RU2663546C1 - Способ взаимодействия в системе связанных осцилляторов на базе оксидных структур с эффектом электрического переключения - Google Patents

Способ взаимодействия в системе связанных осцилляторов на базе оксидных структур с эффектом электрического переключения Download PDF

Info

Publication number
RU2663546C1
RU2663546C1 RU2017119121A RU2017119121A RU2663546C1 RU 2663546 C1 RU2663546 C1 RU 2663546C1 RU 2017119121 A RU2017119121 A RU 2017119121A RU 2017119121 A RU2017119121 A RU 2017119121A RU 2663546 C1 RU2663546 C1 RU 2663546C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
oscillators
electrical
oxide structures
electrical switching
system
Prior art date
Application number
RU2017119121A
Other languages
English (en)
Inventor
Вадим Вячеславович Путролайнен
Андрей Александрович Величко
Максим Александрович Беляев
Александр Лионович Пергамент
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петрозаводский государственный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петрозаводский государственный университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петрозаводский государственный университет"
Priority to RU2017119121A priority Critical patent/RU2663546C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2663546C1 publication Critical patent/RU2663546C1/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01BASIC ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/01Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate comprising only passive thin-film or thick-film elements formed on a common insulating substrate

Abstract

Изобретение относится к области реализации моделей нейронных сетей, а в частности к системам связанных осцилляторов на базе оксидных структур с эффектом электрического переключения, представляющим собой осцилляторные нейронные сети, которые могут использоваться для распознавания образов. Способ взаимодействия в системе связанных осцилляторов на базе оксидных структур с эффектом электрического переключения представляет собой взаимодействие, осуществляемое путем теплообмена, при этом переключатели располагают на диэлектрической подложке с высокой теплопроводностью на дистанции, характерной для существенного температурного влияния осцилляторов друг на друга (менее 100 мкм). Представленный способ взаимодействия позволяет увеличить плотность компоновки осцилляторов на определенной площади за счет уменьшения числа электрических элементов, а также обеспечить электрическую развязку по постоянному и переменному току. Кроме того, представленный способ позволяет осуществить топологию связи «все со всеми» естественным образом, в пределах эффективного радиуса действия тепловой связи. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Область применения

Изобретение относится к области систем связанных осцилляторов на базе оксидных структур с эффектом электрического переключения на основе диоксида ванадия, представляющие собой осцилляторные нейронные сети (ОНС). Осцилляторные нейронные сети могут использоваться для распознавания образов.

Уровень техники

Использование искусственных нейронных сетей [1] при обработке информации позволяет преодолеть трудности, возникающие при применении традиционных вычислительных схем в таких областях, как распознавание изображений и речи [2]. Одним из важных направлений развития является изучение колебательных режимов нейронных сетей, например, на основе слабо связанных фазовых осцилляторов (модель Курамото) [3]. В ОНС при определенной величине параметра связи система демонстрирует частотную и фазовую синхронизацию [3].

Одним из технических решений для реализации осцилляторных контуров на основе переключателей электрических является использование материалов, обладающих температурным фазовым переходом металл-полупроводник (ФПМП), таких как VO2, V2O3, NbO2, Ti2O3, и т.д. [4]. Благодаря наличию ФПМП структуры обладают эффектом электрического переключения с S-образной ВАХ (Фиг. 1). Схемы с подобными переключателями демонстрируют широкий спектр колебательных режимов, применяемых для ОНС [5, 7-11].

Существует способ [6] организации работы нейрокомпьютера на ОНС, содержащего N осциллирующих элементов, которые обмениваются данными через общую среду по схеме «звезда», реализуя при этом топологию связи «все со всеми». При этом требуются только N электрических соединений вместо N2/2. Таким образом, динамическая связь между различными нейрокомпьютерными осцилляторами возникает из-за частотно-фазовой модуляции общей среды. При этом также существует возможность введения внешнего воздействия через воздействие на общую среду, которая, в свою очередь, передает возмущение N осцилляторам. В качестве рабочих элементов могут использоваться осцилляторы, на основе электрических переключателей, оптические осцилляторы, микроэлектромеханические системы (МЭМС), джозефсоновские переходы или другие виды осцилляторов известные в данной области техники.

Недостатком данного способа является наличие N электрических соединений, что в случае 3D интеграции электрических нейроцепей сильно усложняет схему и ее реализацию. С другой стороны, связь двух осцилляторов через общую среду передается минимум по двум соединениям и один общий узел, что увеличивает время передачи сигнала и вероятность сбоя при выходе из строя общей среды.

В качестве электрических соединений как правило используются резистивные или емкостные элементы, тогда как индуктивные не используются ввиду высокого реактивного сопротивления к высокочастотным колебаниям осцилляторов.

Известен способ резистивного взаимодействия в системе осцилляторов на основе VO2 переключателей, реализованный в работе [7]. Осцилляторы представляют собой автоколебательные контура на основе планарного VO2 переключателя, параллельной емкости и последовательного сопротивления. Каждый осциллятор генерирует автоколебания на собственной частоте и воздействует на частоту, фазу и спектр остальных осцилляторов через связующее сопротивление.

Недостатком данного способа является присутствие взаимного влияния осцилляторов по постоянному току, в этом случае рабочие точки схем смещаются при изменении питания или нагрузочных сопротивлений в соседних контурах. Этот эффект значительно снижает область параметров существования осцилляторной активности.

Наиболее близким способом, к заявляемому способу, который принят за прототип, является способ емкостного взаимодействия в системе осцилляторов, согласно работе [8]. В данной работе реализована система связанных, осцилляторов с использованием емкостной связи по схеме «звезда». Осцилляторы представляют собой автоколебательные контура на основе VO2 переключателей, которые взаимодействуют между собой, изменяя частоту, фазу и спектр. Емкостная связь позволяет исключить взаимное влияние постоянного тока (потенциала).

Недостатком данного способа является частотная зависимость силы связи, искажение формы сигнала при прохождении через емкость (дифференцирование), а также сложность миниатюризации схемы, из-за необходимости использования габаритных конденсаторов и их большого количества, например, для топологии связи «все со всеми».

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в том, что представленный способ взаимодействия позволяет увеличивать плотность компоновки осцилляторов на определенной площади, за счет уменьшения числа электрических элементов, а также обеспечить электрическую развязку по постоянному и переменному току. Кроме того, представленный способ позволяет осуществить топологию связи «все со всеми» естественным образом, в пределах эффективного радиуса действия тепловой связи.

Достигается технический результат за счет того, что электрически изолированные друг от друга переключатели располагают на единой диэлектрической подложке, теплопроводностью не менее 10 Вт/(м⋅К), на расстояниях друг от друга до 100 мкм, характерных для распространения существенных тепловых потоков, вызывающих изменения температуры подложки более 0.1 K. Также на единой диэлектрической подложке, на расстояниях до 100 мкм от переключателей располагают резистивные элементы цепей других осцилляторов.

Перечень фигур

Фиг. 1. Вольт-амперная характеристика электрического переключения структуры на основе диоксида ванадия, Ron и Roff, - сопротивления в открытом и закрытом состоянии, ОДС - отрицательно дифференциальное сопротивление. Напряжение и ток включения (Vth, Ith) и удержания (Vh, Ih) структуры в открытом состоянии.

Фиг. 2. Общая схема двух осцилляторов, связанных путем теплообмена, на базе оксидных структур с эффектом электрического переключения, реализация теплообмена осуществляется через подложку (Al2O3). VDD - питание осцилляторов, Rs - нагрузочные сопротивления, C - параллельные емкости.

Формирование переключательных структур (1, Фиг. 2) на диэлектрических подложках (2, Фиг. 2) с высокой теплопроводностью (Al2O3, Si/SiO2 и т.д.), расположенных на дистанциях менее 100 мкм позволяет реализовывать связь между осцилляторами изготовленных на основе материалов в которых эффект электрического переключения обусловлен температурным ФПМП - VO2, V2O3, NbO2, Ti2O3, и т.д. [4]. При генерации колебаний переключателей на основе ФПМП происходит Джоулев разогрев канала переключателя протекающим током до температуры фазового перехода Tth. Поток тепла, распространяясь по подложке, может нагревать соседние переключательные элементы, и влиять на такие параметры как пороговые напряжения (Vth и Vh Фиг. 1) и сопротивление в высокоомном состоянии (Roff Фиг. 1). Это приводит к возникновению связи осцилляторных схем без использования электрических элементов (резисторов, конденсаторов и т.д.).

Диэлектрическая подложка и отсутствие электрических соединений между осцилляторами обеспечивает наличие развязки по постоянному и переменному току. Наличие развязки не смещает рабочие точки осцилляторов, расширяя область параметров их устойчивой работы, и снижая вероятность выхода из строя элементов цепи при возникновении случаев искровых пробоев и шумов источников напряжения.

Также на единой диэлектрической подложке, на расстояниях до 100 мкм от переключателей можно расположить резистивные элементы цепей соседних осцилляторов. Это позволяет воздействовать на соседние осцилляторы, меняя частоту их колебаний посредством изменения нагрузочного сопротивления Rs (3, Фиг. 2).

Данное обстоятельство значительно упрощает практическую реализацию ОНС, позволяет увеличивать плотность компоновки осцилляторов. Кроме того, теплообмен осуществляет топологию связи «все со всеми» естественным образом, в пределах эффективного радиуса действия тепловыделения (до 100 мкм), обусловленного сильной обратной зависимостью наводимой температуры от расстояния до источника тепла. Другим преимуществом является отсутствие взаимодействия осцилляторов не только по постоянному току, но и переменному, т.к. используется не электрический канал связи.

Пример исполнения

Способ теплообмена в системе связанных осцилляторов представляет собой реализацию на диэлектрической подложке (например, сапфира), переключательных структур на основе диоксида ванадия, расположенных на дистанции характерной для тепловых процессов (до 100 мкм). Активные области переключателей представляют собой электрически изолированные площадки тонкой пленки диоксида ванадия микрометровых размеров, изготовленные при помощи литографии.

Простейший одиночный осцилляторный контур содержит переключатель на основе диоксида ванадия, параллельную емкость C и последовательное сопротивление Rs. Колебания осциллятора представляют собой последовательную разрядку и зарядку параллельной емкости C при переключении VO2-структуры из закрытого в открытое состояние и обратно. Возникновение автоколебаний обусловлено наличием в схеме переключателя с S-образной ВАХ, имеющей область отрицательного дифференциального сопротивления, и выводом рабочей точки схемы на этот участок подбором сопротивления Rs.

Взаимодействие двух осцилляторов, изображено на схеме Фиг. 2, и осуществляется за счет их взаимного теплового влияния на параметры S-образной ВАХ (Фиг. 1). В итоге это ведет к появлению сложной динамики связанных осцилляторов, эффектов фазовой и частотной синхронизации.

В данном примере элементы Rs и C (3 и 4 Фиг. 2) были выполнены в виде внешних подключений. Однако следует отметить, что реализация сопротивления на подложке и его масштабирование не представляет принципиальной проблемы, тогда как в качестве электрической емкости может использоваться собственная емкость переключателя.

Следует отметить, что теплообмен осуществляется по диэлектрической подложке, естественным образом, что значительно упрощает ее практическую реализацию, и повышает пределы масштабируемости.

Таким образом, представленный способ взаимодействия путем теплообмена позволяет реализовывать связь осцилляторов без использования электрических элементов (резисторов, конденсаторов и т.д.), тем самым упрощая задачу масштабирования - увеличения плотности компоновки осцилляторов на определенной площади. Другим преимуществом является наличие электрической развязки по постоянному и переменному току, т.к. используется не электрический канал связи. Кроме того, представленный способ осуществляет топологию связи «все со всеми» естественным образом, в пределах эффективного радиуса действия связи.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Heaton J. Artificial Intelligence for Humans. Vol. 3. Deep Learning and Neural Networks, Heaton Research, Inc., 2015. 345 pp.

2. Bishop C.M. Neural Network Pattern Recognition, Oxford: Clarendon Press, 1995. 482 pp.

3. Strogatz S.H. // Physica D: Nonlinear Phenomena. 2000. V. 143. P. 1-20.

4. Mott N.F. Metal-Insulator Transitions. 2nd ed. Tayor & Francis: London. 1990. 345 pp.

5. Hoppensteadt F, Izhikevich E. Patent WO No. 2000029970 A1 Oscillatary neurocomputers with dynamic connectivity (2000)

6. Velichko A.A., Belyaev M.A., Putrolaynen V.V., Pergament A.L. and Perminov V.V. // Int. J. of Modern Phys. В 2017. V. 31. I. 02.

7. Shukla N. et al. // Sci. Rep. 2014. V. 4, P. 4964.

8. Kaka S., Pufall M.R., Rippard W.H., Silva T.J., Russek S.E., Katine J. // Nature. 2005. V. 437. P. 389.

9. Sharma A.A., Bain J.A., Weldon J.A. // IEEE J. Explor. Solid-State Comput. Devices Circuits. 2015. V. 1. P. 58-66.

10. P. Maffezzoni, L. Daniel, N. Shukla, S. Datta, and A. Raychowdhury, // IEEE Trans. Circuits and Systems. 2015. V. 62, 9, P. 2207-2215.

11. Pickett M.D., Medeiros-Ribeiro G., Williams R.S. // Nature Mater. 2013. V. 12. P. 114-117.

Claims (2)

1. Способ взаимодействия в системе связанных осцилляторов на базе оксидных структур с эффектом электрического переключения, обусловленным температурным фазовым переходом металл-полупроводник, отличающийся тем, что электрически изолированные друг от друга переключатели располагают на единой диэлектрической подложке теплопроводностью не менее 10 Вт/(м⋅К), на расстояниях друг от друга до 100 мкм, характерных для распространения существенных тепловых потоков, вызывающих изменения температуры подложки более 0.1 K.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на единой диэлектрической подложке теплопроводностью не менее 10 Вт/(м⋅К), на расстояниях до 100 мкм от переключателей располагают резистивные элементы цепей других осцилляторов.
RU2017119121A 2017-05-31 2017-05-31 Способ взаимодействия в системе связанных осцилляторов на базе оксидных структур с эффектом электрического переключения RU2663546C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017119121A RU2663546C1 (ru) 2017-05-31 2017-05-31 Способ взаимодействия в системе связанных осцилляторов на базе оксидных структур с эффектом электрического переключения

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017119121A RU2663546C1 (ru) 2017-05-31 2017-05-31 Способ взаимодействия в системе связанных осцилляторов на базе оксидных структур с эффектом электрического переключения

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2663546C1 true RU2663546C1 (ru) 2018-08-07

Family

ID=63142776

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017119121A RU2663546C1 (ru) 2017-05-31 2017-05-31 Способ взаимодействия в системе связанных осцилляторов на базе оксидных структур с эффектом электрического переключения

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2663546C1 (ru)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000029970A1 (en) * 1998-11-13 2000-05-25 Arizona Board Of Regents, A Body Corporate Acting On Behalf Of Arizona State University Oscillatary neurocomputers with dynamic connectivity

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000029970A1 (en) * 1998-11-13 2000-05-25 Arizona Board Of Regents, A Body Corporate Acting On Behalf Of Arizona State University Oscillatary neurocomputers with dynamic connectivity

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Kaka S., et al., Mutual phaselocking of microwave spin torque nano-oscillators. Nature. 2005, V.437, p.389. *
Kaka S., et al., Mutual phaselocking of microwave spin torque nano-oscillators. Nature. 2005, V.437, p.389. Velichko A.A. et al., Swiching dynamics of single and coupled VO 2 - based oscillators as elements of neural networks. J. of Modern Phys. B. 2017, V 31(2), p. 1650261. Беляев М.А. и др., Явление бистабильности в одиночных и связанных осцилляторах на основе VO 2 - переключателей. Письма в ЖТФ, 2016, том 42, вып. 24, стр.41-48. *
Velichko A.A. et al., Swiching dynamics of single and coupled VO 2 - based oscillators as elements of neural networks. J. of Modern Phys. B. 2017, V 31(2), p. 1650261. *
Беляев М.А. и др., Явление бистабильности в одиночных и связанных осцилляторах на основе VO 2 - переключателей. Письма в ЖТФ, 2016, том 42, вып. 24, стр.41-48. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Crane Neuristor-A novel device and system concept
Lee et al. A 40-GHz frequency divider in 0.18-/spl mu/m CMOS technology
US7501903B2 (en) Frequency adjustment techniques in coupled LC tank circuits
US20050088246A1 (en) Electronic circuitry
US20070018740A1 (en) Flux linked LC tank circuits forming distributed clock networks
US4731747A (en) Highly parallel computation network with normalized speed of response
US5673188A (en) Zero voltage switching series resonant half bridge VHF inverter
Nakano et al. Grouping synchronization in a pulse-coupled network of chaotic spiking oscillators
White et al. A variable negative-inductance integrated circuit at UHF frequencies
JPH07202565A (ja) 発振器回路
Wang et al. Synchronization of complex dynamical networks under recoverable attacks
CN1596506A (zh) Dc偏压电容器的电路配置
JP2007060458A (ja) カスコード接続回路
JPH11330852A (ja) 電圧制御オシレ―タ(vco)cmos回路
Gysel New theory and design for hairpin-line filters
Horng A sinusoidal oscillator using current-controlled current conveyors
Hajimiri et al. Phase noise in CMOS differential LC oscillators
JP2004343373A (ja) アクティブインダクタンス回路及び差動アンプ回路
Ismail et al. A high-speed continuous-time bandpass VHF filter in MOS technology
Ayten et al. Novel floating general element simulators using CBTA
Maundy et al. A new design topology for low-voltage CMOS current feedback amplifiers
Sotner et al. Voltage differencing buffered/inverted amplifiers and their applications for signal generation
JP3892383B2 (ja) 電圧制御発振器
Wang et al. Systematic synthesis of RL and CD immittances using single CCIII
Goel et al. Frequency switching in dual-resonance oscillators