Memristör modeli elde etme ve gerçek cihazların analog eşik altı devrelerde kullanımı

Abstract

Memristörün nöronlar arasındaki iletimi sağlayan sinapsları modelleyebileceği ve bu özelliğini kullanarak yapay nöral ağlar kurulabileceği anlaşılmıştır. Donanımsal olarak kurulması bir hayli zor olan nöral yapay ağların, memristörlerin kullanılmasıyla donanımsal şekilde uygulanması kolaylaşır. Aynı zamanda transistörlerin sağladığı anahtarlama özelliğini sağlayabilmesi, daha az yer kaplaması ve daha düşük enerji ile çalışması sayesinde transistörlerin anahtarlama özelliği ile yer aldığı devrelerde kullanılabileceği öngörülmüştür. Bundan dolayı nöromorfik mühendislik açısından memristörler önemli bir konuma gelmiştir. Memristörün kullanılabileceği biyo-esinli devrelerden biri de Nakada v.d. tarafından ortaya konan CPG devresidir. Bu devre normalde hayvanların beyninde nörolojik olarak bulunan ve yürüme, koşma, nefes alma gibi ritmik hareketlerin sinyallerini üreten merkezi patern oluşturucu devresidir. Bu devrede transistörler eşik altı bölgede çalışırlar ve az enerji tüketirler. Köymen tarafından bu devrede memristörlerin kullanılmasının faydaları ortaya konmuştur. Au/TiO2/TiO2-x/Au ve Pt/TiO2/TiO2-x/Pt yapılarındaki iki farklı üretimi tamamlanmış memristörlerden ölçümler alınmıştır ve bu sonuçlar incelenmiştir. Üretilen cihazların devrelerde kullanabilmesi için isabetli simülasyonlar gerekir ve isabetli simülasyonlar için de üretilen cihazların iyi modellenmesi gerekir. Bu tez çalışmasında üretilen cihazların, eğri uydurma, fenomenolojik modelleme, parametrik analiz ve benzer davranış sergilemesi açısından Saludes-Tapia v.d. tarafından ortaya konan yarı statik memdiyot (QMM) modelinin denklemlerinden faydalanılarak, SPICE ve Verilog-A modelleri elde edilmiştir. Ardından bu modellerin devre içindeki kullanımları araştırılmıştır. Devrenin özelliğine göre seri veya paralel bağlanmalarının asıl etkiler göstereceği incelenmiştir. CPG ve CPG'nin içinde bulunan HCO devrelerinde kullanılmış ve etkileri incelenmiştir. Devrelerin memristörlü simülasyonları yapıldıktan sonra üretilmek için devrelerin layoutları yapılmıştır ve bu layoutların daha da küçük bir alana sığması için optimizasyon çalışması yapılmıştır ve bu devrelerin küçültülebileceği ortaya koyulmuştur.

It was understood that the memristor could model synapses facilitating transmission between neurons, enabling the creation of artificial neural networks. The use of memristors could simplify the hardware implementation of neural artificial networks, which are otherwise challenging to construct in hardware. Additionally, due to its capacity to provide switching capabilities akin to transistors while occupying less space and consuming lower energy, memristors are envisaged for use in circuits where transistors are currently employed for switching purposes. This positioning has rendered memristors significant in the field of neuromorphic engineering. One of the bio-inspired circuits where memristors could be employed is the central pattern generator (CPG) circuit, introduced by Nakada et al. This circuit, akin to neurological patterns in animals' brains, generates signals for rhythmic movements like walking, running, and breathing. Transistors in this circuit operate in subthreshold regions and consume minimal energy. Köymen highlighted the advantages of incorporating memristors in this circuit. Measurements have been taken from memristors which in two different structures: Au/TiO2/TiO2-x/Au and Pt/TiO2/TiO2-x/Pt. These results have been analyzed. Accurate simulations are essential for the effective integration of the produced devices into circuits. Accurate simulations, in turn, necessitate a proper modeling of the fabricated devices. In this thesis, SPICE and Verilog-A models were derived for the generated devices, using curve fitting, phenomenological modeling, parametric analysis and utilizing equations from the quasi-static memdiode (QMM) model introduced by Saludes-Tapia et al. due to its similar behavior. Subsequently, the utilization of these models within circuits was investigated. The effects of serial and parallel connections, depending on the circuit's nature, were explored. They were applied to both CPG and the CPG's constituent HCO circuits, and their impacts were assessed. Following the memristor-embedded circuit simulations, layouts for the circuits were created. An optimization process was performed to fit these layouts into an even smaller area, revealing the potential for further reduction in size for these circuits.