Crossbar阵列的电路结构及其基本原理

忆阻器Crossbar阵列是一种先进的神经网络硬件实现技术，它利用忆阻器的物理特性来模拟神经网络中的突触连接，为人工智能和机器学习应用提供了一种高效、低能耗的计算平台。本文将深入探讨忆阻器Crossbar阵列的基本原理及其在Read（读取）和Update（更新）阶段的工作机制。

Crossbar阵列的三种导线WL/BL/SL

忆阻器Crossbar阵列是由交叉的金属线（Bit Lines, BL和Word Lines, WL）以及位于交叉点的忆阻器构成的矩阵结构。这种结构中还包含了Source Lines（SL），用于传输通过忆阻器的电流。BL、WL和SL共同协作，使得Crossbar阵列能够执行复杂的计算任务。

BL (Bit Lines)

BL通常用于传输输入信号或读取操作中的电流信号。在神经网络的模拟中，BL可以视为输入神经元，负责提供输入向量。

WL (Word Lines)

WL在写入（Update）阶段用于施加更新电压，控制忆阻器的电导值，即模拟突触权重的调整。WL在读取过程中也起到激活特定忆阻器行的作用。

SL （Source Lines）

通常作为源极线使用，为忆阻器提供参考电压或用于在编程和写入操作中建立电流路径。

前向传播阶段（Read阶段）

在Read阶段，忆阻器Crossbar阵列通过BL和SL实现输入信号的前向传播。具体步骤如下：

1.输入信号施加

输入电压$V_j$通过BLj施加到crossbar的一侧（列信号），即忆阻器的一端。

2.计算电流

令此时WLj的电压为零，SLj的电压恒定为零，则从BLi到SLj的电压降刚好等于$V_j$。设第i行第j列的忆阻器的电导为$G_{i,j}$，则传输到SLj的电流为$I_j=V$