[論文レビュー] SPICE model of memristive devices with threshold

Yuriy V. Pershin, Massimiliano Di Ventra|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2012

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 22被引用数 108

ひとこと要約

本稿では、NGSPICEおよびPSPICEにおける行動素子を用いて、電圧しきい値を持つメモリスタデバイスのSPICE互換モデルを提示する。このモデルにより、しきい値ダイナミクスの正確なシミュレーションが可能となり、ソフトおよびハードしきい値動作を捉えることができる。主な結果として、周波数依存のピンチドヒステリシスループと、ハードしきい値の場合にのみ |V| > Vt のときのみメモリスタンスのスイッチングが発生することが示された。

ABSTRACT

Although memristive devices with threshold voltages are the norm rather than the exception in experimentally realizable systems, their SPICE programming is not yet common. Here, we show how to implement such systems in the SPICE environment. Specifically, we present SPICE models of a popular voltage-controlled memristive system specified by five different parameters for PSPICE and NGSPICE circuit simulators. We expect this implementation to find widespread use in circuits design and testing.

研究の動機と目的

• 実験的に関連性のある電圧しきい値付きメモリスタデバイスのSPICE互換モデルの不足に対処する。
• 回路設計者および研究者が使用可能な実用的で再利用可能なSPICE実装を提供する。
• 非揮発性メモリおよび論理応用分野において重要な、しきい値誘発抵抗スイッチングの正確なシミュレーションを可能にする。
• ニューラルネットワークや論理ゲートを含む複雑な回路へのメモリスタデバイスの統合を促進する。
• 類似したしきい値ベースのアプローチを用いて、将来のメモキャパシタティブおよびメモインダクティブ系のモデリングを支援する。

提案手法

• メモリスタンス状態変数 X を表すために、行動抵抗素子、電流源、コンデンサを用いたサブサーキットモデルを開発する。
• SPICEの関数的表現を用いて、しきい値関数 f(V_M) を区分的線形近似で実装する。
• ステップ関数（θ）を用いて、メモリスタンス X が R_on と R_off の間に制限され、物理的境界が尊重されることを保証する。
• X の変化率を f(V_M) = βV_M + 0.5(α−β)(|V_M + V_t| − |V_M − V_t|) を用いてモデル化し、ソフトまたはハードしきい値動作を可能にする。
• PSPICE版では、正負の極性における分離された電圧しきい値（Vtp と Vtm）を用いて、より現実的な再現性を向上させる。
• ネイティブな行動モデル構文および関数定義を用いて、NGSPICEおよびPSPICEにモデルを統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにしてSPICEにおいて、回路シミュレーション用に電圧しきい値付きメモリスタデバイスを正確にモデル化できるか？
• RQ2 交流励起下におけるソフトしきい値とハードしきい値のメモリスタ系のダイナミクス的挙動にどのような差が生じるか？
• RQ3 周波数およびしきい値電圧が、メモリスタデバイスにおけるピンチドヒステリシスループの形状とサイズにどのように影響するか？
• RQ4 複数の内部状態変数を持つより複雑なメモリスタ系をシミュレートするために、このモデルを一般化できるか？
• RQ5 しきい値ダイナミクスを含めることで、ウィンドウ関数ベースのアプローチと比較して、SPICEモデルの物理的忠実度がどのように向上するか？

主な発見

• SPICEモデルは、メモリスタデバイスの特徴的なピンチドヒステリシスループを正確に再現しており、ハードしきい値系では周波数が低くなるほどループサイズが大きくなることが確認された。
• ハードしきい値デバイス（α = 0）では、|V| > V_t = 4.6 V のときのみメモリスタンスが変化し、図1(b)のインセットがその通り、しきい値未満ではスイッチングが発生しないことを裏付けた。
• ソフトしきい値系（α = 0.1β）では、電圧の極性が反転すると直ちにメモリスタンスが変化し、ハードしきい値系と比較して抵抗遷移が早期に発生した。
• NGSPICE版のモデルはNGSPICEのディストリビューションに統合され、その堅牢性と利用可能性が検証された。
• モデルは、しきい値ダイナミクスが非揮発性メモリ動作の捉えや、メモリスタ回路における論理演算の実現に不可欠であることを示した。
• シミュレーションにより、5 V AC信号（ν = 0.05 GHz）印加下で、R_M が R_on = 1 kΩ と R_off = 10 kΩ の間をスイッチングし、R_M(t=0) = 5 kΩ であることが確認された。