Μνήμες πολλαπλών καταστάσεων για νευρομορφικές εφαρμογές

Μαντάς, Σωτήριος - Δημήτριος; Mantas, Sotirios - Dimitrios

dc.contributor.author	Μαντάς, Σωτήριος - Δημήτριος	el
dc.contributor.author	Mantas, Sotirios - Dimitrios	en
dc.date.accessioned	2025-01-31T10:13:26Z
dc.date.available	2025-01-31T10:13:26Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/61016
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.28712
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Μικροσυστήματα και Νανοδιατάξεις”	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Νανοδιατάξεις	el
dc.subject	Ηλεκτροχημικές μνήμες	el
dc.subject	LIF κυκλώματα	el
dc.subject	Multi-bit	en
dc.title	Μνήμες πολλαπλών καταστάσεων για νευρομορφικές εφαρμογές	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Μικροσυστήματα νανοδιατάξεις	el
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-10-21
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζει την ενσωμάτωση των Μνημών Τυχαίας Προσπέλασης Αγώγιμου Δρόμου (CBRAM) ή αλλιώς μεμρίστορ (μνήμες μεταβλητής αντίστασης), σε νευρομορφικά υπολογιστικά συστήματα, με έμφαση στις δυνατότητές τους για αποθήκευση πληροφορίας σε πολλαπλές καταστάσεις (MLC) και σε αρχιτεκτονικές υπολογιστικών συστημάτων εμπνευσμένων από τον εγκέφαλο. Η εργασία ξεκινά με την ανάλυση των φυσικών και ηλεκτροχημικών αρχών που διέπουν τη λειτουργία των μεμρίστορ, με ιδιαίτερη έμφαση στους φυσικούς μηχανισμούς που διέπουν τη διαδικασία εναλλαγής της αντίστασης (Resistive Switching). Η μετακίνηση ιόντων δημιουργεί αγώγιμα νήματα (CFs), των οποίων η σταθερότητα και η δυναμική επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες όπως τα υλικά των ηλεκτροδίων, η κατανομή θερμότητας και το ηλεκτρικό πεδίο. Στην εργασία αναλύεται ο ρόλος των διαφορετικών υλικών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των υπό μελέτη διατάξεων, με ιδιαίτερη προσοχή να δίνεται στο ηλεκτρόδιο καθόδου και πιο συγκεκριμένα στις θερμικές ιδιότητες των χρησιμοποιούμενων υλικών, καθώς επίσης και στο ενεργό ηλεκτρόδιο και στην σημασία του επιβαλλόμενου χωρικού περιορισμού στην ιοντική μετανάστευση που επιφέρει η ενσωμάτωση νανοσωματιδίων πλατίνας (Pt NPs). Η εργασία παρουσιάζει μια πειραματική μελέτη CBRAM διατάξεων που βασίζονται σε πτητικούς και μη πτητικούς μηχανισμούς εναλλαγής, αναδεικνύοντας τη σημασία του ελέγχου του μεγέθους και της γεωμετρίας των αγώγιμων νημάτων για αξιόπιστη διατήρηση (retention) της πληροφορίας. Οι προσομοιώσεις αποκαλύπτουν κρίσιμες πτυχές της κατανομής της θερμότητας και τις επιπτώσεις της στη διαμόρφωση και διάλυση αυτών των νημάτων, οι οποίες είναι καθοριστικές για την επίτευξη αποθήκευσης πληροφορίας σε πολλαπλές στάθμες αγωγιμότητας. Πέρα από το πειραματικό μέρος, παρέχεται ένα θεωρητικό πλαίσιο για την κατανόηση των επιπτώσεων της θερμικής κατανομής στα μεμρίστορ, και της επίδρασής τους, στην απόδοση των νευρομορφικών κυκλωμάτων. Η ανάλυση διαφόρων αδρανών ηλεκτροδίων, μέσω πειραματικών μετρήσεων χαρακτηριστικών ρεύματος τάσης (I-V), προσφέρει πληροφορίες σχετικά με την επίδραση των υλικών ως ηλεκτρόδια καθόδου στην απόδοση και τη σταθερότητα της κυψέλης, με καθοριστικότερο το συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας του χημικά μη ενεργού ηλεκτροδίου, ο οποίος καθορίζει τον πτητικό χαρακτήρα των ηλεκτροχημικών μνημών. Στο πλαίσιο της δυνατότητας πολλαπλής αποθήκευσης των CBRAM, στην παρούσα εργασία, αναπτύσσεται ένας τροποποιημένος αλγόριθμος (ASCA) βασισμένος στα βιομηχανικά πρωτόκολλα προγραμματισμού μνημών FLASH, με απώτερο σκοπό τον ακριβότερο έλεγχο στον προγραμματισμό πολλαπλών καταστάσεων αντίστασης. Για την επαλήθευση της προστιθέμενης αξίας του τροποποιημένου αλγορίθμου πραγματοποιήθηκε συγκριτική μελέτη με συμβατικούς αλγορίθμους τύπου ISPP και IGVP καθώς επίσης και στατιστική δειγματοληψία (device-to-device, cycle-to-cycle) για την επαλήθευσης της ορθότητας της λειτουργίας του αλγορίθμου. Στο πλαίσιο των νευρομορφικών εφαρμογών, η εργασία διερευνά περαιτέρω την ενσωμάτωση των μεμρίστορ σε νευρομορφικά κυκλώματα, με κύρια έμφαση στα μοντέλα νευρώνων Leaky Integrate-and-Fire (LIF). Αυτά τα κυκλώματα προσομοιώνουν βασικές λειτουργίες των βιολογικών νευρώνων, επιτρέποντας τη δημιουργία τεχνητών συνάψεων που παρουσιάζουν δυναμική προσαρμοστικότητα, παρόμοια με τις διαδικασίες μάθησης στον εγκέφαλο. Οι τεχνητές συνάψεις που μελετήθηκαν, παρουσιάζουν σταδιακές αλλαγές στην αντίσταση σε απόκριση σε παλμούς, ανάλογες με την εξάρτηση της πλαστικότητας (spike-timing-dependent plasticity – STDP) που παρατηρείται σε πραγματικά βιολογικά συστήματα. Επιπλέον, η εργασία παρουσιάζει ένα ολοκληρωμένο νευρομορφικό σύστημα αφής με τον συνδυασμό πτητικών CBRAM και αισθητήρων παραμόρφωσης (strain sensor), που μπορούν να ανταποκρίνονται σε εξωτερικά μηχανικά ερεθίσματα. Στο τεχνητό νευρομορφικό σύστημα που παρουσιάζεται, η CBRAM λειτουργεί τόσο ως μονάδα επεξεργασίας όσο και ως προσαρμοστικό στοιχείο που μπορεί να αντιδρά σε μεταβαλλόμενες εξωτερικές συνθήκες σε πραγματικό χρόνο. Συμπερασματικά, στην παρούσα Διπλωματική Εργασία μελετάται τόσο σε θεωρητικό αλλά και πειραματικό πλαίσιο η σημασία επιλογής υλικών και η λειτουργία των διατάξεων CBRAM (Κεφάλαια 1-3), καθώς επίσης παρουσιάζονται τρόποι με τους οποίους οι εν λόγω ηλεκτρονικές διατάξεις, μπορούν να αποτελέσουν θεμελιώδη ηλεκτρονικά στοιχεία είτε για εφαρμογές πυκνότερης αποθήκευσης πληροφορίας (Κεφάλαιο 4), είτε για την κατασκευή νευρομορφικών συστημάτων με in-situ επεξεργασία εξωτερικών ερεθισμάτων όπως ακριβώς πράττουν οι βιολογικοί νευρώνες (Κεφάλαιο 5).	el
heal.advisorName	Τσουκαλάς, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Τσουκαλάς, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Χουρδάκης, Εμμανουήλ	el
heal.committeeMemberName	Παναγόπουλος, Γεώργιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	118 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false