Design and physical implementation of memristive logic and computation units

Abstract

In-Memory Computation (IMC) is an emerging computing paradigm that leverages the inherent parallelism of memory devices to perform computation tasks. Memristors, a type of memory device with the unique property of storing information by altering their resistance, have been identified as a potential key component for IMC. This study delves into the realm of memristive computing, focusing on the design and physical implementation of memristive logic and computation units. The primary objectives encompassed a comprehensive investigation into memristor behavior, beginning with meticulous measurements to gain deep insights into their operational characteristics. Following the characterization phase, the study proceeded to design and simulate memristive logic gates, capitalizing on the knowledge extracted from the initial measurements. These logic gates were not confined to theoretical constructs but were subsequently realized in physical form, marking a crucial bridge between theory and practice. Expanding on this foundation, the study ventured into the domain of digital arithmetic by designing and simulating both half adder and full adder circuits using the memristive logic gates developed earlier. Notably, these designs culminated in real-world implementations, offering practical insights into the application of memristive computing in digital circuits. The core of this endeavor involved the meticulous collection and in-depth analysis of results derived from these implementations. This data-driven approach facilitated the assessment of efficiency, accuracy, and the adaptability of the memristive logic and computation units. In summary, this work represents a comprehensive exploration of memristive computing, from the fundamental behavior of memristors to the physical realization of logic gates and their application in arithmetic circuits. These findings pave the way for future advancements in memory systems and computational architectures, unlocking the transformative potential of memristor technology in modern computing.

In-Memory Computation (IMC) ist ein aufstrebendes Computerparadigma, das die inhärente Parallelität von Speichergeräten nutzt, um Berechnungsaufgaben durchzuführen. Memristoren, eine Art von Speichergerät mit der einzigartigen Eigenschaft, Informationen zu speichern, indem sie ihren Widerstand ändern, wurden als potenziell entscheidende Komponente für IMC identifiziert. Diese Studie taucht in die Welt des memristiven Rechnens ein und konzentriert sich auf die Gestaltung und physische Umsetzung von memristiven Logik- und Recheneinheiten. Die Hauptziele umfassten eine umfassende Untersuchung des Memristorverhaltens, beginnend mit sorgfältigen Messungen, um tiefe Einblicke in ihre Betriebseigenschaften zu gewinnen. Nach der Charakterisierungsphase ging die Studie zur Gestaltung und Simulation von memristiven Logikgattern über, wobei das Wissen aus den anfänglichen Messungen genutzt wurde. Diese Logikgatter waren nicht auf theoretische Konstrukte beschränkt, sondern wurden anschließend in physischer Form realisiert, was eine entscheidende Brücke zwischen Theorie und Praxis darstellte. Aufbauend auf diesem Fundament wagte sich die Studie in den Bereich der digitalen Arithmetik vor, indem sie sowohl Halbaddierer als auch Volladdierer-Schaltungen mit den zuvor entwickelten memristiven Logikgattern gestaltete und simulierte. Diese Designs mündeten in realen Implementierungen, die praktische Einblicke in die Anwendung von memristivem Rechnen in digitalen Schaltungen ermöglichten. Der Kern dieses Vorhabens beinhaltete die sorgfältige Sammlung und eingehende Analyse von Ergebnissen, die aus diesen Implementierungen abgeleitet wurden. Dieser datengetriebene Ansatz erleichterte die Bewertung von Effizienz, Genauigkeit und Anpassungsfähigkeit der memristiven Logik- und Recheneinheiten. Zusammenfassend stellt diese Arbeit eine umfassende Erkundung des memristiven Rechnens dar, von dem grundlegenden Verhalten von Memristoren bis zur physischen Umsetzung von Logikgattern und ihrer Anwendung in arithmetischen Schaltungen. Diese Erkenntnisse ebnen den Weg für zukünftige Fortschritte in Speichersystemen und Rechenarchitekturen und erschließen das transformative Potenzial der Memristor-Technologie im modernen Computing.