Dynamische Analyse und Modellierung experimenteller Daten aus nichtlinearen Schaltungselementen ("DYNAMODE")
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt haben wir eine schaltungs- und systemtheoretische Analyse durchgeführt, die sich auf experimentell verifizierte Memristor-Modelle konzentriert, insbesondere auf das flüchtige NbOx-Bauelement, das nichtflüchtige TaOx-Bauelement und die lokal aktive ferromagnetische Induktivität, die alle in den HP Labs hergestellt wurden. Wir haben dessen mathematische Modelle umfangreich analysiert, um die komplexe Dynamik dieser Bauelemente zu erfassen und Anwendungen aufzuzeigen, die den Einsatz dieser Bauelemente ermöglichen. In der Umsetzung konzentrierten wir uns auch auf die Simulationseffizienz, die Gleich- und Wechselstromcharakterisierung und die Analyse der lokalen Aktivität des NbOx-Memristors, während wir unsere schaltungstheoretischen Erkenntnisse für andere lokal aktive flüchtige Bauelemente aus der Literatur verallgemeinerten. Als vielversprechendes Anwendungsbeispiel haben wir ein nichtlineares Reaktions-Diffusions- Memristives Zellulares Nichtlineares Netzwerk (RD-MCNN) mit NbOx-Bauelementen entworfen und das Auftreten zahlreicher dynamischer Muster im Netzwerk dargestellt. Die Arbeit zur Modellierung, Analyse und experimentellen Realisierung der ferromagnetischen Induktivität wurde im Rahmen einer Masterarbeit durchgeführt. Das induktive Element wurde experimentell entwickelt und aufgebaut, und um die gewonnenen experimentellen Daten zu validieren, wurde ein auf Selbsterhitzung basierendes Modell zweiter Ordnung mit einer zusätzlichen dynamischen Hystereseschleifenfunktion definiert. Es wurde gezeigt, dass das entwickelte Modell die experimentellen Daten erfolgreich nachbilden kann. Für das nichtflüchtige TaOx-Bauelement haben wir zunächst das ursprüngliche Modell neu formuliert, nachdem wir das Problem der numerischen Stabilität gelöst, fehlende Fensterfunktionen einbezogen und die SET- und RESET-Dynamik vereinheitlicht hatten. Dann untersuchten wir das Hochfrequenzverhalten desselben Bauelements mit Schwerpunkt auf die Fading Memory Eigenschaft, was zur Erkennung eines neuartigen Leitwertabstimmungsmechanismus für nichtflüchtige Bauelemente führte. Inspiriert von den vielversprechenden Ergebnissen haben wir unseren systemtheoretischen Ansatz verallgemeinert und ein neues systemtheoretisches Werkzeug namens State Change per Cycle Map (SCPCM) entwickelt, das die Multistabilität und die Abstimmbarkeitseigenschaften von nichtflüchtigen Memristoren unter periodischen Stimuli verallgemeinert. In ähnlicher Weise wendeten wir dieselbe Theorie auf das flüchtige NbOx-Bauelement an und beobachteten das Multistabilitätsverhalten unter einem hochfrequenten periodischen Eingang. In einer weiteren Aufgabe definierten wir ein auf einer physikalischen Schaltung basierendes, lokal aktives Bauelementemodell, das für die Modellierung lokal aktiver Dynamik verwendet werden kann. Als Neuerung entwarfen wir eine einfache chaotische Oszillatorschaltung, die das neu entwickelte Modell experimentell durch die physikalische Schaltung implementiert. Abschließend haben wir auf der Grundlage unserer systemtheoretischen Erkenntnisse damit begonnen, die Dynamik eines lokal aktiven Memristor-basierten oszillierenden Neuronenschaltkreises zu untersuchen, der durch einen sinusförmigen Eingang angetrieben wird. Wir führen unsere Analyse mit Hilfe des Volterra-Serien-Ansatzes durch, der uns wesentlich dabei hilft, die Erzeugung von Oberschwingungen und Subharmonischen am Ausgang der Zelle zu untersuchen. Die vorläufigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Volterra-Modelle, die wir für eine einzelne Zelle erhalten haben, für die Analyse der Mechanismen zur Erzeugung von Oberschwingungen von periodisch erzwungenen gekoppelten Neuronen, die mit mehreren Frequenzen feuern und eine phasenstarrende Synchronisationsdynamik aufweisen, weiter verwendet werden können. Überschauend betrachted wurden alle Projektaufgaben erfolgreich abgeschlossen und die Ergebnisse der Projektarbeiten haben neue Forschungsthemen ausgelöst, die die Grundlage für kommende Forschungsprojekte bilden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A Simplified Model for a NbO2 Mott Memristor Physical Realization. 2020 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). IEEE.
Messaris, I.; Tetzlaff, R.; Ascoli, A.; Williams, R. S.; Kumar, S. & Chua, L.
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Analytical Investigation of Pattern Formation in an M-CNN with Locally Active NbOx Memristors. 2021 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 1-5. IEEE.
Demirkol, Ahmet Samil; Ascoli, Alon; Messaris, Ioannis & Tetzlaff, Ronald
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NbO2-Mott Memristor: A Circuit- Theoretic Investigation. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 68(12), 4979-4992.
Messaris, Ioannis; Brown, Timothy D.; Demirkol, Ahmet S.; Ascoli, Alon; Al Chawa, M. Moner; Williams, R. Stanley; Tetzlaff, Ronald & Chua, Leon O.
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Pattern Formation in a RD-MCNN with Locally Active Memristors. Memristor - An Emerging Device for Post-Moore’s Computing and Applications. IntechOpen.
Samil, Demirkol Ahmet; Ascoli, Alon; Messaris, Ioannis & Tetzlaff, Ronald
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A Compact and Continuous Reformulation of the Strachan TaOx Memristor Model With Improved Numerical Stability. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 69(3), 1266-1277.
Demirkol, Ahmet S.; Ascoli, Alon; Messaris, Ioannis; Al Chawa, Mohamad Moner; Tetzlaff, Ronald & Chua, Leon O.
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A Locally Active Device Model Based on a Minimal 2T1R Circuit. 2022 29th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS), 1-4. IEEE.
Demirkol, A. S.; Al Chawa, M. M.; Ascoli, A.; Tetzlaff, R.; Bedau, D. & Grobis, M.
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Pattern Formation in an M-CNN Structure Utilizing a Locally Active NbOx Memristor. Memristor Computing Systems, 79-101. Springer International Publishing.
Demirkol, Ahmet Samil; Messaris, Ioannis; Ascoli, Alon & Tetzlaff, Ronald
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DC Characterization of Numerically Efficient and Stable Locally Active Device Models. 2023 12th International Conference on Modern Circuits and Systems Technologies (MOCAST), 1-4. IEEE.
Demirkol, Ahmet Samil; Messaris, Ioannis; Ascoli, Alon & Tetzlaff, Ronald
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High Frequency Response of Non-Volatile Memristors. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 70(2), 566-578.
Messaris, Ioannis; Ascoli, Alon; Demirkol, Ahmet S. & Tetzlaff, Ronald
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The State Change Per Cycle Map: a novel system-theoretic analysis tool for periodically-driven ReRAM cells. Frontiers in Electronic Materials, 3.
Ascoli, A.; Schmitt, N.; Messaris, I.; Demirkol, A. S.; Tetzlaff, R. & Chua, L. O.
