过控制施加于与金属氧化物装置相关联的多个细丝层内的每个相应细丝层的电压来增加该多个细丝层内的电阻。
11.图1是根据本发明的实施例的电压电阻控制系统100的功能框图。电压电阻控制系统100包括计算机系统102和电阻电压控制装置106。在一些实施例中，计算机系统102可以是电压电阻控制装置106的集成的、板上组件。通常，计算机系统102表示能够执行机器可读程序指令的任何电子设备或电子设备的组合，如关于图4更详细地描述的。
12.计算机系统102包括电压电阻控制程序104。如关于图3更详细地讨论的，通过经由数据线缆108生成横向通过与电压电阻控制装置106相关联的多个细丝层的预定电压的电流，电压电阻控制程序104(在下文中称为“程序104”)增加电阻并且增强电压电阻控制装置106的电阻控制。在另一实施例中，电压电阻控制装置106使用程序104来增加电阻并且增强对外部器件的电阻控制，程序104被本地存储在电压电阻控制装置106上。在本实施例中，程序104将预定电压施加于电压电阻控制装置106。如本文所用，术语“电压电阻”是指对施加于与电压电阻控制装置106相关联的至少两个细丝层的电流流动(即，电压)的抵抗的量度。在该实施例中，控制细丝层内的每个相应细丝部分的单独电阻使得能够通过以下来增强对电压电阻的控制：基于跨电压电阻控制装置106内的多个细丝部分(例如，在第一金属氧化物层与第二金属氧化物层之间)单独施加预定电压来单独调谐每个相应细丝部分。由电压电阻控制装置106传输的数据可以包括传输指令以使得能够在第二金属氧化物层和与第一金属氧化物层相关联的至少一个细丝部分之间直接交换氧，这修改了与包括金属氧化物层的元件相关联的化学计量布置。
13.图2a是电压电阻控装置106的截面图。电压电阻控制装置106包括作为近端端点的第一电极202和第二电极204。在该实施例中，由金属氧化物制成的第一层210设置在第一电极202和第二电极204上。例如，二氧化硅sio2和二氧化钛tio2是金属氧化物的示例。在该实施例中，由导电金属氧化物制成的第二层208设置在第一层210上。在另一实施例中，第二层208由金属氧化物和电绝缘体制成。电绝缘体被定义为不允许电子自由流动的材料，这意味着低量的电流可以流过该材料。例如，电绝缘体是玻璃、纸和特氟龙。在该实施例中，由导电金属制成的成形接触件206设置在第二层208上。在该实施例中，将如下组合定义为分层成形接触件：成形接触件206设置在第二层208上，第二层208设置在第一层210上。在该实施例中，分层成形接触件可操作地连接第一电极202和第二电极204。
14.在该实施例中，第一层210包含多个细丝部分，其中通过在第一层210内施加预定电压来控制多个细丝部分内的每个细丝部分的电压电阻。在该实施例中，第二层内的多个细丝部分经由施加预定电压来改变第二层208的电阻。在本实施方式中，程序104对第一层
210的多个细丝部施加预定电压。在另一实施例中，电压电阻控制程序104将预定电压施加于第二层208和第一层210。在该实施例中，程序104可以向第一层210施加不同的电压。在另一实施例中，程序104横向施加通过第一层210内的多个细丝部分的预定电压。在该实施例中，第二层208由金属氧化物制成，其基于经由向第一层210内的多个细丝部分施加预定电压来修改化学计量而显示出电阻依赖性。在该实施例中，第一层210是电介质，电介质被定义为具有在没有电导的情况下传输电力的性质。在该实施例中，第一层210的优选材料是二氧化铪hfo2。在该实施例中，第二层208由与第一层210的金属氧化物不同的金属氧化物制成，并且具有高导电性。在该实施例中，第二层208的优选材料是氧化钨wo
3-x
。在另一实施例中，第二层208内使用的金属氧化物的优选材料是二氧化硅sio2和二氧化钛tio2。
15.在某些实施例中，程序104在第一电极202和第二电极204处施加相同的预定电压。在其它一些实施例中，程序104将与施加于第一电极202和第二电极204的预定电压不同的预定电压施加于成形接触件206。在某些实施例中，不同的预定电压的施加顺序地发生，其中，第一预定电压被施加于第一电极202和第二电极204，随后第二预定电压被施加于成形接触件206。在另一实施例中，第一预定电压和第二预定电压的施加是同时的。在该实施例中，程序104通过向第一电极202和第二电极204以及成形接触件206施加不同的预定电压来单独地控制多个细丝层的电阻状态。在该实施例中，通过使用预定电压的横向施加来选择性地修整位于第一层210和第二层208内的多个部分中的至少一个部分内的电阻，程序104增加电压电阻控制装置106的总体电阻，这动态地增加与电压电阻控制装置106相关联的电阻范围。
16.图2b是电压电阻控制装置106的展开图。电压电阻控制装置106是使用交叉阵列212配置。在该实施例中，程序104向与交叉阵列212相关联的多个条内的至少一组条施加第一预定电压。在该实施例中，程序104向与交叉阵列212相关联的多个条内的至少一组其他条施加第二预定电压。在该实施例中，电线214将与交叉阵列212相关联的多个条互连。在该实施例中，电线可操作地设置在整个第一层210和第二层208中，使得电线连接这两层，其中每个相应的细丝层与相应的金属氧化物相关联。在该实施例中，具有交叉阵列212配置的电压电阻控制装置106通过以下来计算神经网络中的多个突触连接以用于模拟突触加速器的高效操作：通过施加与多个金属氧化物层相互作用的预定电压来单独地调谐多个细丝层，这产生100欧姆(“100ω”)至10,000(“10,000ω”)欧姆(即，10kω)的增加的电阻范围。
17.图3是示出根据至少一个实施例的用于动态控制电压电阻控制装置中的电压电阻的操作步骤的流程图300。
18.在步骤302中，程序104分析电压电阻控制装置106。在该实施例中，电压电阻控制装置106包括作为近端端点的第一电极202和第二电极204。在该实施例中，由金属氧化物制成的第一层210设置在第一电极202和第二电极204上。在该实施例中，由导电金属氧化物制成的第二层208设置在第一层210上。在该实施例中，由导电金属制成的成形接触件206设置在第二层208上。在该实施例中，将以下组合定义为分层成形接触件：成形接触件206设置在第二层208上，第二层208设置在第一层210上。在该实施例中，分层成形接触件可操作地连接第一电极202和第二电极204。
19.在该实施例中，通过以下将由导电金属制成的成形接触件206设置在由第一金属氧化物制成的第二层208上：通过将第二层208暴露于氧粒子的阳极氧化将成形接触件206
直接放置在第二层208上。响应于将成形接触件206设置在第一层210上所设置的第二层208上，第一层210由不同于与第二层208相关联的金属氧化物的金属氧化物制成。例如，第二层208通过阳极氧化过程被设置到电压电阻控制装置106内的第一层210。在该示例中，由氧化钨wo
3-x
制成的第二层208通过不同的阳极氧化过程被设置在电压电阻控制装置106内的由二氧化铪hfo2制成的第一层210上。
20.在步骤304中，程序104标识该电压电阻控制装置106的第一层210内的至少两个细丝状导电通道。在该实施例中，程序104通过以下来标识至少两个细丝状导电通道：将带电离子传输通过第一层210内的多个多孔开口，并且在两个固定时间段使用多个传感器器件、人工智能算法和机器学习算法来确定通过至少两个细丝状导电通道的带电离子流。例如，程序104使用第一传感器器件来标识两个细丝状导电通道，并且确定在第一固定时间段的带电离子流产生-1.2v的电压。在该示例中，响应于向第一层210施加预定电压，程序104确定在第二固定时间段的带电离子流产生.8v的电压。在该实施例中，程序104通过确定由于带电离子需要导电介质以传输带电离子通过第一层210而产生的带电离子流，来标识至少两个细丝状导电通道。在另一实施例中，响应于通过非导电细丝状通道传输带电离子，程序104通过溶解来减少带电离子的移动。
21.在步骤306中，程序104实现经由所标识的至少两个细丝状导电通道单独调节与第一层210相关联的电导。在该实施例中，程序104向电压电阻控制装置106发送指令，以在整个第二层208和第一层210上施加第一预定电压。在另一实施例中，程序104向电压电阻控制装置106传输指令，以通过使用预定电压的施加选择性地修整多个单独细丝部分的电阻来分别单独地调谐与第一层210相关联的多个部分。在该实施例中，程序104通过均匀地横向施加通过第一层210内的多个细丝部分的预定电压，来同时调谐第一层210的多个细丝部分。在另一实施例中，在延迟在多个细丝部分内预定电压多个部分的施加中，程序104顺序地调谐第一层210的多个细丝部分。在该实施例中，通过修改第二层208和成形接触件206的化学计量，同时调谐第一层210的多个细丝部分增加了总体电阻并且动态地增加了电压电阻控制装置106的电阻范围。
22.在步骤308中，程序104经由所标识的至少两个细丝状导电通道横向地施加通过第一层210的预定电压。在该实施例中，程序104将预定电压施加于位于第一层210内的多个细丝部分内的每个细丝部分。在该实施例中，程序104分别使用与第一层210相关联的电介质金属氧化物和与第二层208相关联的导电金属氧化物的化学计量布置来确定电压。在该实施例中，响应于横向施加通过第一层210的预定电压，预定电压经由所标识的至少两个细丝状导电通道穿过第二层208和成形接触件206，这修改了第二层208和成形接触件206的电压电阻。
23.在步骤310中，程序104将总体电阻增加作为数据来传输以供显示。在该实施例中，程序104经由用户接口在计算系统102上显示与电压电阻控制装置106相关联的总体电阻的增加。在该实施例中，程序104将总体电阻的增加显示为线图，其中x轴定义为-1.2v到.8v范围内的电荷，并且y轴定义为电流和面积的绝对值并且具有10-7
w/m2到10-3
w/m2的范围。在该实施例中，w/m2被定义为瓦特每平方米。例如，在施加预定电压之前，电压电阻控制装置106的峰值在.6v和10-4
w/m2。在该示例中，响应于预定电压的施加，电压电阻装置106的峰值在.8v和10-3
w/m2。因此，在电压电阻控制装置106内施加预定电压使总体电阻增加.2v。
24.图4是根据本发明的实施例的计算机系统400的内部和外部组件的框图，该计算机系统表示图1的计算机系统。应当理解，图4仅提供了一种实现的说明，并且不暗示对其中可以实现不同实施例的环境的任何限制。通常，图4中所示的组件表示能够执行机器可读程序指令的任何电子设备。可以由图4中所示的组件表示的计算机系统、环境和/或配置的示例包括但不限于个人计算机系统、服务器计算机系统、瘦客户端、厚客户端、膝上型计算机系统、平板计算机系统、蜂窝电话(例如，智能电话)、多处理器系统、基于微处理器的系统、网络pc、小型计算机系统、大型计算机系统、以及包括任何上述系统或设备的分布式云计算环境。
25.计算机系统400包括通信结构402，其提供一个或多个处理器404、存储器406、持久存储装置408、通信单元412和一个或多个输入/输出(i/o)接口414之间的通信。通信结构402可以用被设计成在处理器(诸如微处理器、通信和网络处理器等)、系统存储器、外围设备和系统内的任何其它硬件组件之间传递数据和/或控制信息的任何架构来实现。例如，通信结构402可以用一个或多个总线来实现。
26.存储器406和持久存储装置408是计算机可读存储介质。在该实施例中，存储器406包括随机存取存储器(ram)416和高速缓存存储器418。通常，存储器406可以包括任何合适的易失性或非易失性计算机可读存储介质。软件被存储在持久存储装置408中，以供相应的处理器404中的一个或多个处理器经由存储器406的一个或多个存储器执行和/或访问。
27.持久存储装置408可以包括例如多个磁硬盘驱动器。作为磁硬盘驱动器的备选或补充，持久存储装置408可包括一个或多个固态硬盘驱动器、半导体存储设备、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom)、闪存、或者能够存储程序指令或数字信息的任何其它计算机可读存储介质。
28.持久存储装置408所使用的介质也可以是可移除的。例如，可移除硬盘驱动器可以用于持久存储装置408。其它示例包括光盘和磁盘、拇指驱动器和智能卡，它们被插入到驱动器中以供传送到也是持久存储装置408的一部分的另一计算机可读存储介质上。
29.通信单元412提供经由网络与其它计算机系统或设备的通信。在该示例性实施例中，通信单元412包括网络适配器或接口，诸如tcp/ip适配卡、无线wi-fi接口卡、或者3g或4g无线接口卡或其它有线或无线通信链路。网络可以包括例如铜线、光纤、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。用于实践本发明的实施例的软件和数据可以通过通信单元412(例如，经由互联网、局域网或其他广域网)下载到计算机系统102。软件和数据可以从通信单元412加载到永久存储装置408上。
30.一个或多个i/o接口414允许与可以连接到计算机系统400的其它设备输入和输出数据。例如，i/o接口414可以提供到一个或多个外部设备420的连接，所述外部设备是诸如键盘、计算机鼠标、触摸屏、虚拟键盘、触摸板、指点设备或其它人机接口设备。外部设备420还可以包括便携式计算机可读存储介质，例如拇指驱动器、便携式光盘或磁盘、以及存储器卡。i/o接口414还连接到显示器422。
31.显示器422提供向用户显示数据的机构，并且可以是例如计算机监视器。显示器422还可以是并入的显示器，并且可以用作触摸屏，诸如平板计算机的内置显示器。
32.本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。该计算机程序产品可以包括其上具有计算机可读程序指令的计算机可读存储介质(或多种介质)，该计算机可读程序指令用
于使处理器执行本发明的方面。
33.计算机可读存储介质可以是可以保留和存储指令以供指令执行设备使用的有形设备。计算机可读存储介质可以是例如但不限于电子存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或前述各项的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体例子的非穷举列表包括以下：便携式计算机盘，硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或闪存)，静态随机存取存储器(sram)、便携式压缩盘只读存储器(cd-rom)，数字通用盘(dvd)、记忆棒、软盘、机械编码的设备(诸如穿孔卡片或者具有记录在其上的指令的凹槽中的凸起结构)，以及前述各项的任何合适的组合。如本文中所使用的，计算机可读存储介质不应被解释为瞬态信号本身，诸如无线电波或其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输介质传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
34.本文所述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质被下载到相应的计算/处理设备，或者经由网络(例如，互联网、局域网、广域网和/或无线网络)被下载到外部计算机或者外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光传输光纤、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配器卡或网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并且转发计算机可读程序指令以存储在相应计算/处理设备内的计算机可读存储介质中。
35.用于执行本发明的操作的计算机可读程序指令可以是汇编指令，指令集架构(isa)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据，或者以一种或多种编程语言的任何组合编写的源代码或目标代码，包括诸如smalltalk、c++等面向对象的编程语言，以及常规的过程式编程语言，诸如“c”编程语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全在用户的计算机上执行、部分在用户的计算机上执行、作为独立软件包执行、部分在用户的计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种场景中，远程计算机可以通过包括局域网(lan)或广域网(wan)的任何类型的网络连接到用户的计算机，或者可以连接到外部计算机(例如，通过使用互联网服务提供方的互联网)。在一些实施例中，包括例如可编程逻辑电路装置、现场可编程门阵列(fpga)或可编程逻辑阵列(pla)的电子电路可以通过利用计算机可读程序指令的状态信息来执行计算机可读程序指令以使电子电路装置个性化，以便执行本发明的方面。
36.本文中参考根据本发明的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图说明和/或框图描述本发明的方面。应当理解，流程图和/或框图的每个框以及流程图和/或框图中各个框的组合，都可以由计算机可读程序指令来实现。
37.这些计算机可读程序指令可以被提供给通用计算机的处理器，专用计算机或者其他可编程数据处理装置以产生机器，使得经由计算机的处理器或其他可编程数据处理装置执行的指令创建用于实现在流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的装置。这些计算机可读程序指令还可以被存储在可以引导计算机、可编程数据处理装置，和/或以特定方式起作用的其他设备的计算机可读存储介质中，使得具有存储在其中的指令的计算机可读存储介质包括制品，该制品包括实现流程图和/或框图中的一个或多个框中指定的功能/动作的各方面的指令。
38.计算机可读程序指令还可以被加载到计算机、其他可编程数据处理装置、或者其
他设备上，以使一系列操作步骤在计算机、其他可编程装置或者其他设备产生计算机实现的过程，使得在计算机、其他可编程装置或者其他设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个框中指定的功能/动作。
39.附图中的流程图和框图图示了根据本发明的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能性和操作。对此，流程图或框图中的每个框可以标识模块、段或指令的一部分，其包括用于实现(多个)指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些备选实现中，框中所标注的功能可以不以图中所标注的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能性，连续示出的两个框实际上可以基本同时执行，或者这些框有时可以以相反的顺序执行。还将注意的是，框图和/或流程图中的每个框、以及框图和/或流程图中的框的组合可以由基于专用硬件的系统来实现，该基于专用硬件的系统执行指定的功能或动作或者执行专用硬件与计算机指令的组合。
40.已经出于说明的目的呈现了本发明的不同实施例的描述，但是并不旨在是穷尽性的或者限于所公开的实施例。在不背离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对本领域的普通技术人员而言将是明显的。本文使用的术语被选择以最佳地解释实施例的原理、实际应用或者对在市场上找到的技术上的技术改进，或者使得本领域普通技术人员能够理解本文中所公开的实施例。