关键词： 忆阻神经网络   无源性   滑模同步   周期事件触发  

摘要： 忆阻器是实现人工突触功能的重要电路元件,为神经网络的硬件实现带来了可能。因此,对忆阻神经网络进行建模并分析其动力学行为,可以为电路系统的实现和搭建提供重要的理论支持,是非常重要的研究方向。无源性和同步都是复杂网络中非常重要的动力学行为,对其进行基础行为分析并设计低功耗的控制策略一直是学者们关注的热点问题。本文主要研究了时滞忆阻神经网络的无源性和无源化,以及低功耗控制策略下的双系统滑模同步问题。通过引入实际电路中出现的多比例延迟和脉冲扰动项,本文构建了更符合实际的多比例时滞脉冲忆阻神经网络,分析了系统达到无源性的条件并提出了一种基于线性控制的无源化方案。首先通过集值映射和微分包含理论解决了系统右端不连续的问题,将基于忆阻的切换系统转换为一般网络模型。其次,本文构造了新的李雅普诺夫泛函,结合不等式技巧进行推理分析,导出了使系统无源的新判据,并且有效放松了李雅普诺夫泛函中矩阵均需正定的条件,降低了结果保守性。然后,基于所得无源判据,本文设计了线性外部控制器,得到了一种有效的系统无源化控制方案。最后,通过数值模拟,本文结论的有效性得到充分验证。考虑到能耗是系统性能的重要评判指标,为降低功耗,本文设计了基于连续/周期采样算法的事件触发滑模控制器,实现了时滞忆阻神经网络的稳定同步。首先,本文给出连续采样事件触发的滑模控制器,使得系统达到稳定同步状态。其次,通过分析连续采样下的系统行为,本文给出了系统的稳定运动区域及控制器连续更新两次之间的时间间隔下界,这有效避免了芝诺现象的发生。最后基于所给出的间隔下界,本文提出了一种功耗更低的周期采样算法。通过仿真实验结果分析,连续采样和周期采样算法都可以实现同步控制,但是周期采样算法下系统控制器更新的次数更少,这有效降低了系统计算负担,更具有实际应用价值。本论文的课题研究内容丰富了忆阻神经网络无源性、滑模同步等行为分析的研究成果,为忆阻神经网络在人工智能方面的研究和应用提供了更多的理论支撑。

关键词： 相变存储器   TiN/W超晶格电极   热传输仿真模拟   磁控溅射   3ω法  

摘要： 相变存储器(Phase Change Memory,PCM)由于具有存储密度高、循环寿命长、读写速度快等优点,被认为是最具潜力的下一代计算机存储设备。但由于现阶段被用作PCM电极的诸多材料(TiN、W等)具有较高的热导率,致使PCM在工作过程中沿电极方向产生了较大的热量损失,由此而导致PCM的较大功耗问题日趋严重。针对此问题,本文首先详细分析了超晶格结构对材料热导率所产生的影响,并基于TiN、W两种PCM常用的电极材料,通过磁控溅射工艺制备出具有较低热导率的TiN/W超晶格电极,以此来解决PCM由于电极而产生的较大功耗散热问题。具体研究内容如下:首先,针对TiN、W等传统电极材料具有较高热导率的问题,本文依据超晶格结构对材料热导率的微观调控机理,在仿真软件中搭建了基于TiN/W超晶格电极PCM的热传输仿真模型。仿真结果显示,基于TiN/W的超晶格电极由于具有更低的热导率,可以有效抑制PCM沿电极方向的热量损失。较低的热量损失使得PCM执行Reset过程时的复位电压相较于传统TiN、W单层电极分别下降了10%和13%,因此PCM的操作功耗也随之降低。然后,本文基于磁控溅射工艺设计了符合实验需求的工艺制备流程与参数,完成了TiN/W超晶格电极的制备,并对其性能展开了表征与测试。首先通过研究本底真空度、溅射功率、衬底温度、基片台转速等工艺参数对TiN、W单层薄膜厚度和电阻率的影响,本文设计了TiN/W超晶格电极的工艺流程,实现了120nm和60nm两种不同厚度的超晶格电极制备。此外,本文通过SEM、四探针以及3ω法等技术手段对TiN/W超晶格电极展开了详细的表征与性能分析。SEM的截面表征结果显示,本文制备的两种TiN/W超晶格电极的总厚度分别为123.6nm和64.2nm,且分层较为明显、界面较为均匀。四探针的电阻率测试结果表明,上述两种TiN/W超晶格电极的电阻率分别为877.6μΩ·cm和770μΩ·cm。3ω法的热导率测试结果表明,上述两种TiN/W超晶格电极的热导率分别为1.682W/(m·K)和0.721W/(m·K)。相比于TiN、W单层薄膜,TiN/W超晶格电极的热导率有了数量级的降低。实验与测试结果证明本文成功实现了TiN/W超晶格电极的工艺制备,也印证了超晶格结构可以很好地降低材料的热导率。

摘要： Atmosic宣布推出ATM33系列蓝牙5.3高性能片上系统(SoC)产品,该产品系列将Atmosic已获专利的先进能量收集及超低功耗技术推进到更高的水平。为减少各种物联网产品高昂的电池更换成本,以及降低对环境的危害,Atmosic扩充旗下生态友好型SoC产品组合,研发并推出了ATM33系列产品。

关键词： 运算放大器   低功耗   通用型   电荷泵  

摘要： 运算放大器是模拟及混合信号电路系统中最重要的功能模块之一,常常用于信号的检测、放大、滤波等。对于通用型运算放大器而言,常常需要满足更全面的应用需求而更具设计挑战性。虽然片上系统在CMOS工艺技术进步的推动下快速发展,但是,大量低速的、非标准、小众的电路应用场景并不适合片上解决。如今,可移动设备越来越多,对低功耗技术提出了更高的要求。且随着电源电压的降低,为了得到最大化的动态范围,需要运算放大器能够处理轨到轨的信号。因此,设计一款低功耗、通用性强的运算放大器成为了我们的目标。本文通过研究传统运算放大器的发展背景与关键技术,分析了包括轨到轨输入/输出技术、补偿技术、低失调技术等在内的多个技术范畴,并结合自身需求,设计了一款低功耗通用型CMOS运算放大器。其输入级采用了基于低纹波电荷泵的PMOS差分对来实现轨到轨输入,相较于传统技术,电荷泵拥有更加恒定的跨导与更宽的温度应用范围。输出级则采用基于跨导线型环的AB类输出级解决了传统AB类输出级电流随电源电压变化的缺点。通过仿真,比较了密勒补偿、Cascode补偿、多路径零点补偿三种频率补偿技术,综合考虑后,选择了密勒补偿作为补偿方式。最后,本设计采用了操作简单、性能优异的修调技术来降低失调电压。本文设计的芯片基于东部HiTek 180nm工艺设计完成。最终的仿真结果表明,本文设计的低功耗通用型CMOS运算放大器在功耗仅20μA的前提下,增益能够达到124dB,带宽为214kHz,共模抑制比为109dB,电源抑制比为108dB,摆率可以达到269V/ms,建立精度为0.1%时的建立时间为8.645μs,满足了设计要求。

关键词： 深度学习神经网络   模型性能分析   分层架构   多线程  

摘要： 深度学习目标检测神经网络YOLO具有准确性高、实时性强的特点,十分适合于机器视觉应用场景。在使用YOLO算法进行目标检测的过程中,对训练的YOLO模型性能进行分析十分关键,而目前的分析工具只能提供YOLO模型本身的性能指标,不能分析YOLO模型性能和影响因素之间的关系,其功能不能完全满足实际的工程应用需求。针对此问题,本文设计并实现了一款YOLO模型性能分析软件,为分析YOLO模型性能和主要影响因素之间的关系提供了方法。本文分析了YOLO模型性能分析软件的功能需求和性能需求,设计了基于分层模式的软件架构,设计了基于插件模式和HSHA线程管理的软件整体实现方案,保障了软件可扩展性、流畅性和稳定性的性能需求。为完成软件的YOLO模型性能分析功能,需要获取模型性能指标和影响因素值。本文提出了一种标签核对方法,通过比较人工标记和YOLO预测Label文件之间的差异,获取模型的性能指标;使用基于离散余弦变换的图像模糊程度计算算法,获取图像模糊程度;设计了基于支持向量机和图像特征提取的路面场景分类算法,获取路面场景。本文根据软件需求将软件划分为多个功能模块,采用面向对象的程序设计方法完成了软件设计,并对软件功能和性能进行了测试。测试结果表明软件各项功能正常,运行稳定,可扩展性好。本软件已应用到了实际的工程项目中,较好地完成了YOLO模型性能分析任务。

关键词： 软件检测   多线程程序   数据竞争   精细化理念  

摘要： 随着CPU多核技术的发展，多线程程序得到广泛应用。但是，线程调度顺序的不确定性增大了多线程程序行为分析的难度，这使得多线程程序容易存在数据竞争、死锁等诸多并发缺陷。其中，数据竞争容易导致程序行为异常，严重时会导致程序崩溃并造成重大事故。因此，多线程程序的数据竞争检测对于保障软件系统的可靠性意义重大。　　在诸多的多线程程序数据竞争检测方法中，由于检测效率高、人工参与少、误报率低等优点，动态数据竞争检测方法得到广泛关注。然而，现有的动态数据竞争检测方法不仅存在漏报率高的不足，某些情况下仍然会存在误报。针对上述问题，本文在探究上述问题根源的基础上，对操作间因果和互斥关系进行精细划分，并引入多种新型向量时钟、线程等待元组表与nitify相关锁集、以及线程局部操作链等工具，设计了一种精细化的数据竞争在线预测方法，主要工作如下:　　(1)基于新型向量时钟的因果关系挖掘:对多线程程序操作间的因果关系进行了精细划分，给出操作间线程内因果依赖、线程间FORK/JOIN因果依赖、锁-FORK耦合因果依赖、以及WAIT-NOTIFY通信因果依赖等因果关系的准确定义，由程序运行轨迹构建线程局部时钟向量、“锁-FORK”主/被动向量时钟元组集、锁的线程等待元组表、以及nitify相关锁集，在此基础上设计了上述各类因果依赖关系的识别方法;(2)基于锁集与局部操作链的互斥关系挖掘:对多线程程序操作间的互斥关系进行了精细划分，首次将其分为持有锁集互斥、历史持有锁-持有锁耦合互斥两个种类。为识别后者，提出线程局部操作链的概念，并提出了综合运用时钟向量和线程局部操作链进行历史持有锁.持有锁耦合互斥关系识别的算法;(3)多线程程序数据竞争的在线预测:设计了共享变量读/写操作表的数据结构，给出了数据竞争在线检测的WRITE-RACE和READ-RACE检测规则，在此基础上设计了具体的数据竞争在线分析算法，它以单一运行轨迹为输入，可预测出潜在的数据竞争，相比已有方法能减少一定的误报和漏报。　　基于开源的Java多线程程序主动测试平台CalFuzzer，实现了数据竞争预测的原型系统，并结合部分多线程程序案例对所提方法进行了实验评估。结果显示，本文所提数据竞争预测方法能对各类并发原语提供更全的支持，而且漏报和误报更少。

关键词： 氮化镓   功率器件   AlGaN/GaN HEMT   氟离子   混合阳极  

摘要： 功率半导体器件是现代电力电子技术的基石,高性能、高可靠的功率器件是提高功率变换系统效率的关键所在,为新应用场景的实现、现有需求低碳降耗的改进提供支持,可以有效的提高社会经济效益,推动早日实现“碳达峰”以及“碳中和”。作为第三代半导体材料的典型代表,氮化镓材料具有临界击穿电场高、电子饱和速率大、抗辐照能力强等优势,其在微波/射频、移动通信、电力电子、光电照明等领域都有广泛应用。在电力电子领域,依托异质结结构的极化效应所带来的高载流子浓度和高迁移率优势,氮化镓功率器件受到了学术界和产业界的广泛关注,在材料外延、器件设计、工艺生产与实验表征等方面的研究都有了长足的进步,但是仍然有许多的技术难题阻碍着氮化镓器件的进一步推广。本文通过采用TCAD仿真、进行离子注入等关键工艺实验以及实际流片测试,提出并研制了一种新型Al GaN/GaN HEMT功率器件,还提出了一种双异质结增强的凹槽MIS栅混合阳极二极管器件,基于Sentaurus TCAD数值仿真软件对分析器件的工作机理并进行参数优化。具体创新点如下:1.提出并研制具有多区氟离子注入终端的增强型高压AlGaN/GaN HEMT器件,氟离子注入区分为栅区和终端区,在局部减薄的介质钝化层上通过一次氟离子注入同时实现栅极增强型和漂移区的多区氟离子注入终端。钝化层同时充当离子注入的保护层,有效提高界面质量,降低界面陷阱浓度;多区氟离子注入终端调制漂移区表面电场分布,优化导通电阻与耐压的折中关系。流片测试结果表明,相比于传统单窗口氟离子注入终端,多区氟离子注入终端的功率品质因数提高了63%,达到696MW/cm。2.提出具有极化超结结构的凹槽MIS型混合阳极二极管器件,通过p-GaN/AlGaN/GaN双异质结形成2DHG与2DEG,在耐压状态下实现电荷平衡,优化漂移区电场分布,提高耐压。凹槽MIS混合阳极结构代替传统肖特基接触,降低二极管的开启电压。仿真结果表明,新结构二极管的开启电压低至0.4V,输出电流提高104%,漂移区的平均电场强度达到1.86MV/cm。

关键词： 低功耗   One-Wire   寄生供电   系统级芯片   结构性测试  

摘要： 在物联网、智能家居、便携式设备等领域中关于芯片低功耗问题的解决方案是所有技术开发人员不断追求的目标。因此,本文提出一种应用于系统级芯片(System on Chip,So C)的新型外围串行传输总线方案,以实现降低通信功耗、提高通信速率、节约接口资源并减少芯片面积的设计目标。One-Wire总线是一种外围串行扩展总线技术,仅用单一信号线就可以实现既传输时钟又传输数据且支持半双工的通信功能,该总线传输协议的特性可使处于从模式下的设备实现寄生供电功能。本文将该总线技术应用于超低功耗So C芯片中,并对其接口功能做出进一步的优化和完善,使得最终的接口控制器具有更高的兼容性、更低的通信功耗并大幅度提高了接口的通信性能。本文着重论述超低功耗So C中One-Wire总线接口控制器的实现过程。首先,介绍了实现低功耗设计的重要性并对比了目前国内外可实现寄生供电功能的总线技术。其次,介绍One-Wire总线寄生供电的特点并对电源和数据采用同一电缆进行通信的几种方式的优缺点进行了具体的分析并详尽剖析了One-Wire协议的规范。接着,说明了运用Verilog HDL完成该接口控制器的RTL级设计的实现方案。随后,阐明了对设计模块的各个功能进行RTL级验证、Post＿Layout级验证、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)验证以及成测的过程。本设计基于HW＿Embedded NORD Flash Low Power工艺实现,芯片面积约为1000μm×1000μm,最终的验证和测试结果表明,本文所设计的One-Wire总线接口控制器能够实现预期的各项功能。本文的贡献点如下:为提高One-Wire总线接口控制器功能的兼容性及可移植性,使芯片的应用环境更加灵活,本文的设计增加了主模式功能的硬件逻辑电路,相比于以往仅依靠软件实现主模式功能的方式,该功能的实现可以更加便捷高效地控制电路并降低了主设备的动态功耗;考虑到实现可测试性设计对芯片进行结构性测试,为避免扫描链数据在串行移位时触发One-Wire接口PAD中上下拉信号及上下拉使能信号而导致芯片在结构性测试过程中出现由过渡延迟时间引起的亚稳态,影响结构性测试结果的准确性,在设计中采用了测试模式屏蔽技术设计方案,阻碍了结构性测试对PAD内部信号的干扰,提高了芯片测试的准确性。为降低One-Wire总线接口控制器及该So C的动态功耗,在接口设计中增加了自检测通信状态功能,若在开启接口通信功能后的一段时间内无通信,接口控制器及芯片将自动进入低功耗休眠模式,并可通过该接口IO自动唤醒低功耗状态,该设计可实现灵活控制芯片工作状态,使芯片的功耗得以进一步的降低;与此同时,为降低So C的动态功耗,并提高One-Wire总线接口控制器对数据的搬运能力以及接口功能的兼容性,本文所设计的One-Wire总线接口控制器增加了对专用RAM的访问接口,在对算法模块的数据进行搬运时,避免了持续访问CPU,在降低CPU工作频率的同时提高了数据传输的灵活性,经成品测试表明,若开启该功能可将芯片总功耗降低20%左右。

关键词： 相变存储器   超晶格   界面效应   低功耗   阻值漂移  

摘要： 相变存储器(PCM)凭借高速、低功耗、高密度、非易失性及与CMOS工艺兼容等优势,被视作最具有发展潜力的新型非易失性存储器之一。近年来,随着3D XPoint技术的出现,PCM的研究取得了巨大突破,相关产品也应用于手机、硬盘、内存等进入市场。然而,PCM的发展严重受限与相变材料,基于常用Ge-Sb-Te体系的相变存储技术由于涉及复杂的制备工艺、多次循环操作材料组分出现严重偏析、纳米尺度下难以获得均一性的元素分布等问题导致器件的可靠性和寿命受到严重影响。本论文提出一种通过界面效应调控相变材料性能的方法,拓展相变材料的研究方式,并基于该材料制备了相应器件进行电学性能测试,验证其应用于PCM中的可行性。论文取得的研究成果如下:1.面外高度(0 0 l)织构取向薄膜的制备。通过磁控溅射制备了具有面外高度(0 0 l)织构取向的Mo/SbTe(MST)超晶格相变薄膜。研究沉积过程中温度、溅射气压、沉积次序等沉积参数对薄膜材料晶体结构取向的影响。2.界面效应调控材料性能。通过向SbTe中间隔的插入原子级厚度的过渡金属Mo层探究界面效应对相变材料性能的影响。利用X射线光电子能谱(XPS)分析得到:MST薄膜材料中Mo与Te结合形成Mo-Te键,在异质结界面处形成单原子Te层,有助于SbTe晶体的层状生长,获得高质量的MST薄膜。同时,Mo层的存在在很大程度上限制了SbTe晶粒的纵向生长,起到了细化晶粒的作用,避免了由于晶粒相变前后体积变化大引起器件失效问题。3.相变存储器件的制备及电学性能。介绍了基于MST超晶格相变薄膜的PCM器件的单元结构及制备工艺流程,测试了它的电学性能,得到具有快速阈值转变速度、低功耗、高密度和疲劳特性超过5×10次的PCM器件。通过分析脉冲操作后的器件单元的微观形态揭示其相变机理。针对器件的稳定性进行了电阻漂移测试,发现基于MST材料的PCM器件具有低电阻漂移系数及各中间态都可稳定存在,有望在多级存储方面得到应用。

关键词： 射频开关   SOI CMOS   倍压电路   低功耗  

摘要： 历经146年,从有线通信到无线通信,无线通信历经1G到5G,人类的通讯方式发生了极大改变。如今,人们衣食住行都可通过手机购买或预定。在新冠疫情下,行程卡真实反映个人行踪,健康码实时更新个人感染状态,这些都离不开基站和手机,射频前端电路是基站和手机收发信息的关键。射频开关是射频前端的重要组成部分。射频开关在频段选择、多天线技术的路径选择、手机及其他便携电子设备的多功能选择等多种应用中都扮演着关键角色。射频开关控制器是射频开关的控制模块,其根据给定的控制信号向射频开关功率管提供合适的直流偏置电压来控制射频开关的工作模式。一个性能良好的射频开关控制器能在保持低功耗的同时,提供给射频开关稳定的偏置,并保持快的建立和切换时间。高性能的射频开关控制器的研究与设计是十分必要的。本文首先介绍了射频开关的常见架构及直流偏置方式,进而介绍了控制器所需要实现的功能及组成架构。紧接着以体硅CMOS工艺为对比,阐述SOI CMOS工艺在射频开关及射频开关控制器设计上的优势。然后,基于0.18μm SOI CMOS工艺,设计了一款DPDT射频开关控制器,该设计集成了带隙电压基准电路、低压差线性稳压器、负压产生器、三值逻辑驱动电路等。电源电压为2.8V,负压建立6.12μs,转换速率为4μs,开关稳态操作时功耗为44.4μA。版图设计面积为0.75×0.35 mm。对芯片进行实测,负压建立时间为6.5μs,开关稳态操作时静态功耗为55.9μA。最后,基于0.18μm SOI CMOS工艺,本文还设计了一款SPDT射频开关控制器,该设计电源电压仅为1.8V,由于其为低电源电压,为了得到较快的建立及转换速度和较低的功耗,本文提出了一种新型可跳频倍压电路。传统的电荷泵电路使用恒定频率的时钟供给电荷泵,快的建立时间和恢复时间需要高的时钟频率,而高时钟频率又会带来大电流,导致高的功耗损失。而所提出的新型可跳频倍压电路仅在建立以及开关转换时有着较高的时钟频率以加快建立或恢复,而在一段时间后该时钟频率会下降以减少功耗。最终设计的SPDT开关控制器正压输出建立时间为3.795μs,控制信号转换时恢复时间为1.396μs;负压输出建立时间为5.293μs,控制信号转换时恢复时间为2.257μs,开关稳态工作时直流功耗16.81μA。在保持几乎相等的转换速率的情况下,该设计比传统倍压电路节省了28.6%的功耗,在开关进入稳态操作后,电流功耗降低36.7%。