憶阻細胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模及應(yīng)用.pdf

1、二十世紀九十年代末，傳感器技術(shù)革命推動了電子技術(shù)和計算機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。由傳感器獲得大量模擬信號需要用一種新的計算機方案來處理。模擬邏輯混合細胞計算機成為一種可行的候選方案，其核心部分是細胞非線性/神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CellularNonlinear/Neuralnetworks，CNN)，即模擬動態(tài)微處理器（或細胞）陣列。細胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由加州大學(xué)伯克利分校的LeonO.Chua和LinYang于1988年提出的，能夠接收和產(chǎn)生時間連續(xù)的模擬信號。

2、然而，細胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較為復(fù)雜的動態(tài)行為，為使其達到穩(wěn)定狀態(tài)，實現(xiàn)該電路的CMOS半導(dǎo)體器件需要有很好的性能。此外，由于密集光刻成本的增加，CMOS器件本身存在物理缺陷等原因，CMOS技術(shù)將達到發(fā)展極限，摩爾定律受到嚴峻的挑戰(zhàn)，細胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的硬件實現(xiàn)遭遇到了發(fā)展瓶頸。上述兩個因素制約著細胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及細胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通用機的發(fā)展與應(yīng)用。憶阻器理論提出和物理實現(xiàn)為細胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展帶來了新的曙光。憶阻器是一種具有類似突觸特性、記憶特性的新型非

3、線性納米器件，可用于構(gòu)建結(jié)構(gòu)簡單、權(quán)值靈活可調(diào)、集成度高的細胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
　　 本文深入研究了細胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、細胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通用機系統(tǒng)以及憶阻器理論模型，提出了基于憶阻權(quán)值模塊的細胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和基于憶阻存儲模塊的細胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通用機。并且，探討憶阻細胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在彩色圖像處理以及偽隨機比特發(fā)生器(PRBG)方面的應(yīng)用。主要工作包括以下幾個部分:
　　 (1)介紹了標準CNN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其工作原理，分析了其數(shù)學(xué)模型和動態(tài)特性。研究了細

4、胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通用機結(jié)構(gòu)及其用于模擬和邏輯信息處理的工作原理。針對二者的特點以及發(fā)展所遇到的問題，提出了改進思路。
　　 (2)介紹了HP憶阻器的數(shù)學(xué)模型、物理模型及其特性，通過計算機仿真實驗研究了憶阻器在特定外加信號作用下的瞬態(tài)行為，為之后的研究奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 (3)利用憶阻器阻值隨其外加信號的變化而變化的特性，設(shè)計了憶阻權(quán)值模板電路，進而提出了新型的細胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)——憶阻細胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。改進后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更多優(yōu)勢，

5、處理速度更快，功耗更低、集成度更高。在此基礎(chǔ)上，利用憶阻器在存儲模擬信息方面的天然優(yōu)勢，設(shè)計基于憶阻模擬存儲模塊的模擬邏輯混合細胞計算機——細胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通用機。
　　 (4)討論了細胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于圖像處理的基本原理，以車牌識別過程中的圖像處理為例，驗證新型憶阻細胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在信息處理方案的有效性。此外，在介紹由混沌電路產(chǎn)生偽隨機比特的基本原理后，提出了基于憶阻細胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)混沌電路的偽隨機比特發(fā)生器。
　　 最后，總結(jié)本文研