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基于MNIST的忆阻神经网络稳定性研究
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更新于2023-05-24
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为了探究忆阻器的稳定性问题对忆阻神经网络性能的影响,基于等效电阻拓扑结构的忆阻器模型,搭建了一个将忆阻器作为突触的BP神经网络,并利用MNIST数据集对该网络进行训练和测试。忆阻器的稳定性问题通过设置忆阻器参数波动来模拟,最终发现忆阻器一定程度内的性能波动会促进神经网络的收敛,但波动过大则会降低网络的收敛速度。为了表征波动的临界程度,测得了基于忆阻器模型的各参数的最大波动范围,并进一步计算出忆阻器件工艺层次参量的取值范围,为忆阻神经网络硬件化中忆阻器件的工艺制造和选用提供了参考。
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基于基于MNIST的忆阻神经网络稳定性研究的忆阻神经网络稳定性研究
为了探究忆阻器的稳定性问题对忆阻神经网络性能的影响,基于等效电阻拓扑结构的忆阻器模型,搭建了一个
将忆阻器作为突触的BP神经网络,并利用MNIST数据集对该网络进行训练和测试。忆阻器的稳定性问题通过设
置忆阻器参数波动来模拟,最终发现忆阻器一定程度内的性能波动会促进神经网络的收敛,但波动过大则会降
低网络的收敛速度。为了表征波动的临界程度,测得了基于忆阻器模型的各参数的最大波动范围,并进一步计
算出忆阻器件工艺层次参量的取值范围,为忆阻神经网络硬件化中忆阻器件的工艺制造和选用提供了参考。
0 引言引言
忆阻器是由物理学家蔡少棠教授在1971年提出的第四种电路基本元器件,其忆阻值联系磁通量和电荷量两个电路参量
[1]
。
由于其非易失性(忆阻值可以存储起来)、忆阻值可通过对器件端压的调制实现连续变化等优点,可作为神经元突触来构建神
经网络
[2]
。
研究发现同一个忆阻器在相同的驱动下测得的多条传输特性曲线之间存在差异;相同制造工艺下,不同忆阻器的性能也不
一样,即忆阻器件的性能并不稳定
[3]
。这些稳定性问题会对忆阻神经网络的收敛速度和功能实现产生影响。
本文的研究目的是基于一种具有等效电阻拓扑结构的忆阻器模型,探究忆阻器稳定性问题对忆阻神经网络性能的影响,从
而得出在保证忆阻神经网络性能的前提下模型参数的允许波动范围。根据忆阻器模型参数的意义,映射到器件工艺层次的参量
波动,为忆阻器件的工艺制造和选型提供参考。
1 忆阻器模型及稳定性仿真忆阻器模型及稳定性仿真
本文采用了一种具有等效电阻拓扑结构的忆阻器模型,该模型不仅能描述忆阻器的传输特性,而且能准确描述忆阻器的不
稳定现象。通过设置波动的忆阻器参数,模拟忆阻器的不稳定性,为忆阻神经网络的搭建做准备。
1.1 忆阻器模型忆阻器模型
随着忆阻器研究的发展,很多证据表明忆阻器的电阻转换现象是由于器件中作为导电通道的导电丝的形成和消失造成的
[4]
,
外加电压控制着导电丝的形成和消失,这样就可以把忆阻器划分为通道区域和无通道区域,导电通道则包括高阻和低阻区域,
然后再通过一个合适的拓扑结构将这若干个通道结合起来,这就是本文使用的忆阻器模型
[5]
。其示意图及数学模型简化过程如
图1所示。图(a)为忆阻器件结构图,可等效为图(b),其中由斜划线填充的柱体表示无通道区域,阻值远大于有通道区域(其他
柱体),故由于并联可进一步简化为图(c)。
基于上述模型的数学表达式如下,假设在忆阻器中存在N个导电通道,即图1(c)中的通道数,R
l
表示低阻区域完全占据通道
时一个导电通道的阻值;R
h
表示高阻区域完全占据通道时一个导电通道的阻值。D为导电通道的总长度,X
i
为低阻区域占据通
道的长度(X
i
≤D)。
所以,第i个导电通道的忆阻值为:



















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