Modeling of thermal coupling in VO 2 -based oscillatory neural networks

Velichko, Andrei; Belyaev, Maksim; Putrolaynen, Vadim; Perminov, Valentin; Pergament, A. L.

doi:10.1016/j.sse.2017.09.014

Cited by 19 publications

(32 citation statements)

References 22 publications

Supporting

Mentioning

Contrasting

Unclassified

Order By: Relevance

“…Therefore, the above presented experimental dependences of the oscillation spectra on ID are a consequence of the change in the frequencies of the first harmonics at constant RTC. As in [20], the value of RTC is determined as the distance at which ΔT p change is not less than 0.2 K.…”

Section: Resultsmentioning

confidence: 99%

“…During the deposition, the power of the DC discharge was ~ 200 W, the target-substrate distance was ~ 12 cm, and the sputtering time was 20 min. The thickness of the resulting vanadium oxide thin films was ~ 250 nm [20]. Next, electrically isolated planar microstructures were formed at distances d = 12, 15, 18, and 21 μm from each other, with the shape of the contacts shown in Fig.…”

Section: Methodsmentioning

confidence: 99%

“…External capacitances C1 and C2 are connected to the switches in parallel and the power of the circuits is provided by current sources (ID1, ID2). If the operating point of the circuit lies within the NDR region (Ith<ID<Ih), the switch voltage becomes unstable and self-oscillation occurs [9,20]. The values of the currents ID and capacitances C determine the natural frequencies F 0 1 and F 0 2 of each oscillator.…”

Section: Methodsmentioning

confidence: 99%

“…In our previous study [20], the possibility of using the thermal coupling to control the dynamics of operation of VO2 oscillators has been demonstrated based on a model experiment with a 'VO2 switch-microheater' pair. We have explored the synchronization and desynchronization modes of a single oscillator with respect to an external harmonic heat impact.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

See 3 more Smart Citations

Thermal coupling and effect of subharmonic synchronization in a system of two VO2 based oscillators

Velichko

Belyaev

Putrolaynen

et al. 2018

Solid-State Electronics

Self Cite

View full text Add to dashboard Cite

We explore a prototype of an oscillatory neural network (ONN) based on vanadium dioxide switching devices. The model system under study represents two oscillators based on thermally coupled VO2 switches. Numerical simulation shows that the effective action radius RTC of coupling depends both on the total energy released during switching and on the average power. It is experimentally and numerically proved that the temperature change ΔT commences almost synchronously with the released power peak and T-coupling reveals itself up to a frequency of about 10 kHz. For the studied switching structure configuration, the RTC value varies over a wide range from 4 to 45 μm, depending on the external circuit capacitance C and resistance Ri, but the variation of Ri is more promising from the practical viewpoint. In the case of a "weak" coupling, synchronization is accompanied by attraction effect and decrease of the main spectra harmonics width. In the case of a "strong" coupling, the number of effects increases, synchronization can occur on subharmonics resulting in multilevel stable synchronization of two oscillators. An advanced algorithm for synchronization efficiency and subharmonic ratio calculation is proposed. It is shown that of the two oscillators the leading one is that with a higher main frequency, and, in addition, the frequency stabilization effect is observed. Also, in the case of a strong thermal coupling, the limit of the supply current parameters, for which the oscillations exist, expands by ~ 10 %. The obtained results have a universal character and open up a new kind of coupling in ONNs, namely, T-coupling, which allows for easy transition from 2D to 3D integration. The effect of subharmonic synchronization hold promise for application in classification and pattern recognition.

show abstract

Section: Resultsmentioning

confidence: 99%

Section: Methodsmentioning

confidence: 99%

Section: Methodsmentioning

confidence: 99%

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

See 2 more Smart Citations

Thermal coupling and effect of subharmonic synchronization in a system of two VO2 based oscillators

Velichko

Belyaev

Putrolaynen

et al. 2018

Solid-State Electronics

Self Cite

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…Формы всех трех временных зависимостей T 1 (t), T 2 (t) и T 3 (t) существенно отличаются, что и понятно, т. к. они соответствуют разным расстояниям до центра канала, при этом на T 2 (t) и T 3 (t) нет локальных максимумов, соответствующих образованию и схлопыванию канала, а T 3 (t) не выходит на насыщение за время действия импульса, так как для нагрева широкой области подложки нужны импульсы гораздо большей длительности. Максимальное значение T 3 не превышает 308 K, то есть перегрев относительно подложки не выше 8 K, что может влиять на соседние микроструктуры и являться причиной возникновения эффекта термосвязи между переключателями и осцилля-торами на их основе, который описан нами в работе [26].…”

Section: результаты и обсуждениеunclassified

Динамика Развития Канала Переключения В Планарных Структурах На Основе Диоксида Ванадия

Беляев¹,

Борисков²,

Величко³

et al. 2018

Физика Твердого Тела

View full text Add to dashboard Cite

Представлены результаты экспериментального исследования и численного моделирования динамики развития канала переключения в планарных структурах на основе диоксида ванадия. Полученные результаты по изменению со временем температуры в канале и протекающего при импульсном нагружении тока и временам перехода из высокоомного состояния в низкоомное и обратно анализируются на предмет опре-деления механизма переключения и прогнозирования функциональных характеристик переключательных оксиднованадиевых структур как перспективных для создания релаксационных генераторов -прототипов нейроосцилляторов. Показано, что переключение связано с фазовым переходом " металл−полупроводник" в диоксиде ванадия, стимулируемым выделением джоулева тепла. ВведениеЭлектрическое переключение (ЭП) в пленках диокси-да ванадия, обнаруженное еще в начале 70-х годов [1], было и остается предметом многочисленных исследова-ний [2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12]. В работах [1-3] высказывалась идея о том, что ЭП в рассматриваемых объектах связан с присущим диоксиду ванадия фазовым переходом " металл-полупро-водник" (ФПМП). Развитию этой идеи, как и других предлагаемых моделей переключения [8][9][10][11][12], может спо-собствовать установление динамики процесса.Недостаточность знаний о процессах, определяющих процесс переключения, сдерживает достижения практи-чески значимых результатов. В настоящее время эта проблема существенно актуализировалась в связи с интересом, проявляемым к ЭП в диоксиде ванадия как перспективному материалу для создания элементов простейших релаксационных генераторов -прототипов нейроосцилляторов (элементов осцилляторных нейрон-ных сетей) [13,14], а также как модельному объекту исследований в нелинейной и хаотической динамике. Важно отметить, что считавшиеся недостатками свой-ства пленочных образцов на основе VO 2 (сравнительно низкая температура ФПМП и скачок проводимости, вы-сокий уровень токовых шумов вблизи пороговых напря-жений переключения) в указанной области применения в определенном смысле обращаются в их достоинства.Так, наличие относительно сильного шума в порого-вых точках переключения является положительным фак-тором в связи с важной ролью эффектов коллективной синхронизации и стохастического резонанса в реальных нейронных сетях [15]. Если говорить о температурном диапазоне работы искусственной нейронной сети на основе VO 2 -осцилляторов, то здесь близкое к комнат-ной температуре значение T t является достоинством, поскольку она сравнима с диапазоном температур жиз-недеятельности большинства биологических объектов. Для создания RC-осциллятора на основе VO 2 переклю-чателя, в принципе, не требуется и высокий скачок про-водимости пленок при ФПМП, так как элементы можно создавать в планарных (в виде пленочных мостиков) и сандвич-конфигурациях с высокой степенью наномас-штабируемости методами стандартной литографии.Принципиально важную роль в функционировании пе-реключателя играет его быстродействие, определяемое динамикой развития канала переключения. При том, что длительность перехода из высокоомного в низкоомное со...

show abstract

Higher-order and long-range synchronization effects for classification and computing in oscillator-based spiking neural networks

Velichko

Putrolaynen

Belyaev

2020

Neural Comput & Applic

Self Cite

View full text Add to dashboard Cite

Development of artificial oscillator-based spiking neural networks (SNN), which are able to solve effectively various cybernetics problems including image recognition and adaptive control, is a key line of research. We have thoroughly explored the scheme of two thermally coupled VO2 oscillators and found its effect of high order synchronization (HOS), which may be used to increase SNN classification capacity Ns. Phase-locking estimation method has been developed to determine values of subharmonic ratio SHR and synchronization effectiveness η. The experimental scheme has Ns=12 and SHR distributions are shaped as Arnold's tongues. In a model Ns may reach maximum of Ns>150 at certain levels of coupling strength and noise. We demonstrate the long-range synchronization effect in a onedimensional chain of oscillators and the phenomenon of synchronization transfer even at low values of η for intermediate links. The paper demonstrates realization of analogue operation of "multiplication", synchronize-based logic for binary computations, and possibility of development of the interface between SNN and computer. The described effects increasing classification capacity of oscillator schemes and calculation principles based on the universal physical effect -HOS may be applied for any spiking type oscillators with any coupling type therefore enhancing practical value of the presented results to expand SNN capabilities.

show abstract

Modeling of thermal coupling in VO 2 -based oscillatory neural networks

Cited by 19 publications

References 22 publications

Thermal coupling and effect of subharmonic synchronization in a system of two VO2 based oscillators

Thermal coupling and effect of subharmonic synchronization in a system of two VO2 based oscillators

Динамика Развития Канала Переключения В Планарных Структурах На Основе Диоксида Ванадия

Higher-order and long-range synchronization effects for classification and computing in oscillator-based spiking neural networks

Contact Info

Product

Resources

About