[发明专利]基于阻变存储单元的逻辑运算器及利用其实现二元布尔逻辑运算的方法

说明书

本发明提供了一种基于阻变存储单元的逻辑运算器，由一个阻变存储单元和一个开关通过串联形成。该逻辑运算器结构简单，设计巧妙，制作成本低，通过设计逻辑运算规则，可以在不多于三次写入操作下完成所有16种二元布尔逻辑运算，且逻辑运算结果可以自动且非易失地存储在阻变存储单元中，因而可以集数据处理和存储功能于一体，能够极大地推进阻变存储器基逻辑电路的实用化进程，对阻变存储器基逻辑电路的发展具有重要意义。

技术领域

本发明涉及逻辑运算器技术领域，尤其涉及一种基于阻变存储单元的逻辑运算器，以及利用该逻辑运算器实现二元布尔逻辑运算的方法。

背景技术

逻辑电路是当前计算机进行数据处理的核心部件。基于传统CMOS工艺的逻辑电路即将达到其小型化的物理极限，且结构复杂，功能单一，能耗较高。因此，基于新材料、新结构和新器件的新型逻辑电路受到人们日益增长的关注。

阻变存储器是一种有前途的下一代非易失性存储器，具有结构简单、易于集成、擦写速度快、操作功耗低等优势，使得阻变存储器基逻辑电路在综合性能上优于传统的CMOS逻辑电路。更重要的是，得益于阻变存储器的本征非易失性，相关逻辑电路能够集数据处理和存储于一体，有望突破长久以来限制计算机实际运行速度的“冯·诺依曼瓶颈”，给计算机的性能带来质的飞跃。

当前，本领域相关研究工作的核心在于探索阻变存储器基逻辑运算的实现方法，特别是基于简单器件和电路结构的多功能逻辑实现方法，以便在实际应用时简化电路结构，提高集成密度，降低制备成本。虽然基于单个双电压极性操作的阻变存储单元实现部分二元逻辑运算的普适方法已经被提出和证明，但是至今尚未有基于单个任意阻变存储单元实现所有16种二元布尔逻辑运算的普适方法被报道，阻碍了阻变存储器基逻辑电路的实用化进程。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种基于阻变存储单元的逻辑运算器，该逻辑运算器结构简单，能够实现多种二元布尔逻辑运算。

为实现上述技术目的，本发明人经过探索研究后将一个阻变存储单元M和一个开关S串联在一起，通过控制阻变存储单元M输入端激励电压的大小以及开关S的开合，可巧妙地实现所有16种二元布尔逻辑运算。

本发明的技术方案是：一种基于阻变存储单元的逻辑运算器，由一个阻变存储单元(M)和一个开关(S)组成；

所述的阻变存储单元即电阻型随机存储单元，包括第一电极(T1)、第二电极(T2)和中间层，中间层位于第一电极与第二电极之间，在写入电压激励下，所述阻变存储单元表现出高低阻态之间的转变和记忆特性，定义高阻态对应的写入电压为V_H，低阻态对应的写入电压为V_L；

工作状态时，写入电压施加在T1端，T2端串联S后构成回路；

将T1端的写入电压以及S的开合状态作为两个逻辑输入端，将M的高低阻态作为逻辑输出端，输入逻辑值与输出逻辑值定义如下：

T1端的输入逻辑值与写入电压的对应关系：输入逻辑值0对应写入电压V_H，输入逻辑值1对应写入电压V_L；

S的输入逻辑值与其物理状态的对应关系：输入逻辑值0对应S闭合，输入逻辑值1对应S断开；

输出逻辑值与M的高低阻态的对应关系：输出逻辑值0对应M的高阻态,输出逻辑值1对应M的低阻态。

依据高低阻态间写入电压极性的关系，阻变存储单元可分为如下两类：