本发明公开了一种利用阻变器件实现积分运算方法,涉及半导体集成电路及其制造技术领域,所述方法包括:S1:对待输入信号进行时间采样;S2:对阻变器件进行复位操作;S3:将时间采样后的待输入信号输入所述阻变器件的阳电极;S4:在所述阻变器件的阳电极上输入预设电压;S5:读取所述阻变器件上的电流值;S6:计算获得所述阻变器件的当前电阻值;S7:计算所述阻变器件的初始电阻值与当前电阻值之间的差值,并根据所述差值与所述待输入信号的电压积分值之间的对应关系,以获得所述待输入信号的电压积分值。本发明利用阻变器件的特性,来实现积分器,具有结构简单、高速、低操作电压和电流、工艺兼容、以及成本低廉的特点。
1.一种利用阻变存储器实现积分运算方法,其特征在于,包括以下步骤:S1:对时域连续的待输入信号按照预设时间间隔进行时间采样;S2:对阻变存储器进行复位操作,以使得所述阻变存储器的电阻值为初始电阻值;S3:将时间采样后的待输入信号输入所述阻变存储器的阳电极;S4:所述待输入信号输入完成后,在所述阻变存储器的阳电极上输入预设电压;S5:读取所述阻变存储器上的电流值;S6:根据所述预设电压和读取的电流值,计算获得所述阻变存储器的当前电阻值;S7:计算所述阻变存储器的初始电阻值与当前电阻值之间的差值,并根据所述差值与所述待输入信号的电压积分值之间的对应关系,以获得所述待输入信号的电压积分值。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S7中所述差值与所述待输入信号的积分值之间的对应关系如下式,S_N=λΔt(R₀-R_n)其中,S_N为待输入信号的电压积分值,λ为电阻变化量与电压值之间的线性关系因子,Δt为所述预设时间间隔,R₀为所述阻变存储器的初始电阻值,R_n为所述阻变存储器的当前电阻值。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S3包括:将所述时间采样后的待输入信号通过变频电路进行变频,以获得幅值相同、且脉冲宽度与变频前的电压值呈正比的变频信号;将所述变频信号输入所述阻变存储器的阳电极。
4.如权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤S7中所述差值与所述待输入信号的积分值之间的对应关系如下式,S_N=αβΔt(R₀-R_n)其中,S_N为待输入信号的电压积分值,α为变频电路中脉冲宽度与电压值的线性关系因子,β为脉冲宽度与电阻变化量的线性关系因子,R₀为所述阻变存储器的初始电阻值,R_n为所述阻变存储器的当前电阻值,Δt为所述预设时间间隔。技术领域
本发明涉及半导体集成电路及其制造技术领域,特别涉及一种利用阻变器件实现积分运算方法。
背景技术
积分器是有源滤波器件中的重要部件,传统的计算电路通常是利用RC有源积分器或MOSxa0SC积分器来实现积分运算。但是一方面RC积分器电路中要获得精确的电容很难,另一方面虽然SC积分电路可以用实现精确的电容比来解决这个问题,但是这种积分电路的缺点是寄生电容影响较大而且电路结构复杂。积分计算是较为复杂的过程,但利用类似大脑神经元及网络的方法实现多值积分及存储将具有更高的效率和更简单的结构,是未来信息科学发展的一个重要方向。目前已经提出实现多值存储和计算的多种方法,但是这些方法通常需要很复杂的电路结构。出于对高性能、高集成度的需求,我们希望新型的积分器具有结构简单、高速、低操作电压和电流、工艺兼容、成本低廉等优点,但当前仍没有能够满足上述条件的积分器出现。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是:如何实现结构简单、高速、低操作电压和电流、工艺兼容、以及成本低廉的积分器。(二)技术方案为解决上述技术问题,本发明提供了一种利用阻变器件实现积分运算方法,包括以下步骤:S1:对时域连续的待输入信号按照预设时间间隔进行时间采样;S2:对阻变器件进行复位操作,以使得所述阻变器件的电阻值为初始电阻值;S3:将时间采样后的待输入信号输入所述阻变器件的阳电极;S4:所述待输入信号输入完成后,在所述阻变器件的阳电极上输入预设电压;S5:读取所述阻变器件上的电流值;S6:根据所述预设电压和读取的电流值,计算获得所述阻变器件的当前电阻值;S7:计算所述阻变器件的初始电阻值与当前电阻值之间的差值,并根据所述差值与所述待输入信号的电压积分值之间的对应关系,以获得所述待输入信号的电压积分值。优选地,步骤S7中所述差值与所述待输入信号的积分值之间的对应关系如下式,S_N=λΔt(R₀-R_n)其中,S_N为待输入信号的电压积分值,λ为电阻变化量与电压值之间的线性关系因子,Δt为所述预设时间间隔,R₀为所述阻变器件的初始电阻值,R_n为所述阻变器件的当前电阻值。优选地,步骤S3之前还包括步骤:S21:将所述时间采样后的待输入信号通过变频电路进行变频,以获得幅值相同、且脉冲宽度与变频前的电压值呈正比的变频信号;在步骤S3中,将所述变频信号输入所述阻变器件的阳电极。优选地,步骤S7中所述差值与所述待输入信号的积分值之间的对应关系如下式,S_N=αβΔt(R₀-R_n)其中,S_N为待输入信号的电压积分值,α为变频电路中脉冲宽度与电压值的线性关系因子,β为脉冲宽度与电阻变化量的线性关系因子,R₀为所述阻变器件的初始电阻值,R_n为所述阻变器件的当前电阻值。(三)有益效果本发明利用阻变器件的特性,来实现积分器,具有结构简单、高速、低操作电压和电流、工艺兼容、以及成本低廉的特点。
附图说明
图1是阻变器件的结构示意图;图2是在图1所示的阻变器件的阳电极上施加正向脉冲时,脉冲高度与电阻值之间的理论关系示意图;图3是在图1所示的阻变器件的阳电极上施加正向脉冲时,脉冲宽度与电阻值之间的理论关系示意图;图4是在图1所示的阻变器件的阳电极上施加负向脉冲时,脉冲高度(绝对值)与电阻值之间的理论关系示意图;图5是在图1所示的阻变器件的阳电极上施加负向脉冲时,脉冲宽度与电阻值之间的理论关系示意图;图6是在图1所示的阻变器件的阳电极上施加脉冲宽度和脉冲高度一定的信号时,所述阻变器件的电阻值与脉冲个数之间的测试关系示意图。图7是按照本发明一种实施方式的利用阻变器件实现积分运算方法的流程图;图8是按照本发明另一种实施方式的利用阻变器件实现积分运算方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。目前,一种利用电阻变化的新型非挥发性存储器具有高速度(<5ns)、低操作电压(<1V),高存储密度、能与CMOS工艺兼容等优点,成为了下一代半导体存储器的强有力竞争者。这种被称为“阻变存储器(RRAM)”的器件一般具有金属-绝缘体-金属的结构,即在两层金属电极之间加入一层具有阻变特性的介质薄膜材料,这些阻变材料一般是金属氧化物,常见的有N_iO、T_iO₂、H_fO₂、Z_rO₂、WO₃、Ta₂O₅等等。阻变存储器的工作方式包括单极和双极两种,前者在器件两端施加单一极性的电压,利用外加电压大小不同控制阻变材料的电阻值在高低电阻态之间转换,以实现数据的写入和擦除;而后者是利用施加不同极性的电压控制阻变材料电阻值的转换。由于RRAM(即阻变器件)在合适的电压电流控制下其阻值可以精确控制,因此RRAM被认为具有作为多值逻辑器件的潜力。特殊的操作可以使RRAM实现各种运算和逻辑功能。本发明提出的是利用RRAM单元的忆阻器功能实现多值积分计算,研究其操作模式,提出利用RRAM实现积分运算的方法。参照图1,所述RRAM在Si/SiO₂/Ti衬底上物理气相淀积(PVD)一层金属,如铂(Pt),厚度为5-100nm;再PVD或者原子层淀积(ALD)一层金属氧化物,如氧化铪(HfO₂),厚度5-30nm;再PVD一层金属或者其它导电材料,如氮化钛(TiN);最后通过光刻刻蚀的方法得到隔离的器件,在TiN上引出阳电极,在Pt上引出阴电极,工作时,阴电极接地。图2是在图1所示的阻变器件的阳电极上施加正向脉冲时,脉冲高度与电阻值之间的理论关系示意图;图3是在图1所示的阻变器件的阳电极上施加正向脉冲时,脉冲宽度与电阻值之间的理论关系示意图;图4是在图1所示的阻变器件的阳电极上施加负向脉冲时,脉冲高度与电阻值之间的理论关系示意图;图5是在图1所示的阻变器件的阳电极上施加负向脉冲时,脉冲宽度与电阻值之间的理论关系示意图;因此,可知在脉冲宽度(脉冲高度)与电阻值之间呈线性关系。图6是在图1所示的阻变器件的阳电极上施加脉冲宽度和脉冲高度一定的信号时,所述阻变器件的电阻值与脉冲个数之间的测试关系示意图,根据图6更验证了阻变器件的电阻叠加关系。图7是按照本发明一种实施方式的利用阻变器件实现积分运算方法的流程图,参照图7,本实施方式的方法包括以下步骤:S1:对时域连续的待输入信号按照预设时间间隔进行时间采样;S2:对阻变器件进行复位操作,以使得所述阻变器件的电阻值为初始电阻值;S3:将时间采样后的待输入信号输入所述阻变器件的阳电极;S4:所述待输入信号输入完成后,在所述阻变器件的阳电极上输入预设电压;S5:读取所述阻变器件上的电流值;S6:根据所述预设电压和读取的电流值,计算获得所述阻变器件的当前电阻值;S7:计算所述阻变器件的初始电阻值与当前电阻值之间的差值,并根据所述差值与所述待输入信号的电压积分值之间的对应关系,以获得所述待输入信号的电压积分值。所述待输入信号的电压积分值的离散时间域积分的公式为: S N = Σ j = 0 N - 1 ( V j * Δt ) ]]>其中,V_j是第j个采样周期(即预设时间间隔)得到的电压值,而Δt是采样周期,N为待输入信号的采样周期个数。由于待输入信号的电压值与电压值成正比于是有: R j = 1 λ V j ]]>其中,λ为常数,R_j是第j个采样周期的电阻变化量。联立上面两个公式可以得到电压积分值与电阻变化量的关系为: S N = Σ j = 0 N - 1 ( λR j * Δt ) ]]>整理得: S N = λ * Δt Σ j = 0 N - 1 ( R j ) ]]>另外,由于ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="367"/>因此可得S_N=λΔt(R₀-R_n),优选地,步骤S7中所述差值与所述待输入信号的积分值之间的对应关系如下式,S_N=λΔt(R₀-R_n)其中,S_N为待输入信号的电压积分值,λ为电阻变化量与电压值之间的线性关系因子,Δt为所述预设时间间隔,R₀为所述阻变器件的初始电阻值,R_n为所述阻变器件的当前电阻值。图8是按照本发明另一种实施方式的利用阻变器件实现积分运算方法的流程图;参照图8,本实施方式的方法与图7所示的方法基本相同,不同之处在于,步骤S3之前还包括步骤:S21:将所述时间采样后的待输入信号通过变频电路进行变频,以获得幅值相同、且脉冲宽度与变频前的电压值呈正比的变频信号;在步骤S3中,将所述变频信号输入所述阻变器件的阳电极。所述待输入信号的电压积分值的离散时间域积分的公式为: S N = Σ j = 0 N - 1 ( V j * Δt ) ]]>其中,V_j是第j个采样周期(即预设时间间隔)得到的电压值,而Δt是采样周期,N为待输入信号的采样周期个数。由于变频电路中脉冲宽度与电压值的线性关系因子成正比于是有: T j = 1 α V j ]]>其中,T_j为变频信号的第j个采样周期的脉冲宽度,α为常数。另外,因为脉冲宽度与电阻变化量为线性关系于是有: R j = 1 β T j ]]>其中,R_j是第j个采样周期的电阻变化量,β为常数。联立上面三个公式可以得到电压积分值与电阻变化量的关系为: S N = Σ j = 0 N - 1 ( αβR j * Δt ) ]]>整理得: S N = αβ * Δt Σ j = 0 N - 1 ( R j ) ]]>另外,由于ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="360"/>因此可得S_N=αβΔt(R₀-R_n),优选地,步骤S7中所述差值与所述待输入信号的积分值之间的对应关系如下式,S_N=αβΔt(R₀-R_n)其中,S_N为待输入信号的电压积分值,α为变频电路中脉冲宽度与电压值的线性关系因子,β为脉冲宽度与电阻变化量的线性关系因子,R₀为所述阻变器件的初始电阻值,R_n为所述阻变器件的当前电阻值。实施例1本实施例为基于图8所示的方法,本实施例中,设α=5*10^-4V/ns,由实验数据得β=22ns/Ω,根据奈奎斯特定律可知ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="175"/>即可(其中,Δt_s为信号周期),αβΔt的乘积通过调节可以为10^-8~10⁸间的任意值,而ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="146"/>即为积分结束后RRAM的电阻变化量,这样就实现了基于阻变器件的电压积分器。本发明的优点是:利用阻变器件可以实现积分功能,该积分器件结构简单、便于集成、与传统硅基CMOS工艺兼容、非常适合大规模生产、同时器件具有高速度(ns量级)、低操作电压(几伏)等优点,符合未来高性能器件的要求。以上实施方式仅用于说明本发明,而并非对本发明的限制,有关技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以做出各种变化和变型,因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴,本发明的专利保护范围应由权利要求限定。