Design, modelling and simulation of memristor circuits towards conventional and unconventional computing
Authors: Φυρίγος Ιωσήφ-Άγγελος 
Published: December 2024

Η αύξηση των Big Data, εν μέρει λόγω του Internet of Things, των κβαντικών υπολογισμών και η άνθηση της μηχανικής εκμάθησης, οδηγεί το υπολογιστικό φόρτο να επικεντρώνεται όλο και περισσότερο στα δεδομένα, και αυτό αποτελεί πρόκληση για τους παραδοσιακούς ψηφιακούς υπολογιστές που βασίζονται στην αρχιτεκτονική von Neumann. Σε αυτούς τους υπολογιστές, η συχνή μετακίνηση δεδομένων μεταξύ ξεχωριστών μονάδων επεξεργασίας και μνήμης οδηγεί σε σημαντικά μειονεκτήματα όσον αφορά την ενεργειακή αποδοτικότητα και την εύρεση δεδομένων. Αυτός ο περιορισμός είναι γνωστός ως von Neumann bottleneck. Επιπλέον, η απόκλιση στην ταχύτητα μεταξύ της μονάδας μνήμης και του επεξεργαστή, γνωστή ως τοίχος μνήμης, επιδεινώνει ακόμη περισσότερο αυτόν τον περιορισμό. Ως αποτέλεσμα, υπάρχει ανάγκη για εντελώς διαφορετικά παραδείγματα υπολογισμού που μπορούν να ενισχύσουν την αποδοτικότητα χώρου και ενέργειας για να ανταποκριθούν στις αυξανόμενες απαιτήσεις ισχύος υπολογισμού. Ο στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη υβριδικών μη συμβατικών υπολογιστικών κυκλωμάτων χρησιμοποιώντας νανοηλεκτρονικές μη-πτητικές μνήμες memristor σε διατάξεις διασταυρωμένων αγωγών. Τα προτεινόμενα κυκλώματα στοχεύουν να πραγματοποιούν αποθήκευση και επεξεργασία πληροφοριών στον ίδιο μέσο, με στόχο τους μη συμβατικούς υπολογισμούς και την αντιμετώπιση των γνωστών προβλημάτων της τρέχουσας υπολογιστικής αρχιτεκτονικής, ειδικότερα του τοίχους μνήμης και της ενεργειακής αποδοτικότητας. Οι μνήμες τυχαίας προσπέλασης αγώγιμου νήματος (Conductive bridge random access memory CBRAM) έχουν κατασκευαστεί επιτυχώς και χρησιμοποιηθεί σε μη συμβατικά και νευρομορφικά συστήματα υπολογισμού τα τελευταία χρόνια. ́Έχουν αναπτυχθεί αρκετά μοντέλα βασισμένα στη συμπεριφορά ή στις φυσικές ιδιότητες για να εξηγήσουν τη λειτουργία των CBRAM διατάξεων και να βελτιστοποιήσουν τις παραμέτρους κατασκευής τους. Ανάμεσά τους, η αλλαγή αντίστασης του διηλεκτρικού στρώματος λόγω του σχηματισμού αγώγιμων νημάτων είναι το πιο γνωστό και πειραματικά αποδεδειγμένο μοντέλο. Όλα τα υπάρχοντα μοντέλα memristor είναι συμβιβασμοί μεταξύ ακρίβειας, ουδετερότητας και ρεαλισμού, αλλά κανένα από αυτά δεν χαρακτηρίζεται αποκλειστικά ως κβαντικομηχανικό, παρά το γεγονός ότι οι κβαντικές διεργασίες αποτελούν σημαντικό μέρος της λειτουργίας των memristor. Συνεπώς, στο πρώτο στάδιο αυτής της διδακτορικής διατριβής, έχουν χρησιμοποιηθεί κβαντικές μηχανικές μέθοδοι για να αναπτυχθεί ένα πλήρες και ακριβές μοντέλο για την στοχαστικότητα της αντίστασης κατά τη διάρκεια του κύκλου λειτουργίας των μεμριστορ. Το μοντέλο βαθμονομήθηκε με βάση τις πειραματικές διατάξεις του Ινστιτούτου Μικροηλεκτρονικής του Ερευνητικού Κέντρου Δημόκριτος. Σε συνέχεια του μικροσκοπικού μοντέλου, αναπτύχθηκε ένα μακροσκοπικό συμπαγές μοντέλο memristor που χρησιμοποιεί τα φαινόμενα της κίνησης, της διάχυσης και της θερμοδιάχυσης. Ο στόχος αυτού του μοντέλου είναι να επιτύχει μια ρεαλιστική ενσωμάτωση των μηχανισμών αλλαγής κατάστασης της διάταξης memristor, μειώνοντας τον αντίκτυπο στους υπολογιστικούς πόρους και κυρίως, να είναι συμβατό με εργαλεία σχεδίασης κυκλωμάτων. Το μοντέλο ενσωματώνει την επίδραση της θερμο-διάχυσης στην αλλαγή της κατάστασης της διάταξης, παρέχοντας μια διαφορετική αντίληψη των διεργασιών ιοντικής μεταφοράς, οι οποίες επιτρέπουν την μονοπολική αλλαγή. Το μοντέλο βαθμονομήθηκε με βάση τις πειραματικές διατάξεις του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Αξιοποιώντας το συμπαγές μοντέλο memristor, ο στόχος ήταν να σχεδιαστούν memristive κυκλώματα ικανά να πραγματοποιήσουν κβαντικούς υπολογισμούς. Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι μια καινοτόμος νέα τεχνολογία που γίνεται ολοένα και πιο πρακτική με το πέρας του χρόνου. Οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν τη δυνατότητα να επιλύουν προβλήματα μεγάλης πολυπλοκότητας και μεγέθους σε πολλούς διαφορετικούς τομείς, χρησιμοποιώντας κατάλληλους κβαντικούς αλγορίθμους. Ωστόσο, η δημιουργία ενός λειτουργικού κβαντικού υπολογιστή δεν είναι εύκολη υπόθεση, και αυτό εμποδίζει επίσης την ανάπτυξη κβαντικών αλγορίθμων. Στην παρούσα διατριβή, επιτεύχθηκε η αναπαράσταση της θεμελιώδης μονάδας κβαντικής πληροφορίας (qubits) χρησιμοποιώντας memristors. Στη συνέχεια, σχεδιάστηκε ένα κύκλωμα βασισμένο σε διατάξεις διασταυρωμένων αγωγών (crossbar), ικανό να αναπαράγει την δραση των κβαντικών πυλών στα qubits, με αποτέλεσμα την εκτέλεση κβαντικών υπολογισμών. Αυτό το κύκλωμα αναβαθμίστηκε περαιτέρω αποτελώντας ένα συστηματικό κλειστού βρόχου CBRAM crossbar για την εκτέλεση και επιτάχυνση κβαντικών αλγορίθμων. Το κύκλωμα υποστηρίζει έναν καθολικό σύνολο κβαντικών πυλών και μέσω των δυνατοτήτων επαναπρογραμματισμού και ανάδρασης του, μπορεί να υπολογίσει οποιονδήποτε κβαντικό αλγόριθμο. ́Έχοντας ολοκληρώσει τον σχεδιασμό αυτού του κυκλώματος πραγματοποιήθηκε συγκριτική ανάλυση ισχύος και ταχύτητας μεταξύ του προτεινόμενου κυκλώματος και συμβατικού υλικού όπως οι CPU, GPU και FPGA, αποδεικνύοντας την υψηλή ενεργειακή απόδοση και την αύξηση σε ταχύτητα. Επιπλέον, έχει αναπτυχθεί ένα framework που υποστηρίζει τον σχεδιασμό προσαρμοσμένων κλειστού βρόχου memristor crossbar δικτύων μέσω γραφικού περιβάλλοντος χρήστη (GUI), παρέχοντας στο χρήστη τη δυνατότητα εκτέλεσης κβαντικών αλγορίθμων και εξέτασης του προγραμματισμού και των υπολογισμών του κυκλώματος, βοηθώντας και επιταχύνοντας την υλοποίηση ενός πρωτότυπου κυκλώματος.