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关键词： 神经形态计算   离子栅晶体管器件   1T1R阵列   存内计算   异或加密  

摘要： 高算力与低功耗是复杂深度学习任务中的关键指标,传统冯·诺依曼架构的存算分离计算模式,会在数据传输过程中消耗大量能量,因此研究低功耗、高算力的新型计算系统成为迫切需要。受神经科学的启发,用来模拟生物神经系统计算与学习机制的神经形态计算模型备受关注。离子栅晶体管与忆阻器作为新型的电子器件,具有功耗低、能够模拟神经元和突触功能等特点,近年来被广泛用于神经形态计算任务。目前对于神经形态器件的材料体系与制备方面的研究较为成熟,然而,当神经形态计算系统应用到实际场景中时其可靠性和稳定性仍存在挑战,需要进一步的研究和改进。因此,本文拟从神经形态计算硬件系统方面着手,分别提出以离子栅晶体管器件为核心的声源定位系统,以及基于1T1R(One Transistor One Re RAM)阵列的存内计算系统与存内计算加密系统。采用从分立器件到器件集成的设计方法实现低能耗、高精度、高可靠性的神经形态计算。其主要内容如下: 一、利用离子栅晶体管器件的短时程特性搭建声源定位硬件系统,实现生物听觉仿生功能。采用耳间时间差(Interaural Time Difference,ITD)的声源定位方法建立声音传播近似模型。根据近似模型对声源定位硬件系统进行搭建,通过离子栅晶体管器件的短时程特性建立时间查找表(Look-Up Table,LUT),完成器件沟道电流值与衰减时间的关系映射。对声源定位硬件系统进行测试,在15°的角度间隔下系统计算结果最小误差为2.55°。为提高硬件系统定位精度,提出静态与动态定位方法并进行评估,统计各角度下的平均误差,其中最小平均误差分别为0.258°与0.17°。对硬件系统能耗进行评估,该系统单次定位工作的总能耗为1.09 m J,实验结果证明了该硬件系统具备低能耗、高精度等优势。 二、基于1T1R阵列测试平台搭建存内计算硬件系统,实现存算一体化。在FPGA硬件开发板上进行存内计算行为级建模,使用块随机存储器(Block RAM,BRAM)模拟1T1R阵列中权重存储方式。通过该行为级模型实现单通道图片卷积计算,准确度相对于软件计算结果几乎无损失。将存内计算行为级模型作为设计标准完成以1T1R阵列为核心的存内计算系统搭建,使用该硬件系统成功实现图片卷积与边缘检测图像处理任务。经过误差分析,该硬件系统的计算结果相对于软件计算结果存在极小的损失,在图片卷积任务中的计算错误率小于0.09076%,边缘检测任务中的计算错误率为0%。该工作构建了一套全硬件实现的存内计算系统,以较高的准确度完成计算任务,为高能效、高精度的神经形态计算系统打下基础。 三、针对存内计算硬件系统的安全问题,提出一套完备的加密方案。将1T1R阵列中器件阻态分布的差异性作为熵源,进行物理不可克隆函数(Physical Unclonable Functions,PUF)的生成,芯片间与芯片内汉明距离(Hamming Distance,HD)的统计证明了PUF响应的唯一性与稳定性。将PUF响应作为密钥采用异或加密方案实现输入数据自加密,在存内计算硬件系统的基础上完成了存内计算加密系统架构设计。使用该存内计算加密系统进行边缘检测任务,当输入密钥中仅存在1比特错误时会导致计算结果的准确度降低到0.056%以下。对该硬件系统容错机制进行分析,随比特错误率(Bit Error Rate,BER)的增加,图片卷积结果平均误差从851增加到6328,且不同BER下准确度均接近于0%,表明该系统对于输入密钥中出现错误的容忍度极低。将异或加密方案应用在Fashion MNIST图像分类任务中,6.25%的BER导致模型推理精度下降了73.4%,表明该工作所提出的加密方案可有效防止存内计算硬件系统的盗用,提高数据的安全性与系统的可靠性,在硬件安全问题上具有巨大潜力。

关键词： 税收优惠   财政补贴   集成电路企业   高质量发展  

摘要： 科技强则国家强,科技兴则民族兴。集成电路企业作为战略性新兴企业,在经济社会发展中占据着越来越重要的地位,成为助力我国科技强国建设的中坚力量。但是,我国集成电路企业相较于发达国家还是有很大的差距,存在过度依赖进口、技术人才缺口大等问题。十九大报告中提出,我国经济已进入高质量发展阶段,创新是保持经济高质量发展的内生动力,集成电路企业作为应用创新的主体之一,必须有所作为。政府为了提高集成电路企业的高质量发展水平,出台了一系列的税收优惠和财政补贴政策,但这两种政策在实施过程中会出现一些问题,主要是由于我们缺乏对两种政策促进作用的比较分析,使得在现实中没有根据两种政策的实施情况采用不同的策略。因此,本文将集成电路企业高质量发展中的税收优惠与财政补贴政策进行比较分析,既能对现有理论进行补充,又能促使两种政策在现实中发挥更大的作用。 本文参考国内外已有文献,在理论方面,阐述了外部性理论、信息不对称理论和内生增长理论,分析税收优惠和财政补贴促进集成电路企业高质量发展的作用机理并进行比较。在现实方面,本文探究了集成电路企业的发展现状,梳理了我国目前支持集成电路企业高质量发展的税收优惠与财政补贴政策并加以比较。在实证方面,以集成电路企业2014-2022年的数据为研究样本,用LP法测算集成电路企业的高质量发展水平,运用双向固定效应模型进行分组回归和机制分析,并进行稳健性分析和异质性检验,研究税收优惠与财政补贴在促进作用、作用机制和企业所有权性质方面所表现出的差异性。 本文运用比较分析法、文献分析法和实证分析法,以集成电路企业上市公司为研究对象,研究发现:一是税收优惠和财政补贴都能对集成电路企业的高质量发展起到显著的促进作用,但是财政补贴促进集成电路企业高质量发展的作用大于税收优惠;二是税收优惠能够通过缓解融资约束,对集成电路企业的高质量发展起激励作用,而财政补贴则通过提高研发投入,对集成电路企业的高质量发展起促进作用;三是对不同所有权性质的企业而言,税收优惠对国有和非国有企业的高质量发展都起到明显的促进作用,财政补贴虽然能够显著的提升非国有企业的高质量发展,但是与国有企业的高质量发展的关系并不显著。基于此,本文提出以下政策建议:基于异质性发挥税收优惠和财政补贴的协同作用;充分发挥税收优惠对融资约束的缓解作用;充分发挥财政补贴对研发投入的激励作用;完善对税收优惠和财政补贴的监督机制;完善人才培养的税收优惠和财政补贴政策。

关键词： 电磁兼容   传输线   高功率脉冲   无人机   电磁干扰  

摘要： 在传统的电磁兼容(Electromagnetic Compatibility,即EMC)设计中,电路设计师往往采用经验法则对电子产品进行设计,在产品生产后才对它进行电磁兼容(Electromagnetic Compatibility,即EMC)测试,导致了设计时间和成本的增加。本文主要以四翼无人机电路板为例,由于无人机技术的广泛应用及其应用范围的迅速扩大,无人机在正常工作过程中,由于外界复杂的电磁环境,很容易造成无人机无法工作,如在信号传输,视频时刻显示等,造成无法接收正确的指令,从而造成无人机损坏,坠毁等,在复杂电磁环境中的稳定性和可靠性已经成为了当前研究和工程实践的一个关键挑战。针对这一问题,本研究深入分析了无人机在遭遇高功率脉冲环境时的电磁兼容表现,并通过理论探讨与仿真实验的结合,旨在对无人机的电磁兼容性能进行全面的评估和进一步的优化。本文主要包括三个部分的研究内容,采用理论分析、辅以软件模拟来验证无人机电磁兼容建模和仿真过程。以下是详细的研究工作和结果: (1)在无外界干扰的理想环境下,我们以STM32F103T8U6芯片为基础,运用电磁兼容理论以及电磁辐射机理,借用Cadence、Ansys SIwave等仿真软件,对无人机的电路板进行了深入的仿真分析。 (2)本文深入分析了高功率脉冲的复杂性。首先,推进了深入研究,以便更好地理解脉冲扰动与PCB板的相互作用机理,加深对该问题的认识。在此基础上,利用传输线模型解析,开展高功率脉冲环境下的电磁研究。为高功率脉冲环境下无人机电磁兼容性能的精确模拟与预测奠定基础。 (3)最后,通过理论和实验两种方法的结合,研究了高功率脉冲对无人机系统耦合电流的电磁干扰特性的影响。在此基础上,分别研究了各种信号对无人机电路板性能的影响,仿真波形,并归纳出相应的规律。目的是增强无人机在复杂的高功率脉冲环境下的抗干扰性,以及提升其在实际的生活使用中的相对稳定性。

关键词： 功能性神经元   光电管   忆阻器   耦合同步   链状神经元网络  

摘要： 神经元是神经系统中处理信号的基本单元,能够感知各种外部刺激并产生不同模式的放电活动。在外界刺激电流的作用下,离子扩散和跨膜运输改变了细胞膜内的感应电磁场强度,进而影响细胞膜电位和放电节律,实现信息的编码。信息传递过程必然伴随着能量的交换与流动,进而调控神经网络的放电行为和生物功能的实现。从这一特性出发,可以使用非线性电路模拟神经元的电活动行为。从物理角度看,神经元感知外界信号并传递信息的过程即是能量接收与能量交互的过程,因此,利用不同的电路元件构造不同的功能性神经元电路可以再现神经元功能的多样性。不同功能的神经元在模拟放电模式时需要使用不同的功能性元件,从物理角度看,神经元的感知过程是将外部不同信号转换成电信号进行传输的过程,也是神经元能量与外部环境能量交互的过程。神经元之间的能量传递主要通过突触来完成,根据突触类型的不同,能量的传输方式也呈现多样性。本文探究了蔡氏混沌电路在热敏电阻和忆阻器两种非线性元件调控下的动力学行为,场耦合对同步稳定性的影响以及两个热敏忆阻蔡电路的能量平衡特征;探究了光敏忆阻FHN神经元在混合突触耦合下的动力学行为及噪声对神经元同步的调控作用;以及忆阻型突触对神经元网络群体电活动行为的影响。 具体研究内容和结果包括: 热敏忆阻蔡氏电路的动力学和场耦合下的非线性电路能量平衡。构建了热敏忆阻功能性蔡氏电路,并使用电容器连接两个功能性蔡氏电路以模拟电场耦合对同步的影响。研究了在热辐射和光照条件下,该耦合系统的动力学行为及能量平衡。将忆阻器和热敏电阻嵌入到蔡氏电路中构建热敏忆阻蔡氏电路,并基于基尔霍夫定律得到电路的电流-电压方程和场能量方程,通过标度变换得到电路的动力学方程和哈密顿能量函数,并用亥姆霍兹定理对哈密顿能量进行了验证。使用电容器连接两个电路系统实现电场耦合,耦合通道的开关状态由两系统间的能量差控制。当两系统间的能量差较大时,耦合通道打开;当能量差小于阈值时,耦合通道关闭。采用四阶龙格-库塔算法对系统的动力学方程进行求解,计算结果表明:忆阻器初始值的改变能够调控系统的运动状态和能量,实现混沌态与周期态之间的模式转换。在场耦合系统中,适当的耦合强度可以实现两功能性蔡电路的完全同步和能量平衡。 噪声对光敏神经元电活动的调控,混合突触耦合可以实现神经元的能量平衡。在FHN神经元电路中嵌入光电管构造光敏FHN神经元电路,引入磁场噪声研究了外界磁场对该系统能量调控的影响,结果表明外磁场涨落对应的噪声可以促进神经元从混沌态向周期态的跃迁。利用电容器和电感线圈构建混合突触耦合光敏神经元,并考虑神经元间能量差对耦合通道强度的调控作用。结果表明,两个初始能量不同的神经元在混合突触作用下实现了完全同步和能量平衡。对两个神经元施加不同的外界光照时,两神经元无法实现完全同步,但可以实现相位锁定。 忆阻型突触对两个神经元及神经元网络同步控制的影响。用忆阻突触耦合两个神经元,并考虑两神经元之间的能量差对突触强度的自适应调控作用。结果表明,忆阻突触耦合两个初始值不同的神经元,实现了完全同步和能量平衡。对两个神经元外加不同的磁场激励时,两个耦合神经元无法实现完全同步。进一步研究了由100个神经元构成的链状神经元网络,这些神经元通过忆阻突触耦合,研究神经元群体电活动行为表明,具有不同初始值的尖峰放电与簇放电的链状神经元网络能够实现完全同步和能量平衡;而处于混沌状态的神经元则无法实现能量平衡。对整个链状神经元网络施加噪声,混沌状态的神经元网络无法实现完全同步;在较小强度的噪声激励下,尖峰放电和簇放电的神经元网络实现了部分同步,进一步增大噪声强度后,神经元网络的同步被破坏。 非线性电路同步是研究非线性动力学系统中的同步现象,它涉及到复杂系统的行为和动态特性。这种研究有助于深入理解自然界和社会中的复杂现象,如生物系统中的神经网络同步、社会群体行为的同步等。随着科学技术的不断进步,非线性电路同步的研究将继续深化。未来的研究可能会集中在以下几个方面:探索新的同步现象和机制。开发更有效的同步控制策略和技术。将同步理论应用于更广泛的工程和科学领域。利用先进的计算工具和实验技术,提高研究的精度和效率。研究非线性电路同步在量子系统和生物系统中的行为和应用。

关键词： 盾构机   绿色布线   路径规划   蚁群算法   BP神经网络  

摘要： 盾构机电路系统绿色布线的水平对盾构机的电路系统性能及各个功能模块的可靠性有着至关重要的影响。传统的布线方式依赖人工经验,存在耗时耗力、资源浪费的问题。为解决这些问题,本研究提出的绿色布线策略及路径规划技术,能够显著提升布线效率,避免资源的过度浪费,从而有效克服传统布线方法的局限性,为盾构机的稳定运行和降低成本提供有力的技术支持。本文具体研究工作总结如下: (1)本文深度分析了盾构机绿色布线问题,基于绿色环保理念构建了技术框架。对绿色布线路径规划问题完成了环境建模,并对布线环境空间进行了预处理。总结出了盾构机绿色布线路径规划的约束条件。 (2)针对盾构机线缆布线过程中效率低、过于依赖人工的问题,本文通过改进传统蚁群算法,得到一种基于信息熵的自适应蚁群算法。该算法在传统的蚁群算法基础上,融入了混沌理论和信息熵理论,优化了全局信息素的更新方式。同时,通过引入重力规则来约束蚂蚁的路径搜索,并采用自适应方法来调控参数,从而增强了算法的真实性,并提高了算法的效率。 (3)为评价盾构机电路系统的绿色布线水平,本文提出了一种基于人工神经网络的线缆敷设综合评价方法。通过综合分析各种影响因素,建立了线缆绿色布线的评价等级指标体系。运用层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)对这些因素进行量化分析,得出决策结果。基于BP神经网络构建了盾构机绿色布线评价模型。 (4)采用B/S架构,利用Java、Java Script等开发语言开发了盾构机绿色布线系统,系统设计有路径规划、绿色布线评价、信息存储等主要功能。最后对系统进行了功能、性能和安全方面的测试,测试结果满足系统设计要求。 综上,本研究创新性地改进蚁群算法,将其应用在盾构机电路系统布线领域,极大地降低了盾构机线缆的资源浪费,提高了算法的真实性和效率。基于BP神经网络构建了盾构机绿色布线评价模型,实现了对绿色布线结果的全面、客观评价。自主开发了盾构机绿色布线系统。本研究还为其他大型机械行业提供了应用价值和参考意义。

摘要： 近日，由嘉善县集成电路协会主办、国家集成电路创新中心协办、嘉善复旦研究院承办的“芯”创未来——集成电路产业创新发展交流会专场活动在嘉善举行。浙江大学集成电路学院教授、浙江省半导体行业协会相关专家介绍了《2023年浙江省集成电路产业发展报告》，嘉善复旦研究院与嘉善经济技术开发区以及部分企业开展对接合作，为嘉善县集成电路产业发展再聚新动能。