Memristör tabanlı bellek içi hesaplama devrelerinde sıxor entegrasyonu ile enerji verimliliği ve hız optimizasyonu
Energy efficiency and speed optimization in memristor-based in-memory computing circuits through sixor integration
- Tez No: 966916
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ZEHRA GÜLRU ÇAM TAŞKIRAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 88
Özet
Bu tez çalışması, memristör tabanlı lojik devrelerde enerji verimliliği, hız ve işlem adımı optimizasyonunu hedefleyen SIXOR devresinin, geleneksel IMPLY ve MAGIC yöntemleriyle entegrasyonunun sistem performansına etkilerini sistematik bir şekilde incelemektedir. Orcad PSpice simülasyonları aracılığıyla dört temel giriş kombinasyonu üzerinden gerçekleştirilen karşılaştırmalı analizler, MAGIC-SIXOR ve IMPLY-SIXOR entegrasyonlarının başlatma enerjisi, hesaplama enerjisi, toplam işlem enerjisi ve adım sayısı gibi kritik parametreler açısından performanslarını değerlendirmiştir. IMPLY yöntemi, koşullu mantık işlemlerine dayalı yapısıyla yüksek hesaplama enerjisi ve çoklu çevrim gereksinimleri sergilerken, MAGIC yöntemi NOR tabanlı evrensel mantık kapılarıyla daha düşük hesaplama enerjisi sunmakta, ancak çoklu çevrim ve adım sayısı sınırlamalarıyla karşılaşmaktadır. SIXOR devresi ise, tek çevrimde XOR işlemi gerçekleştirme yeteneğiyle, her iki yöntemde işlem süresini ve adım sayısını önemli ölçüde azaltarak hız ve enerji verimliliği açısından kayda değer iyileştirmeler sağlamaktadır. Simülasyon sonuçları, SIXOR'un başlatma enerjisinde MAGIC'e ve IMPLY'ye kıyasla üstün olduğunu, ancak hesaplama enerjisinde MAGIC'in SIXOR'a göre daha verimli olduğunu ortaya koymaktadır. IMPLY-SIXOR kıyaslaması, özellikle asimetrik giriş kombinasyonlarında, IMPLY'nin yüksek enerji tüketimininin aksine SIXOR çok daha düşük enerji tüketimi ile belirgin hız ve verimlilik avantajları sunmaktadır [35]. Bununla birlikte, mevcut çapraz çubuk dizisi mimarilerinde SIXOR'un paralel işlem kabiliyetini kısıtlayan kaçak akım sorunları ve memristör değişkenlikleri, büyük ölçekli uygulamalarda önemli zorluklar olarak tespit edilmiştir. Bu sınırlamaları aşmak için, memristörlerin düz ve ters bağlandığı özelleştirilmiş bir çapraz çubuk tasarımı önerilmiş olup, bu tasarımın 514x514 boyutlu bir dizide 22.33 XOR işlemiyle enerji verimliliği sağladığı hesaplanmıştır. Elde edilen bulgular, SIXOR'un yapay zeka, nöromorfik hesaplama ve düşük güçlü IoT sistemleri gibi alanlarda yüksek potansiyel taşıdığını göstermektedir. Önerilen tasarım ve optimizasyon stratejileri, memristör tabanlı lojik devrelerin geliştirilmesi için yol gösterici bir çerçeve sunmakta ve gelecekteki araştırmalar için sağlam bir temel oluşturmaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis systematically investigates the impact of integrating the SIXOR circuit—designed to optimize energy efficiency, speed, and operation step count in memristor-based logic circuits—with conventional IMPLY and MAGIC methods on overall system performance. Through comparative analyses performed via Orcad PSpice simulations based on four fundamental input combinations, the performance of MAGIC-SIXOR and IMPLY-SIXOR integrations is evaluated in terms of critical parameters such as initialization energy, computation energy, total operation energy, and number of steps. The IMPLY method, with its condition-based logic structure, demonstrates high computation energy consumption and requires multiple cycles, whereas the MAGIC method, utilizing NOR-based universal logic gates, offers lower computation energy but faces limitations in terms of cycle count and operation steps. The SIXOR circuit, capable of performing XOR operations in a single cycle, significantly reduces operation time and step count in both methods, offering remarkable improvements in speed and energy efficiency. Simulation results indicate that SIXOR outperforms both MAGIC and IMPLY in terms of initialization energy, while MAGIC is more efficient than SIXOR in computation energy. In comparisons with IMPLY, particularly under asymmetric input combinations, SIXOR delivers notable advantages in speed and energy efficiency, with substantially lower energy consumption compared to the high energy demands of IMPLY. However, challenges such as leakage current issues and memristor variability—limiting SIXOR is parallel processing capabilities in current crossbar array architectures—have been identified as significant barriers to large-scale implementations. To overcome these limitations, a customized crossbar design with forward and reverse-connected memristors has been proposed, achieving energy efficiency in a 514×514 array with 22.33 XOR operations. The findings highlight SIXOR is high potential in fields such as artificial intelligence, neuromorphic computing, and low-power IoT systems. The proposed design and optimization strategies provide a guiding framework for the development of memristor-based logic circuits and establish a solid foundation for future research.
Benzer Tezler
- Learning and inference for wireless communications applications using in-memory analog computing
Bellek içi analog hesaplama kullanarak kablosuz iletişim uygulamaları için öğrenme ve çıkarım
MUHAMMAD ATIF ALI
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. TOLGA METE DUMAN
- Brain dynamics and memory enhancement: Memristor based models
Beyin dinamiği ve bellek güçlendirilmesi: Memristor tabanlı modeller
UFUK YÜCEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FERİT ACAR SAVACI
- Memristör tabanlı bir Lıénard Osilatörü tasarımı
Design of a memristor-based Liénard Oscillator
KÜBRA ÇAKIR
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiTekirdağ Namık Kemal ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. REŞAT MUTLU
DOÇ. DR. ERTUĞRUL KARAKULAK
- Nöromorfik hesaplama sistemleri için çapraz çubuk mimarisinde memristör dizinlerinin tasarlanması ve üretimi
Design and fabrication of crossbar memristor array for neuromorphic computing system
BÜNYAMİN ÖZKAL
Doktora
Türkçe
2025
Fizik ve Fizik MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SİNAN KAZAN
- Analog uygulamalar için memristör emülatör devre geliştirilmesi, benzetimi ve uygulaması
Memristor emulator circuit development, simulation and application for analogue applications
SEMİH EROĞLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYalova ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ NİLÜFER ERTEKİN