VINIF.2023.DA130 – Nghiên cứu vật liệu chuyển đổi điện trở, thiết kế và chế tạo chip trở nhớ ứng dụng trong mạng thần kinh nhân tạo

project manager image
Chủ nhiệm dự án
PGS.TS. Phạm Kim Ngọc
Tổ chức chủ trì
Trường đại học Khoa học tự nhiên - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh

Dự án đăng ký thực hiện với mục tiêu chế tạo thành công các bộ nhớ lưu trữ dữ liệu thông qua các trạng thái khác nhau của giá trị điện trở, được biết đến là bộ nhớ điện trở. Tính năng nổi bật của bộ nhớ này là khả năng biến đổi trạng thái lưu trữ nhanh chóng theo tín hiệu điện thế nhận vào. Đây là đặc điểm quan trọng khiến cho nó có thể mô phỏng được hành vi hoạt động của khớp thần kinh sinh học. Trên cơ sở này, nhóm sẽ xây dựng mạng thần kinh nhân tạo với bộ nhớ điện trở là nơi kết nối các tế bào neurons và lưu trữ thông tin giao tiếp của chúng. Tạo nên mạng thần kinh nhân tạo có khả năng lưu trữ thông tin phân tán thay vì phải truyền tải ra bộ nhớ ngoài DRAM, Flash.
Với mục tiêu nghiên cứu cơ bản định hướng ứng dụng, nhóm triển khai nghiên cứu với ba mục tiêu cụ thể:
        • Phát triển thành công các hệ vật liệu ứng dụng vào bộ nhớ điện trở, kết hợp với tính toán lý thuyết để đánh giá cơ chế và kiểm soát hoạt động của linh kiện một cách hiệu quả.
        • Chế tạo được cấu trúc chip trở nhớ với mật độ tích hợp từ 16 đến 4096 ô nhớ và chế tạo được mạch chip điện tử với chip trở nhớ đóng vai trò là khớp thần kinh nhân tạo.
        • Xây dựng thuật toán và triển khai được ứng dụng vào nhận diện hình ảnh, chữ viết, khuôn mặt… dựa trên kiến trúc tính toán trong bộ nhớ của linh kiện trở nhớ đã chế tạo.

project manager image
Chủ nhiệm dự án
PGS.TS. Phạm Kim Ngọc
Tổ chức chủ trì
Trường đại học Khoa học tự nhiên - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh

Tags

Tiến độ dự kiến
01/11/2023
31/10/2024
Giai đoạn 1

– Chế tạo cấu trúc trở nhớ sử dụng vật liệu ôxit kim loại và khảo sát các thông số chế tạo khác nhau
– Khảo sát cấu trúc, thành phần, hình thái học bề mặt và tính chất đảo điện trở của vật liệu sử dụng phương pháp thực nghiệm và tính toán lý thuyết
– Thu thập bộ dữ liệu phân loại hình ảnh đen trắng (ví dụ MNIST). Tiền xử lý về độ các độ phân giải phù hợp với chip trở nhớ (giai đoạn 3), tiền xử lý về cường độ điểm ảnh phù hợp với trở nhớ (giai đoạn 1)
– Thiết kế mạng nơron trí tuệ nhân tạo với giá trị trọng số nằm trong phạm vi giá trị điện trở của trở nhớ chế tạo trong Nội dung 1, có cấu trúc tương (số lượng nơron) tương thích với kết quả của Nội dung 3 (mạng trở nhớ)
– Xây dựng mô hình toán học của các trở nhớ dựa trên thuộc tính thực nghiệm
– Viết bản thảo và gửi đăng tạp chí quốc tế, viết thuyết minh và gửi bảo hộ sáng chế trong nước

31/10/2025
Giai đoạn 2

– Chế tạo cấu trúc trở nhớ sử dụng vật liệu ôxit kim loại và khảo sát các thông số chế tạo khác nhau (tiếp theo năm 1)
– Khảo sát cấu trúc, thành phần, hình thái học bề mặt và tính chất đảo điện trở của vật liệu sử dụng phương pháp thực nghiệm và tính toán lý thuyết
(tiếp theo năm 1)
– Thực hiện mô phỏng kết quả mạng nơron trí tuệ nhân tạo và đánh giá độ chính xác dự báo trên máy tính. Ước lượng sai số dự báo trong trường hợp trở nhớ có sai số và một tỷ lệ trở nhớ trong mạng trở nhớ không hoạt động.
– Thiết kế và chế tạo bo mạch điều khiển tích hợp các mođun chuyển đổi tương tự-số (ADC), số-tương tự (DAC), khuếch đại (Amplifiers), vi điều khiển kết nối nối với máy tính qua cổng USB. Bo mạch được lập trình để thực hiện đầy đủ quá trình tính toán mạng nơron trên chip trở nhớ.
– Thiết kế và mô phỏng chip trở nhớ ở quy mô lớn
– Viết bản thảo và gửi đăng tạp chí Q1

31/10/2026
Giai đoạn 3

– Khảo sát, đánh giá và tối ưu hoạt động của linh kiện ứng dụng trong khớp thần kinh nhân tạo
– Triển khai kết nối mạng trở nhớ với mạch điều khiển PCB. Viết firmware điều khiển quá trình tính toán truyền xuôi và học truyền ngược qua mạng trở nhớ.
– Tối ưu cấu trúc mạng nơron, các quá trình dự báo và huấn luyện để có được tỷ lệ tính toán trên năng lượng tiêu thụ cao nhất.
– Xây dựng, huấn luyện mạng nơron ANN kết nối đầy đủ với cấu trúc phù hợp chip trở nhớ, hoạt động được với bộ dữ liệu thu được từ nội dung I.3.
Mỗi mạng nơron có các trá trị trọng số phù hợp với giá trị trở nhớ có thể đạt được
– Chế tạo chip trở nhớ
– Tích hợp điện tử, phần mềm firmware cho phép giao tiếp với chip trở nhớ đã chế tạo và thực hiện một ứng dụng mạng thần kinh nhân tạo.
– Viết bản thảo và gửi đăng tạp chí quốc tế, viết thuyết mình và gửi bảo hộ sáng chế quốc tế