[发明专利]一种基于阻变器件的全加器函数实现方法

权利要求书

1.一种基于阻变器件的全加器函数实现方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)选取具有电致电阻转变和非易失性的忆阻器，所述的忆阻器具有自下往上依次设置的底电极层、阻变层与顶电极层，定义忆阻器的顶电极层为T1端，底电极层为T2端，根据忆阻器的阻值设定忆阻器的两个阻态，将其两个阻态分别记为高阻态HRS和低阻态LRS，其中高阻态的阻值范围为2000Ω～4000Ω，低阻态的阻值范围为50Ω～200Ω；

(2)定义忆阻器的初始化的逻辑参数、忆阻器的输入和输出：

定义五个忆阻器分别为M1、M2、M3、M4、M5，其中M1单独作一路，M2和M3并联，M4和M5串联，M2和M3与M4和M5并联，忆阻器初始化为高阻态时忆阻器的逻辑值为0，忆阻器初始化为低阻态时忆阻器的逻辑值为1；定义忆阻器的输入为脉宽50微秒的脉冲电压，该脉冲电压的幅值大小分别为0、V1，将忆阻器T1端的电势记为VT1，将忆阻器T2端的电势记为VT2；定义当写操作后，忆阻器电流为低电流值时忆阻器输出为逻辑0，忆阻器电流为高电流值时忆阻器输出为逻辑1；

(3)将忆阻器的T2端接地，用半导体参数分析测试仪对忆阻器的T1端施加直流扫描电压，实时测量忆阻器阻态变化的电流-电压曲线图，具体过程为：

3-1在半导体参数分析测试仪中设置取值范围为100uA～1mA的限制电流后，用半导体参数分析测试仪对忆阻器的T1端施加正向扫描电压，正向扫描电压范围为0到0.3V，半导体参数分析测试仪测出忆阻器从高阻态向低阻态转变的电流-电压曲线，记为曲线1；

3-2在半导体参数分析测试仪中设置取值100mA的限制电流后，用半导体参数分析测试仪对忆阻器的T1端施加负向扫描电压，负向扫描电压范围为0到-0.3V，半导体参数分析测试仪测出忆阻器从低阻态向高阻态转变的电流-电压曲线，记为曲线2；

(4)重复步骤3-1～步骤3-2三百次，通过半导体参数分析测试仪300条曲线1和300条曲线2，共600条电流-电压曲线，观察这600条电流-电压曲线，获取Vset和Vreset的值，以此确定V1的取值；

(5)信号A可以改变忆阻器状态，信号B和信号Cin分别对忆阻器进行写操作，最后读取M1的电流值判断Cout值，读取M2～M5的电流值之和来判断Sum值；

(6)将Cout0对应的全加器函数输出记为C0，将Cout1对应的全加器函数输出记为C1，将Cout2对应的全加器函数输出记为C2，以此类推，将Cout7对应的全加器函数输出记为C7，分别对应全加器函数中进位的八个输出，将Sum0对应的全加器函数输出记为S0，将Sum1对应的全加器函数输出记为S1，将Sum2对应的全加器函数输出记为S2，以此类推，将Sum7对应的全加器函数输出记为S7，分别对应全加器函数中两数相加和的八个输出：根据要实现的全加器函数初始化五个忆阻器到相应阻态；然后对忆阻器进行相应写操作，最后施加小电压脉冲读取电流，实现全加器函数。

2.根据权利要求1所述的一种基于阻变器件的全加器实现方法，其特征在于所述的步骤(6)中操作实现全加器函数的具体方式为：

实现全加器函数C0时，先将M1的T1端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，T2端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0V的脉冲电压，始化初为低阻态；然后将M1的T1端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0V的脉冲电压，通过半导体参数分析测试仪在忆阻器的T2端加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，此时忆阻器实际承受电压为VT1-VT2＝-0.3V，忆阻器阻值从低阻态转变为高阻态，故忆阻器输出逻辑值为0；再后将M1的T1端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0V的脉冲电压，将M1的T2端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，此时忆阻器实际承受电压为VT1-VT2＝-0.3，忆阻器的阻值保持不变，故忆阻器输出逻辑值为0；最后通过半导体参数分析测试仪在忆阻器的T1端加载一个脉宽不小于100微秒，且幅值为0V的脉冲电压，M1的T2端接地，读取M1的电流值为低电流，故全加器的C0输出逻辑值为0；

实现全加器函数C1时，先将M1的T1端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，T2端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0V的脉冲电压，始化初为低阻态；然后将M1的T1端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0V的脉冲电压，通过半导体参数分析测试仪在忆阻器的T2端加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，此时忆阻器实际承受电压为VT1-VT2＝-0.3V，忆阻器阻值从低阻态转变为高阻态，故忆阻器输出逻辑值为0；再后将M1的T1端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，将M1的T2端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，此时忆阻器实际承受电压为VT1-VT2＝0V，忆阻器的阻值保持不变，故忆阻器输出逻辑值为0；最后通过半导体参数分析测试仪在忆阻器的T1端加载一个脉宽不小于100微秒，且幅值为0V的脉冲电压，M1的T2端接地，读取M1的电流值为低电流，故全加器C1输出逻辑值为0；

实现全加器函数C2时，先将M1的T1端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，T2端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0V的脉冲电压，始化初为低阻态；然后将M1的T1端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，通过半导体参数分析测试仪在忆阻器的T2端加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，此时忆阻器实际承受电压为VT1-VT2＝0V，忆阻器阻值保持不变，故忆阻器输出逻辑值为1；再后将M1的T1端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0V的脉冲电压，将M1的T2端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，此时忆阻器实际承受电压为VT1-VT2＝-0.3V，忆阻器的阻值从低阻态转变为高阻态，故忆阻器输出逻辑值为0；最后通过半导体参数分析测试仪在忆阻器的T1端加载一个脉宽不小于100微秒，且幅值为0V的脉冲电压，M1的T2端接地，读取M1的电流值为低电流，故全加器C2输出逻辑值为0；实现全加器函数C3时，先将M1的T1端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，T2端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0V的脉冲电压，始化初为低阻态；然后将M1的T1端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，通过半导体参数分析测试仪在忆阻器的T2端加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，此时忆阻器实际承受电压为VT1-VT2＝0V，忆阻器阻值保持不变，故忆阻器输出逻辑值为1；再后将M1的T1端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，将M1的T2端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，此时忆阻器实际承受电压为VT1-VT2＝0V，忆阻器的阻值保持不变，故忆阻器输出逻辑值为1；最后通过半导体参数分析测试仪在忆阻器的T1端加载一个脉宽不小于100微秒，且幅值为0V的脉冲电压，M1的T2端接地，读取M1的电流值为高电流，故全加器C3输出逻辑值为1；

实现全加器函数C4时，先将M1的T1端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，T2端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0V的脉冲电压，始化初为低阻态；然后将M1的T1端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0V的脉冲电压，通过半导体参数分析测试仪在忆阻器的T2端加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，此时忆阻器实际承受电压为VT1-VT2＝-0.3V，忆阻器阻值从低阻态转变为高阻态，故忆阻器输出逻辑值为0；再后将M1的T1端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0V的脉冲电压，将M1的T2端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0V的脉冲电压，此时忆阻器实际承受电压为VT1-VT2＝0V，忆阻器的阻值保持不变，故忆阻器输出逻辑值为0；最后通过半导体参数分析测试仪在忆阻器的T1端加载一个脉宽不小于100微秒，且幅值为0V的脉冲电压，M1的T2端接地，读取M1的电流值为低电流，故全加器C4输出逻辑值为0；

实现全加器函数C5时，先将M1的T1端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，T2端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0V的脉冲电压，始化初为低阻态；然后将M1的T1端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0V的脉冲电压，通过半导体参数分析测试仪在忆阻器的T2端加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，此时忆阻器实际承受电压为VT1-VT2＝-0.3V，忆阻器阻值从低阻态转变为高阻态，故忆阻器输出逻辑值为0；再后将M1的T1端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，将M1的T2端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0V的脉冲电压，此时忆阻器实际承受电压为VT1-VT2＝0.3V，忆阻器的阻值从高阻态转变为低阻态，故忆阻器输出逻辑值为1；最后通过半导体参数分析测试仪在忆阻器的T1端加载一个脉宽不小于100微秒，且幅值为0V的脉冲电压，M1的T2端接地，读取M1的电流值为高电流，故全加器C5输出逻辑值为1；

实现全加器函数C6时，先将M1的T1端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，T2端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0V的脉冲电压，始化初为低阻态；然后将M1的T1端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，通过半导体参数分析测试仪在忆阻器的T2端加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，此时忆阻器实际承受电压为VT1-VT2＝0V，忆阻器阻值保持不变，故忆阻器输出逻辑值为1；再后将M1的T1端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0V的脉冲电压，将M1的T2端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0V的脉冲电压，此时忆阻器实际承受电压为VT1-VT2＝0V，忆阻器的阻值保持不变，故忆阻器输出逻辑值为1；最后通过半导体参数分析测试仪在忆阻器的T1端加载一个脉宽不小于100微秒，且幅值为0V的脉冲电压，M1的T2端接地，读取M1的电流值为高电流，故全加器C6输出逻辑值为1；

实现全加器函数C7时，先将M1的T1端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，T2端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0V的脉冲电压，始化初为低阻态；然后将M1的T1端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，通过半导体参数分析测试仪在忆阻器的T2端加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，此时忆阻器实际承受电压为VT1-VT2＝0V，忆阻器阻值保持不变，故忆阻器输出逻辑值为1；再后将M1的T1端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0.3V的脉冲电压，将M1的T2端通过半导体参数分析测试仪在忆阻器加载一个脉宽不小于50微秒，且幅值为0V的脉冲电压，此时忆阻器实际承受电压为VT1-VT2＝0.3V，忆阻器的阻值保持不变，故忆阻器输出逻辑值为1；最后通过半导体参数分析测试仪在忆阻器的T1端加载一个脉宽不小于100微秒，且幅值为0V的脉冲电压，M1的T2端接地，读取M1的电流值为高电流，故全加器C7输出逻辑值为1；

实现全加器函数S0时，先将M2、M3、M4、M5分别初始化为高阻态、高阻态、低阻态、低阻态；M2、M3、M4、M5的T1端分别接地、接地、接地、接地，T2端分别接地、接地、接地、接地，M2、M3、M4、M5阻态分别为高阻态、高阻态、高阻态、低阻态；然后将M2、M3、M4、M5的T1端分别接地、接地、接地、接地、接0.3V，T2端分别接地、接0.3V、接0.3V、接地，此时M2、M3、M4、M5阻态分别为高阻态、高阻态、高阻态、低阻态；再后将M2、M3、M4、M5的T1端分别接地、接地、接地、接地，T2端分别接地、接0.3V、接地、接地，最后M2、M3、M4、M5阻态分别为高阻态、高阻态、高阻态、低阻态，读取M2～M5的电流之和为低电流，故全加器S0输出逻辑值为0；

实现全加器函数S1时，先将M2、M3、M4、M5分别初始化为高阻态、高阻态、低阻态、低阻态；M2、M3、M4、M5的T1端分别接地、接地、接地、接地，T2端分别接地、接地、接地、接0.3V，M2、M3、M4、M5阻态分别为高阻态、高阻态、低阻态、高阻态；然后将M2、M3、M4、M5的T1端分别接地、接地、接地、接0.3V，T2端分别接0.3V、接0.3V、接0.3V、接地，此时M2、M3、M4、M5阻态分别为高阻态、高阻态、低阻态、高阻态；再后将M2、M3、M4、M5的T1端分别接地、接0.3V、接0.3V、接地，T2端分别接地、接0.3V、接地、接地，最后M2、M3、M4、M5阻态分别为高阻态、高阻态、高阻态、低阻态，读取M2～M5的电流之和为高电流，故全加器S1输出逻辑值为1；

实现全加器函数S2时，先将M2、M3、M4、M5分别初始化为高阻态、高阻态、低阻态、低阻态；M2、M3、M4、M5的T1端分别接地、接地、接地、接地，T2端分别接地、接地、接地、接地，M2、M3、M4、M5阻态分别为高阻态、高阻态、低阻态、低阻态；然后将M2、M3、M4、M5的T1端分别接地、接0.3V、接0.3V、接0.3V，T2端分别接地、接0.3V、接0.3V、接0.3V，此时M2、M3、M4、M5阻态分别为高阻态、高阻态、高阻态、高阻态；再后将M2、M3、M4、M5的T1端分别接地、接地、接地、接地，T2端分别接0.3V、接0.3V、接地、接地，最后M2、M3、M4、M5阻态分别为高阻态、高阻态、低阻态、低阻态，读取M2～M5的电流之和为高电流，故全加器S2输出逻辑值为1；

实现全加器函数S3时，先将M2、M3、M4、M5分别初始化为高阻态、高阻态、低阻态、低阻态；M2、M3、M4、M5的T1端分别接地、接地、接地、接地，T2端分别接地、接地、接地、接0.3V，M2、M3、M4、M5阻态分别为高阻态、高阻态、低阻态、高阻态；然后将M2、M3、M4、M5的T1端分别接地、接0.3V、接0.3V、接0.3V，T2端分别接0.3V、接0.3V、接0.3V、接0.3V，此时M2、M3、M4、M5阻态分别为高阻态、高阻态、低阻态、高阻态；再后将M2、M3、M4、M5的T1端分别接地、接0.3V、接0.3V、接地，T2端分别接0.3V、接0.3V、接地、接地，最后M2、M3、M4、M5阻态分别为高阻态、高阻态、低阻态、高阻态，读取M2～M5的电流之和为低电流，故全加器S3输出逻辑值为0；

实现全加器函数S4时，先将M2、M3、M4、M5分别初始化为高阻态、高阻态、低阻态、低阻态；M2、M3、M4、M5的T1端分别接0.3V、接0.3V、接地、接地，T2端分别接地、接地、接0.3V、接地，M2、M3、M4、M5阻态分别为低阻态、低阻态、高阻态、低阻态；然后将M2、M3、M4、M5的T1端分别接地、接地、接地、接0.3V，T2端分别接地、接0.3V、接0.3V、接地，此时M2、M3、M4、M5阻态分别为低阻态、高阻态、高阻态、低阻态；再后将M2、M3、M4、M5的T1端分别接地、接地、接地、接地，T2端分别接地、接0.3V、接地、接0.3V，最后M2、M3、M4、M5阻态分别为低阻态、高阻态、高阻态、高阻态，读取M2～M5的电流之和为高电流，故全加器S4输出逻辑值为1；

实现全加器函数S5时，先将M2、M3、M4、M5分别初始化为高阻态、高阻态、低阻态、低阻态；M2、M3、M4、M5的T1端分别接0.3V、接0.3V、接地、接地，T2端分别接地、接地、接0.3V、接0.3V，M2、M3、M4、M5阻态分别为低阻态、低阻态、高阻态、高阻态；然后将M2、M3、M4、M5的T1端分别接地、接地、接地、接0.3V，T2端分别接0.3V、接0.3V、接0.3V、接地，此时M2、M3、M4、M5阻态分别为低阻态、低阻态、高阻态、低阻态；再后将M2、M3、M4、M5的T1端分别接地、接0.3V、接0.3V、接地，T2端分别接地、接0.3V、接地、接0.3V，最后M2、M3、M4、M5阻态分别为高阻态、高阻态、低阻态、高阻态，读取M2～M5的电流之和为低电流，故全加器S5输出逻辑值为0；

实现全加器函数S6时，先将M2、M3、M4、M5分别初始化为高阻态、高阻态、低阻态、低阻态；M2、M3、M4、M5的T1端分别接0.3V、接0.3V、接地、接地，T2端分别接地、接地、接0.3V、接地，M2、M3、M4、M5阻态分别为低阻态、低阻态、高阻态、低阻态；然后将M2、M3、M4、M5的T1端分别接地、接0.3V、接0.3V、接0.3V，T2端分别接地、接0.3V、接0.3V、接0.3V，此时M2、M3、M4、M5阻态分别为高阻态、高阻态、高阻态、低阻态；再后将M2、M3、M4、M5的T1端分别接地、接地、接地、接地，T2端分别接0.3V、接0.3V、接地、接0.3V，最后M2、M3、M4、M5阻态分别为高阻态、高阻态、高阻态、高阻态，读取M2～M5的电流之和为低电流，故全加器S6输出逻辑值为0；

实现全加器函数S7时，先将M2、M3、M4、M5分别初始化为高阻态、高阻态、低阻态、低阻态；M2、M3、M4、M5的T1端分别接0.3V、接0.3V、接地、接地，T2端分别接地、接地、接0.3V、接0.3V，M2、M3、M4、M5阻态分别为低阻态、低阻态、高阻态、高阻态；然后将M2、M3、M4、M5的T1端分别接地、接0.3V、接0.3V、接0.3V，T2端分别接0.3V、接0.3V、接0.3V、接0.3V，此时M2、M3、M4、M5阻态分别为高阻态、低阻态、高阻态、高阻态；再后将M2、M3、M4、M5的T1端分别接地、接0.3V、接0.3V、接地，T2端分别接0.3V、接0.3V、接地、接0.3V，最后M2、M3、M4、M5阻态分别为高阻态、低阻态、低阻态、高阻态，读取M2～M5的电流之和为高电流，故全加器S7输出逻辑值为1。