Modellierung, Simulation und Emulation memreaktiver Bauelemente für selbstorganisierende Oszillatorschaltungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Neben den bekannten passiven elektrischen Bauelementen postulierte Leon Chua 1971 den Memristor, einen nichtlinearen Widerstand mit Gedächtnis. Er findet unter anderem Anwendung in neuromorphen Rechenarchitekturen und das Interesse an ihm ist im letzten Jahrzehnt stark gestiegen. Neben Memristoren gibt es memreaktive Bauelemente wie Memspulen und Memkondensatoren, die bisher weniger untersucht sind und meist als parasitäre Effekte auftreten. Diese verlustlosen Bauelemente haben das Potential, analoge Rechner energieeffizienter und kompakter zu machen. Allerdings bleibt bei Modellierungsansätzen aus der Literatur die Eigenschaften der Passivität bzw. Verlustlosigkeit der idealen memreaktiven Bauelemente unberücksichtigt. Für schaltungstheoretische Untersuchungen sind diese Eigenschaften im Hinblick auf das Stabilitätsverhalten des Systems allerdings unerlässlich. In diesem Projekt wurden Memspulen und Memkondensatoren so modelliert, dass ihre Passivität und Verlustlosigkeit sichergestellt wurde. Ein memristiver LC-Schwingkreis, die sogenannte Antizipationsschaltung, wurde mit memreaktiven Bauelementen so erweitert, dass eine selbstorganisierte Anpassung der Resonanzfrequenz und Güte möglich wurde, was eine Wellendigitalemulation (WD Emulation) der Schaltung zeigte. Dies stellt eine signifikante Verbesserung dar, da nun auch zeitlich unregelmäßige Muster antizipiert werden können. Weitere Untersuchungen befassten sich mit der Kopplung von örtlich verteilten Oszillatoren mit besonderem Fokus auf den Mechanismen der Topologiebildung. Die Ergebnisse des Projekts liefern wichtige Erkenntnisse für die Modellierung, Emulation und Anwendung von memreaktiven Bauelementen und weisen den Weg für zukünftige energieeffiziente neuromorphe Rechenarchitekturen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Energetically consistent modeling of passive memelements. AEU - International Journal of Electronics and Communications, 93, 19-25.
Ochs, Karlheinz & Solan, Enver
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Solving the Longest Path Problem using a HfO2-based Wave Digital Memristor Model. 2019 IEEE 62nd International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS), 355-358. IEEE.
Ochs, Karlheinz; Michaelis, Dennis & Solan, Enver
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Wave digital model of a TiN/Ti/HfO2/TiN memristor. International Journal of Numerical Modelling: Electronic Networks, Devices and Fields, 32(5).
Solan, Enver; Pérez, Eduardo; Michaelis, Dennis; Wenger, Christian & Ochs, Karlheinz
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Anticipation of Irregular Patterns: A Wave Digital Approach. 2020 IEEE 63rd International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS), 313-316. IEEE.
Ochs, Karlheinz; Jenderny, Sebastian & Solan, Enver
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Mimicking Neuroplasticity by Memristive Circuits. 2020 IEEE 63rd International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS), 448-451. IEEE.
Ochs, Karlheinz; Michaelis, Dennis; Jenderny, Sebastian & Kohlstedt, Hermann
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„Beiträge zur Wellendigitalemulation adaptiver Schaltungen mit gedächtnisbehafteten Bauelementen“, Dissertation, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Ruhr-Universität Bochum
Enver Solan
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„Contributions to Bio-Inspired Computing via Memristive Circuits Based on Wave Digital Emulation Methods“, Dissertation, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Ruhr-Universität Bochum
Dennis Michaelis
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Towards Wave Digital Modeling of Neural Pathways Using Two-Port Coupling Networks. 2022 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 809-812. IEEE.
Ochs, Karlheinz & Beattie, Bakr Al
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A Bio-Inspired CMOS Circuit for the Excitation and Inhibition of Neuronal Oscillators. 2023 IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems (APCCAS), 31-35. IEEE.
Kumar, Singh Muralidhar Bharath; Al Beattie, Bakr; Uhlmann, Max; Ochs, Karlheinz; Kahmen, Gerhard & Rieger, Robert
