[发明专利]一种基于忆阻器的异或门电路及设计制作方法

说明书

本发明公开了一种基于忆组器的异或门电路及设计制作方法，解决了现有的基于忆阻器的辅助逻辑MACIG门集合不完整的问题，本发明提供了一种新型的基于忆阻器的异或门的设计方法。本发明的异或门是基于MAGIC的或门基础上进行改进的。通过在或门电路的输出忆阻器两端并联一个忆阻器，改进后的门电路可以获得正确的异或门逻辑操作结果。异或门选用的电路元件少，只需要4个忆阻器。其激励电压序列简单，只需要一个稳定不变的外加激励源。而且，异或门的耗能低，只需要加入短时间的电压即可实现异或门的逻辑操作。此外，异或门的电路结构简单，尺寸小。

技术领域

本发明涉及忆阻器相关技术领域，特别是涉及一种基于忆阻器的异或门电路及设计制作方法。

背景技术

在过去的几十年，采用CMOS工艺的超大规模集成电路制造行业一直专注于缩小晶体管，通过缩小晶体管的尺寸实现芯片性能提升，且保持着两年一次翻倍的速度稳定发展。这种方法是近50年内半导体工业技术和经济革命的发展源泉。然而，电子设计的重点需要转移到不仅仅是尺寸越来越微小，而且是越来越有能力的设备。

1971年，华裔科学家蔡少棠教授提出忆阻器的概念，由于该元件的电阻值能随着流经的电荷量的改变而改变，通俗来说，忆阻器能够记住流经它的电荷量，因此，蔡少棠教授将单词memory和resistor合并为memristor，作为忆阻器的英文名。在提出概念之后的三十几年里，学者们对忆阻器的研究进展的十分缓慢。

直到2008年，惠普实验室发现了一种纳米双端电阻开关水平阵列，并在《NATURE》杂志上发表论文，称已制备出世界上首个纳米尺寸的TiO₂忆阻器元件，并且通过实验证实了该器件的开关特性与蔡少棠教授所预测的忆阻器特性相一致，立即引起了众多学者和工程师们的浓厚兴趣。电气和电子工程师协会IEEE在其综述杂志《IEEE Spectrum》上评价忆阻器是“近25年最伟大的电子器件发明”，美国著名期刊《TIMES》杂志也对忆阻器给予了高度评价，称之为“2008年最佳发明之一”。忆阻器的发明可以和晶体管的发明相媲美，是电子信息技术领域发展史上的里程碑。纳米级尺寸的忆阻器使人们相信忆阻器是一种可能延续Moore定律的全新候选技术之一。

忆阻器的出现提供了一个新的研究方向。与以往的例子不同，忆阻器的计算公式结合了其本身对记忆信息的处理和存储，它具有非易失性、耗能低等良好的性能优点。

目前，计算机系统的电路结构仍然是由大量的半导体元器件焊接而成，有很多劣势，例如断电丢失、耗能高、电路密度低等缺点。将忆阻器应用于计算机系统的构建，将有效地改进上述问题。电路结构最基础的单元即是逻辑门。基于忆阻器的计算机系统的实现，最为重要而基础的课题即是基于忆阻器的逻辑门的实现。基于忆阻器的逻辑门可以使现有集成电路的密度更高、尺寸更小、运算速度更快、使用器件更少。然而，到目前为止还没有标准的逻辑设计方法存在。

基于忆阻器的实质蕴含逻辑IMPLY(Memristor-Based Material Implication)，通过使用忆阻器开关可以实现状态逻辑。在这个逻辑运算中，使用阻值代替电压和电荷作为逻辑变量。实质蕴含逻辑IMP加上取非操作NOT在数学上是逻辑完备的，取非操作可以通过清零来实现。使用两个忆阻器作为逻辑门的输入端，忆阻器的阻值即是逻辑值，通过外加偏置电压改变阻值，实现逻辑操作，运算结果存储在忆阻器中。但是，使用基于忆阻器的蕴含逻辑实现与或非等基本逻辑操作，需要复杂的输入电压序列且使用的元器件更多。

针对IMPLY门的驱动电压复杂以及元件过多的问题，一种全新的忆阻器辅助逻辑门MAGIC(Memristor-Aided Logic)被提出。与IMPLY门不同，MAGIC门需要依据不同逻辑门的真值表来设计不同的门电路。外加电压激励不变，通过对忆阻器的进行不同方式的串、并联，实现逻辑运算。然而，MAGIC逻辑门集合只有基本的逻辑门，缺少其他的辅助逻辑门，例如异或门。如果使用已有的逻辑门电路搭建异或门，需要的逻辑器件较多，且对电路参数取值范围的计算会更加复杂。

发明内容