Record #896638

DFG project G:(GEPRIS)441906609

Domino Processing Unit: Auf dem Weg zum hocheffizienten In-Memory-Rechenwerk (MemDPU)

Coordinator	Nan Du, Ph.D. ; Dr.-Ing. Stephan Menzel
Grant period	2020 - 2024
Funding body	Deutsche Forschungsgemeinschaft
	DFG
Identifier	G:(GEPRIS)441906609

⇧ SPP 2262: Memristive Bauelemente für intelligente technische Systeme ⇧

Note: In der Ära des Internet der Dinge und großer Datenmengen, ergeben sich neue Herausforderungen für Rechnerarchitekturen der neuen Generation. Diese müssen eine kosteneffiziente Echtzeitanalyse sehr großer Datenmengen gewährleisten. Nichtflüchtige memristive Bauelemente (Memristoren) zeigen ein hohes Potential für den Einsatz in In-Memory Rechnerarchitekturen bzw. neuronalen Netzen. In dem Projekt MemDPU soll ein neuartiges Rechenwerk, die Domino Processing Unit (DPU), entwickelt werden, die auf Basis von memristiven Bauelementen eine In-Memory Rechnerarchitektur für das Prozessieren großer Datenmengen realisiert. Dazu werden eine Reihe von In-Memory Logikkonzepten für analog und abrupt schaltende memristive Bauelemente realisiert und miteinander verglichen. Darauf basierend soll schlussendlich eine DPU basiertes Rechenkonzept entwickelt werden. Die Realisierung wird auf Basis von Experimente als auch mit Hilfe von Simulation umgesetzt. Grundsätzlich lassen sich vier verschiedene memristive Logikansätze auf Basis der physikalischen Ein- und Ausgangsgröße (Input und Output) eines Logikgatters unterscheiden. Die physikalischen Ein-und Ausgangsgrößen sind Widerstand des Memristors (Memristance) und Spannung (Voltage): Dadurch ergeben sich die vier memristiven Logikansätze MIMO, MIVO; VIMO und VIVO. Verschiedene binäre Logikfamilien auf Basis dieser generellen Ansätze sollen sowohl für analoge als auch abrupte memristive Bauelemente untersucht und verglichen. Zusätzlich sollen neuartige ternäre Logikkonzepte erforscht werden, die durch die Multilevel-Eigenschaft der verwendeten memristiven Bauelemente ermöglicht werden. Basierend auf der Studie der verschiedenen Logikfamilien, wird in einem nächsten Schritt ein DPU Rechenwerk entwickelt, bei dem MIMO Ansätze die Ein- und Ausgangsgatter jeder Anwendung darstellen. Die eigentlich Anwendungsoperation wird mit Hilfe von VIVO Ansätzen realisiert, während MIVO/VIMO Ansätze die MIMO und VIVO Ansätze verknüpfen. Zur Realisierung eines allgemeinen, hocheffizienten DPU Rechenwerks, wird ein allgemeines Synthesewerkzeug design. Dieses Werkzeug erzeugt eine optimierte Spannungsfolge, die an die memristive Speichermatrix angelegt wird, um die geforderte Operation durchzuführen. Das finale Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Demonstrators des DPU Rechenwerks für arithmetische Berechnungen. In Hardware wird ein 4-Bit Demonstrator avisiert, während die Skalierung dieses Konzeptes auf n-Bit auf Basis von Simulationen erfolgen soll. Die Ziele des MemDPU Projektes erfordern die Zusammenarbeit von Theorie und Experiment. Nan Du hat eine große Erfahrung auf dem Gebiet der Herstellung und Charakterisierung von memristiven Bauelementen und Systemen. Auf der anderen Seite bringt Stephan Menzel vielfältige Vorarbeiten auf dem Bereich der Modellierung und Simulation memristiver Bauelemente und System mit. Dieses komplementäre Wissen adressiert alle relevanten Aspekte um das vorgeschlagenen Projekt umzusetzen.

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Journal Article Liu, F.FZJ* ; Brackmann, L.FZJ* ; Zhao, X. ; Du, N. ; Waser, R.FZJ* ; Menzel, S. (Corresponding author)FZJ*
Memristive Ternary Łukasiewicz Logic based on Reading-based Ratioed Resistive States (3R)
Philosophical transactions of the Royal Society / A 383(2288), (2025) [10.1098/rsta.2023.0397]2025 OpenAccess Files BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

Conference Presentation (Invited) Menzel, S.FZJ*
Filamentary Valence Change Memories: The Role of Joule Heating
2024IEEE CASS Seasonal School on “Intelligence in Chips: Memristive Sensing & Bioinspired Computing Systems, virtualvirtual, virtual, 16 Oct 2024 - 19 Oct 20242024-10-162024-10-19 BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

Conference Presentation (Invited) Menzel, S.FZJ*
Switching Dynamics and Variability of ReRAM Devices
20243rd MemrisTec Summer School, GroningenGroningen, Netherlands, 22 Sep 2024 - 29 Sep 20242024-09-222024-09-29 BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

Poster (Other) Liu, F.FZJ* ; Zhao, X. ; Brackmann, L.FZJ* ; Du, N. ; Menzel, S.FZJ*
Ternary Łukasiewicz Logic for Computing in Memory with Resistive Random Access Memory (RRAM)
2024International Conference on Neuromorphic Computing and Engineering, AachenAachen, Germany, 3 Jun 2024 - 6 Jun 20242024-06-032024-06-06 BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

Journal Article Zhao, X. ; Ruchti, J. ; Frisch, C. ; Li, K. ; Chen, Z. ; Menzel, S.FZJ* ; Waser, R.FZJ* ; Schmidt, H. ; Polian, I. ; Pehl, M. ; Du, N.
Understanding Stochastic Behavior of Self- Rectifying Memristors for Error-Corrected Physical Unclonable Functions
IEEE transactions on nanotechnology 23, 490 - 499 (2024) [10.1109/TNANO.2024.3413888]2024 Files BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

Talk (non-conference) (Invited) Menzel, S.FZJ*
Device and Circuit Perspective on Memristive Devices
2024Memristor Stammtisch, onlineonline, online, 27 Mar 20242024-03-27 BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

Contribution to a conference proceedings/Contribution to a book Liu, F. ; Zhao, X. ; Chen, Z. ; Bengel, C. ; Du, N. ; Menzel, S.FZJ*
Realization of Reading-based Ternary Łukasiewicz Logic using Memristive Devices
20242024 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS) : [Proceedings] - IEEE, 2024. - ISBN 979-8-3503-3099-1 - doi:10.1109/ISCAS58744.2024.10558534
2024 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), SingaporeSingapore, Singapore, 19 May 2024 - 22 May 20242024-05-192024-05-22 IEEE 1 pp. (2024) [10.1109/ISCAS58744.2024.10558534]2024 Files BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

Journal Article Zhao, X. ; Li, K. ; Chen, Z. ; Dellith, A. ; Dellith, J. ; Hübner, U. ; Bengel, C. ; Liu, F. ; Menzel, S.FZJ* ; Schmidt, H. ; Du, L. (Corresponding author)
Optimization of self-rectifying analog memristors by insertion of an interfacial layer
Applied physics letters 125(8), 083509 (2024) [10.1063/5.0213396]2024 Files BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

Conference Presentation (Other) Chen, Z. ; Zhao, X. ; Bengel, C. ; Liu, F.FZJ* ; Li, K. ; Schmidt, H. ; Menzel, S.FZJ* ; Du, N.
Exploiting sneak path effect for assessing functional behaviors in self-rectifying passive crossbar arrays
2023MemriSys 2023, TorinoTorino, Italy, 5 Nov 2023 - 9 Nov 20232023-11-052023-11-09 BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

Contribution to a conference proceedings Liu, F. ; Zhao, X. ; Chen, Z. ; Du, N. ; Bengel, C.FZJ* ; Menzel, S.FZJ*
Realization of Ternary Łukasiewicz Logic using BiFeO 3 -based Memristive Devices
20232023 30th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS), IstanbulIstanbul, Turkiye, 4 Dec 2023 - 7 Dec 20232023-12-042023-12-07 IEEE 1 pp. (2023) [10.1109/ICECS58634.2023.10382938]2023 Files BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

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