Описывается реализация энергонезависимого асинхронного регистра, который использует наноразмерные мемристоры в качестве элемента памяти при отключении питания (намеренном или случайном). Показана возможность тесной интеграции мемристоров с КМОП-схемами, отличающейся от традиционного подхода использования энергонезависимой памяти в виде отдельного относительно крупного, медленного и «монолитного» блока на нижнем уровне проектной иерархии. Моделирование и анализ подтвердили успешную работу схемы хранения состояния регистра и его восстановления. Полученные результаты показывают, что интеграция цифровых асинхронных логических устройств и мемристоров может открыть путь для разработки и применения энергонезависимых вычислительных приложений на малых аппаратных платформах, которые работают от нестабильных или часто отключаемых источников энергии. Предложенный в данной статье подход объединения достоинств асинхронных схем и мемристоров позволит создавать низкопотребляющие приложения для различных мобильных, носимых или просто эксплуатирующихся в жестких полевых условиях электронных устройств. А также сохранять и обрабатывать ценные данные, получаемые, например, массивом сенсорных элементов, питающихся от альтернативного источника энергии с нестабильными периодами генерации – солнечной панели или ветроустановки.
The paper describes the implementation of an asynchronous nonvolatile register that uses nanoscale memristors as storage elements when power is turned off (either intentionally or accidentally). This suggests the possibility of integration with CMOS circuits and memristors. This differs from the traditional approach of using non-volatile memory as a single separate large, slow and «monolithic» block on the lower level of design hierarchy. Modeling and analysis confirmed the successful operation of the register circuit – state was storaged and restored from it. These results indicate that the integration of asynchronous digital logic devices and the memristors could open the way for the development and application of non-volatile computing applications for small hardware platforms that operate on unstable or accidentally disconnected sources of energy. The proposed approach combining the advantages of asynchronous circuits and memristors will create low-power applications for various mobile, portable or simply operating electronic devices in harsh environment. And also to maintain and process valuable information obtained, for example, an array of sensor elements, fed from an alternative source of energy from unstable periods of generation – solar panels or wind turbines.
1. Ковалев А.В. Метод проектирования быстродействующих асинхронных цифровых устройств с малым энергопотреблением // Известия вузов. Электроника. – 2009. – № 1. – с. 48–53.
2. Ковалев А.В. Технологии энергосбережения в микроэлектронных устройствах: монография. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. – 100 с.
3. Brej C., Garside J.D. A Quasi-Delay-Insensitive Method to Overcome Transistor Variation // In Proceedings of the 18th International Conference on VLSI Design held jointly with 4th International Conference on Embedded Systems Design (VLSID ‘05). IEEE Computer Society, Washington, DC, USA, 2005. - P. 368–373.
4. Gibbons J F and BeadleW E 1964 Switching properties of thin NiO films Solid-State Electron. 7 785–90.
5. Muller D.E. and Bartky W.S. A Theory of Asynchronous Circuits // Proceedings of an Interantional Symposium on the Theory of Switching, Cambridge, MA: Harvard Univer. – Press, 1959. – Р. 204–243.
6. Ovshinsky S R 1968 Reversible electrical switching phenomena in disordered structures Phys. Rev. Lett. 21 1450–3.
7. Principles of asynchronous circuit design – A systems perspective / J. Sparsø and S. Furber (eds). Kluwer Academic Publishers, 2001 (ISBN 0-7923-7613-7).
8. Robinett W., Pickett M., Borghetti J., Xia Q.F., Snider G.S., Medeiros-Ribeiro G. and Williams R.S.A memristor-based nonvolatile latch circuit // Nanotechnology – NANOTECHNOL. – 2010. – vol. 21, no. 23. – 235203.
9. Snider G S and Williams R S 2007 Nano/CMOS architectures using a field-programmable nanowire interconnect Nanotechnology 18 035204.
10. Strukov D.B., Snider G.S., Stewart D.R. and Williams R.S. 2008 The missing memristor found Nature 453 80–3.
11. Strukov D.B. and Likharev K.K. 2005 CMOL FPGA: a reconfigurable architecture for hybrid digital circuits with two-terminal nanodevices Nanotechnology 16 888–900.
12. Strukov Dmitri B., Borghetti Julien L., Yang J. Joshua, Snider Gregory S., Stewart Duncan R., Williams R. Stanley Switching dynamics in titanium dioxide memristive devices // Journal of Applied Physics; Oct 2009, Vol. 106 Issue 7, pp. 074508 – 074508-6.
13. Waser R., Dittmann R., Staikov G. and Szot K. 2009 Redox-based resistive switching memories–nanoionic mechanisms, prospects, and challenges Adv. Mater. 21 2632–63.
14. Wuttig M and Yamada N 2007 Phase-change materials for rewriteable data storage Nat. Mater. 6 824–32.
15. Xia Q et al 2009 Memristor/CMOS hybrid integrated circuits for reconfigurable logic Nano Lett. 9 3640–5.