<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Nanotechnol.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Nanotechnology</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Nanotechnol.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2673-3013</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">633026</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fnano.2021.633026</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Nanotechnology</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>System-Theoretic Methods for Designing Bio-Inspired Mem-Computing Memristor Cellular Nonlinear Networks</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Ascoli et&#x20;al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Mem-Computing Memristor Cellular Nonlinear Networks</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Ascoli</surname>
<given-names>Alon</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/615286/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Tetzlaff</surname>
<given-names>Ronald</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/145160/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Kang</surname>
<given-names>Sung-Mo Steve</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1045843/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Chua</surname>
<given-names>Leon</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff4">
<sup>4</sup>
</xref>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<label>
<sup>1</sup>
</label>Fundamentals of Electrical Engineering, Institute of Circuits and Systems, Faculty of Electrical and Computer Engineering, Technische Universit&#xe4;t, <addr-line>Dresden</addr-line>, <country>Germany</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<label>
<sup>2</sup>
</label>Department of Microelectronics, Brno University of Technology, <addr-line>Brno</addr-line>, <country>Czech Republic</country>
</aff>
<aff id="aff3">
<label>
<sup>3</sup>
</label>Department of Electrical and Computer Engineering, University of California Santa Cruz, <addr-line>Santa Cruz</addr-line>, <addr-line>CA</addr-line>, <country>United&#x20;States</country>
</aff>
<aff id="aff4">
<label>
<sup>4</sup>
</label>Department of Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California Berkeley, <addr-line>Berkeley</addr-line>, <addr-line>CA</addr-line>, <country>United&#x20;States</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/941688/overview">Huanglong Li</ext-link>, Tsinghua University, China</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1155716/overview">Carlos S&#xe1;nchez-L&#xf3;pez</ext-link>, Autonomous University of Tlaxcala, Mexico</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1155984/overview">Xiaoping Wang</ext-link>, Huazhong University of Science and Technology, China</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Alon Ascoli, <email>alon.ascoli@tu-dresden.de</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Nanodevices, a section of the journal Frontiers in Nanotechnology</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>12</day>
<month>05</month>
<year>2021</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2021</year>
</pub-date>
<volume>3</volume>
<elocation-id>633026</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>24</day>
<month>11</month>
<year>2020</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>25</day>
<month>01</month>
<year>2021</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2021 Ascoli, Tetzlaff, Kang and Chua.</copyright-statement>
<copyright-year>2021</copyright-year>
<copyright-holder>Ascoli, Tetzlaff, Kang and Chua</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these&#x20;terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>The introduction of nano-memristors in electronics may allow to boost the performance of integrated circuits beyond the Moore era, especially in view of their extraordinary capability to process and store data in the very same physical volume. However, recurring to nonlinear system theory is absolutely necessary for the development of a systematic approach to memristive circuit design. In fact, the application of linear system-theoretic techniques is not suitable to explore thoroughly the rich dynamics of resistance switching memories, and designing circuits without a comprehensive picture of the nonlinear behaviour of these devices may lead to the realization of technical systems failing to operate as desired. Converting traditional circuits to memristive equivalents may require the adaptation of classical methods from nonlinear system theory. This paper extends the theory of time- and space-invariant standard cellular nonlinear networks with first-order processing elements for the case where a single non-volatile memristor is inserted in parallel to the capacitor in each cell. A novel nonlinear system-theoretic method allows to draw a comprehensive picture of the dynamical phenomena emerging in the memristive mem-computing array, beautifully illustrated in the so-called Primary Mosaic for the class of uncoupled memristor cellular nonlinear networks. Employing this new analysis tool it is possible to elucidate, with the support of illustrative examples, how to design variability-tolerant bio-inspired cellular nonlinear networks with second-order memristive cells for the execution of computing tasks or of memory operations. The capability of the class of memristor cellular nonlinear networks under focus to store and process information locally, without the need to insert additional memory units in each cell, may allow to increase considerably the spatial resolution of state-of-the-art purely CMOS sensor-processor arrays. This is of great appeal for edge computing applications, especially since the Internet-of-Things industry is currently calling for the realization of miniaturized, lightweight, low-power, and high-speed mem-computers with sensing capability on&#x20;board.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>memristor</kwd>
<kwd>bio-inspired mem-computing machines</kwd>
<kwd>cellular nonlinear networks</kwd>
<kwd>nonlinear circuit theory</kwd>
<kwd>nonlinear system theory</kwd>
</kwd-group>
<contract-num rid="cn001">FA 9550-18-1-0016</contract-num>
<contract-sponsor id="cn001">Air Force Office of Scientific Research<named-content content-type="fundref-id">10.13039/100000181</named-content>
</contract-sponsor>
<contract-sponsor id="cn002">Grantov&#xe1; Agentura &#x10c;esk&#xe9; Republiky<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100001824</named-content>
</contract-sponsor>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>On August 28<sup>th</sup>, 2018 GlobalFoundries announced to halt the 7&#xa0;nm chip development. After installing at least one Extreme-Ultraviolet Lithography (EUV) machine at one of its fabs, the foundry reckoned there would not be enough customers, interested in the cutting-edge 7&#xa0;nm node technology process, to make chip development profitable (<xref ref-type="bibr" rid="B19">GlobalFoundries Ltd, 2018</xref>). Despite Intel, Samsung, and TSMC are still making efforts to reduce the size of <italic>integrated circuits</italic> (ICs) further, transistor scaling is approaching atomic boundaries, with an inevitable concurrent rise in manufacturing costs. This issue is known as <italic>Moore wall</italic>. With the Moore era (<xref ref-type="bibr" rid="B27">Moore, 1965</xref>) coming to a natural end (<xref ref-type="bibr" rid="B37">Williams, 2017</xref>), a great deal of resources have been deployed over the past decade toward the development of innovative disruptive nanotechnologies, which may enable the development of versatile multi-functional devices, that, opening the door toward the implementation of peculiar signal processing paradigms, would allow to boost the performance of conventional circuits and systems without the need to shrink the size of transistors any further. Two are the factors for the inefficiency of machines based upon the von Neumann architecture: 1) There is a large mismatch between processing time and shuttling time. This issue is known as <italic>memory wall</italic> or <italic>von Neumann bottleneck</italic>. 2) The energy dissipated by digital switching units is no longer following the exponentially decreasing trend, predicted by Landauer (<xref ref-type="bibr" rid="B25">Landauer, 1988</xref>), with the reduction in IC dimensions. This issue, known as <italic>heat wall</italic>, poses serious risks for the lifetime of transistors. Memristors (<xref ref-type="bibr" rid="B12">Chua, 1971</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B10">Chua and Kang, 1976</xref>) represent one of the most promising nanotechnologies to address the problems affecting state-of-the-art electronics. A current (voltage)-controlled non-volatile memristor (<xref ref-type="bibr" rid="B9">Chua, 2014</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B6">Chua, 2015</xref>) is a two-terminal device, whose resistance (conductance) can be tuned to some desired value by applying a current (voltage) signal through (across) it, and which remembers its resistance (conductance) after the current (voltage) source, in parallel to it, is disconnected (<xref ref-type="bibr" rid="B7">Chua, 2018a</xref>). It remembers its past! (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Chua, 2018b</xref>). The most impressive and peculiar virtue of non-volatile memristors is the combined capability to store data, thanks to excellent data retention levels, achievable without the need for external batteries, and to process signals, through the rich nonlinear dynamics of the memory state, within a single nano-scale volume, which enables the implementation of <italic>in-memory computing</italic> and <italic>mem-computing</italic> paradigms<xref ref-type="fn" rid="fn1">
<sup>1</sup>
</xref>, mimicking the distributed nature of memory and processing operations in the human brain, in future computing machines. Other distinctive qualities of memristors are low-power and high-speed operation, superior endurance, and, very importantly, good compatibility with CMOS technology. While in conventional memories data are stored as voltage levels, in memristors the physical quantity, which holds the information content, is the resistance. Given that all nonvolatile memories based upon resistance switching phenomena, irrespective of their constitutive materials and operating principles, are memristors (<xref ref-type="bibr" rid="B14">Chua, 2011</xref>), a wide range of nanotechnologies, including Resistive Random Access Memories (ReRAMs), Phase Change Memories (PCMs), Magnetic Tunnel Junctions (MTJs), Spin-Transfer-Torque Magneto-Resistive Random Access Memories (STTM-RRAMs), and Ferroelectric Tunnel Junctions (FTJs), are competing one with the other to produce the best performing data storage device for future brain-like computers. While many people believe that non-volatile nano-memristors will eventually replace conventional memories, including Flash Memories, Dynamic RAMs (DRAMs), and Hard Disk Drives (HDDs), the aforementioned nanotechnologies are not yet mature enough to draw conclusions on the portion of the nonvolatile memory market, which memristors will be able to cover in the next five years from now. However, <italic>edge computing</italic> technical systems already make use of memristive memories. Panasonic (<xref ref-type="bibr" rid="B28">Panasonic Ltd., 2013</xref>) have been launching mass production of micro-computers with 64&#xa0;kB ReRAM-based data storage for battery-powered equipment, including portable devices for medical, healthcare, and security applications already in 2013, while Fujitsu (<xref ref-type="bibr" rid="B18">Fujitsu Ltd, 2019</xref>) has recently taken a step forward by offering 1024&#xa0;kB ReRAMs for wearable units&#x2013;e.g., smart watches and glasses&#x2013;and hearing aids. Even when used simply as tunable resistors, memristors offer unique opportunities to enhance the performance of conventional data processing systems. Most computing tasks in artificial intelligence (AI) applications consist of machine-learning operations, such as object, image, and speech recognition, which require the calculation of a massive number of vector-matrix multiplications (VMMs). Nowadays these calculations are executed through expensive and bulky supercomputers. But with the advent of the memristor, which, leveraging Ohm&#x2019;s law, naturally carries out a multiplication operation between the conductance it holds and the voltage falling between its terminals, outputting the result into the current flowing through it, it is possible to use a crossbar array (<xref ref-type="bibr" rid="B26">Li et&#x20;al., 2018</xref>) to compute at unprecedented rates the product between a vector of voltages, distributed along the rows, and a matrix of memristor crosspoint conductances, with the computation result available in current form along the columns (refer to the Dot Product Engine (DPE) lab prototype developed at Hewlett Packard Enterprise (<xref ref-type="bibr" rid="B20">Hu et&#x20;al., 2016</xref>)). Last but not least, given that the two constitutive elements of the human brain, namely the synapse and the neuron, are made of nonvolatile and volatile memristors, respectively, resistance switching memories allow to develop innovative neuromorphic circuits, which promise to outperform conventional purely CMOS counterparts in mimicking the functionalities of the human brain. Non-volatile memristor devices, in which the resistance may be finely tuned under excitation, may reproduce most closely the plastic response of biological synapses to external stimuli. Furthermore, there exist a large class of memristor physical nano-scale realisations, which, despite being unable to store data&#x2013;for this reason they are classified as volatile memories &#x2013;, feature the extraordinary capability to amplify infinitesimal fluctuations in energy (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Bohaichuk et&#x20;al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B24">Kumar et&#x20;al., 2020</xref>), a property which is referred to as <italic>local activity</italic> (<xref ref-type="bibr" rid="B11">Chua, 2005</xref>), and which enables the development of realistic electronic realisations of spiking neurons<xref ref-type="fn" rid="fn2">
<sup>2</sup>
</xref> (<xref ref-type="bibr" rid="B8">Chua et&#x20;al., 2012</xref>), the so-called neuristors.</p>
<p>Besides constitutive the ideal framework for modeling biological systems (<xref ref-type="bibr" rid="B5">Chua, 1998</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B15">Chua and Roska, 2002</xref>), <italic>Cellular Nonlinear Networks</italic> (CNNs) (<xref ref-type="bibr" rid="B17">Chua and Yang, 1988a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">Chua and Yang, 1988b</xref>) represent a powerful multi-variate signal processing paradigm, which, featuring a bio-inspired architecture, operates in a massively parallel fashion, allowing to process data at very high rates, as necessary in time-critical <italic>Internet-of-Things</italic> (IoT) applications, nowadays. Purely CMOS analogue hardware implementations of the CNN signal processing paradigm are typically co-integrated with highly selective equal-sized sensor arrays to allow the solution of complex computing tasks directly where the acquisition of specific data takes place (<xref ref-type="bibr" rid="B35">V&#xe1;zquez et&#x20;al., 2018</xref>). A technological issue, which limits the applicability scope of these sensor-processor arrays, is related to the huge difference between the typically small minimum size of an element of the sensor matrix, and the relatively large minimum <italic>integrated circuit</italic> (IC) area, which a processing element of the CNN hardware realization usually occupies, due to the fact that it needs to accommodate memory units, which endow the resulting computing machine with local stored programmability on board, allowing to harness thoroughly the advantages associated with the massive parallelism of the CNN signal processing paradigm. The adoption of non-volatile memristors (<xref ref-type="bibr" rid="B6">Chua, 2015</xref>), capable to combine data processing and storage functionalities within a common nanoscale physical volume, in CNN circuit design may allow to increase significantly the spatial resolution of the cellular computing machine. Moreover, leveraging the rich nonlinear dynamics of resistance switching memories, the computing capabilities of the processing elements of a memristive CNN hardware implementation (<xref ref-type="bibr" rid="B43">Duan et al., 2015</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B40">Di Marco et al., 2017a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B41">Di Marco et al., 2017b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B43">Di Marco et al., 2018</xref>) may be extended beyond the operational boundaries of the cells of a traditional purely CMOS implementation.</p>
<p>CNNs process information through the analogue dynamics of the cells&#x2019; states, which converge toward distinct attractors depending upon inputs and/or initial conditions. While <italic>wave-based computing</italic>, where the cellular array carries out data processing tasks through the generation of specific dynamic patterns, is an active field of research (<xref ref-type="bibr" rid="B36">Weiher et&#x20;al., 2019</xref>), there exists a huge library (<xref ref-type="bibr" rid="B23">Karacs et&#x20;al., 2018</xref>) of image processing operations, which the nonlinear dynamic array may execute as the cells&#x2019; states approach predefined equilibria. This paper focuses on the performance of CNNs (M-CNNs) as <italic>equilibria-based computing (mem-computing)</italic> engine. Now, for a full exploration of the potential of memristors in electronics, recurring to concepts from <italic>nonlinear system theory</italic> is necessary. In fact, linear system-theoretic methods are not suitable for the analysis and design of memristor-based circuits. However, as is the case here, converting traditional nonlinear circuits to memristive equivalents may require the extension of classical nonlinear system-theoretic techniques. The <italic>Memristor Cellular Nonlinear Network</italic> (M-CNN), proposed in <xref ref-type="bibr" rid="B33">Tetzlaff et&#x20;al. (2020)</xref>, differs from a standard time- and space-invariant two-dimensional CNN (<xref ref-type="bibr" rid="B17">Chua and Yang, 1988a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">Chua and Yang, 1988b</xref>), characterized by first-order cells, and typically implemented in hardware (<xref ref-type="bibr" rid="B35">V&#xe1;zquez et&#x20;al., 2018</xref>), for the inclusion of a single non-volatile memristor in parallel to the capacitor in the circuit implementation of each processing element. One of the most powerful tools for the analysis of nonlinear dynamical systems with one degree of freedom is the <italic>Dynamic Route Map</italic> (DRM) (<xref ref-type="bibr" rid="B7">Chua, 2018a</xref>), which represents the system-theoretic technique of reference for the investigation of CNNs with first-order processing elements. Since the memristive cell in the proposed M-CNN features two degrees of freedom, the investigation of the cellular array calls for the generalization of the DRM graphical tool, applicable to first-order systems only. The modified DRM graphical tool, applicable to second-order dynamical systems, is known as <italic>Second-Order Dynamic Route Map</italic> (DRM<sub>2</sub>) (<xref ref-type="bibr" rid="B33">Tetzlaff et&#x20;al., 2020</xref>). The application of this novel system-theoretic technique to the model of the proposed M-CNN allows to gain a deep insight into the rich nonlinear behaviour of its second-order processing elements, unveiling dynamical phenomena, which may not emerge in the original cellular array (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Ascoli et&#x20;al., 2020b</xref>). The DRM<sub>2</sub> graphical tool lies at the basis of a systematic methodology to design variability-tolerant mem-computing arrays with second-order memristive cells (<xref ref-type="bibr" rid="B1">Ascoli et&#x20;al., 2020a</xref>).</p>
<p>The structure of the paper is organized as follows. <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref> revisits the theory of CNNs, explaining the invaluable role of the classical DRM graphical technique to analyze standard arrays of locally coupled processing elements, and elucidating through an illustrative example the traditional method, based upon this system-theoretic tool, to program the cellular computing engine for the execution of a predefined image processing task. <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref> first defines the class of M-CNNs under study, including the model of the non-volatile memristor hosted in each cell, secondly extends the DRM graphical tool to second-order dynamical systems, elucidates how this allows to draw a comprehensive picture of the nonlinear dynamics of each memristive processing element, and finally presents a rigorous procedure, based upon the DRM<sub>2</sub> system-theoretic technique, to design cellular mem-computing structures with second-order memristive cells. Sections 4 and 5 are devoted to the application of the M-CNN design methodology for operating the multifunctional memristive cellular computing engine as image processing system and as memory bank, respectively. A brief discussion, summarizing the significance of the research work, is provided in <xref ref-type="sec" rid="s6">section 6</xref>. Conclusions are finally drafted in <xref ref-type="sec" rid="s7">section&#x20;7</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Analysis and Design of Memristor Cellular Nonlinear Networks</title>
<p>Cellular Nonlinear Networks (CNNs) constitute a bio-inspired multivariate signal processing paradigm, which, based upon a massively parallel information flow, enables computations at very high rates, and is amenable to a Very Large Scale Integration (VLSI) circuit realization, which, centered around a non-von-Neumann machine architecture, enables computational universality. Introducing memristive devices in CNN VLSI design may provide two main benefits. Firstly, the rich spectrum of nonlinear dynamic phenomena, appearing in resistance switching memories, may simplify or extend the functionalities of traditional CNNs. Secondly, the unique combined capability of nonvolatile memristors to compute and store data within the same nanoscale physical medium may render unnecessary the need to include spacious data storage units within the circuit implementation of each cell, allowing to improve considerably the number of processing elements fitting into the IC design area allocated to the non-von-Neumann computing machine.</p>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 Theory of Cellular Nonlinear Networks</title>
<p>The theoretical foundations of CNNs were laid in 1988 by L. Chua (<xref ref-type="bibr" rid="B17">Chua and Yang, 1988a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">Chua and Yang, 1988b</xref>). In the most general case, a CNN consists of a spatially discrete collection of locally coupled <italic>k</italic>
<sup>th</sup>-order continuous-time processing elements, called cells, arranged at regular positions within a <italic>l</italic>-dimensional lattice. The architecture of a small two-dimensional CNN with <italic>M</italic>&#x20;&#x3d; 6 rows and <italic>N</italic>&#x20;&#x3d; 6 columns is presented in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure&#x20;1A</xref>, under the assumption that each cell <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="minf1">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x2013; <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="minf2">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="minf3">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x2013; is physically coupled to its 8 adjacent neighbors only<xref ref-type="fn" rid="fn3">
<sup>3</sup>
</xref>. Each cell is assigned a state, an input, an output, as well as a threshold. The rate of change of the state of a cell is influenced by the inputs and outputs of its 8 adjacent neighbors, as well as by its own input and output, as respectively sketched through eight brown directed segments and through one magenta directed loop in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure&#x20;1A</xref> for the processing element located where the 3<sup>rd</sup> row crosses the 4<sup>th</sup> column. The block diagram in plot (b) of <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure&#x20;1</xref> illustrates once more the key factors affecting the dynamical behaviour of a CNN cell. The neighbors&#x2019; inputs (outputs) are modulated by feedforward (feedback) synaptic weights before accessing the cell to affect the time evolution of its state, similarly as it occurs in biological neural networks. The cell <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="minf4">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of a standard time- and space-invariant two-dimensional CNN (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Chua and Roska, 2002</xref>) is implemented by the circuit of <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure&#x20;2</xref>, where the computing core is mathematically described by<xref ref-type="fn" rid="fn4">
<sup>4</sup>
</xref> (<inline-formula id="inf5">
<mml:math id="minf5">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="minf6">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>)<disp-formula id="e1">
<mml:math id="me1">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>in case it is physically coupled to its 8 adjacent neighbors only<xref ref-type="fn" rid="fn5">
<sup>5</sup>
</xref> i.e.,&#x20;<italic>r</italic>&#x20;&#x3d; 1. With reference to the circuit of <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure&#x20;2</xref>, the main physical quantity within the input stage, the computing core, and the output stage respectively are the input voltage <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="minf7">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the voltage <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="minf8">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> across a capacitor with capacitance <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="minf9">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211d;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, expressing the state, and the output voltage <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="minf10">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Focusing on the output stage, the latter physical quantity is defined as<disp-formula id="e2">
<mml:math id="me2">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="minf11">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211d;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the resistance of a passive linear resistor, whereas <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="minf12">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the current of a voltage-controlled source, featuring the piecewise linear expression<disp-formula id="e3">
<mml:math id="me3">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>generally known as <italic>standard nonlinearity</italic>, where <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="minf13">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="minf14">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are positive parameters with units <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="minf15">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and V, respectively. Importantly, the piecewise-linear standard nonlinearity identifies three domains, specifically the <italic>negative saturation region</italic> <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="minf16">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the <italic>linear region</italic> <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="minf17">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the <italic>positive saturation region</italic> <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="minf18">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where the cell output voltage <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="minf19">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> attains the negative saturation voltage <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="minf20">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, is a linear function of the state <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="minf21">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and attains the positive saturation voltage <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="minf22">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. Inspecting now the computing core in the cell circuit of <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure&#x20;2</xref>, <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="minf23">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, defined as<disp-formula id="e4">
<mml:math id="me4">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>where <italic>z</italic> is a dimensionless parameter referred to as <italic>threshold</italic> in CNN theory (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Chua and Roska, 2002</xref>), while <italic>I</italic> is a coefficient with positive 1&#xa0;A value, symbolizes the threshold current. Further, <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="minf24">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211d;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> stands for the resistance of a passive linear resistor<xref ref-type="fn" rid="fn6">
<sup>6</sup>
</xref>, while, importantly, <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="minf25">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf26">
<mml:math id="minf26">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), defined as<disp-formula id="e5">
<mml:math id="me5">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e6">
<mml:math id="me6">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="minf27">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf28">
<mml:math id="minf28">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), with <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="minf29">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,0,1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, is known as <italic>feedback (feedforward) synaptic weight</italic> in CNN theory (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Chua and Roska, 2002</xref>), represents the feedback (feedforward) synaptic current due to the neighboring cell <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="minf30">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and constituting one of the 18 contributions to the cell capacitor current <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="minf31">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> enclosed within the round brackets to the right of the double sum in <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Eq.&#x20;1</xref>. It is worth mentioning that, the CNN mathematical description reported in Eq. 1 is known as Chua-Yang model (<xref ref-type="bibr" rid="B6">Chua and Yang, 1988a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B17">Chua and Yang, 1988b</xref>). Despite an alternative mathematical description, known as Full-Range model (<xref ref-type="bibr" rid="B44">V&#x00E1;zquez et al., 1993</xref>), facilitates the hardware implementation of the CNN paradigm by restricting the set of allowable values for the cells&#x2019; states, this paper adopts the original Chua-Yang mathematical description for pedagogical purposes.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> Physical connectivity among the locally coupled cells of a two-dimensional CNN with six rows and six columns. <bold>(B)</bold> Schematic illustration of the main features of a CNN cell, revealing some of its analogies with a biological neuron, which explains the nomenclature originally introduced to characterize the locally coupled nonlinear dynamic array, namely <italic>Cellular Neural Network</italic>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnano-03-633026-g001.tif"/>
</fig>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Input stage, computing core, implementing the state <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Eq. 1</xref>, and output stage of the circuit realization of a standard space-invariant CNN cell <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="minf32">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnano-03-633026-g002.tif"/>
</fig>
<p>Typically, the right hand side of the CNN cell state <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Eq. 1</xref> may be recast as<disp-formula id="e7">
<mml:math id="me7">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="minf33">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the so-called <italic>Internal Driving Point (DP) Component</italic> is a function of the cell state, being defined as<disp-formula id="e8">
<mml:math id="me8">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>if</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>,</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e9">
<mml:math id="me9">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>if</mml:mi>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>,</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e10">
<mml:math id="me10">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>if</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>.</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>while <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="minf34">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, known as <italic>offset current</italic>, mostly accounts for the coupling effects, being expressed by<disp-formula id="e11">
<mml:math id="me11">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="minf35">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf36">
<mml:math id="minf36">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) denotes the set of input (output) voltages of all the processing elements in the <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="minf37">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> neighborhood of the cell <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="minf38">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Nineteen are the key parameters, which define the image processing operation, which a CNN may accomplish, for a predefined input/initial condition combination, and under suitable boundary conditions, specifically the threshold <italic>z</italic>, the feedback synaptic weights <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="minf39">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and&#xa0;the&#x2b;feedforward&#xa0;synaptic&#xa0;weights <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="minf40">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Given the crucial role that this 19-number set plays on the dynamical evolution of the cells&#x2019; states, it is generally known as <italic>gene</italic> in CNN theory. A gene defines the set of rules, which apply concurrently in the neighborhood of each cell, allowing the standard space-invariant CNN to carry out a given computation.</p>
<p>
<statement>
<p>Remark 1. A CNN may be used to carry out any computing task. The calculations are based upon the analogue dynamics of the cell states. As transients vanish, depending on cell parameter settings, inputs and initial conditions, each capacitor voltage may tend toward an equilibrium, or converge to an oscillatory waveform, which may be periodic, quasi-periodic, or even chaotic. A CNN may then process the information, inserted as cell inputs and/or initial conditions, in two different forms i.e.,&#x20;producing computation results in the form of equilibria or waves, hence the names CNN equilibria-based computing or CNN wave computing attributed to the respective operating principle. In this manuscript the attention is focused on CNNs computing via equilibria<xref ref-type="fn" rid="fn7">
<sup>7</sup>
</xref>
<italic>.</italic>
</p>
<p>&#x2003;Let us elucidate the classical method to design a CNN, so that it may execute a fundamental image processing task<xref ref-type="fn" rid="fn8">
<sup>8</sup>
</xref>, carrying out the result of the computation in the cell equilibria.</p>
<p>&#x2003;A rigorous technique to synthesize the gene of a standard CNN, so as to allow the successful execution of a given equilibria-based computing task, even in the presence of deviations of some cell circuit parameters from their nominal values, was introduced in (<xref ref-type="bibr" rid="B38">Zar&#xe1;ndy, 2003</xref>), and comprehensively presented in (<xref ref-type="bibr" rid="B21">Itoh and Chua, 2003</xref>). Before summarizing the line-of-thought at the basis of this classical methodology, let us provide a brief overview of the nonlinear dynamics of a CNN processing element.</p>
</statement>
</p>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>2.2 Key Features of the CNN Cell Dynamics</title>
<p>The first aspect to consider for the synthesis of a suitable CNN gene is the choice of a proper value for the self-feedback synaptic weight <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="minf41">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. As will be clarified through qualitative sketches below, this parameter crucially influences the directed <italic>Internal DP Characteristic</italic>, consisting of the arrowed locus of the rate of change of the state <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="minf42">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> vs. the state <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="minf43">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> itself under <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="minf44">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>A. As anticipated in <xref ref-type="sec" rid="s2-2">section 2.2</xref> in the context of memristors, this type of graphical representation is typically referred to as State Dynamic Route (SDR). In the upper (lower) half of the <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="minf45">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf46">
<mml:math id="minf46">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> plane, where <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="minf47">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="minf48">
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> s<sup>&#x2212;1</sup>, arrows, supeimposed over the Internal DP Characteristic, point toward the east (west) to indicate an increase (a decrease) in the state <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="minf49">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> over time. The intersections between this <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="minf50">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf51">
<mml:math id="minf51">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> locus and the horizontal <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="minf52">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-axis, marked as filled (hollow) circles, denote the stable (unstable) equilibria of the cell state equation under null offset current. All in all, fixing the value for <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="minf53">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> unequivocally determines the dynamical behaviour of the cell state <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="minf54">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from any initial condition <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="minf55">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> under zero offset current. With reference to<xref ref-type="fn" rid="fn9">
<sup>9</sup>
</xref> <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure&#x20;3</xref>, plot (a) shows how <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="minf56">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> affects the shape of the locus of the state rate of change <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="minf57">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> vs. the state <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="minf58">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> itself under <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="minf59">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>A</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. As anticipated in <xref ref-type="sec" rid="s2-2">section 2.2</xref> in the context of memristors, a family of directed loci of this kind, one for each value of a control parameter (in this case <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="minf60">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), is called DRM, here more specifically referred to as cell DRM. Varying <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="minf61">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="minf62">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="minf63">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the CNN processing element may exhibit three distinct stability characters:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>&#x2022; If <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="minf64">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see the green and brown curves, associated to non-null negative and null self-feedback values, respectively) the cell is monostable with one and only one GAS equilibrium at <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="minf65">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; If <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="minf66">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see the pink curve) each state value within the set <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="minf67">
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,1</mml:mn>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V is a stable but not GAS equilibrium <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="minf68">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for the processing element, which is said to admit a line of equilibria.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; If <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="minf69">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see the black curve) the cell is bistable, featuring two locally stable equilibria, one lying at <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="minf70">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the negative saturation region, and the other at <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="minf71">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the positive saturation region, besides the separatrix between their basins of attractions, namely the unstable equilibrium in the origin.</p>
</list-item>
</list>
</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> Family of Internal DP Characteristics, which a CNN cell admits for each value of the self-feedback synaptic weight <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="minf72">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the set <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="minf73">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,0,1,2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <bold>(B)</bold> Family of Shifted DP Characteristics, which a CNN cell admits for <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="minf74">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for each value of the offset current <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="minf75">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the set <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="minf76">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0,0.5</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The set of cell circuit parameter values for the derivation of these viewgraphs is provided here: <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="minf77">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>F, <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="minf78">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="minf79">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="minf80">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;V.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnano-03-633026-g003.tif"/>
</fig>
<p>The ordinates of the two breakpoints of the three-segment<xref ref-type="fn" rid="fn10">
<sup>10</sup>
</xref> piecewise-linear Internal DP Characteristic, located at <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="minf81">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and at <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="minf82">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively, are of significant importance in the analysis of the <italic>Shifted</italic>
<xref ref-type="fn" rid="fn11">
<sup>11</sup>
</xref> <italic>DP Characteristic</italic> (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Chua and Roska, 2002</xref>), i.e. the locus of the state rate of change <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="minf83">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> vs. the state <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="minf84">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> itself under non-null offset current. First of all, it is important to point out that, under specific hypotheses, including fixed values for all input voltages and thresholds, a standard space-invariant<xref ref-type="fn" rid="fn12">
<sup>12</sup>
</xref> CNN is <italic>completely stable</italic> (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Chua and Roska, 2002</xref>), in the sense that the state <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="minf85">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of each cell <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="minf86">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> converges asymptotically toward an equilibrium point <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="minf87">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which, in general, depends upon the initial conditon <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="minf88">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Moreover, for a completely stable standard space-invariant CNN, according to the <italic>bistability criterion</italic> (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Chua and Roska, 2002</xref>), in case the condition<disp-formula id="e12">
<mml:math id="me12">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>holds true, the slope of the Internal DP Characteristic in the linear region&#x2013;refer to <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Eq. 9</xref> &#x2013; is positive, and, consequently, the stable equilibria of each cell under <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="minf89">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>A are found to lie in either of the two saturation regions of the standard nonlinearity of <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Eq. 3</xref>, as will be elucidated, shortly, through the analysis of the resulting Family of Shifted DP Characteristics, implying that, given the form of the standard nonlinearity <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Eq. 3</xref>, the final value for the output voltage of any processing element is one of the two saturation levels in the set <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="minf90">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This is highly desirable for image processing, where, as will be shown through an illustrative example shortly, a CNN equilibria-based computation is typically visualized in the form of a binary output image, coding the final values of the cell output voltages. Importantly, the output voltage of each processing element will attain its final value i.e.,&#x20;one of the two possible saturation levels, already at a finite time instant, let us denote it as <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="minf91">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, at which its state <inline-formula id="inf92">
<mml:math id="minf92">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> enters the saturation region, which hosts the equilibrium point <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="minf93">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For all <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="minf94">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> the CNN may be considered at <italic>steady state</italic> as far as its cell output voltages are concerned<xref ref-type="fn" rid="fn13">
<sup>13</sup>
</xref>. It follows that, irrespective of the location of the CNN cell <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="minf95">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> under analysis, the offset current <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="minf96">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which, in general, changes over time during transients, keeps a fixed value for all <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="minf97">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This is of significant importance, since from this time instant onward, the Shifted DP Characteristic will no longer bounce, as, on the other hand, may be the case during transients, facilitating the study of the dynamic behaviour of the state <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="minf98">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from any initial condition <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="minf99">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>With reference to the viewgraphs of <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure&#x20;3B</xref>, neglecting the marginal cases, three are the possible equilibria configurations, which a cell <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="minf100">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> may feature under the bistable criterion hypothesis for <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="minf101">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>A.<list list-type="simple">
<list-item>
<p>&#x2022; If <inline-formula id="inf102">
<mml:math id="minf102">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see the blue curve) the cell turns into a monostable dynamical system, featuring one and only one globally asymptotically stable (GAS) equilibrium in the negative saturation region at <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="minf103">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; If <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="minf104">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see the green, and red curves, associated to negative and positive offset current values, respectively) the processing element keeps its bistable character, featuring an unstable equilibrium in the linear region at <inline-formula id="inf105">
<mml:math id="minf105">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and two-locally stable equilibria, one in the negative saturation region at <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="minf106">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and one in the positive saturation region at <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="minf107">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; If <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="minf108">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see the magenta curve) the cell turns into yet another monostable dynamical system, admitting one and only one GAS equilibrium in the positive saturation region at <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="minf109">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</list-item>
</list>
</p>
</sec>
<sec id="s2-3">
<title>2.3 A Systematic DRM-Based Methodology to Design Robust CNNs</title>
<p>The standard method (<xref ref-type="bibr" rid="B38">Zar&#xe1;ndy, 2003</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B21">Itoh and Chua, 2003</xref>) to synthesize a suitable CNN gene for the execution of a given computing task is based upon the set up and later solution of an ad-hoc set of inequalities, expressed in terms of unknown gene parameters, ensuring a robust accomplishment of the computing task of interest. The functionalities of a given uncoupled<xref ref-type="fn" rid="fn14">
<sup>14</sup>
</xref> standard space-invariant completely stable CNN, satisfying the hypotheses of the bistability criterion, are dictated by a set of local rules, establishing the asymptotic value for the state <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="minf110">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and, correspondingly, the steady-state output voltage <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="minf111">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of each cell <inline-formula id="inf112">
<mml:math id="minf112">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, depending upon inputs, and initial conditions of all the processing elements within its <inline-formula id="inf113">
<mml:math id="minf113">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> neighbourhood.</p>
<p>For the reasons motivated above, in CNN designs for image processing applications, it is common to set the numerical value for the self-feedback synaptic weight <inline-formula id="inf114">
<mml:math id="minf114">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> so as to guarantee the satisfaction of inequality <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Eq. 12</xref>. Typically, to facilitate the CNN design process, the structure of the gene under synthesis is simplified as much as possible, given the degree of complexity of the computing task, which the cellular array is expected to execute, and/or the values of some of the elements from the 19-number parameter set are assumed to be known. The family of all the possible invariable arrowed Shifted DP Characteristics, which a cell may admit for all <inline-formula id="inf115">
<mml:math id="minf115">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for any value, which the offset current may assume, then, under the hypothesis of each of the rules, is then examined, so as to identify the worst-case scenario, where deviations of cell circuit parameters from their nominal values are most likely to induce a change in the cell equilibria configuration<xref ref-type="fn" rid="fn15">
<sup>15</sup>
</xref>, and, consequently, the emergence of CNN computation errors. The next step is to write down an inequality, establishing a constraint for the offset current, and ensuring that, in such critical scenario, <inline-formula id="inf116">
<mml:math id="minf116">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is negative (positive) at the specified initial condition <inline-formula id="inf117">
<mml:math id="minf117">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, so that the state <inline-formula id="inf118">
<mml:math id="minf118">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> would approach a desired equilibrium <inline-formula id="inf119">
<mml:math id="minf119">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the negative (positive) saturation region. Repeating this procedure for each rule allows to derive an inequality set (IS), whose solutions may be determined through numerical techniques, or, in case the number of unknowns is small, via a geometry-based approach. The particular values assigned to the unknowns, allowing to program the CNN with a suitable gene, are then selected to endow the computation with the highest degree of tolerance against parameter variation.</p>
</sec>
<sec id="s2-4">
<title>2.4 Edge CNN</title>
<p>The aim of this section is to synthesize the gene of a standard space-invariant non-autonomous uncoupled CNN so that the resulting nonlinear dynamic array is able to extract the edges from an input binary image. Next, the classical CNN design methodology, briefly described earlier, will be applied to the cell ODE (1) in order to achieve this purpose. The three local rules, which each cell should obey, are reported in <xref ref-type="table" rid="T1">Table&#x20;1</xref>, where <inline-formula id="inf120">
<mml:math id="minf120">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> defines how many of the 8 adjacent neighbors feature a positive one V-valued input voltage. The first rule establishes that, if the cell <inline-formula id="inf121">
<mml:math id="minf121">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> features an input voltage <inline-formula id="inf122">
<mml:math id="minf122">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> equal to <inline-formula id="inf123">
<mml:math id="minf123">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, its output voltage <inline-formula id="inf124">
<mml:math id="minf124">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at equilibrium is found to attain the negative saturation voltage <inline-formula id="inf125">
<mml:math id="minf125">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> irrespective of the value of <inline-formula id="inf126">
<mml:math id="minf126">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Plot (a) in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure&#x20;4</xref> depicts a possible <inline-formula id="inf127">
<mml:math id="minf127">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> pattern around a white pixel at row <italic>i</italic> and column <italic>j</italic> in the input binary image under rule 1. Here 3 of the 8 neighboring pixels are black. The pixel in the position <inline-formula id="inf128">
<mml:math id="minf128">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the output binary image is white at equilibrium, as depicted on the bottom of the input pattern. The second (third) rule imposes that, in case the cell <inline-formula id="inf129">
<mml:math id="minf129">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> features an input voltage <inline-formula id="inf130">
<mml:math id="minf130">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> equal to <inline-formula id="inf131">
<mml:math id="minf131">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, its output voltage <inline-formula id="inf132">
<mml:math id="minf132">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at equilibrium is found to attain the negative (positive) saturation voltage <inline-formula id="inf133">
<mml:math id="minf133">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in case <inline-formula id="inf134">
<mml:math id="minf134">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is exactly equal to 8 (is less or equal to 7). Plot (b) ((c)) in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure&#x20;4</xref> depicts the only (a) possible <inline-formula id="inf135">
<mml:math id="minf135">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> pattern around a black pixel at row <italic>i</italic> and column <italic>j</italic> in the input binary image under rule 2 (3). Here all (4) of the 8 neighboring pixels are black. The pixel in the position <inline-formula id="inf136">
<mml:math id="minf136">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the output binary image is white (black) at equilibrium, as depicted on the bottom of the input pattern.</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Local rule triplet, which, irrespective of its location within the cellular array, a processing element <inline-formula id="inf137">
<mml:math id="minf137">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is requested to obey, for the extraction of edges from an input binary image, preliminarily discretized into a <inline-formula id="inf138">
<mml:math id="minf138">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> matrix of pixels (<inline-formula id="inf139">
<mml:math id="minf139">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf140">
<mml:math id="minf140">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>).</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">Local rule</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf141">
<mml:math id="minf141">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf142">
<mml:math id="minf142">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">Conditions on <inline-formula id="inf143">
<mml:math id="minf143">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">1</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf144">
<mml:math id="minf144">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf145">
<mml:math id="minf145">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">Irrespective of <inline-formula id="inf146">
<mml:math id="minf146">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">2</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf147">
<mml:math id="minf147">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf148">
<mml:math id="minf148">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">If <inline-formula id="inf149">
<mml:math id="minf149">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">3</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf150">
<mml:math id="minf150">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf151">
<mml:math id="minf151">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">If <inline-formula id="inf152">
<mml:math id="minf152">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Graphical illustration of the application of the EDGE CNN local rules 1 for <inline-formula id="inf153">
<mml:math id="minf153">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <bold>(A)</bold>, 2&#x20;<bold>(B)</bold>, and 3 for <inline-formula id="inf154">
<mml:math id="minf154">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <bold>(C)</bold>. Each of the three plots visualizes, on top, a <inline-formula id="inf155">
<mml:math id="minf155">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> pattern around the pixel located at row <italic>i</italic> and column <italic>j</italic> in the input binary image, and, below, the pixel at position <inline-formula id="inf156">
<mml:math id="minf156">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the output binary image at equilibrium.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnano-03-633026-g004.tif"/>
</fig>
<p>As clarified by <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure&#x20;5A</xref>, the CNN under design is expected to extract the edges from an input binary image, visualizing them in the output binary image at steady state. Since the CNN is meant to be uncoupled, the offset current from <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Eq. 11</xref> reduces to<xref ref-type="fn" rid="fn16">
<sup>16</sup>
</xref>
<disp-formula id="e13">
<mml:math id="me13">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>
</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> Graphical illustration of the operating principles of the CNN under design. <bold>(B)</bold> EDGE CNN SDR for zero offset current. Here <inline-formula id="inf157">
<mml:math id="minf157">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>F, <inline-formula id="inf158">
<mml:math id="minf158">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf159">
<mml:math id="minf159">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf160">
<mml:math id="minf160">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V. The self-feedback synaptic weight <inline-formula id="inf161">
<mml:math id="minf161">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (the <italic>b</italic> value for each of the feedforward synaptic weights, except for <inline-formula id="inf162">
<mml:math id="minf162">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) is set to <inline-formula id="inf163">
<mml:math id="minf163">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf164">
<mml:math id="minf164">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) ahead of the application of the classical CNN design methodology from <xref ref-type="bibr" rid="B21">Itoh and Chua (2003)</xref>. The cell equilibria lie at <inline-formula id="inf165">
<mml:math id="minf165">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V, at <inline-formula id="inf166">
<mml:math id="minf166">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V, and at <inline-formula id="inf167">
<mml:math id="minf167">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnano-03-633026-g005.tif"/>
</fig>
<p>Assuming that all the feedforward synaptic weights, with the exclusion of <inline-formula id="inf168">
<mml:math id="minf168">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, are identical one to the other, namely <inline-formula id="inf169">
<mml:math id="minf169">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for all <inline-formula id="inf170">
<mml:math id="minf170">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> such that <inline-formula id="inf171">
<mml:math id="minf171">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, indicating how many, among the 8 neighbours of the cell <inline-formula id="inf172">
<mml:math id="minf172">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, feature a negative one V-valued input voltage through the variable <inline-formula id="inf173">
<mml:math id="minf173">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and noting that <inline-formula id="inf174">
<mml:math id="minf174">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the formula <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Eq. 13</xref> for <inline-formula id="inf175">
<mml:math id="minf175">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> reduces to<disp-formula id="e14">
<mml:math id="me14">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>where the argument reveals the dependence of the offset current upon <inline-formula id="inf176">
<mml:math id="minf176">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf177">
<mml:math id="minf177">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Assuming that <inline-formula id="inf178">
<mml:math id="minf178">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211d;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf179">
<mml:math id="minf179">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211d;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are given parameters, the only two unknowns for the specification of a suitable gene are then <inline-formula id="inf180">
<mml:math id="minf180">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <italic>z</italic>. <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure&#x20;5B</xref> shows the directed Internal DP Characteristic<xref ref-type="fn" rid="fn17">
<sup>17</sup>
</xref>. The state <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Eq. 1</xref> under <inline-formula id="inf181">
<mml:math id="minf181">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>A admits two locally stable equilibria, located one in the negative saturation region, namely <inline-formula id="inf182">
<mml:math id="minf182">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and one in the positive saturation region, specifically <inline-formula id="inf183">
<mml:math id="minf183">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and separated by an unstable equilibrium, i.e. <inline-formula id="inf184">
<mml:math id="minf184">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V, positioned in the linear region.</p>
<p>Let us set the initial condition <inline-formula id="inf185">
<mml:math id="minf185">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the cell ODE (1) to <inline-formula id="inf186">
<mml:math id="minf186">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V. Following the line-of-thought inspiring the classical CNN design methodologies, discussed in the seminal papers (<xref ref-type="bibr" rid="B38">Zar&#xe1;ndy, 2003</xref>) and (<xref ref-type="bibr" rid="B21">Itoh and Chua, 2003</xref>), and briefly reviewed above, let us now examine the Family of arrowed Shifted DP Characteristics, which a processing element may admit in all scenarios, which may possibly emerge under the hypothesis of each of the three rules from <xref ref-type="table" rid="T1">Table&#x20;1</xref>.</p>
<p>In order to fulfill rule 1, where <inline-formula id="inf187">
<mml:math id="minf187">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, a condition should be enforced to ensure that the maximum value, which the offset current may ever attain i.e.,&#x20;<inline-formula id="inf188">
<mml:math id="minf188">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, is smaller than the ordinate <inline-formula id="inf189">
<mml:math id="minf189">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the left breakpoint of the <inline-formula id="inf190">
<mml:math id="minf190">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf191">
<mml:math id="minf191">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> piecewise linear characteristic of <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure&#x20;5B</xref>. This would guarantee a negative sign for the ordinate of the right breakpoint of the resulting <inline-formula id="inf192">
<mml:math id="minf192">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf193">
<mml:math id="minf193">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> piecewise-linear characteristic, as is the case for the arrowed blue locus in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure&#x20;6A</xref>, illustrating the dynamic route followed by the cell state for <inline-formula id="inf194">
<mml:math id="minf194">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf195">
<mml:math id="minf195">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V, and <inline-formula id="inf196">
<mml:math id="minf196">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, under the parameter setting, reported in the caption of <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure&#x20;5B</xref>. As a result, for all possible <inline-formula id="inf197">
<mml:math id="minf197">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> values in <inline-formula id="inf198">
<mml:math id="minf198">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,1,2,3,4,5,6,7,8</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the CNN cell would be monostable, and <inline-formula id="inf199">
<mml:math id="minf199">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> would decrease monotonically over time from the initial condition <inline-formula id="inf200">
<mml:math id="minf200">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> toward an equilibrium, i.e. <inline-formula id="inf201">
<mml:math id="minf201">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, located in the negative saturation region, as established by rule 1. Therefore, the first EDGE CNN design constraint sets an upper bound for the maximum offset current, according to<disp-formula id="e15">
<mml:math id="me15">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>It is worth pointing out that the farther away from the horizontal axis, within the plane lower half, would be positioned the right breakpoint of the <inline-formula id="inf202">
<mml:math id="minf202">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf203">
<mml:math id="minf203">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> piecewise-linear characteristic in the worst-case scenario from rule 1, and the more robust would be the EDGE CNN design<xref ref-type="fn" rid="fn18">
<sup>18</sup>
</xref>.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>Graphs clarifying the line of reasoning behind the DRM synthesis strategy adopted in <xref ref-type="bibr" rid="B21">Itoh and Chua (2003)</xref> to select a suitable gene allowing the resulting CNN to apply the local rule triplet of the binary image edge extraction operation in the 9-cell neighborhood of each processing element. The worst-case scenario in rule 1 is analyzed in <bold>(A)</bold>, where <inline-formula id="inf204">
<mml:math id="minf204">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf205">
<mml:math id="minf205">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Setting <inline-formula id="inf206">
<mml:math id="minf206">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf207">
<mml:math id="minf207">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, plot <bold>(A)</bold> allows to investigate rule 2 as well. The worst-case scenario in rule 3 is illustrated in plot <bold>(B)</bold>, where <inline-formula id="inf208">
<mml:math id="minf208">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf209">
<mml:math id="minf209">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The setting of the known parameters of the cell circuit of <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure&#x20;2</xref> is reported in the caption of <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure&#x20;5B</xref>. With reference to plot <bold>(A)</bold>, in the worst-case scenario from rule 1 (in rule 2) the cell state <inline-formula id="inf210">
<mml:math id="minf210">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> would evolve from the initial condition <inline-formula id="inf211">
<mml:math id="minf211">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V toward the equilibrium <inline-formula id="inf212">
<mml:math id="minf212">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V, as dictated by the arrowed blue locus, in case <inline-formula id="inf213">
<mml:math id="minf213">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> were found to be equal to <inline-formula id="inf214">
<mml:math id="minf214">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>A, while it would keep its initial value <inline-formula id="inf215">
<mml:math id="minf215">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V at all times, as governed by the arrowed red locus, if, as a result of the CNN design, the value &#x2212;1A would be assigned to <inline-formula id="inf216">
<mml:math id="minf216">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In case a cell would feature the blue (red) SDR, either in the worst-case scenario from rule 1 or in rule 2, the CNN would operate (would fail to function) as required. With reference to plot <bold>(B)</bold>, in the worst-case scenario from rule 3, <inline-formula id="inf217">
<mml:math id="minf217">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> would evolve along the arrowed blue dynamic route from the initial condition toward the equilibrium <inline-formula id="inf218">
<mml:math id="minf218">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.5</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V provided <inline-formula id="inf219">
<mml:math id="minf219">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> were found to be equal to &#x2212;0.5A, while it would keep its initial value <inline-formula id="inf220">
<mml:math id="minf220">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V, as established by the arrowed red locus, if, as a result of the CNN design, the value &#x2212;1A would be assigned to <inline-formula id="inf221">
<mml:math id="minf221">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Theoretically a CNN would properly function if a cell would exhibit the red SDR in the worst-case scenario from rule 3. However, if the cell featured the blue SDR, instead, it would additionally exhibit a little tolerance to deviations of parameters from their nominal values. The directed Internal DP Characteristic, shown in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure&#x20;5B</xref>, is depicted once again in black in both plots as a reference. This SDR would induce the cell state <inline-formula id="inf222">
<mml:math id="minf222">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to converge toward the equilibrium <inline-formula id="inf223">
<mml:math id="minf223">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V. It follows that a cell with such a SDR under <inline-formula id="inf224">
<mml:math id="minf224">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V and <inline-formula id="inf225">
<mml:math id="minf225">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or under <inline-formula id="inf226">
<mml:math id="minf226">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V and <inline-formula id="inf227">
<mml:math id="minf227">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (under <inline-formula id="inf228">
<mml:math id="minf228">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V and <inline-formula id="inf229">
<mml:math id="minf229">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) would seriously fail to operate as desired (would function properly, exhibiting a good robustness against parameter variability).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnano-03-633026-g006.tif"/>
</fig>
<p>Let us now derive the condition allowing the CNN to apply rule 2 from <xref ref-type="table" rid="T1">Table&#x20;1</xref> in the sphere of influence of any processing cell <inline-formula id="inf230">
<mml:math id="minf230">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which features, as each of its eight neigbours, a positive one V-valued input voltage. Since the expected cell steady-state output voltage <inline-formula id="inf231">
<mml:math id="minf231">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is once again <inline-formula id="inf232">
<mml:math id="minf232">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as in rule 1, <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure&#x20;6A</xref> can be reused to work out a suitable inequality for rule 2 under <inline-formula id="inf233">
<mml:math id="minf233">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf234">
<mml:math id="minf234">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The second EDGE CNN design condition, ensuring that the state <inline-formula id="inf235">
<mml:math id="minf235">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of a cell <inline-formula id="inf236">
<mml:math id="minf236">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with <inline-formula id="inf237">
<mml:math id="minf237">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V and <inline-formula id="inf238">
<mml:math id="minf238">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> would asymptotically approach an equilibrium, specifically <inline-formula id="inf239">
<mml:math id="minf239">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, located in the negative saturation region, is then similar to the inequality <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Eq. 5</xref>, reading as<disp-formula id="e16">
<mml:math id="me16">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>In order for the CNN under design to apply rule 3 from <xref ref-type="table" rid="T1">Table&#x20;1</xref> in the <inline-formula id="inf240">
<mml:math id="minf240">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> neighbourhood of each processing element, which features a positive one V-valued input voltage, and is physically coupled to at least one neighbour with a negative one V-valued input voltage, the minimum value, which the offset current may ever attain, namely <inline-formula id="inf241">
<mml:math id="minf241">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> should be larger than the ordinate <inline-formula id="inf242">
<mml:math id="minf242">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the left breakpoint of the <inline-formula id="inf243">
<mml:math id="minf243">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf244">
<mml:math id="minf244">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> piecewise-linear characteristic of <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure&#x20;5B</xref>. This would ensure a positive sign for the ordinate of the right breakpoint of the resulting <inline-formula id="inf245">
<mml:math id="minf245">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> vs. <inline-formula id="inf246">
<mml:math id="minf246">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> piece-wize linear characteristic, as is the case for the arrowed blue locus in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure&#x20;6B</xref>, illustrating the dynamic route of the cell state for <inline-formula id="inf247">
<mml:math id="minf247">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf248">
<mml:math id="minf248">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V, and <inline-formula id="inf249">
<mml:math id="minf249">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, under the parameter setting, reported in the caption of <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure&#x20;5B</xref>. Consequently, for all admissible <inline-formula id="inf250">
<mml:math id="minf250">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> values in <inline-formula id="inf251">
<mml:math id="minf251">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,1,2,3,4,5,6,7</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the cell state <inline-formula id="inf252">
<mml:math id="minf252">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> would monotonically increase over time toward an equilibrium, i.e. <inline-formula id="inf253">
<mml:math id="minf253">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, located in the positive saturation region, as required in rule 3. The third EDGE CNN design inequality is then establishing a lower bound for the minimum offset current, i.e.<xref ref-type="fn" rid="fn19">
<sup>19</sup>
</xref>
<disp-formula id="e17">
<mml:math id="me17">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>For a robust CNN design the right breakpoint of the <inline-formula id="inf254">
<mml:math id="minf254">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf255">
<mml:math id="minf255">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> piecewise-linear characteristic of a cell <inline-formula id="inf256">
<mml:math id="minf256">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the worst-case scenario from rule 3 should be positioned as farther away as possible from the horizontal axis within the plane upper half<xref ref-type="fn" rid="fn20">
<sup>20</sup>
</xref>.</p>
<p>For the parameter setting reported in the caption of <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure&#x20;5</xref>, the three inequalities <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Eqs. 15</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e17">17</xref> are solved through a geometric approach on the <italic>z</italic>&#x2013;<inline-formula id="inf257">
<mml:math id="minf257">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> parameter plane, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure&#x20;7</xref>, where the green region visualizes the set of admissible solutions. For the specification of a suitable gene, guaranteeing the expected EDGE CNN functionality even in the presence of some small deviation of either of the two parameters <italic>z</italic> and <inline-formula id="inf258">
<mml:math id="minf258">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from their nominal values, it is adviceable to choose a particular solution <inline-formula id="inf259">
<mml:math id="minf259">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, whose graphical point-based representation on the parameter plane features an adequate distance from the boundaries of the green region, as indicated by means of an asterisk marker in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure&#x20;7</xref>. The gene, synthesized in this section, allows the CNN to extract edges from an input binary image, as displayed in plot (a) of <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure&#x20;5</xref>.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>Illustration of the geometrical analysis adopted to solve the three inequalities <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Eqs. 15</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e17">17</xref>, derived through the classical CNN design method (<xref ref-type="bibr" rid="B21">Itoh and Chua, 2003</xref>) to synthesize a suitable gene for a cellular array, intended to extract edges from a given input binary image, and reducing to <inline-formula id="inf260">
<mml:math id="minf260">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>9</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf261">
<mml:math id="minf261">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf262">
<mml:math id="minf262">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively, under the parameter setting reported in the caption of <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure&#x20;5B</xref>. The set of admissible solutions are enclosed within the green area. The asterisk symbol, located at <inline-formula id="inf263">
<mml:math id="minf263">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3,9</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, indicates a reasoned parameter pair choice for the specification of a robust EDGE CNN&#x20;gene.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnano-03-633026-g007.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s2-5">
<title>2.5 Limitations of the CNN Paradigm and of Its Hardware Implementation</title>
<p>Since each of their processing elements interacts simultaneously with the respective neighbors, CNNs may process multi-variate signals in a massively parallel fashion, as crucially necessary in time-critical application fields, such as industry process control, electronic surveillance, medical augmented reality, and IoT smart sensing. In order to harness more efficiently the bio-inspired operating principles of these nonlinear dynamic arrays, which make them a suitable mathematical framework for modeling neural systems, Chua and Roska proposed an innovative computer, called CNN Universal Machine (CNN-UM) (<xref ref-type="bibr" rid="B31">Roska, 1993</xref>), to implement their signal processing paradigm. The CNN-UM, fabricated in various forms over the years through the well-established CMOS technology<xref ref-type="fn" rid="fn21">
<sup>21</sup>
</xref> (<xref ref-type="bibr" rid="B35">V&#xe1;zquez et&#x20;al., 2018</xref>), consists of an array of locally coupled computing units, each of which is endowed with data storage blocks, which allow to distribute the memory across the cellular array, endowing the computing machine with a truly non-von Neumann architecture, and to reconfigure the array so as to solve any computation problem. Thanks to their massively parallel computing power, CNN-UM hardware realizations (<xref ref-type="bibr" rid="B35">V&#xe1;zquez et&#x20;al., 2018</xref>) may process images at rates as high as 30,000 frames per second. Considering that, furthermore, a universal cellular array may be physically realized within the IC area of a single chip (<xref ref-type="bibr" rid="B35">V&#xe1;zquez et&#x20;al., 2018</xref>), CNNs are particularly suitable for the development of miniaturized IoT technical systems, in which the integration between a matrix of sensing elements and a network of locally coupled computing units with local stored programmability on board enables information processing at the same location, where data detection takes place. A major problem, which prevents to widen the applicability scope of this class of sensor-processor arrays, is the limited degree of complexity of the dynamical phenomena, which may possibly emerge within their physical media, due to the simplicity of the input-output behaviours of the electrical components employed in the CNN-UM constitutive blocks. Thanks to their extremely rich dynamics, memristors may be adopted in novel designs of cellular computing arrays so as to extend significantly the spectrum of asymptotic spatio-temporal behaviours, which purely CMOS CNNs may currently exhibit. Another critical issue, which affects the performance of technical systems, combining sensing and processing functionalities on the same physical platform, is due to the rather low spatial resolution of state-of-the-art CNN-UM hardware realizations, originating from the presence of spacious data storage units within their computing units, as discussed earlier. This limits the maximum number of sensing and processing elements, which may be paired<xref ref-type="fn" rid="fn22">
<sup>22</sup>
</xref> one-to-one within the available IC area of these IoT commercial products (<xref ref-type="bibr" rid="B34">Toshiba Ltd., 2012</xref>). The adoption of memristive devices, endowed with memprocessing capabilities, may allow to obviate the inclusion of additional memory banks within the IC design of each CNN-UM computing unit, allowing to shrink considerably its size, and enabling the future realization of sensor-processor arrays with unprecedented spatial resolution, of great appeal to the IoT industry, nowadays. In this respect, it is timely to commence investigations aimed to explore the functionalities of Memristor CNNs (M-CNNs). In general, introducing memristors in the circuit implementation of a CNN processing element<xref ref-type="fn" rid="fn23">
<sup>23</sup>
</xref> increases the order of its ODE model, calling for the development of a new theory to investigate the operating principles of the resulting nonlinear dynamic array, and to program its gene to allow the accomplishment of a pre-defined memcomputing task. The theoretical foundations of M-CNNs shall be discussed in the section to follow.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Theory of Memristor Cellular Nonlinear Networks</title>
<p>Memristors are the key technology enabler for the hardware implementation of innovative memcomputing paradigms. This section provides some evidence for this claim, establishing the theoretical foundations of a class of cellular memprocessing structures, which we call M-CNNs, as anticipated in <xref ref-type="sec" rid="s2-5">section 2.5</xref>. In order to realize one of the proposed M-CNNs a first-order non-volatile memristor<xref ref-type="fn" rid="fn24">
<sup>24</sup>
</xref> <inline-formula id="inf264">
<mml:math id="minf264">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2133;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is placed in parallel with the capacitor in the circuit implementation of each cell of the two-dimensional standard time- and space-invariant CNN (<xref ref-type="bibr" rid="B5">Chua, 1998</xref>), which was discussed in <xref ref-type="sec" rid="s2-1">section 2.1</xref>. The memristive cell of the novel nonlinear dynamic array is shown in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure&#x20;8</xref>.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>FIGURE 8</label>
<caption>
<p>Circuit implementation of the M-CNN cell <inline-formula id="inf265">
<mml:math id="minf265">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf266">
<mml:math id="minf266">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf267">
<mml:math id="minf267">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). In this study the cell circuit parameters are assumed to be invariant across the <inline-formula id="inf268">
<mml:math id="minf268">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> bio-inspired memristive array. As a result, the following assumptions are made: <inline-formula id="inf269">
<mml:math id="minf269">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf270">
<mml:math id="minf270">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2133;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2133;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf271">
<mml:math id="minf271">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf272">
<mml:math id="minf272">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Two are the main contributions to the capacitor current <inline-formula id="inf273">
<mml:math id="minf273">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>: one, given by the addition between <inline-formula id="inf274">
<mml:math id="minf274">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf275">
<mml:math id="minf275">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf276">
<mml:math id="minf276">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, is a function of the two cell states, while the other, expressed by the sum of the memcomputing core currents, which flow through the 18 branches appearing to the right of the memristor, except for the self-feedback synaptic current, capture mostly the impact of input and output voltages of the 8 neighbors on the dynamics of the cell states themselves.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnano-03-633026-g008.tif"/>
</fig>
<p>The next section reports the mathematical description of the proposed memristive cellular&#x20;array.</p>
<sec id="s3-1">
<title>3.1 M-CNN Model</title>
<p>The M-CNN cell <inline-formula id="inf277">
<mml:math id="minf277">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure&#x20;8</xref> may be described by the following pair of first-order coupled ODEs<xref ref-type="fn" rid="fn25">
<sup>25</sup>
</xref> (<inline-formula id="inf278">
<mml:math id="minf278">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf279">
<mml:math id="minf279">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>):<disp-formula id="e18">
<mml:math id="me18">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e19">
<mml:math id="me19">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>The first ODE <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eq. 18</xref> governs the time evolution of the state <inline-formula id="inf280">
<mml:math id="minf280">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the first-order nonvolatile resistance switching memory <inline-formula id="inf281">
<mml:math id="minf281">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2133;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which the M-CNN cell <inline-formula id="inf282">
<mml:math id="minf282">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> acccommodates, according to an enhanced variant of a voltage-controlled memristor model, originally formulated by Pershin and Di Ventra (<xref ref-type="bibr" rid="B30">Pershin et&#x20;al., 2009</xref>), and capable to capture the switching kinetics of real memristor devices (<xref ref-type="bibr" rid="B22">Jo et&#x20;al., 2009</xref>), as discussed in <xref ref-type="bibr" rid="B29">Pershin and Di Ventra (2011)</xref>. The model of the resistance switching memory in the cell <inline-formula id="inf283">
<mml:math id="minf283">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a first-order element from the class of <italic>generic memristors</italic>, defined by the DAE set<disp-formula id="e20">
<mml:math id="me20">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e21">
<mml:math id="me21">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>Note that, within the processing element <inline-formula id="inf284">
<mml:math id="minf284">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the memristor voltage <inline-formula id="inf285">
<mml:math id="minf285">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> coincides with the capacitor voltage <inline-formula id="inf286">
<mml:math id="minf286">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, thus the expression for the memristor current <inline-formula id="inf287">
<mml:math id="minf287">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">Eq. 21</xref> reduces to<disp-formula id="e22">
<mml:math id="me22">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>The state evolution function <inline-formula id="inf288">
<mml:math id="minf288">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the memductance function <inline-formula id="inf289">
<mml:math id="minf289">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the Pershin and Di Ventra model of the memristor in the M-CNN cell <inline-formula id="inf290">
<mml:math id="minf290">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are respectively expressed by<disp-formula id="e23">
<mml:math id="me23">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtext>step</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mtext>step</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e24">
<mml:math id="me24">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>The memristor state <inline-formula id="inf291">
<mml:math id="minf291">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, representing the device memristance, is constrained to lie at all times within the closed set <inline-formula id="inf292">
<mml:math id="minf292">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf293">
<mml:math id="minf293">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf294">
<mml:math id="minf294">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denote the lowest and highest possible device resistances, respectively. With reference to <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Eq. 23</xref>, <inline-formula id="inf295">
<mml:math id="minf295">
<mml:mrow>
<mml:mtext>step</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> stands for the Heaviside function, while <inline-formula id="inf296">
<mml:math id="minf296">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a piecewise-linear nonlinearity of the form<disp-formula id="e25">
<mml:math id="me25">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf297">
<mml:math id="minf297">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211d;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf298">
<mml:math id="minf298">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211d;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are coefficients, measured in units <inline-formula id="inf299">
<mml:math id="minf299">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, denoting the smaller and larger slopes of the characteristic for <inline-formula id="inf300">
<mml:math id="minf300">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf301">
<mml:math id="minf301">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively, where <inline-formula id="inf302">
<mml:math id="minf302">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211d;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the memristor switching threshold voltage. <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure&#x20;9A</xref> depicts the <inline-formula id="inf303">
<mml:math id="minf303">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf304">
<mml:math id="minf304">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> chapacteristic for the parameter setting reported in its caption.</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>FIGURE 9</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> Course of <inline-formula id="inf305">
<mml:math id="minf305">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as a function of <inline-formula id="inf306">
<mml:math id="minf306">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf307">
<mml:math id="minf307">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V<sup>&#x2212;1</sup> s<sup>&#x2212;1</sup>, <inline-formula id="inf308">
<mml:math id="minf308">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V<sup>&#x2212;1</sup> s<sup>&#x2212;1</sup>, and <inline-formula id="inf309">
<mml:math id="minf309">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.8</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V. <bold>(B</bold>,<bold>C)</bold> Window functions, appearing in the state evolution function <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Eq. 23</xref>, and preventing <inline-formula id="inf310">
<mml:math id="minf310">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from decreasing below (increasing above) the lower <bold>(upper)</bold> bound <inline-formula id="inf311">
<mml:math id="minf311">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf312">
<mml:math id="minf312">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) under positive (negative) memristor voltages. Here <inline-formula id="inf313">
<mml:math id="minf313">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>40</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf314">
<mml:math id="minf314">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>k&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf315">
<mml:math id="minf315">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>k&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnano-03-633026-g009.tif"/>
</fig>
<p>Since the memristor state existence domain <inline-formula id="inf316">
<mml:math id="minf316">
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is finite, the state evolution function in <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Eq. 23</xref> is endowed with boundary conditions, which ensure that <inline-formula id="inf317">
<mml:math id="minf317">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> never decreases below (increases above) its lowest (largest) possible value under <inline-formula id="inf318">
<mml:math id="minf318">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In order to facilitate the numerical simulation of the memristor DAE set, we reformulate the boundary conditions as compared to their original definition<xref ref-type="fn" rid="fn26">
<sup>26</sup>
</xref> in the Pershin and Di Ventra model (<xref ref-type="bibr" rid="B30">Pershin et&#x20;al., 2009</xref>), adopting continuous and differentiable functions, inspired to Biolek&#x2019;s window (<xref ref-type="bibr" rid="B3">Biolek et&#x20;al., 2009</xref>), and reading as<disp-formula id="e26">
<mml:math id="me26">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e27">
<mml:math id="me27">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf319">
<mml:math id="minf319">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2115;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> controls the decay rate of the window function <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">Eqs. 26</xref>,<xref ref-type="disp-formula" rid="e27"> 27</xref> as <inline-formula id="inf320">
<mml:math id="minf320">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> approaches <inline-formula id="inf321">
<mml:math id="minf321">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf322">
<mml:math id="minf322">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). As graphically illustrated in plot (b) ((c)) of <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure&#x20;9</xref> for the parameter configuration provided in its caption, the window function <inline-formula id="inf323">
<mml:math id="minf323">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">Eqs. 26</xref>,<xref ref-type="disp-formula" rid="e27"> 27</xref> enforces the memory state evolution function <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Eq. 23</xref> to feature a zero, and, consequently, the memristor ODE <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eq. 18</xref> to admit an equilibrium at <inline-formula id="inf324">
<mml:math id="minf324">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> under positive (negative) values of the capacitor voltage. Since the memory state ODE <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eq. 18</xref>, with evolution function expressed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Eq. 23</xref>, is of first-order, the classical DRM graphical tool (<xref ref-type="bibr" rid="B7">Chua, 2018a</xref>) may be applied to investigate the memristor nonlinear dynamics. The DRM of the modified Pershin and Di Ventra memristor model is illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure&#x20;10A</xref> for the parameter arrangement defined in its caption. The DC value <inline-formula id="inf325">
<mml:math id="minf325">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, assigned to the voltage falling across the resistance switching memory, parametrizes the family of memristor SDRs. Within the family of <inline-formula id="inf326">
<mml:math id="minf326">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> vs. <inline-formula id="inf327">
<mml:math id="minf327">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> loci, the characteristic obtained for <inline-formula id="inf328">
<mml:math id="minf328">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V, known as POP, provides hints on the nonvolatile memory capability of the circuit element. On the basis of the memristor model under focus, the POP is a segment of the <inline-formula id="inf329">
<mml:math id="minf329">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> axis lying between <inline-formula id="inf330">
<mml:math id="minf330">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf331">
<mml:math id="minf331">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Each of the points on this segment&#x2013;shown in black in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure&#x20;10A</xref>&#x2013;represents a stable but not asymptotically stable equilibrium (<xref ref-type="bibr" rid="B32">Strogatz, 2000</xref>) for the ODE <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eq. 18</xref> with state evolution function <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Eq. 23</xref>. Particularly, the existence of a continuum of equilibria, namely <inline-formula id="inf332">
<mml:math id="minf332">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, for the memristor state equation under zero input clearly reveals that the resistance switching device is an analogue non-volatile memory. Any value for <inline-formula id="inf333">
<mml:math id="minf333">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> within its existence domain <inline-formula id="inf334">
<mml:math id="minf334">
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is a possible state, which the memristor may store, from the time at which the power is turned off, till the time at which a new voltage stimulus is applied between its terminals. With regard to the <inline-formula id="inf335">
<mml:math id="minf335">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf336">
<mml:math id="minf336">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> loci, associated to nonzero values for <inline-formula id="inf337">
<mml:math id="minf337">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure&#x20;10A</xref>, the device asymptotically approaches the fully off (fully on) resistive equilibrium state <inline-formula id="inf338">
<mml:math id="minf338">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in case any negative (positive) DC voltage is applied continually between its terminals, as indicated by the arrow superimposed on each blue (red) characteristic, which dictates a memory state rate of change increasing monotonically with <inline-formula id="inf339">
<mml:math id="minf339">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Irrespective of the negative (positive) DC value assigned to the memristor voltage, the upper (lower) bound in the memristor state existence domain <inline-formula id="inf340">
<mml:math id="minf340">
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is found to be a globally asymptotically stable equilibrium for the ODE (18) with state evolution function <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Eq.&#x20;23</xref>. For the very same parameter setting, <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure&#x20;10B</xref> demonstrates now the smooth periodic change, which the state <inline-formula id="inf341">
<mml:math id="minf341">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the memristor in the cell <inline-formula id="inf342">
<mml:math id="minf342">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> undergoes over each cycle of a sinusoidal voltage appearing between its terminals, and mathematically expressed by <inline-formula id="inf343">
<mml:math id="minf343">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mtext>sin</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf344">
<mml:math id="minf344">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V and <inline-formula id="inf345">
<mml:math id="minf345">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>100</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>Hz. Clearly, at any given time instant, the cell is effectively a second-order dynamical system&#x20;with degrees of freedom provided one by the memristor state and one by the capacitor voltage, which is also illustrated in plot (b) of <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure&#x20;10</xref>. Visualizing the memristor current flowing through the memristor as a result of the capacitor voltage from plot (b) vs. the capacitor voltage itself, the resulting pinched hysteresis loop, shown in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure&#x20;10C</xref>, gives further evidence for the analogue dynamic behaviour of the cell memristor. The second M-CNN cell ODE <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">Eq. 19</xref> governs the time evolution of the cell capacitor voltage <inline-formula id="inf346">
<mml:math id="minf346">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> within the memcomputing core of the circuit of <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure&#x20;8</xref>. Its right hand side is identical as in the ODE <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Eq. 1</xref> dictating the rate of change of the capacitor voltage within the computing core of the cell of the standard time- and space-invariant two-dimensional CNN discussed in <xref ref-type="sec" rid="s2-1">section 2.1</xref>, except for the presence of an additional addend, resulting from the current through the memristor. It follows that the expression for the offset current <inline-formula id="inf347">
<mml:math id="minf347">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the memristive processing element of <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure&#x20;8</xref> is still given by <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Eq. 11</xref>, while, using <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">Eq. 22</xref> to express the current through the memristor, the formula for the cell Internal DP Component <inline-formula id="inf348">
<mml:math id="minf348">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> features the new form<disp-formula id="e28">
<mml:math id="me28">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>if</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e29">
<mml:math id="me29">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>if</mml:mi>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(29)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e30">
<mml:math id="me30">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>if</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(30)</label>
</disp-formula>in which <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">Eqs. 22</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e24">24</xref> were employed to model the cell memristor current <inline-formula id="inf349">
<mml:math id="minf349">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the memductance function <inline-formula id="inf350">
<mml:math id="minf350">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. It is worth to note that the number of variables in the argument of <inline-formula id="inf351">
<mml:math id="minf351">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a signature for the order of the cell, as can be inferred by comparings <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Eqs. 8</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">Eqs. 28</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e30">30</xref>. The classical cell DRM technique (<xref ref-type="bibr" rid="B7">Chua, 2018a</xref>), reviewed in <xref ref-type="sec" rid="s2-2">section 2.2</xref>, and adopted for the analysis and synthesis of standard CNNs with first-order processing elements, is applicable to dynamical systems with one degree of freedom only. As a result, the development of a systematic procedure to investigate and design M-CNNs with second-order memristive processing elements calls for a preliminary generalization of the DRM graphic tool. Drawing inspiration from the <italic>phase portrait</italic> concept from the theory of nonlinear dynamics (<xref ref-type="bibr" rid="B32">Strogatz, 2000</xref>), the next section introduces a new system-theoretic notion, which we name <italic>Second-Order DRM</italic> (DRM<sub>2</sub>), enabling the investigation of the memcomputing capabilities of cellular nonlinear arrays with second-order memristive&#x20;cells.</p>
<fig id="F10" position="float">
<label>FIGURE 10</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> SDRs foliating from the memristor DRM for <inline-formula id="inf352">
<mml:math id="minf352">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1.25</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1.15</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1.05</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.90</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0,0.90</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1.05</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1.15</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1.25</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V. The blue (red) arrowed loci are associated to negative (positive) values for the memristor voltage. In the first (latter) case, the larger is <inline-formula id="inf353">
<mml:math id="minf353">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the higher is the speed of the memristor state in its motion toward the equilibrium <inline-formula id="inf354">
<mml:math id="minf354">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The black locus represents the memristor POP. <bold>(B)</bold> Proof of evidence for the analogue dynamic response of the memristor state, hosted by the cell <inline-formula id="inf355">
<mml:math id="minf355">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, to a sinusoidal voltage of the form <inline-formula id="inf356">
<mml:math id="minf356">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mtext>sin</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with amplitude <inline-formula id="inf357">
<mml:math id="minf357">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V and frequency <inline-formula id="inf358">
<mml:math id="minf358">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>100</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>Hz, appearing between its terminals. <bold>(C)</bold> Pinched hysteresis loop emerging on the <inline-formula id="inf359">
<mml:math id="minf359">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf360">
<mml:math id="minf360">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> plane as a result of the device periodic excitation illustrated in <bold>(B)</bold>. The memristor model parameters are set as follows: <inline-formula id="inf361">
<mml:math id="minf361">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V<sup>&#x2212;1</sup> s<sup>&#x2212;1</sup>, <inline-formula id="inf362">
<mml:math id="minf362">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V<sup>&#x2212;1</sup> s<sup>&#x2212;1</sup>, <inline-formula id="inf363">
<mml:math id="minf363">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.95</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V, <inline-formula id="inf364">
<mml:math id="minf364">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>40</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf365">
<mml:math id="minf365">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>k&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf366">
<mml:math id="minf366">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>k&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnano-03-633026-g010.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>3.2 A Generalized DRM Technique for the Analysis of M-CNNs With Second-Order Processing Elements</title>
<p>In this section we extend the classical DRM methodology (<xref ref-type="bibr" rid="B7">Chua, 2018a</xref>) for the analysis of a nonlinear dynamic system with two degrees of freedom. Focusing, in particular, on the second-order M-CNN cell under study, the <inline-formula id="inf367">
<mml:math id="minf367">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf368">
<mml:math id="minf368">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> phase plane is the most natural domain, where the dynamical evolution of the two states of the system, described by <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eqs. 18</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref>, may be studied. Let us first introduce the concept of <italic>State Dynamic Portrait</italic> (SDP).</p>
<p>
<statement>
<p>Remark 2. With reference to the qualitative drawing in <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure&#x20;11</xref>, a SDP is a two-dimensional graph associated to a prescribed choice for the offset current value. It may be obtained as follows. First, the phase plane <inline-formula id="inf369">
<mml:math id="minf369">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<italic>&#x2013;</italic>
<inline-formula id="inf370">
<mml:math id="minf370">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is partitioned into at most 4 distinct regions, differing in the <inline-formula id="inf371">
<mml:math id="minf371">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and/or in the <inline-formula id="inf372">
<mml:math id="minf372">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and distinguished according to the following coding map:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>&#x2022; Green region I: <inline-formula id="inf373">
<mml:math id="minf373">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V/s and <inline-formula id="inf374">
<mml:math id="minf374">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; Yellow region II: <inline-formula id="inf375">
<mml:math id="minf375">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V/s and <inline-formula id="inf376">
<mml:math id="minf376">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; Cyan region III: <inline-formula id="inf377">
<mml:math id="minf377">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V/s and <inline-formula id="inf378">
<mml:math id="minf378">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; Gray region IV: <inline-formula id="inf379">
<mml:math id="minf379">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V/s and <inline-formula id="inf380">
<mml:math id="minf380">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>Then the loci <inline-formula id="inf381">
<mml:math id="minf381">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>/s and <inline-formula id="inf382">
<mml:math id="minf382">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>/s &#x2013; respectively known as <inline-formula id="inf383">
<mml:math id="minf383">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf384">
<mml:math id="minf384">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullclines (<xref ref-type="bibr" rid="B32">Strogatz, 2000</xref>) &#x2013; as well as their intersections &#x2013; i.e.,&#x20;the equilibria of the ODE set <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eqs. 18</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref> &#x2013; are marked on the phase plane using the following symbolism:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>&#x2022; Red crosses: <inline-formula id="inf385">
<mml:math id="minf385">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>/s.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; Magenta diamonds: <inline-formula id="inf386">
<mml:math id="minf386">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>/s.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>&#x2022; Black circles: <inline-formula id="inf387">
<mml:math id="minf387">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>/s and <inline-formula id="inf388">
<mml:math id="minf388">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>/s.</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>Particularly, the local instability (stability) of an equilibrium, studied by linearizing the state equations and studying the properties of the Jacobian, is graphically illustrated in a given SDP by means of a hollow (filled) black circle. The dynamical behaviour of the state variables from any initial condition of interest may be qualitatively inferred by inspecting the direction of the vector field <inline-formula id="inf389">
<mml:math id="minf389">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In fact, phase plane trajectories<xref ref-type="fn" rid="fn27">
<sup>27</sup>
</xref>, moving through regions I, II, III, and IV, proceed in the south-west, north-east, north-west, and south-east directions, as time goes by, respectively. The numerical integration of the pair of first-order coupled ODEs <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eqs. 18</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref>, for initial conditions in the set of interest, allows to confirm this qualitative investigation on a quantitative basis, allowing to endow the partitioned plane, already accomodating nullclines and equilibria, with a number of phase plane trajectories, extracted by plotting the two solutions <inline-formula id="inf390">
<mml:math id="minf390">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf391">
<mml:math id="minf391">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the model equations one against the other, and indicating, through the guide of arrows, placed on top of them, how the second-order M-CNN cell state evolves with time from prescribed starting points. An arrowed phase plane trajectory, marked in blue on a given SDP, is called a Second-Order SDR (SDR<sub>2</sub>). Finally, the family of SDPs, obtained for each offset current value within a certain set of interest, takes the name of Second-Order DRM (DRM<sub>2</sub>).</p>
<p>&#x2003;The proposed generalized DRM methodology may be used to analyze the operating principles of a given M-CNN with second-order memristive cells. Most importantly, the DRM<sub>2</sub> graphical tool allows to develop a systematic procedure to program one of the memristive cellular arrays under focus for the execution of a predefined memcomputing task, as outlined in the next section.</p>
</statement>
</p>
<fig id="F11" position="float">
<label>FIGURE 11</label>
<caption>
<p>Exemplifying SDP, which the M-CNN cell <inline-formula id="inf392">
<mml:math id="minf392">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> would typically feature under <inline-formula id="inf393">
<mml:math id="minf393">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>A, if <inline-formula id="inf394">
<mml:math id="minf394">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The capacitor voltage range under display is <inline-formula id="inf395">
<mml:math id="minf395">
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with <inline-formula id="inf396">
<mml:math id="minf396">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The linear region <inline-formula id="inf397">
<mml:math id="minf397">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the rectangular domain enclosed within the two black dashed horizontal lines. The direction of motion of the state vector <inline-formula id="inf398">
<mml:math id="minf398">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in regions I, II, III, and IV is graphically illustrated in the legend.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnano-03-633026-g011.tif"/>
</fig>
<p>
<statement>
<p>Remark 3. The DRM<sub>2</sub> graphic tool features a much more general applicability scope than this paper demonstrates. In fact, it allows to investigate any second-order dynamical system, including memristive circuit elements with two degrees of freedom.</p>
</statement>
</p>
</sec>
<sec id="s3-3">
<title>3.3 A Rigorous DRM<sub>2</sub>-Based Methodology for Robust M-CNN Design</title>
<p>The proposed DRM<sub>2</sub>-based M-CNN design methodology (<xref ref-type="bibr" rid="B1">Ascoli et&#x20;al., 2020a</xref>) allows to program the memristive nonlinear dynamic array i.e.,&#x20;to choose numerical values for the 19 cell core parameters<xref ref-type="fn" rid="fn28">
<sup>28</sup>
</xref> <inline-formula id="inf399">
<mml:math id="minf399">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf400">
<mml:math id="minf400">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,0,1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), in such a way that the processing element <inline-formula id="inf401">
<mml:math id="minf401">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> may implement a predefined set of rules<xref ref-type="fn" rid="fn29">
<sup>29</sup>
</xref> (<xref ref-type="bibr" rid="B5">Chua, 1998</xref>), which, depending upon the specific data storage or processing operation to be executed, dictate the steady-state value<xref ref-type="fn" rid="fn30">
<sup>30</sup>
</xref> of its output voltage <inline-formula id="inf402">
<mml:math id="minf402">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for any combination of input voltage <inline-formula id="inf403">
<mml:math id="minf403">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and initial conditions <inline-formula id="inf404">
<mml:math id="minf404">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf405">
<mml:math id="minf405">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of its two dynamical states, and under specific conditions involving neighboring or remote processing elements. The proposed M-CNN design methodology complementing similar works &#x2013; discussed in <xref ref-type="sec" rid="s2-3">section 2.3</xref> &#x2013; on the synthesis of CNN genes (<xref ref-type="bibr" rid="B38">Zar&#xe1;ndy, 2003</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B21">Itoh and Chua, 2003</xref>), is based upon the following steps:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>1. On the basis of the memcomputing task assigned to a given M-CNN, and with reference to the processing element <inline-formula id="inf406">
<mml:math id="minf406">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the designer should first roughly identify, under any possible combination of input voltage <inline-formula id="inf407">
<mml:math id="minf407">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and of initial capacitor voltage <inline-formula id="inf408">
<mml:math id="minf408">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and memory resistance <inline-formula id="inf409">
<mml:math id="minf409">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and for any condition involving neighboring and/or remote cells, envisaged by the rule set, the most suitable partition of the two-dimensional state space <inline-formula id="inf410">
<mml:math id="minf410">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf411">
<mml:math id="minf411">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which would guide the respective phase-plane trajectory toward an appropriate equilibrium. In other words, this step allows to specify the Family of SDPs i.e.,&#x20;the cell DRM<sub>2</sub>, under target.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>2. In order to derive numerical values for the parameter set <inline-formula id="inf412">
<mml:math id="minf412">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf413">
<mml:math id="minf413">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,0,1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, so as to endow the cell with the specified DRM<sub>2</sub>, a number of inequalities, constraining, for each scenario of any rule, the behaviour of the <inline-formula id="inf414">
<mml:math id="minf414">
<mml:mrow>
<mml:mtext>sign</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and of the <inline-formula id="inf415">
<mml:math id="minf415">
<mml:mrow>
<mml:mtext>sign</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> across the phase plane <inline-formula id="inf416">
<mml:math id="minf416">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf417">
<mml:math id="minf417">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> so as to control the number and stability properties of the equilibria, which it accommodates, are written down<xref ref-type="fn" rid="fn31">
<sup>31</sup>
</xref> through the use of the second-order ODE system <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eqs. 18</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref>, with the expression for the offset current <inline-formula id="inf418">
<mml:math id="minf418">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, appearing in the latter state equation, preliminarily simplified as much as possible as compared to its general formula from <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Eq. 11</xref>, so as to implement the given data storage or processing task as efficiently as feasible.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>3. A set of cell parameter values, satisfying concurrently all the aforementioned inequalities, shall be determined by means of a graphical approach, or through a numerical algorithm, depending upon the number of unknowns. Integrating numerically the state <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eqs. 18</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref> of the M-CNN cell <inline-formula id="inf419">
<mml:math id="minf419">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for prescribed input voltage <inline-formula id="inf420">
<mml:math id="minf420">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and vector state initial condition <inline-formula id="inf421">
<mml:math id="minf421">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in each scenario encompassed in any rule, the resulting phase plane trajectories on the relevant SDP shall be found to evolve progressively toward the desired equilibria, allowing the cellular array to accomplish a predefined memcomputing&#x20;task.</p>
</list-item>
</list>
</p>
</sec>
<sec id="s3-4">
<title>3.4 Application of the M-CNN Design Methodology to Execute Fundamental Memcomputing Tasks</title>
<p>In this section the proposed cell DRM<sub>2</sub> synthesis technique is applied to the cell model <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eqs. 18</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref> to program the M-CNN to execute an image processing operation and a couple of memory functions, namely the data storage and retrieval tasks. Before presenting the M-CNN design examples, it is instructive to identify the most important properties of the second-order system <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eqs. 18</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref> through the application of fundamental concepts from the theory of nonlinear dynamics (<xref ref-type="bibr" rid="B32">Strogatz, 2000</xref>).</p>
<p>From the first M-CNN cell ODE <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eq. 18</xref>, the formulas for the <inline-formula id="inf422">
<mml:math id="minf422">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullclines (<xref ref-type="bibr" rid="B32">Strogatz, 2000</xref>) are<disp-formula id="e31">
<mml:math id="me31">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>for</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(31)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e32">
<mml:math id="me32">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>for</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(32)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e33">
<mml:math id="me33">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>for</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(33)</label>
</disp-formula>Employing now the second M-CNN cell ODE <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">Eq. 19</xref>, the <inline-formula id="inf423">
<mml:math id="minf423">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullclines are found to be expressed by<disp-formula id="e34">
<mml:math id="me34">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(34)</label>
</disp-formula>for <inline-formula id="inf424">
<mml:math id="minf424">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, by<disp-formula id="e35">
<mml:math id="me35">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(35)</label>
</disp-formula>for <inline-formula id="inf425">
<mml:math id="minf425">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and by<disp-formula id="e36">
<mml:math id="me36">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(36)</label>
</disp-formula>for <inline-formula id="inf426">
<mml:math id="minf426">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</p>
<p>
<statement>
<p>Remark 4. As it follows from <xref ref-type="disp-formula" rid="e29">Eq. 29</xref>, under <inline-formula id="inf427">
<mml:math id="minf427">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>A, the <inline-formula id="inf428">
<mml:math id="minf428">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullclines in the linear region consist of the segment, lying along the <inline-formula id="inf429">
<mml:math id="minf429">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> axis, and comprised between <inline-formula id="inf430">
<mml:math id="minf430">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf431">
<mml:math id="minf431">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and, in case <inline-formula id="inf432">
<mml:math id="minf432">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see <xref ref-type="fig" rid="F12">Figure&#x20;12B</xref> for an example, where <inline-formula id="inf433">
<mml:math id="minf433">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), where<disp-formula id="e37">
<mml:math id="me37">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(37)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e38">
<mml:math id="me38">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(38)</label>
</disp-formula>also of the two disjoint sets <inline-formula id="inf434">
<mml:math id="minf434">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf435">
<mml:math id="minf435">
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf436">
<mml:math id="minf436">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</statement>
</p>
<fig id="F12" position="float">
<label>FIGURE 12</label>
<caption>
<p>Cell SDP, emerging for the fixed circuit parameter setting from <xref ref-type="table" rid="T1">Table&#x20;1</xref>, under <inline-formula id="inf509">
<mml:math id="minf509">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>A, and <inline-formula id="inf510">
<mml:math id="minf510">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and featuring a continuum of stable equilibria for <inline-formula id="inf511">
<mml:math id="minf511">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <bold>(A)</bold>, a stable isolated equilibrium, as well as a line of equilibria with stable (unstable) character to the left <bold>(right)</bold> of a bifurcation point for <inline-formula id="inf512">
<mml:math id="minf512">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <bold>(B)</bold>, and, finally, two stable isolated equilibria, as well as a continuum of unstable equilibria for <inline-formula id="inf513">
<mml:math id="minf513">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <bold>(C)</bold>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnano-03-633026-g012.tif"/>
</fig>
<p>
<statement>
<p>Remark 5. The application of the proposed design method to the specific M-CNN cell model <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eqs. 18</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref> is unable to control existence and/or massage the shape of the <inline-formula id="inf437">
<mml:math id="minf437">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullclines, which are invariably set by equations <xref ref-type="disp-formula" rid="e31">Eqs. 31</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e33">33</xref>. However, the number and graphical look of the <inline-formula id="inf438">
<mml:math id="minf438">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> versus <inline-formula id="inf439">
<mml:math id="minf439">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> loci from equations <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref> may be altered by tuning the cell model parameters, they are function of, so as to allow the synthesis of a suitable cell DRM<sub>2</sub> for the accomplishment of a predefined memcomputing&#x20;task.</p>
<p>&#x2003;The equilibria, lying at the intersections between the <inline-formula id="inf440">
<mml:math id="minf440">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf441">
<mml:math id="minf441">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullclines, are located at<disp-formula id="e39">
<mml:math id="me39">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(39)</label>
</disp-formula>if<disp-formula id="e40">
<mml:math id="me40">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(40)</label>
</disp-formula>in the negative saturation region, at<disp-formula id="e41">
<mml:math id="me41">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(41)</label>
</disp-formula>if<disp-formula id="e42">
<mml:math id="me42">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(42)</label>
</disp-formula>as well as at<disp-formula id="e43">
<mml:math id="me43">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x002B;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(43)</label>
</disp-formula>if<disp-formula id="e44">
<mml:math id="me44">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(44)</label>
</disp-formula>in the linear region, and at<disp-formula id="e45">
<mml:math id="me45">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(45)</label>
</disp-formula>if<disp-formula id="e46">
<mml:math id="me46">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(46)</label>
</disp-formula>in the positive saturation region.</p>
</statement>
</p>
<p>
<statement>
<p>Remark 6. Under <inline-formula id="inf442">
<mml:math id="minf442">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>A, each point defined as<disp-formula id="e47">
<mml:math id="me47">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(47)</label>
</disp-formula>represents a possible equilibrium for the M-CNN cell in the linear region. Moreover, in case <inline-formula id="inf443">
<mml:math id="minf443">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf444">
<mml:math id="minf444">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), with <inline-formula id="inf445">
<mml:math id="minf445">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf446">
<mml:math id="minf446">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) defined in equation <xref ref-type="disp-formula" rid="e37">Eqs. 37</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e38">38</xref>, also each point along the vertical line of the <inline-formula id="inf447">
<mml:math id="minf447">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf448">
<mml:math id="minf448">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> phase plane, passing through the memristor state upper (lower) bound <inline-formula id="inf449">
<mml:math id="minf449">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf450">
<mml:math id="minf450">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), and stretching over the capacitor voltage range <inline-formula id="inf451">
<mml:math id="minf451">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf452">
<mml:math id="minf452">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) denotes an additional M-CNN cell equilibrium in the linear region (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Ascoli et&#x20;al., 2020b</xref>).</p>
<p> From the first M-CNN cell ODE <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eq. 18</xref>, it follows that the memristor state <inline-formula id="inf453">
<mml:math id="minf453">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> increases if<disp-formula id="e48">
<mml:math id="me48">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(48)</label>
</disp-formula>and decreases if<disp-formula id="e49">
<mml:math id="me49">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>]</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(49)</label>
</disp-formula>Thus, as revealed by the illustrative cell SDP example of <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure&#x20;11</xref>, the motion of a trajectory point <inline-formula id="inf454">
<mml:math id="minf454">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> on a given SDP points toward the east (west) in the phase plane lower (upper) half. Inspecting now the second&#xa0;M-CNN cell ODE (19), the capacitor voltage <inline-formula id="inf455">
<mml:math id="minf455">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is found to increase provided<disp-formula id="e50">
<mml:math id="me50">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(50)</label>
</disp-formula>for <inline-formula id="inf456">
<mml:math id="minf456">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, provided<disp-formula id="e51">
<mml:math id="me51">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(51)</label>
</disp-formula>for <inline-formula id="inf457">
<mml:math id="minf457">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and provided<disp-formula id="e52">
<mml:math id="me52">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(52)</label>
</disp-formula>for <inline-formula id="inf458">
<mml:math id="minf458">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and it decreases provided the inequality sign in each of the <inline-formula id="inf459">
<mml:math id="minf459">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-dependent conditions <xref ref-type="disp-formula" rid="e50">Eqs. 50</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e52">52</xref> is inverted. On the basis of inequalities <xref ref-type="disp-formula" rid="e50">Eqs. 50</xref>,<xref ref-type="disp-formula" rid="e52"> 52</xref>, dictating the conditions under which <inline-formula id="inf460">
<mml:math id="minf460">
<mml:mrow>
<mml:mtext>sign</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the negative, linear, and saturation region, respectively, it is now possible to understand the reason why the trajectory point <inline-formula id="inf461">
<mml:math id="minf461">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> moves northward or southward in the illustrative cell SDP example of <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure&#x20;11</xref>.</p>
</statement>
</p>
<sec id="s3-4-1">
<title>3.4.1 Zero Offset Current Scenario</title>
<p>It may be proved that, unlike a standard CNN processing element, the M-CNN cell <inline-formula id="inf462">
<mml:math id="minf462">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> may never exhibit <italic>monostability</italic> for <inline-formula id="inf463">
<mml:math id="minf463">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>A. In other words, under no circumstances may the respective SDP host one and only one globally asymptotically stable equilibrium (<xref ref-type="bibr" rid="B32">Strogatz, 2000</xref>). <xref ref-type="table" rid="T2">Table&#x20;2</xref> sums up (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Ascoli et&#x20;al., 2020b</xref>) the location and local stability property of each equilibrium, which the M-CNN cell <inline-formula id="inf464">
<mml:math id="minf464">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> may admit under zero offset current depending upon the self-feedback synaptic weight&#x20;<inline-formula id="inf465">
<mml:math id="minf465">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<table-wrap id="T2" position="float">
<label>TABLE 2</label>
<caption>
<p>Location and local stability property of each of the equilibrium points, which a M-CNN cell may possibly admit, depending upon <inline-formula id="inf466">
<mml:math id="minf466">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, under <inline-formula id="inf467">
<mml:math id="minf467">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>A (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Ascoli et&#x20;al., 2020b)</xref>. The coordinates of <inline-formula id="inf468">
<mml:math id="minf468">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf469">
<mml:math id="minf469">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf470">
<mml:math id="minf470">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are indicated in <xref ref-type="disp-formula" rid="e39">Eqs. 39</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e47">47</xref>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">45</xref>, respectively. With reference to the table content, we define <inline-formula id="inf471">
<mml:math id="minf471">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf472">
<mml:math id="minf472">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The marginal case <inline-formula id="inf473">
<mml:math id="minf473">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf474">
<mml:math id="minf474">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), in which, as mentioned in Remark 6, an additional line of equilibria, namely each point along the vertical line passing through the memristor state upper (lower) bound and stretching across the capacitor voltage range <inline-formula id="inf475">
<mml:math id="minf475">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf476">
<mml:math id="minf476">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), appears in the linear region, is not tabulated here, but the interested reader is invited to consult (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Ascoli et&#x20;al., 2020b</xref>).</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">Self-feedback synaptic weight range</th>
<th align="center">Cell equilibrium location</th>
<th align="center">Local stability property</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf477">
<mml:math id="minf477">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf478">
<mml:math id="minf478">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>with</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Stable for all <inline-formula id="inf479">
<mml:math id="minf479">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> values</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf480">
<mml:math id="minf480">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf481">
<mml:math id="minf481">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">Stable</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#x2014;</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf482">
<mml:math id="minf482">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>with</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Stable if <inline-formula id="inf483">
<mml:math id="minf483">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf484">
<mml:math id="minf484">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf485">
<mml:math id="minf485">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">Stable</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#x2014;</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf486">
<mml:math id="minf486">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>with</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Unstable for all <inline-formula id="inf487">
<mml:math id="minf487">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> values</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#x2014;</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf488">
<mml:math id="minf488">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">Stable</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>Specifying the values<xref ref-type="fn" rid="fn32">
<sup>32</sup>
</xref>, reported in <xref ref-type="table" rid="T3">Table&#x20;3</xref>, for all the fixed parameters of the cell circuit of <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure&#x20;8</xref>, the viewgraphs in plots (a), (b), and (c) of <xref ref-type="fig" rid="F12">Figure&#x20;12</xref> illustrate the SDP of a M-CNN processing element, accommodating no linear resistor in the memcomputing core, under zero offset current, and for a specific value of the self-feedback synaptic weight <inline-formula id="inf489">
<mml:math id="minf489">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the first, second, and third of the three sets reported in <xref ref-type="table" rid="T2">Table&#x20;2</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B2">Ascoli et&#x20;al. (2020b)</xref>.</p>
<table-wrap id="T3" position="float">
<label>TABLE 3</label>
<caption>
<p>Setting of specific M-CNN cell circuit parameters, specifically &#x3b1;, &#x3b2;, and <inline-formula id="inf490">
<mml:math id="minf490">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eq. 25</xref>, <inline-formula id="inf491">
<mml:math id="minf491">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf492">
<mml:math id="minf492">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <italic>p</italic> from <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">Eqs. 26</xref>,<xref ref-type="disp-formula" rid="e27"> 27</xref>, <inline-formula id="inf493">
<mml:math id="minf493">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">Eq. 19</xref>, <italic>I</italic> from <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eq. 4</xref>, <inline-formula id="inf494">
<mml:math id="minf494">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Eq. 2</xref>, as well as <inline-formula id="inf495">
<mml:math id="minf495">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf496">
<mml:math id="minf496">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Eq. 3</xref>, which are kept unchanged in the design examples to follow.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">
<inline-formula id="inf497">
<mml:math id="minf497">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf498">
<mml:math id="minf498">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf499">
<mml:math id="minf499">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf500">
<mml:math id="minf500">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>k&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<italic>p</italic>
</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf501">
<mml:math id="minf501">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf502">
<mml:math id="minf502">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">0.8</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf503">
<mml:math id="minf503">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="char" char=".">40</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf504">
<mml:math id="minf504">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>F</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf505">
<mml:math id="minf505">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>A</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf506">
<mml:math id="minf506">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>k&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf507">
<mml:math id="minf507">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>m&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf508">
<mml:math id="minf508">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">10</td>
<td align="char" char=".">1</td>
<td align="char" char=".">1</td>
<td align="char" char=".">1</td>
<td align="char" char=".">0.1</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
<sec id="s3-4-2">
<title>3.4.2 Non-Zero Offset Current Scenario</title>
<p>Allowing a non-null offset current, accounting mostly for the coupling effects, to flow through the capacitor in the circuit of <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure&#x20;8</xref> may endow the processing element with monostability, which is useful for the accomplishment of certain mem-computing tasks, as will be clear from the discussion of some M-CNN designs in the sections to follow. <xref ref-type="table" rid="T4">Table&#x20;4</xref>, in which <inline-formula id="inf514">
<mml:math id="minf514">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf515">
<mml:math id="minf515">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are defined as<disp-formula id="e53">
<mml:math id="me53">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(53)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e54">
<mml:math id="me54">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(54)</label>
</disp-formula>classifies the number, location, and local stability property of all the equilibria which a M-CNN cell may possibly admit for all the possible combinations of self-feedback synaptic weight <inline-formula id="inf516">
<mml:math id="minf516">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and offset current&#x20;<inline-formula id="inf517">
<mml:math id="minf517">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<table-wrap id="T4" position="float">
<label>TABLE 4</label>
<caption>
<p>Location and local stability property of each of the equilibrium points, which a M-CNN cell may possibly admit, depending upon <inline-formula id="inf518">
<mml:math id="minf518">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf519">
<mml:math id="minf519">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The coordinates of equilibria <inline-formula id="inf520">
<mml:math id="minf520">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf521">
<mml:math id="minf521">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf522">
<mml:math id="minf522">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf523">
<mml:math id="minf523">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are respectively specified in <xref ref-type="disp-formula" rid="e39">Eqs. 39</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e41">41</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e43">43</xref>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">45</xref>. The formulas for <inline-formula id="inf524">
<mml:math id="minf524">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf525">
<mml:math id="minf525">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf526">
<mml:math id="minf526">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf527">
<mml:math id="minf527">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are respectively expressed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e37">Eqs. 37</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e38">38</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e53">53</xref>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="e54">54</xref>. The local stability nature of each of the possible cell equilibria is also revealed. The analysis of the marginal cases is omitted from this&#x20;table.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">Offset current range</th>
<th align="center">Self-feedback synaptic weight range</th>
<th align="center">Cell equilibrium location</th>
<th align="center">Local stability property</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf529">
<mml:math id="minf529">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">For all <inline-formula id="inf528">
<mml:math id="minf528">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> values</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf530">
<mml:math id="minf530">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Stable</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf532">
<mml:math id="minf532">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>A</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf531">
<mml:math id="minf531">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf533">
<mml:math id="minf533">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Stable</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf535">
<mml:math id="minf535">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>A</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf534">
<mml:math id="minf534">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">&#x2014;</td>
<td align="left">Unstable</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf537">
<mml:math id="minf537">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>A</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf536">
<mml:math id="minf536">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf538">
<mml:math id="minf538">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Stable</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf540">
<mml:math id="minf540">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>A</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf539">
<mml:math id="minf539">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">&#x2014;</td>
<td align="left">Unstable</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf542">
<mml:math id="minf542">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">For all <inline-formula id="inf541">
<mml:math id="minf541">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> values</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf543">
<mml:math id="minf543">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">Stable</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>
<statement>
<p>Remark 7. Interestingly, this table allows to draw the codimension-2 bifurcation diagram of <xref ref-type="fig" rid="F13">Figure&#x20;13</xref>, in which, without loss of generality, <inline-formula id="inf544">
<mml:math id="minf544">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>was set to</italic> <inline-formula id="inf545">
<mml:math id="minf545">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<italic>.</italic> This graph, which, taking inspiration from CNN theory (<xref ref-type="bibr" rid="B5">Chua, 1998</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B15">Chua and Roska, 2002</xref>) is called M-CNN Primary Mosaic, visualizes the partitioning of the <inline-formula id="inf546">
<mml:math id="minf546">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<italic>&#x2013;</italic>
<inline-formula id="inf547">
<mml:math id="minf547">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> plane in domains differing one from the other in at least one of the stable equilibria, which the solutions of the ODE of a cell from the class of uncoupled M-CNNs may possibly approach depending upon the initial conditions. For each of such domains in <xref ref-type="fig" rid="F13">Figure&#x20;13</xref>, a distinct color is chosen to fill the space within its boundaries, and the indication of the stable and unstable equilibria, which the M-CNN cell admits for any pair <inline-formula id="inf548">
<mml:math id="minf548">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> residing therein, is given<italic>.</italic>
</p>
<p>In this manuscript the proposed DRM<sub>2</sub>-based M-CNN design methodology shall be applied to the model <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eqs. 18</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref> of a cell belonging to the class of uncoupled M-CNNs, and featuring an offset current, which, in comparison to its most general formula, namely <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Eq. 11</xref>, reduces to <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Eq.&#x20;13</xref>.</p>
</statement>
</p>
<fig id="F13" position="float">
<label>FIGURE 13</label>
<caption>
<p>The <italic>M-CNN Primary Mosaic</italic>: codimension-2 bifurcation diagram illustrating all the admissible equilibria the two states of the second-order cell from the class of uncoupled M-CNNs may approach asymptotically depending upon the specific region of the <inline-formula id="inf549">
<mml:math id="minf549">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf550">
<mml:math id="minf550">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> parameter plane, in which the values assigned to the self-feedback synaptic weight and to the offset current reside. A red (black) color is adopted for the symbol of each unstable (stable) M-CNN cell equilibrium, as specified in <xref ref-type="table" rid="T2">Table&#x20;2</xref>. Without loss of generality, here <inline-formula id="inf551">
<mml:math id="minf551">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> was set to <inline-formula id="inf552">
<mml:math id="minf552">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The coordinates of <inline-formula id="inf553">
<mml:math id="minf553">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf554">
<mml:math id="minf554">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf555">
<mml:math id="minf555">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf556">
<mml:math id="minf556">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are indicated in <xref ref-type="disp-formula" rid="e39">Eqs. 39</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e41">41</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e43">43</xref>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">45</xref>. The formulas for <inline-formula id="inf557">
<mml:math id="minf557">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf558">
<mml:math id="minf558">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf559">
<mml:math id="minf559">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf560">
<mml:math id="minf560">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are respectively expressed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e37">Eqs. 37</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e38">38</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e53">53</xref>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="e54">54</xref>. Details on the possible steady-state behaviours of the M-CNN cell in the marginal cases <inline-formula id="inf561">
<mml:math id="minf561">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>A, <inline-formula id="inf562">
<mml:math id="minf562">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf563">
<mml:math id="minf563">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> have not been reported in the bifurcation diagram to keep the illustration as clear as possible. Importantly, as studied earlier, under zero offset current, irrespective of the value specified for <inline-formula id="inf564">
<mml:math id="minf564">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, in the linear region the cell admits each equilibrium <inline-formula id="inf565">
<mml:math id="minf565">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which, according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e47">Eq. 47</xref>, lies along the segment of the horizontal axis of the <inline-formula id="inf566">
<mml:math id="minf566">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf567">
<mml:math id="minf567">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> phase plane comprised between <inline-formula id="inf568">
<mml:math id="minf568">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf569">
<mml:math id="minf569">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnano-03-633026-g013.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 M-CNN as a Bio-Inspired Image Processing Engine</title>
<p>A M-CNN may be programmed to carry out any image processing operation, which a classical CNN is able to execute. To provide some evidence for this claim, the next section discusses the system-theoretic design of a memristive cellular array for the extraction of edges from a binary&#x20;image.</p>
<sec id="s4-1">
<title>4.1 Edge M-CNN</title>
<p>This section is devoted to the design of a <inline-formula id="inf570">
<mml:math id="minf570">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> memristive array capable to extract the edges from an input binary image featuring as many rows and columns as the M-CNN. The local rule triplet, each M-CNN cell, featuring the circuitry shown in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure&#x20;8</xref>, is requested to comply with, so as to execute this image processing task<xref ref-type="fn" rid="fn33">
<sup>33</sup>
</xref>, are reported in <xref ref-type="table" rid="T1">Table&#x20;1</xref> from <xref ref-type="sec" rid="s2-4">section 2.4</xref>. In order to ensure that the memprocessing elements obey this local rule set, it is wise to synthesize the cell SDP pertaining to each scenario from rules 1 and 2 (rule 3) in such a way that it accommodates one and only one equilibrium located in the negative (positive) saturation region i.e.,&#x20;<inline-formula id="inf571">
<mml:math id="minf571">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf572">
<mml:math id="minf572">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), as specified by <xref ref-type="disp-formula" rid="e39">Eqs. 39</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">45</xref>. In order to ease the understanding of the steps of the proposed M-CNN design methodology, it is adviceable to provide its result in advance. Plots (a), (b), and (c) of <xref ref-type="fig" rid="F14">Figure&#x20;14</xref> respectively illustrate the SDP of a M-CNN processing element, which obeys<xref ref-type="fn" rid="fn34">
<sup>34</sup>
</xref> rule 1 for <inline-formula id="inf573">
<mml:math id="minf573">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, rule 2, and rule 3 for <inline-formula id="inf574">
<mml:math id="minf574">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. As may be inferred by inspecting plots (a) and (b) (plot (c)), here the cell monostability in both rules 1 and 2 (in rule 3) is enforced by making sure that only the negative (positive) saturation region hosts a <inline-formula id="inf575">
<mml:math id="minf575">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullcline, as expressed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref>, and highlighted by means of magenta diamonds, and imposing that such <inline-formula id="inf576">
<mml:math id="minf576">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> characteristic form a point of intersection, as defined by <xref ref-type="disp-formula" rid="e39">Eqs. 39</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">45</xref>, and marked via a black circle, with the vertical <inline-formula id="inf577">
<mml:math id="minf577">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullcline <xref ref-type="disp-formula" rid="e31">Eqs. 31</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">33</xref> indicated through red crosses in the phase plane lower (upper) half. Adopting such a cell DRM<sub>2</sub> synthesis strategy, in any scenario of rule 1 and for rule 2 (under all circumstances in rule 3), a state vector <inline-formula id="inf578">
<mml:math id="minf578">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> positioned below/above the <inline-formula id="inf579">
<mml:math id="minf579">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullcline <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref> is constrained to move in the north/south direction, bending eastward or westward in the phase plane lower or upper half, respectively, toward the point <xref ref-type="disp-formula" rid="e39">Eqs. 39</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">45</xref>, denoting, as a result, a globally asymptotically stable equilibrium for the second-order ODE system <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eqs. 18</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref>, as the filling of the respective black circle marker in plots (a) and (b) (plot (c)) of <xref ref-type="fig" rid="F14">Figure&#x20;14</xref> clearly indicates. Plots (a.1) (a.2), and (a.3) ((b.1), (b.2), and (b.3)) of <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref> graphically visualize the steps, envisaged by the proposed cell SDP synthesis approach, and discussed shortly, to shape the phase portrait of the second-order ODE <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eqs. 18</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref> in the linear, negative (positive) saturation, and positive (negative) saturation regions, respectively, so as to enforce local rules 1 and 2 (rule 3) from <xref ref-type="table" rid="T1">Table&#x20;1</xref>. Through a rigorous mathematical analysis of <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eqs. 18</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref> in each region of the standard output nonlinearity <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Eq. 3</xref> we shall next derive an ad-hoc IS set, allowing to massage the cell DRM<sub>2</sub>, as illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref>. Previous to initiate this investigation, a couple of aspects should be pinpointed. Firstly, the cell ODE initial condition <inline-formula id="inf580">
<mml:math id="minf580">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> may be chosen arbitrarily, since, as mentioned earlier, irrespective of the rule, the phase plane will be allowed to host one and only one GAS equilibrium in any possible scenario. Secondly, we assume the same expression for the offset current as in the EDGE CNN design, namely <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Eq. 14</xref>. Let us suppose that the parameter values for <inline-formula id="inf581">
<mml:math id="minf581">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211d;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf582">
<mml:math id="minf582">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211d;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are known. As a result, the M-CNN gene synthesis technique will target the derivation of suitable values for <inline-formula id="inf583">
<mml:math id="minf583">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf584">
<mml:math id="minf584">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. An appropriate IS in these two unknowns is derived next. The analysis of <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eqs. 18</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref> focuses first on the linear region of the phase&#x20;plane.</p>
<fig id="F14" position="float">
<label>FIGURE 14</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> SDP of a cell <inline-formula id="inf585">
<mml:math id="minf585">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> featuring the input voltage <inline-formula id="inf586">
<mml:math id="minf586">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the worst-case scenario <inline-formula id="inf587">
<mml:math id="minf587">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of rule 1. <bold>(B</bold>,<bold>C)</bold> SDP of a cell <inline-formula id="inf588">
<mml:math id="minf588">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> featuring the input voltage <inline-formula id="inf589">
<mml:math id="minf589">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the only scenario of rule 2 (in the worst-case scenario <inline-formula id="inf590">
<mml:math id="minf590">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of rule 3).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnano-03-633026-g014.tif"/>
</fig>
<fig id="F15" position="float">
<label>FIGURE 15</label>
<caption>
<p>Qualitative visualization of the strategy adopted to massage the shape of the cell DRM<sub>2</sub> in the EDGE as well as in the STORE M-CNN designs. Here the stepwise application of the proposed systematic gene synthesis methodology in the linear region (a.1) ((b.1)), in the negative (positive) saturation region (a.2) ((b.2)), and in the positive (negative) saturation region (a.3) ((b.3)) of the phase plane <inline-formula id="inf591">
<mml:math id="minf591">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf592">
<mml:math id="minf592">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> enables to enforce the appearance of a single <inline-formula id="inf593">
<mml:math id="minf593">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullcline, namely <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref>, and the existence of one and only one equilibrium, specifically <xref ref-type="disp-formula" rid="e39">Eqs. 39</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">45</xref>, in the EDGE cell SDP, which emerges in each scenario of rule 1 and for rule 2 (under all circumstances in rule 3) from <xref ref-type="table" rid="T4">Table&#x20;4</xref>, as well as in the STORE cell SDP, which forms under the hypothesis of rule 1 (2) from <xref ref-type="table" rid="T5">Table&#x20;5</xref>. With reference to the first (latter) set of scenarios, combining plots (a.1), (a.2), and (a.3) ((b.1), (b.2), and (b.3)) provides an ad-hoc cell SDP, given that the phase-plane partition guides all trajectories toward the unique equilibrium in the negative (positive) saturation region, as desired in the EDGE as well as in the STORE M-CNN designs. The dashed brown curve without magenta diamonds in (a.1) ((b.1)) is the <inline-formula id="inf594">
<mml:math id="minf594">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> characteristic, expressed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Eq. 35</xref>, and constrained to lie in the region <inline-formula id="inf595">
<mml:math id="minf595">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, so as to keep the linear region free of <inline-formula id="inf596">
<mml:math id="minf596">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullclines. The dashed brown curve with magenta diamonds in (a.2) ((b.2)) represents the only locus of points of the phase plane, where <inline-formula id="inf597">
<mml:math id="minf597">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as expressed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref>. Finally, the set of three dashed brown curves without magenta diamonds in (a.3) (b.3) constitute the possible courses of the <inline-formula id="inf598">
<mml:math id="minf598">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> characteristic, expressed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref>, constrained to lie in the region <inline-formula id="inf599">
<mml:math id="minf599">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, so as to keep the positive (negative) region free of <inline-formula id="inf600">
<mml:math id="minf600">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V <inline-formula id="inf601">
<mml:math id="minf601">
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> s<sup>&#x2212;1</sup> loci, depending upon the sign of <inline-formula id="inf602">
<mml:math id="minf602">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf603">
<mml:math id="minf603">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). Interestingly, the function <inline-formula id="inf604">
<mml:math id="minf604">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref> is either concave down and monotone increasing if <inline-formula id="inf605">
<mml:math id="minf605">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>A</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf606">
<mml:math id="minf606">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>A</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) or coinciding with the horizontal axis if <inline-formula id="inf607">
<mml:math id="minf607">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>A</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf608">
<mml:math id="minf608">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>A</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), or even concave up and monotone decreasing if <inline-formula id="inf609">
<mml:math id="minf609">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>A</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf610">
<mml:math id="minf610">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>A</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnano-03-633026-g015.tif"/>
</fig>
<sec id="s4-1-1">
<title>4.1.1 Edge M-CNN Cell DRM<sub>2</sub> Synthesis in the Linear Region</title>
<p>With reference to plot (a.1) (b.1) of <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref>, the aim of this section is to make sure that, under all circumstances in rule 1 and for rule 2 (in all scenarios of rule 3), the characteristic <inline-formula id="inf611">
<mml:math id="minf611">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Eq. 35</xref> lies entirely within the domain <inline-formula id="inf612">
<mml:math id="minf612">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as indicated by means of a dashed brown curve without magenta diamonds. The inequality<disp-formula id="e55">
<mml:math id="me55">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(55)</label>
</disp-formula>ensures a positive sign for the denominator of the rational function on the right hand side of <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Eq. 35</xref> irrespective of the value assumed by the memristor state <inline-formula id="inf613">
<mml:math id="minf613">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> throughout its existence domain <inline-formula id="inf614">
<mml:math id="minf614">
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. Provided the constraint <xref ref-type="disp-formula" rid="e55">Eq. 55</xref> holds true, enforcing a negative (positive) polarity for the offset current<xref ref-type="fn" rid="fn35">
<sup>35</sup>
</xref> in each scenario of rule 1 and for rule 2 (under all circumstances in rule 3) via<disp-formula id="e56">
<mml:math id="me56">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>A</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(56)</label>
</disp-formula>ensures that the <inline-formula id="inf615">
<mml:math id="minf615">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf616">
<mml:math id="minf616">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> locus, expressed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Eq. 35</xref>, falls entirely within the phase plane positive (negative) half in these cases. It is simple to show that, under the satisfaction of constraint <xref ref-type="disp-formula" rid="e56">Eq. 56</xref> with the first (second) inequality sign in rules 1 and 2 (rule 3), the function <inline-formula id="inf617">
<mml:math id="minf617">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> features an upward (downward) concavity, decreasing (increasing) monotonically with the memristor state, as shown in plot (a.1) ((b.1)) of <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref>. As a result, under all possible circumstances in rule 1 and for rule 2 (in all scenarios of rule 3) the characteristic <inline-formula id="inf618">
<mml:math id="minf618">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> lies completely within the positive (negative) saturation region, as depicted in <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref> (a.1) ((b.1)), provided<disp-formula id="e57">
<mml:math id="me57">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(57)</label>
</disp-formula>Let us now study the direction of motion of the state vector <inline-formula id="inf619">
<mml:math id="minf619">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> throughout the linear region. The enforcement of inequality <xref ref-type="disp-formula" rid="e55">Eq. 55</xref> endows the second factor on the left hand side of constraint <xref ref-type="disp-formula" rid="e51">Eq. 51</xref> with a strictly positive sign. It follows that, within the domain <inline-formula id="inf620">
<mml:math id="minf620">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the capacitor voltage of the cell circuit of <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure&#x20;8</xref> increases over time if<disp-formula id="e58">
<mml:math id="me58">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(58)</label>
</disp-formula>Since, as established by constraint <xref ref-type="disp-formula" rid="e57">Eq. 57</xref>, in rules 1 and 2 (rule 3) the right hand side of inequality <xref ref-type="disp-formula" rid="e58">Eq. 58</xref> assumes values larger (lower) than <inline-formula id="inf621">
<mml:math id="minf621">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> throughout the memristor state existence domain, phase plane trajectories of the linear region move toward the south (north), bending eastward or westward in the phase plane lower or upper half, as established by condition <xref ref-type="disp-formula" rid="e48">Eq. 48</xref> or <xref ref-type="disp-formula" rid="e49">Eq. 49</xref>, visiting<xref ref-type="fn" rid="fn36">
<sup>36</sup>
</xref> the gray (yellow) region IV (II) or the green (cyan) region I (III), respectively, as indicated in plot (a.1) ((b.1)) of <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s4-1-2">
<title>4.1.2 Edge M-CNN Cell DRM<sub>2</sub> Synthesis in the Saturation Regions</title>
<p>The goal of this section is twofold. On one hand, in each scenario of rule 1 and for rule 2 (under all circumstances from rule 3) the cell SDP is expected to accommodate one and only one GAS equilibrium point, specifically <xref ref-type="disp-formula" rid="e39">Eqs. 39</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">45</xref>, over the domain <inline-formula id="inf622">
<mml:math id="minf622">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as indicated by the black-filled circle in plot (a.2) (b.2) of <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref>. On the other hand, in order to avoid the existence of a <inline-formula id="inf623">
<mml:math id="minf623">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> locus in the positive (negative) saturation region under any circumstance in rule 1 and for rule 2 (in all scenarios of rule 3), the whole <inline-formula id="inf624">
<mml:math id="minf624">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> characteristic, expressed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref> should fall below (above) the horizontal line <inline-formula id="inf625">
<mml:math id="minf625">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as sketched in <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref> (a.3) ((b.3)), where the three dashed brown curves show its three possible shape variants. It is straightforward to verify that, in view of inequality <xref ref-type="disp-formula" rid="e56">Eq. 56</xref>, in any of the possible scenarios of rule 1 and for rule 2 (under all circumstances in rule 3), the <inline-formula id="inf626">
<mml:math id="minf626">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullcline <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref> features upward (downward) concavity as it decreases (increases) monotonically with the memristor state. As a result, imposing that it further assumes a value smaller (larger) than the negative (positive) saturation voltage, when the memristor state sits at its lowest bound i.e.,<disp-formula id="e59">
<mml:math id="me59">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(59)</label>
</disp-formula>in each of the first (latter) set of scenarios, ensures that this unique <inline-formula id="inf627">
<mml:math id="minf627">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V <inline-formula id="inf628">
<mml:math id="minf628">
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> s<sup>&#x2212;1</sup> locus lies within the negative (positive) saturation region for all <inline-formula id="inf629">
<mml:math id="minf629">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as visualized through a dashed brown curve with magenta diamonds in plot (a.2) ((b.2)) of <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref>. This in turn allows the formation of a cell equilibrium, as expressed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e39">Eqs. 39</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">45</xref>, and visualized through a black circle in plot (a.2) ((b.2)) of <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref>, for each value of <inline-formula id="inf630">
<mml:math id="minf630">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,1,2,3,4,5,6,7,8</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> under <inline-formula id="inf631">
<mml:math id="minf631">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and for <inline-formula id="inf632">
<mml:math id="minf632">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> under <inline-formula id="inf633">
<mml:math id="minf633">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (for each value of <inline-formula id="inf634">
<mml:math id="minf634">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,1,2,3,4,5,6,7</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> under <inline-formula id="inf635">
<mml:math id="minf635">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). Thus, with regard to rules 1 and 2 (rule 3), recalling that <inline-formula id="inf636">
<mml:math id="minf636">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> features a positive sign throughout the phase plane lower half, as established by <xref ref-type="disp-formula" rid="e48">Eq. 48</xref>, and recalling the condition <xref ref-type="disp-formula" rid="e50">Eqs. 50</xref>,<xref ref-type="disp-formula" rid="e52"> 52</xref>, which guarantees an increase of the cell capacitor voltage over time in the negative (positive) saturation region, phase plane trajectories, visiting the domain <inline-formula id="inf637">
<mml:math id="minf637">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, bend toward the east (west), evolving over time in the north or south direction from initial conditions lying below or above the <inline-formula id="inf638">
<mml:math id="minf638">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullcline <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref>, respectively, going through the yellow (cyan) region II (III) or gray (green) region IV (I), as clearly indicated in <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref> (a.2) ((b.2)). Manipulating the constraint, obtained by choosing the first (second) inequality sign in <xref ref-type="disp-formula" rid="e57">Eq. 57</xref>, it is simple to demonstrate that, depending upon its polarity, namely the sign of <inline-formula id="inf639">
<mml:math id="minf639">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf640">
<mml:math id="minf640">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), the <inline-formula id="inf641">
<mml:math id="minf641">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf642">
<mml:math id="minf642">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> locus <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref> may exhibit one of three possible graphs, as depicted in plot (a.3) ((b.3)) of <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref>, lying, nevertheless, entirely below (above) the horizontal line <inline-formula id="inf643">
<mml:math id="minf643">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, under all circumstances from rule 1 and in rule 2 (for each scenario of rule 3). Given that, with reference to the positive (negative) saturation region, the memristor state experiences a strictly monotonic decrease (increase) over time according to constraint <xref ref-type="disp-formula" rid="e48">Eqs. 48</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e49">49</xref>, while <inline-formula id="inf644">
<mml:math id="minf644">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> provided condition <xref ref-type="disp-formula" rid="e50">Eqs. 50</xref>,<xref ref-type="disp-formula" rid="e52"> 52</xref> is satisfied, phase plane trajectories, visiting the domain <inline-formula id="inf645">
<mml:math id="minf645">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the SDP of any cell obeying rules 1 and 2 (rule 3), are expected to evolve in the south-west (north-east) direction, passing through the green (yellow) region I (II), as visualized in plot (a.3) ((b.3)) of <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref>. Looking at the direction of motion of phase-plane trajectories across the phase plane (refer to plots (a.1)-(a.3) ((b.1)-(b.3)) of <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref>), it is evident that the unique equilibrium <xref ref-type="disp-formula" rid="e39">Eqs. 39</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">45</xref>, which the cell admits under the hypotheses of rules 1 and 2 (rule 3), is GAS, as indicated through the filling of its black circle marker in <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref> (a.2) ((b.2)). In regard to rule 1 (3), taking into account the negative sign assumed for the common value <italic>b</italic> of the off-center synaptic weigths in the feedforward template, it may be easily realized that, under <inline-formula id="inf646">
<mml:math id="minf646">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the <inline-formula id="inf647">
<mml:math id="minf647">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> loci (34), (35), and (36) are closest to the horizontal lines <inline-formula id="inf648">
<mml:math id="minf648">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (refer to plot (a.2) ((b.3))), <inline-formula id="inf649">
<mml:math id="minf649">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (refer to plot (a.1) ((b.1))), and <inline-formula id="inf650">
<mml:math id="minf650">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (refer to plot (a.3) ((b.2))), respectively. It follows that, with regard to rule 1 (3), the constraint triplet, obtained from <xref ref-type="disp-formula" rid="e56">Eqs. 56</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e57">57</xref>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="e59">59</xref> by choosing the first (second) inequality sign, should be evaluated only in the worst-case scenario, in which none (seven) of the eight neighbours of the M-CNN cell <inline-formula id="inf651">
<mml:math id="minf651">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> features (feature) a positive one V-valued input voltage. Combining the resulting six conditions with the rule 2-based constraint triplet <xref ref-type="disp-formula" rid="e56">Eqs. 56</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e57">57</xref>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="e59">59</xref> under the first inequality sign option, and with <xref ref-type="disp-formula" rid="e55">Eq. 55</xref>, provides a total number of 10 inequalities in the unknowns <inline-formula id="inf652">
<mml:math id="minf652">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf653">
<mml:math id="minf653">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Fixing the values for two cell core circuit parameters, namely <italic>z</italic>, and <italic>b</italic>, respectively set to <inline-formula id="inf654">
<mml:math id="minf654">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and to <inline-formula id="inf655">
<mml:math id="minf655">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and assigning the value <inline-formula id="inf656">
<mml:math id="minf656">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to the conductance <inline-formula id="inf657">
<mml:math id="minf657">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the linear resistor<xref ref-type="fn" rid="fn37">
<sup>37</sup>
</xref> in parallel to the capacitor in the memcomputing core of <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure&#x20;8</xref>, the two conditions, respectively descending from constraint <xref ref-type="disp-formula" rid="e56">Eqs. 56</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e57">57</xref> under the first inequality sign option for the worst-case scenario <inline-formula id="inf658">
<mml:math id="minf658">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from rule 1, and under the second inequality sign option for the worst-case scenario <inline-formula id="inf659">
<mml:math id="minf659">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from rule 3, are found to be identical one to the other, allowing to discard a couple of inequalities from the 10 aforementioned constraints. Manipulating the remaining 8 inequalities, it may be shown that only 3 of them are non-redundant, specifically constraint <xref ref-type="disp-formula" rid="e55">Eq. 55</xref>, and the pair of conditions, which respectively originate from the variant of <xref ref-type="disp-formula" rid="e57">Eq. 57</xref>, which is associated to the choice of the first inequality sign in the worst-case scenario <inline-formula id="inf660">
<mml:math id="minf660">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from rule 1 and in the only scenario <inline-formula id="inf661">
<mml:math id="minf661">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from rule 2. These 3 inequalities may be solved numerically, but, given their low number, a geometric approach is adopted here to derive suitable values for the self-feedforward and self-feedback synaptic weights. The magenta region in the <inline-formula id="inf662">
<mml:math id="minf662">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf663">
<mml:math id="minf663">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> parameter plane of <xref ref-type="fig" rid="F16">Figure&#x20;16</xref> depicts the domain of admissible solutions of the non-redundant inequality triplet. Choosing the particular solution, which is indicated through an asterisk symbol, namely <inline-formula id="inf664">
<mml:math id="minf664">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.675</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>80.5</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, plots (a), (b), and (c) of <xref ref-type="fig" rid="F14">Figure&#x20;14</xref> illustrate the SDPs, which foliate from the cell DRM<sub>2</sub> in the worst-case scenario <inline-formula id="inf665">
<mml:math id="minf665">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from rule 1, where <inline-formula id="inf666">
<mml:math id="minf666">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.105</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>mA, in the sole scenario <inline-formula id="inf667">
<mml:math id="minf667">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> admissible in rule 2, where <inline-formula id="inf668">
<mml:math id="minf668">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.095</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>mA, and in the worst-case scenario <inline-formula id="inf669">
<mml:math id="minf669">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from rule 3, where <inline-formula id="inf670">
<mml:math id="minf670">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>0.105</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>mA, respectively. Inspecting the cell SDP from plot (a), (b), and (c), the GAS equilibrium is found to be located at <inline-formula id="inf671">
<mml:math id="minf671">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>k&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.2477</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, at <inline-formula id="inf672">
<mml:math id="minf672">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>k&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.2386</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and at <inline-formula id="inf673">
<mml:math id="minf673">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>k&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>0.1817</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. With reference to <xref ref-type="fig" rid="F16">Figure&#x20;16</xref>, programming the cell core circuit parameters as indicated above, a M-CNN with <inline-formula id="inf674">
<mml:math id="minf674">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>64</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> rows and <inline-formula id="inf675">
<mml:math id="minf675">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>60</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> columns is capable to extract the edges of an input binary image, such as the one depicted in plot (b), providing them in the output binary image at steady-state, as in the example of plot (d), under null initial conditions for all the capacitor voltages, as shown in plot (c)<xref ref-type="fn" rid="fn38">
<sup>38</sup>
</xref>, upon setting the resistance of each memristor to <inline-formula id="inf676">
<mml:math id="minf676">
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>k&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at the beginning of the simulation, and for fixed or Dirichlet boundary conditions (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Chua and Roska, 2002</xref>), with each virtual cell input voltage value fixed to negative 1&#xa0;V.</p>
<fig id="F16" position="float">
<label>FIGURE 16</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> Geometry-based approach to the solution of the system of three non-redundant inequalities, resulting from the application of the systematic M-CNN design methodology from <xref ref-type="sec" rid="s3-3">section 3.3</xref> for the accomplishment of the binary image edge extraction task. The magenta region contains the set of admissible solutions of the constraint triplet, which consist of inequality <xref ref-type="disp-formula" rid="e55">Eq. 55</xref>, and of the couple of conditions descending from the constraint pair <xref ref-type="disp-formula" rid="e57">Eq. 57</xref> under the first inequality sign option in the worst-case scenario <inline-formula id="inf677">
<mml:math id="minf677">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from rule 1, and in the only possible scenario <inline-formula id="inf678">
<mml:math id="minf678">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from rule 2, respectively. Recalling the invariable cell circuit parameter setting, reported in <xref ref-type="table" rid="T3">Table&#x20;3</xref>, and setting <italic>z</italic>, <italic>b</italic>, and <inline-formula id="inf679">
<mml:math id="minf679">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula id="inf680">
<mml:math id="minf680">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf681">
<mml:math id="minf681">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf682">
<mml:math id="minf682">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively, these three inequalities are in turn found to assume the analytical expressions <inline-formula id="inf683">
<mml:math id="minf683">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>1.5</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf684">
<mml:math id="minf684">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>5.9</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf685">
<mml:math id="minf685">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>10.1</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For the particular solution, highlighted by means of an asterisk marker, specifically <inline-formula id="inf686">
<mml:math id="minf686">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.675</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>80.5</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and residing inside the magenta triangle at some safety distance from its sides, plots <bold>(A&#x2013;C)</bold> of <xref ref-type="fig" rid="F13">Figure&#x20;13</xref> show the SDPs foliating from the resulting EDGE M-CNN cell DRM<sub>2</sub> in the worst-case scenario <inline-formula id="inf687">
<mml:math id="minf687">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from rule 1, in the only possible scenario <inline-formula id="inf688">
<mml:math id="minf688">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from rule 2, and in the worst-case scenario <inline-formula id="inf689">
<mml:math id="minf689">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from rule 3, respectively. For the sake of completeness, referring to <xref ref-type="fig" rid="F14">Figure&#x20;14</xref>, the specification of the aforementioned solution for the non-redundant IS defines the course of the graph of the function <inline-formula id="inf690">
<mml:math id="minf690">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, expressed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref>, in plot (a.3) ((b.3)) for rules 1 and 2 (for rule 3), setting, to name but the most important cases, <inline-formula id="inf691">
<mml:math id="minf691">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf692">
<mml:math id="minf692">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) to <inline-formula id="inf693">
<mml:math id="minf693">
<mml:mrow>
<mml:mn>62.5</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3bc;A for <inline-formula id="inf694">
<mml:math id="minf694">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and to <inline-formula id="inf695">
<mml:math id="minf695">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>137.5</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3bc;A for <inline-formula id="inf696">
<mml:math id="minf696">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> under rule 1, as well as to <inline-formula id="inf697">
<mml:math id="minf697">
<mml:mrow>
<mml:mn>72.5</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3bc;A under rule 2 (to <inline-formula id="inf698">
<mml:math id="minf698">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>62.5</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3bc;A for <inline-formula id="inf699">
<mml:math id="minf699">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and to <inline-formula id="inf700">
<mml:math id="minf700">
<mml:mrow>
<mml:mn>137.5</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3bc;A for <inline-formula id="inf701">
<mml:math id="minf701">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> under rule 3). <bold>(B</bold>&#x2013;<bold>D)</bold> Proof of evidence for the proper functionality of a <inline-formula id="inf702">
<mml:math id="minf702">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> M-CNN programmed through the gene synthesized in this section (<inline-formula id="inf703">
<mml:math id="minf703">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>64</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf704">
<mml:math id="minf704">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>60</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). Plot <bold>(D)</bold> depicts the steady-state output binary image of the EDGE M-CNN, once the black-and-white image, illustrated in plot <bold>(B)</bold>, is loaded to its input, a zero is assigned to the voltage falling across each capacitor at the beginning of the simulation, as visualized through the gray image in plot <bold>(C)</bold>, the initial condition on the resistance of each memristor is set to 5&#xa0;k<inline-formula id="inf705">
<mml:math id="minf705">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and a negative 1&#xa0;V value is attributed to the input voltage of any virtual cell (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Chua and Roska, 2002</xref>).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnano-03-633026-g016.tif"/>
</fig>
<p>
<statement>
<p>Remark 8. The insertion of a single memristor within the circuit implementation of the cell of a standard time- and space-invariant CNN allows to endow the resulting memristive array with novel functionalities, including the capability to read and write data locally within each processing element without the need to accommodate additional memory units, which are currently responsible for the poor spatial resolution of state-of-the-art CNN-UM hardware realizations.</p>
</statement>
</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<title>5 M-CNN as a Memory Bank: Write/Read Functionalities</title>
<p>The operating principles of a M-CNN programmed to write or read input binary data into or from the resistances of its memristors are elucidated&#x20;below.</p>
<sec id="s5-1">
<title>5.1 Store M-CNN</title>
<p>The aim of this section is to synthesize the gene for programming the cell <inline-formula id="inf706">
<mml:math id="minf706">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of a <inline-formula id="inf707">
<mml:math id="minf707">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> M-CNN to store the negative (positive) one value, which is assigned to its input voltage <inline-formula id="inf708">
<mml:math id="minf708">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> on the basis of the white (black) color of the pixel in the corresponding location in a given input binary image with same spatial resolution as the cellular array, as off (on) resistive state <inline-formula id="inf709">
<mml:math id="minf709">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf710">
<mml:math id="minf710">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) in its memristor <inline-formula id="inf711">
<mml:math id="minf711">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2133;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at equilibrium<xref ref-type="fn" rid="fn39">
<sup>39</sup>
</xref>, for all <inline-formula id="inf712">
<mml:math id="minf712">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and for all <inline-formula id="inf713">
<mml:math id="minf713">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Thus, as reported in <xref ref-type="table" rid="T5">Table&#x20;5</xref>, two are the local rules, which each M-CNN processing element is requested to comply with, so as to accomplish the data storage&#x20;task.</p>
<table-wrap id="T5" position="float">
<label>TABLE 5</label>
<caption>
<p>Pair of local rules, which the M-CNN cell <inline-formula id="inf714">
<mml:math id="minf714">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is requested to obey, so as to map the white (black) pixel in the corresponding position of a given <inline-formula id="inf715">
<mml:math id="minf715">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> input binary image into the off (on) resistive state of its memristor <inline-formula id="inf716">
<mml:math id="minf716">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2133;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at equilibrium (<inline-formula id="inf717">
<mml:math id="minf717">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf718">
<mml:math id="minf718">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>).</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">Local rule</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf719">
<mml:math id="minf719">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf720">
<mml:math id="minf720">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">1</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf721">
<mml:math id="minf721">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf722">
<mml:math id="minf722">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">2</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf723">
<mml:math id="minf723">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf724">
<mml:math id="minf724">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>Taking inspiration from the strategy adopted earlier on in the synthesis of a suitable gene for programming the bio-inspired memristive array to extract edges from an input binary image, a possible approach to design the STORE M-CNN is to make sure that the cell SDP accommodates one and only one globally asymptotically stable equilibrium i.e.,&#x20;<inline-formula id="inf725">
<mml:math id="minf725">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf726">
<mml:math id="minf726">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), located in the position specified in <xref ref-type="disp-formula" rid="e39">Eqs. 39</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">45</xref> under <inline-formula id="inf727">
<mml:math id="minf727">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V, as expected from rule 1&#x20;(2).</p>
<p>In order to facilitate the comprehension of the STORE M-CNN design, let us anticipate its outcome. Plot (a) ((b)) in <xref ref-type="fig" rid="F17">Figure&#x20;17</xref> depicts the cell SDP synthesized through the proposed DRM<sub>2</sub>-based system-theoretic technique to store the input voltage <inline-formula id="inf728">
<mml:math id="minf728">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V as off (on) resistance <inline-formula id="inf729">
<mml:math id="minf729">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf730">
<mml:math id="minf730">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) in the memristor <inline-formula id="inf731">
<mml:math id="minf731">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2133;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> according to rule 1 (2). As graphically illustrated in the first (latter) plot, an ad-hoc IS shall be set in place to ensure that the cell SDP under negative (positive) one V-valued input voltage accommodates only the <inline-formula id="inf732">
<mml:math id="minf732">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V <inline-formula id="inf733">
<mml:math id="minf733">
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> s<sup>&#x2212;1</sup> locus <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref>, indicated via magenta diamonds and located in the negative (positive) saturation region, and that the <inline-formula id="inf734">
<mml:math id="minf734">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullcline intersects the <inline-formula id="inf735">
<mml:math id="minf735">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>s<sup>&#x2212;1</sup> locus <xref ref-type="disp-formula" rid="e31">Eqs. 31</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">33</xref>, identified via red crosses in the phase-plane lower (upper) half, in the equilibrium <xref ref-type="disp-formula" rid="e39">Eqs. 39</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">45</xref>, where, as marked by means of a black circle, the memristor stores the off (on) resistive state <inline-formula id="inf736">
<mml:math id="minf736">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf737">
<mml:math id="minf737">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) expected from rule 1 (2). Shaping the cell DRM<sub>2</sub> this way, any trajectory of either SDP, visiting the region below (above) the single <inline-formula id="inf738">
<mml:math id="minf738">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullcline, would move upward (downward), bending toward the east/west in the phase-plane lower/upper half, toward the unique equilibrium, which, as a result, would feature global asymptotic stability, as highlighted through the filling of the respective black circle marker in each of plots (a) and (b) of <xref ref-type="fig" rid="F17">Figure&#x20;17</xref>. Given that the gene synthesis strategy, adopted here for programming the bio-inspired memristive array to write binary data into its memristors, is analogous to the one considered previously in the EDGE M-CNN design, <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref> (a.1), (a.2), and (a.3) ((b.1), (b.2), and (b.3)) are used once more to illustrate graphically the way we wish to massage the cell SDP in the linear, negative (positive), and positive (negative) saturation regions, respectively, for the satisfaction of rule 1 (2) from <xref ref-type="table" rid="T5">Table&#x20;5</xref>. The stepwise mathematical analysis of the second-order ODE <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eqs. 18</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref>, following shortly, shall enable to combine the graphs in plots (a.1)-(a.3) ((b.1)-(b.3)) for the synthesis of the desired cell SDP under <inline-formula id="inf739">
<mml:math id="minf739">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V. Before commencing the investigations, it is worth stressing a couple of points. Firstly, as a result of our strategy to enforce the existence of one and only one globally asymptotically stable equilibrium in each of the two possible cell SDPs, the choice for the initial condition <inline-formula id="inf740">
<mml:math id="minf740">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the ODEs <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eqs. 18</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref> is arbitrary. Secondly, since an isolated<xref ref-type="fn" rid="fn40">
<sup>40</sup>
</xref> non-autonomous array is expected to suffice for the accomplishment of the binary data writing task, the expression for the offset current in <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Eq. 13</xref> reduces to<disp-formula id="e60">
<mml:math id="me60">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(60)</label>
</disp-formula>Under the hypothesis that a value is preliminarily assigned to the self-feedback synaptic weight <inline-formula id="inf741">
<mml:math id="minf741">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> the proposed DRM<sub>2</sub> system-theoretic method will aim to the determination and later solution of an ad-hoc IS in the pair of unknown parameters <inline-formula id="inf742">
<mml:math id="minf742">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <italic>z</italic>. The proposed gene synthesis technique is first applied to derive the necessary constraints for well-behaved phase-plane trajectories in the linear region of each cell&#x20;SDP.</p>
<fig id="F17" position="float">
<label>FIGURE 17</label>
<caption>
<p>
<bold>(A</bold>,<bold>B)</bold> SDP of the processing element <inline-formula id="inf743">
<mml:math id="minf743">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for the storage of the negative (positive) one value, assigned to its input voltage <inline-formula id="inf744">
<mml:math id="minf744">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> on the basis of the white (black) pixel at row <italic>i</italic> and column <italic>j</italic> of a given input binary image, in the form of off (on) resistance <inline-formula id="inf745">
<mml:math id="minf745">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf746">
<mml:math id="minf746">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) into its memristor <inline-formula id="inf747">
<mml:math id="minf747">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2133;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In the first (latter) case the cell is monostable, featuring a single equilibrium, attracting all phase-plane trajectories, and lying in the negative (positive) saturation region, along the vertical line crossing the horizontal <inline-formula id="inf748">
<mml:math id="minf748">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;axis at the upper (lower) bound of the memristor state existence domain <italic>D</italic>, as expected from rule 1 (2) of <xref ref-type="table" rid="T5">Table&#x20;5</xref>. <bold>(C)</bold> Graphical determination of the solutions of the non-redundant inequality pair <xref ref-type="disp-formula" rid="e62">Eq. 62</xref>, descending from the application of the proposed DRM<sub>2</sub>-centered system-theoretic bio-inspired array design method to the model <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eqs. 18</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref> of the processing element <inline-formula id="inf749">
<mml:math id="minf749">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, in each region of the standard nonlinearity (3), as discussed in detail in the text, and illustrated graphically in <xref ref-type="fig" rid="F14">Figure&#x20;14</xref>, for the synthesis of an ad-hoc family of STORE M-CNN cell SDPs. The magenta region constitutes the domain of the two-dimensional <italic>z</italic>&#x2013;<inline-formula id="inf750">
<mml:math id="minf750">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> parameter space, which hosts all the admissible solutions of the system of inequalities <xref ref-type="disp-formula" rid="e62">62</xref>, which, taking into account <xref ref-type="table" rid="T3">Table&#x20;3</xref>, and assigning the values of <inline-formula id="inf751">
<mml:math id="minf751">
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and of <inline-formula id="inf752">
<mml:math id="minf752">
<mml:mrow>
<mml:mn>20</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, to <inline-formula id="inf753">
<mml:math id="minf753">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf754">
<mml:math id="minf754">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively, feature the analytical expressions <inline-formula id="inf755">
<mml:math id="minf755">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.9</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with the positive (negative) polarity option defining a rule 1 (2)-based constraint. The particular cell DRM<sub>2</sub>, foliating in the SDPs of plots <bold>(A)</bold> and <bold>(B)</bold>, associated to a nonzero offset current <inline-formula id="inf756">
<mml:math id="minf756">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of value <inline-formula id="inf757">
<mml:math id="minf757">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1.8</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf758">
<mml:math id="minf758">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2.2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>mA, and admitting a GAS equilibrium <inline-formula id="inf759">
<mml:math id="minf759">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, sitting at <inline-formula id="inf760">
<mml:math id="minf760">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>k&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1.10</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and at <inline-formula id="inf761">
<mml:math id="minf761">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>k&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1.08</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively, was derived for the specific solution pair <inline-formula id="inf762">
<mml:math id="minf762">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, indicated through an asterisk in plot <bold>(C)</bold>, and located well within the magenta region, conveniently away from its boundaries. For the sake of completeness, with reference to <xref ref-type="fig" rid="F14">Figure&#x20;14</xref> (a.3) ((b.3)), the final solution of the non-redundant inequality system defines the shape of the characteristic <inline-formula id="inf763">
<mml:math id="minf763">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref>, since it sets <inline-formula id="inf764">
<mml:math id="minf764">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf765">
<mml:math id="minf765">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) to <inline-formula id="inf766">
<mml:math id="minf766">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.3</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>mA (<inline-formula id="inf767">
<mml:math id="minf767">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2.7</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>mA) for rule 1 (2).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnano-03-633026-g017.tif"/>
</fig>
<sec id="s5-1-1">
<title>5.1.1 Store M-CNN Cell DRM<sub>2</sub> Synthesis in the Linear Region</title>
<p>The purpose of the following mathematical derivations is to make sure that, under negative (positive) one V-valued cell input voltage, the locus of points, lying on the characteristic <inline-formula id="inf768">
<mml:math id="minf768">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, expressed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Eq. 35</xref>, assumes values in the positive (negative) saturation region, as shown through a dashed brown curve without magenta diamonds in <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref> (a.1) (b.1). With reference to the right hand side of <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Eq. 35</xref>, a strictly positive sign is imposed on the denominator of the rational function for all <inline-formula id="inf769">
<mml:math id="minf769">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> under the constraint established by inequality <xref ref-type="disp-formula" rid="e55">Eq. 55</xref>. Under this hypothesis, enforcing a negative (positive) polarity for the offset current under <inline-formula id="inf770">
<mml:math id="minf770">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V through the inequality<disp-formula id="e61">
<mml:math id="me61">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>A</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(61)</label>
</disp-formula>the graph of the function <inline-formula id="inf771">
<mml:math id="minf771">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, described by <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Eq. 35</xref>, is found to lie on the phase plane upper (lower) half, and to feature a monotonic decrease (increase) with <inline-formula id="inf772">
<mml:math id="minf772">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with upward (downward) concavity. In the first (latter) case this <inline-formula id="inf773">
<mml:math id="minf773">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf774">
<mml:math id="minf774">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> locus may thus be forced to fall completely over the domain <inline-formula id="inf775">
<mml:math id="minf775">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as visualized in plot (a.1) ((b.1)) of <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref>, via the additional constraint<disp-formula id="e62">
<mml:math id="me62">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(62)</label>
</disp-formula>Under rule 1 (2), the whole phase-plane region <inline-formula id="inf776">
<mml:math id="minf776">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> lies below (above) the characteristic <inline-formula id="inf777">
<mml:math id="minf777">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Eq. 35</xref>. As a result, on the basis of condition <xref ref-type="disp-formula" rid="e58">Eq. 58</xref>, descending from inequality <xref ref-type="disp-formula" rid="e51">Eq. 51</xref> by taking into account that the second factor on the left hand side is strictly positive in view of constraint <xref ref-type="disp-formula" rid="e55">Eq. 55</xref>, the trajectory, which each point <inline-formula id="inf778">
<mml:math id="minf778">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> traces in the linear region, evolves in the south (north) direction, bending eastward or westward in the phase-plane lower or upper half over time, as dictated by constraint <xref ref-type="disp-formula" rid="e48">Eq. 48</xref> or <xref ref-type="disp-formula" rid="e49">Eq. 49</xref>, visiting the gray IV (yellow II) or green I (cyan III) regions, as shown in plot (a.1) ((b.1)) of <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref>. Next, our systematic M-CNN design methodology is applied to massage the STORE cell DRM<sub>2</sub> in the phase-plane saturation regions.</p>
</sec>
<sec id="s5-1-2">
<title>5.1.2 Store M-CNN Cell DRM<sub>2</sub> Synthesis in the Saturation Regions</title>
<p>Two are the aims of the mathematical treatment to follow. Firstly, referring to <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref> (a.2) ((b.2)), we shall make sure that, under <inline-formula id="inf779">
<mml:math id="minf779">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V, the characteristic <inline-formula id="inf780">
<mml:math id="minf780">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref> lie in the negative (positive) saturation region, as indicated through a dashed brown curve with magenta diamonds, and intersect the vertical <inline-formula id="inf781">
<mml:math id="minf781">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullcline <xref ref-type="disp-formula" rid="e31">Eqs. 31</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">33</xref>, which crosses the horizontal axis at the memristor state upper (lower) bound, in a GAS equilibrium point, namely <xref ref-type="disp-formula" rid="e39">Eqs. 39</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">45</xref>, as marked through a black-filled circle. Secondly, looking now at <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref> (a.3) ((b.3)), in order to enforce that the processing element is monostable under the hypothesis of either rule i.e.,&#x20;that the function <inline-formula id="inf782">
<mml:math id="minf782">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref> denote the only possible <inline-formula id="inf783">
<mml:math id="minf783">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V <inline-formula id="inf784">
<mml:math id="minf784">
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> s<sup>&#x2212;1</sup> locus, which the cell SDP may ever accommodate under rule 1 (2), we shall impose that the characteristic <inline-formula id="inf785">
<mml:math id="minf785">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref> does not go through any phase-plane point belonging to the positive (negative) saturation region, featuring, in particular, one of three possible graphs, as visualized by means of dashed brown curves without magenta diamonds. It may be shown that, due to inequality <xref ref-type="disp-formula" rid="e61">Eq. 61</xref>, under the hypothesis of rule 1 (rule 2), the <inline-formula id="inf786">
<mml:math id="minf786">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V <inline-formula id="inf787">
<mml:math id="minf787">
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> s<sup>&#x2212;1</sup> locus <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref> exhibits upward (downward) concavity in its monotonic decrease (increase) with the memristor state. Thus, making sure it lies below (above) the horizontal line <inline-formula id="inf788">
<mml:math id="minf788">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at the memristor state lower bound, via the additional inequality<disp-formula id="e63">
<mml:math id="me63">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(63)</label>
</disp-formula>under <inline-formula id="inf789">
<mml:math id="minf789">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V, this unique <inline-formula id="inf790">
<mml:math id="minf790">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullcline is found assume values within the negative (positive) saturation region over the entire memristor state existence domain <inline-formula id="inf791">
<mml:math id="minf791">
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, as depicted by means of a dashed brown curve with magenta diamonds in <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref> (a.2) ((b.2)). The existence of a cell equilibrium, as specified in <xref ref-type="disp-formula" rid="e39">Eqs. 39</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">45</xref>, and indicated via a black circle in plot (a.2) ((b.2)) of <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref>, is then guaranteed under the hypothesis of rule 1 (2). With regard to the flow of the vector field <inline-formula id="inf792">
<mml:math id="minf792">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> over time, all trajectories, visiting points lying below or above the <inline-formula id="inf793">
<mml:math id="minf793">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullcline <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref> in the phase-plane negative (positive) saturation region under <inline-formula id="inf794">
<mml:math id="minf794">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V, feature a northeastward (northwestward) or southeastward (southwestward) direction of motion, in view of inequalities <xref ref-type="disp-formula" rid="e50">Eqs. 50</xref>,<xref ref-type="disp-formula" rid="e52"> 52</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e48">Eqs. 48</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e49">49</xref>, crossing the yellow II (cyan III) or gray IV (green I) regions, defined in the legend of <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure&#x20;11</xref>, as illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref> (a.2) ((b.2)).</p>
<p>Basic mathematical analysis reveals that, under the hypothesis of rule 1 (2), the function <inline-formula id="inf795">
<mml:math id="minf795">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, expressed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref>, may exhibit three possible distinct courses, depending upon the polarity of its numerator, i.e. upon the sign of <inline-formula id="inf796">
<mml:math id="minf796">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf797">
<mml:math id="minf797">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), but, irrespectively, keeps always below (above) the horizontal line <inline-formula id="inf798">
<mml:math id="minf798">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as sketched by means of dashed brown curves without magenta diamonds in <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref> (a.3) ((b.3)). It descends that all the points, residing in the positive (negative) saturation region of the cell SDP for <inline-formula id="inf799">
<mml:math id="minf799">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, lie above (below) the characteristic <inline-formula id="inf800">
<mml:math id="minf800">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref>. Therefore, on the basis of conditions <xref ref-type="disp-formula" rid="e48">Eqs. 48</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e49">49</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e50">Eqs. 50</xref>,<xref ref-type="disp-formula" rid="e52"> 52</xref>, a trajectory point <inline-formula id="inf801">
<mml:math id="minf801">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> evolves over time in the south-west (north-east) direction, as it passes across the phase-plane positive (negative) saturation region, exploring the green (yellow) region I (II) of the two-dimensional state-space, as graphically shown in plot (a.3) ((b.3)) of <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref>. The global asymptotic stability of the only equilibrium <xref ref-type="disp-formula" rid="e39">Eqs. 39</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">45</xref>, which the cell SDP hosts under a negative (positive) one V-valued input voltage, explaining the filling of the respective black circle in plot (a.2) ((b.2)) of <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref>, may be inferred by inspecting the flow of the vector field <inline-formula id="inf802">
<mml:math id="minf802">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> throughout the phase-plane (refer to <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure&#x20;15</xref> (a.1)-(a.3) ((b.1)-(b.3))). Overall, our rigorous system-theoretic M-CNN design methodology has identified a set of 7 constraints, including condition <xref ref-type="disp-formula" rid="e55">Eq. 55</xref>, and a trio of inequality couples, namely <xref ref-type="disp-formula" rid="e61">Eqs. 61</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e63">63</xref>, where the first (second) sign option applies under the hypothesis of rule 1 (2). Setting the values for <inline-formula id="inf803">
<mml:math id="minf803">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and for <inline-formula id="inf804">
<mml:math id="minf804">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to<xref ref-type="fn" rid="fn41">
<sup>41</sup>
</xref> <inline-formula id="inf805">
<mml:math id="minf805">
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf806">
<mml:math id="minf806">
<mml:mrow>
<mml:mn>20</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively, the first condition <xref ref-type="disp-formula" rid="e55">Eq. 55</xref> holds automatically true. Further, the two <xref ref-type="disp-formula" rid="e62">Eq. 62</xref> already account for all the remaining four conditions, expressed by the inequality pairs <xref ref-type="disp-formula" rid="e61">Eqs. 61</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e63">63</xref>. Adopting a geometric approach to solve the two non-redundant inequalities <xref ref-type="disp-formula" rid="e62">Eq. 62</xref>, one for each of the two possible sign choices, in the <italic>z</italic>&#x2013;<inline-formula id="inf807">
<mml:math id="minf807">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> parameter plane, the coordinates of all the points, residing within the magenta region of <xref ref-type="fig" rid="F17">Figure&#x20;17C</xref>, enable to program the M-CNN so as to accomplish the data writing task. With reference to this same figure, as anticipated earlier, plot (a) ((b)) visualizes the SDP, which the M-CNN cell features under <inline-formula id="inf808">
<mml:math id="minf808">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V, upon the assignment of <inline-formula id="inf809">
<mml:math id="minf809">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf810">
<mml:math id="minf810">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to <italic>z</italic>, and <inline-formula id="inf811">
<mml:math id="minf811">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively, as it descends from the selection of the non-redundant inequality pair solution, sitting at a precautionary distance from the boundaries of the magenta region, and indicated through an asterisk marker in plot&#x20;(c).</p>
<p>Setting the values for the core circuit parameters of each cell of a M-CNN, featuring <inline-formula id="inf812">
<mml:math id="minf812">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>145</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> rows and <inline-formula id="inf813">
<mml:math id="minf813">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>147</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> columns, as established through the gene synthesis procedure, numerical simulations reveal the capability of the resulting bio-inspired memristive array to store binary data into its locally distributed memristive memory bank. A white (black) pixel at row <italic>i</italic> and column <italic>j</italic> of a binary image, featuring the same spatial resolution as the M-CNN, and shown in <xref ref-type="fig" rid="F18">Figure&#x20;18A</xref>, is first mapped onto a negative (positive) one V-valued input voltage <inline-formula id="inf814">
<mml:math id="minf814">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for the M-CNN cell <inline-formula id="inf815">
<mml:math id="minf815">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf816">
<mml:math id="minf816">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf817">
<mml:math id="minf817">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). Letting a white (black) pixel code the lowest (highest) possible resistive level for the initial condition on state 1, as well as a negative (positive) 1&#xa0;V voltage for the initial condition on state 2, <inline-formula id="inf818">
<mml:math id="minf818">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf819">
<mml:math id="minf819">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are randomly initialized to one of two possible values from the sets <inline-formula id="inf820">
<mml:math id="minf820">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf821">
<mml:math id="minf821">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V, respectively, as graphically illustrated through binary images in plots (b) and (c) of <xref ref-type="fig" rid="F18">Figure&#x20;18</xref>, respectively. Plot (d) from the same figure visualizes the data written into the memristors at equilibrium through the use of a white (black)-coloured pixel in each location corresponding to a M-CNN cell, which stores the on (off) memristance level <inline-formula id="inf822">
<mml:math id="minf822">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf823">
<mml:math id="minf823">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). Given the scheme adopted for choosing the input voltage of each cell, and for visualizing the resistive state of each memristor at equilibrium, it follows that a white (black) pixel in correspondence of the <inline-formula id="inf824">
<mml:math id="minf824">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>th</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> row and <inline-formula id="inf825">
<mml:math id="minf825">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>th</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> column of the input image from plot (a) is mapped onto a black (white) pixel in the corresponding location of the illustrative picture from plot (d). The complementary operation to information storage is data retrieval. The next section elucidates the principles behind the choice of a suitable gene for the execution of this&#x20;task.</p>
<fig id="F18" position="float">
<label>FIGURE 18</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> Input binary image with <inline-formula id="inf826">
<mml:math id="minf826">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> pixels (<inline-formula id="inf827">
<mml:math id="minf827">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>145</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf828">
<mml:math id="minf828">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>147</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). <bold>(B</bold>,<bold>C)</bold> Black-and-white picture coding the random initial condition assigned to the capacitor voltage (memristor state) in each cell of a M-CNN with same rows and columns as the input image. <bold>(D)</bold> Graphical illustration of the data stored in the memristive memory at the end of the data writing operation. The binary picture in <bold>(D)</bold> appears to be the logically inverted version of the black-and-white image in <bold>(A)</bold>, due to the convention, intentionally adopted here, to map each white (black) pixel of the input binary image to a negative (positive) one V-valued input voltage for the corresponding M-CNN cell, and to code the memory content of each off (on) memristor at equilibrium through a black (white)&#x20;pixel.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnano-03-633026-g018.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s5-2">
<title>5.2 Recall M-CNN</title>
<p>The purpose of this section is to shape the DRM<sub>2</sub> of the processing element <inline-formula id="inf829">
<mml:math id="minf829">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of a <inline-formula id="inf830">
<mml:math id="minf830">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> M-CNN, so as to allow the cell itself to retrieve the initial resistive state of the memristor <inline-formula id="inf831">
<mml:math id="minf831">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2133;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, mapping the memory content into the steady-state<xref ref-type="fn" rid="fn42">
<sup>42</sup>
</xref> output voltage <inline-formula id="inf832">
<mml:math id="minf832">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as negative (positive) saturation level <inline-formula id="inf833">
<mml:math id="minf833">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, in case <inline-formula id="inf834">
<mml:math id="minf834">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is found to be the upper (lower) bound <inline-formula id="inf835">
<mml:math id="minf835">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf836">
<mml:math id="minf836">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) of the closed set <inline-formula id="inf837">
<mml:math id="minf837">
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. The local rule pair, dictating the operating principles of each RECALL M-CNN cell, is reported in <xref ref-type="table" rid="T6">Table&#x20;6</xref>.</p>
<table-wrap id="T6" position="float">
<label>TABLE 6</label>
<caption>
<p>Set of local rules, which are imposed on the processing element <inline-formula id="inf838">
<mml:math id="minf838">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of a <inline-formula id="inf839">
<mml:math id="minf839">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> M-CNN, so as to allow the reading of the memory content, initially stored in the memristor <inline-formula id="inf840">
<mml:math id="minf840">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2133;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and its transfer to the steady-state output voltage <inline-formula id="inf841">
<mml:math id="minf841">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf842">
<mml:math id="minf842">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf843">
<mml:math id="minf843">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). The initial condition of the memristor state <inline-formula id="inf844">
<mml:math id="minf844">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is requested to have a crucial impact on the dynamic behaviour of the capacitor voltage <inline-formula id="inf845">
<mml:math id="minf845">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>: if <inline-formula id="inf846">
<mml:math id="minf846">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2133;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> initially sits in the off (on) resistive state <inline-formula id="inf847">
<mml:math id="minf847">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <inline-formula id="inf848">
<mml:math id="minf848">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf849">
<mml:math id="minf849">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is expected to converge asymptotically toward an equilibrium value lower (higher) than the negative (positive) saturation level, fixing, consequently, <inline-formula id="inf850">
<mml:math id="minf850">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula id="inf851">
<mml:math id="minf851">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">Local rule</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf852">
<mml:math id="minf852">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>k&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf853">
<mml:math id="minf853">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">1</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf854">
<mml:math id="minf854">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf855">
<mml:math id="minf855">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">2</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf856">
<mml:math id="minf856">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf857">
<mml:math id="minf857">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>Given that the RECALL M-CNN is autonomous, differently from the strategy adopted in the STORE M-CNN design, the gene synthesis approach, followed in this section, aims to massage one and only one SDP, hosting the solutions of the second-order ODE <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eqs. 18</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref> for both local rules from <xref ref-type="table" rid="T6">Table&#x20;6</xref>, and constituting, as a result, the DRM<sub>2</sub> itself. In order to achieve this purpose, the cell should be programmed so as to operate as a bistable dynamical system: in case the memristor, it accommodates, sits in the off (on) resistive state, the vector field flow should guide the trajectory toward the equilibrium <inline-formula id="inf858">
<mml:math id="minf858">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf859">
<mml:math id="minf859">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), which features coordinates specified in <xref ref-type="disp-formula" rid="e39">Eqs. 39</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">45</xref>, and is indicated via a black circle in the phase-plane negative (positive) saturation region from <xref ref-type="fig" rid="F19">Figure&#x20;19A</xref>, anticipating the bistable cell SDP, which will be synthesized shortly by means of the proposed approach. The existence of the first (latter) equilibrium is ensured by enforcing the existence of a <inline-formula id="inf860">
<mml:math id="minf860">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullcline, which is defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref>, in the negative (positive) saturation region, as indicated via magenta diamonds, and ensuring it would admit a point of intersection with the <inline-formula id="inf861">
<mml:math id="minf861">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> locus, which is marked with red crosses, and expressed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e31">Eqs. 31</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">33</xref>. A fundamental step in the RECALL M-CNN design regards the selection of a suitable initial condition <inline-formula id="inf862">
<mml:math id="minf862">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for the capacitor voltage. It should be based upon the necessity to ensure that, with the memristor <inline-formula id="inf863">
<mml:math id="minf863">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2133;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> storing the off (on) resistance <inline-formula id="inf864">
<mml:math id="minf864">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf865">
<mml:math id="minf865">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), the initial condition <inline-formula id="inf866">
<mml:math id="minf866">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the cell ODE <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eqs. 18</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref> should belong to the basin of attraction of the equilibrium <xref ref-type="disp-formula" rid="e39">Eqs. 39</xref>,&#x20;<xref ref-type="disp-formula" rid="e45">45</xref>.</p>
<fig id="F19" position="float">
<label>FIGURE 19</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> SDP of the bistable cell <inline-formula id="inf867">
<mml:math id="minf867">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the isolated and autonomous RECALL M-CNN. Choosing a suitable value for the initial condition <inline-formula id="inf868">
<mml:math id="minf868">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> on the capacitor voltage, here <inline-formula id="inf869">
<mml:math id="minf869">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.15</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, if the memristor sits in the highest (lowest) possible resistive state <inline-formula id="inf870">
<mml:math id="minf870">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf871">
<mml:math id="minf871">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) at the onset of the data recall procedure, the state vector <inline-formula id="inf872">
<mml:math id="minf872">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> evolves in time toward the equilibrium (39) ((45)) located in the phase-plane region <inline-formula id="inf873">
<mml:math id="minf873">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as expected from rule 1 (2) from <xref ref-type="table" rid="T6">Table&#x20;6</xref>. Importantly, since the memristor state <inline-formula id="inf874">
<mml:math id="minf874">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at equilibrium is found to be identical as its initial condition <inline-formula id="inf875">
<mml:math id="minf875">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the data stored in the locally distributed memristive memory bank are unaltered by the RECALL operation. Importantly, the values of the self-feedback synaptic weight <inline-formula id="inf876">
<mml:math id="minf876">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and of the offset current <inline-formula id="inf877">
<mml:math id="minf877">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the SDP identify a point located in the pink domain of the M-CNN Primary Mosaic of <xref ref-type="fig" rid="F13">Figure&#x20;13</xref>. <bold>(B)</bold> Graphical illustration of the geometric analysis, carried out in the parameter plane <italic>z</italic>&#x2013;<inline-formula id="inf878">
<mml:math id="minf878">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, for the determination of valid solutions of the non-redundant inequality trio, composed of conditions <xref ref-type="disp-formula" rid="e55">Eqs. 55</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e66">66</xref>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="e67">67</xref>. These three inequalities, obtained through the system-theoretic methodology, proposed in <xref ref-type="sec" rid="s3-3">section 3.3</xref>, allow to massage the DRM<sub>2</sub> of each M-CNN processing element in such a way to retrieve the information stored in the memristor <inline-formula id="inf879">
<mml:math id="minf879">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2133;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. On the basis of <xref ref-type="table" rid="T3">Table&#x20;3</xref>, and setting <inline-formula id="inf880">
<mml:math id="minf880">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula id="inf881">
<mml:math id="minf881">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, they are found to feature formulas <inline-formula id="inf882">
<mml:math id="minf882">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf883">
<mml:math id="minf883">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf884">
<mml:math id="minf884">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. The coordinates of each point <inline-formula id="inf885">
<mml:math id="minf885">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> within the magenta domain satisfy them concurrently. The cell SDP, depicted in plot <bold>(A)</bold>, was derived for the particular solution <inline-formula id="inf886">
<mml:math id="minf886">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>3.5</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>6.25</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which, as indicated via an asterisk marker in plot <bold>(B)</bold>, resides, to some extent, away from the white parameter plane region, where at least one of the three conditions does not hold&#x20;true.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnano-03-633026-g019.tif"/>
</fig>
<p>With reference to the cell SDP in <xref ref-type="fig" rid="F19">Figure&#x20;19A</xref>, in our strategy we first imposed the existence of a <inline-formula id="inf887">
<mml:math id="minf887">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> locus, which is expressed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Eq. 35</xref>, also within the phase-plane domain <inline-formula id="inf888">
<mml:math id="minf888">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as indicated via magenta diamonds, and then ensured it would cross the <inline-formula id="inf889">
<mml:math id="minf889">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullcline, marked through red crosses, and defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="e31">Eq. 31</xref>, forming, as a result, the additional equilibrium <inline-formula id="inf890">
<mml:math id="minf890">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with coordinates reported in <xref ref-type="disp-formula" rid="e41">Eq. 41</xref>, symbolized through the black circle, and located on the linear region negative side. Furthermore, we enforced that the <inline-formula id="inf891">
<mml:math id="minf891">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> characteristics <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">35</xref> would assume values only over a limited range of the close set <inline-formula id="inf892">
<mml:math id="minf892">
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, namely <inline-formula id="inf893">
<mml:math id="minf893">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> within the regions <inline-formula id="inf894">
<mml:math id="minf894">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf895">
<mml:math id="minf895">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively, with <inline-formula id="inf896">
<mml:math id="minf896">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> representing the abscissa of their point of intersection, residing on the frontier between negative saturation and linear regions, away, to some extent, from the vertical line <inline-formula id="inf897">
<mml:math id="minf897">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This design plan was instrumental for the creation of a special domain, lying within the region <inline-formula id="inf898">
<mml:math id="minf898">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V, and accommodating trajectories moving in the south-east direction, whereas the vector field flows toward the north-east across the remainder of the phase plane lower half. Besides revealing the unstable nature of the equilibrium <xref ref-type="disp-formula" rid="e41">Eq. 41</xref>, as indicated by the hollow structure of its black circle marker, the formation of this special domain ensures that, setting the initial condition <inline-formula id="inf899">
<mml:math id="minf899">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> on the capacitor voltage to an intermediate value between the ordinates of the two equilibria, lying along the vertical line <inline-formula id="inf900">
<mml:math id="minf900">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the phase-plane trajectory, which would emerge on the cell SDP, in case the memristor initially sits in the highest (lowest) possible resistive state, would asymptotically approach the equilibrium located in the negative (positive) saturation region, revealing its locally stable nature, as highlighted through the filling of the relative black circle symbol. The steps, to be mathematically formulated below, which our system-theoretic methodology entails, for shaping the cell DRM<sub>2</sub> in the linear, negative saturation, and positive saturation region, as desired (refer, once again to <xref ref-type="fig" rid="F19">Figure&#x20;19A</xref>), are visualized through illustrative viewgraphs in <xref ref-type="fig" rid="F20">Figures 20A&#x2013;C</xref>, respectively.</p>
<fig id="F20" position="float">
<label>FIGURE 20</label>
<caption>
<p>Qualitative sketches illustrating graphically the steps of the system-theoretic method to massage the cell SDP in the linear <bold>(A)</bold>, negative saturation <bold>(B)</bold>, and positive saturation <bold>(C)</bold> regions for the derivation of a suitable gene to program the M-CNN for the data retrieval&#x20;task.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnano-03-633026-g020.tif"/>
</fig>
<p>A rigorous mathematical analysis of the cell ODE <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eqs. 18</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref> allows the derivation of a suitable IS for the creation of an ad-hoc cell SDP, combining the coloured phase-plane regions in plots (a), (b), and (c) of <xref ref-type="fig" rid="F20">Figure&#x20;20</xref>. A preliminary requirement for initiating the investigations is to fix the expression for the offset current. Conjecturing that the use of a simple isolated autonomous M-CNN would be sufficient for the accomplishment of the data recall operation, simplifying <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Eq. 13</xref>, the following formula may be assigned to <inline-formula id="inf901">
<mml:math id="minf901">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>:<disp-formula id="e64">
<mml:math id="me64">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(64)</label>
</disp-formula>Assuming that the conductance <inline-formula id="inf902">
<mml:math id="minf902">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the linear resistor, appearing in parallel with the capacitor in the cell circuit memcomputing core of <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure&#x20;8</xref>, is a given design parameter, the IS under determination will be expressed in terms of two unknowns only, specifically <inline-formula id="inf903">
<mml:math id="minf903">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <italic>z</italic>, which will enable the determination of the domain of admissible solutions on the basis of a geometrical analysis. Let us commence the systematic mathematical treatment from the linear region of the standard nonlinearity of <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Eq.&#x20;3</xref>.</p>
<sec id="s5-2-1">
<title>5.2.1 Recall M-CNN Cell DRM<sub>2</sub> Synthesis in the Linear Region</title>
<p>Looking at <xref ref-type="fig" rid="F20">Figure&#x20;20</xref>, the purpose of this section is to make sure that <inline-formula id="inf904">
<mml:math id="minf904">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V <inline-formula id="inf905">
<mml:math id="minf905">
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> s<sup>&#x2212;1</sup> on the locus of points, expressed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Eq. 35</xref>, and indicated via a dashed brown curve with magenta diamonds in plot (a), that such <inline-formula id="inf906">
<mml:math id="minf906">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> characteristic lies over the phase plane region <inline-formula id="inf907">
<mml:math id="minf907">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, forming together with the <inline-formula id="inf908">
<mml:math id="minf908">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullcline <xref ref-type="disp-formula" rid="e31">Eq. 31</xref> an unstable equilibrium in the point, defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="e31">Eq. 31</xref>, and marked through a black hollow circle in plot (a), intersecting the frontier between negative saturation and linear regions in a point, specifically <inline-formula id="inf909">
<mml:math id="minf909">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which, as may be easily verified through maths (refer to plot (b) as well), belongs also to the graph of the function <inline-formula id="inf910">
<mml:math id="minf910">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eq. 34</xref>, residing at some distance from the vertical line <inline-formula id="inf911">
<mml:math id="minf911">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>Enforcing the inequality <xref ref-type="disp-formula" rid="e55">Eq. 55</xref>, and assuming a positive polarity for the offset current according to<disp-formula id="e65">
<mml:math id="me65">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>A</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(65)</label>
</disp-formula>the function <inline-formula id="inf912">
<mml:math id="minf912">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, expressed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Eq. 35</xref>, is found to be strictly negative, and to feature downward concavity as it increases monotonically with the memristor state. It follows that, through the additional condition<disp-formula id="e66">
<mml:math id="me66">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(66)</label>
</disp-formula>the characteristic <inline-formula id="inf913">
<mml:math id="minf913">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Eq. 35</xref> falls within the domain <inline-formula id="inf914">
<mml:math id="minf914">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as illustrated via a dashed brown curve with magenta diamonds in <xref ref-type="fig" rid="F20">Figure&#x20;20A</xref>, and crosses the <inline-formula id="inf915">
<mml:math id="minf915">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullcline <xref ref-type="disp-formula" rid="e31">Eq. 31</xref> in the equilibrium point <inline-formula id="inf916">
<mml:math id="minf916">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="e41">Eq. 41</xref>, and depicted as a black circle in the same figure. Furthermore, the constraint<disp-formula id="e67">
<mml:math id="me67">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(67)</label>
</disp-formula>establishes the requirement for the point of intersection between the <inline-formula id="inf917">
<mml:math id="minf917">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullcline of <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Eq. 35</xref> and the horizontal line <inline-formula id="inf918">
<mml:math id="minf918">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to lie, at least to some extent, away from the <inline-formula id="inf919">
<mml:math id="minf919">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x20;locus.</p>
<p>Given that, with inequality <xref ref-type="disp-formula" rid="e55">Eq. 55</xref> holding true, <xref ref-type="disp-formula" rid="e58">Eq. 58</xref> expresses the condition under which <inline-formula id="inf920">
<mml:math id="minf920">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V<inline-formula id="inf921">
<mml:math id="minf921">
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula>s<sup>&#x2212;1</sup> in the linear region, the phase plane trajectories, lying, therein, below (above) the <inline-formula id="inf922">
<mml:math id="minf922">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullcline of <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Eq. 35</xref>, evolve over time in the south (north) direction, bending to the east or to the west, as dictated by constraint <xref ref-type="disp-formula" rid="e48">Eq. 48</xref> or <xref ref-type="disp-formula" rid="e49">Eq. 49</xref>, across the domain <inline-formula id="inf923">
<mml:math id="minf923">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf924">
<mml:math id="minf924">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, exploring the gray IV (yellow II or cyan III) region(s), as illustrated in plot (a) of <xref ref-type="fig" rid="F20">Figure&#x20;20</xref>, unveiling the unstable nature of the equilibrium point (41), which is then visualized as a black hollow circle. The analytical treatment of the second-order cell ODE (18)&#x2013;(19) is now focused on the saturation regions of the standard nonlinearity of <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Eq.&#x20;3</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s5-2-2">
<title>5.2.2 Recall M-CNN Cell DRM<sub>2</sub> Synthesis in the Saturation Regions</title>
<p>Referring to Figure&#x20;20, the intention of this section is to establish the existence of a <inline-formula id="inf925">
<mml:math id="minf925">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V<inline-formula id="inf926">
<mml:math id="minf926">
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula>s<sup>&#x2212;1</sup> locus in the negative (positive) saturation region, as expressed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref>, and highlighted via a dashed brown curve with magenta diamonds in plot (b) ((c)), and to ensure that it forms, together with the <inline-formula id="inf927">
<mml:math id="minf927">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>s<sup>&#x2212;1</sup> locus, defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="e31">Eqs. 31</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">33</xref>, a stable equilibrium point, as given in <xref ref-type="disp-formula" rid="e39">Eqs. 39</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">45</xref>, and shown as a black filled circle in plot (b) ((c)).</p>
<p>As anticipated earlier, mathematical calculations reveal that the <inline-formula id="inf928">
<mml:math id="minf928">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> characteristic of <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eq. 34</xref> intersects the frontier between the negative saturation and linear regions in the point of abscissa <inline-formula id="inf929">
<mml:math id="minf929">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, defined on the left hand side of inequality <xref ref-type="disp-formula" rid="e67">Eq. 67</xref>. Therefore, with inequality <xref ref-type="disp-formula" rid="e65">Eq. 65</xref> holding true, taking into account that, on the basis of condition <xref ref-type="disp-formula" rid="e67">Eq. 67</xref>, <inline-formula id="inf930">
<mml:math id="minf930">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the <inline-formula id="inf931">
<mml:math id="minf931">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> characteristic <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eq. 34</xref> is found to fall in the phase plane negative region over the memristor state range <inline-formula id="inf932">
<mml:math id="minf932">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, featuring an upward concavity, while it decreases monotonically with <inline-formula id="inf933">
<mml:math id="minf933">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as depicted through a brown curve with magenta diamonds in <xref ref-type="fig" rid="F20">Figure&#x20;20B</xref>, and forming, together with the <inline-formula id="inf934">
<mml:math id="minf934">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullcline <xref ref-type="disp-formula" rid="e31">Eq. 31</xref>, the equilibrium <xref ref-type="disp-formula" rid="e39">Eq. 39</xref>, indicated via a black circle in the same&#x20;plot.</p>
<p>Focusing now on the domain <inline-formula id="inf935">
<mml:math id="minf935">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, in view of condition <xref ref-type="disp-formula" rid="e65">Eq. 65</xref>, the <inline-formula id="inf936">
<mml:math id="minf936">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> characteristic <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">Eq. 36</xref> is found to be strictly positive, and to exhibit downward concavity as it monotonically increases with the memristor state. As a result, imposing the new condition<disp-formula id="e68">
<mml:math id="me68">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(68)</label>
</disp-formula>ensures that the graph of the function <inline-formula id="inf937">
<mml:math id="minf937">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">Eq. 36</xref> assumes values within the domain <inline-formula id="inf938">
<mml:math id="minf938">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for all <inline-formula id="inf939">
<mml:math id="minf939">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as indicated via the dashed brown curve with magenta diamonds in <xref ref-type="fig" rid="F20">Figure&#x20;20C</xref>, creating, in conjunction with the <inline-formula id="inf940">
<mml:math id="minf940">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>s<sup>&#x2212;1</sup> locus, the equilibrium <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">Eq. 45</xref>, shown as a black circle on the same plot. On the basis of the behaviour of the vector field in the negative (positive) saturation region, as established by conditions <xref ref-type="disp-formula" rid="e48">Eqs. 48</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e49">49</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e50">Eqs. 50</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e52">52</xref>, phase-plane trajectories below or above the <inline-formula id="inf941">
<mml:math id="minf941">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V<inline-formula id="inf942">
<mml:math id="minf942">
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula>s<sup>&#x2212;1</sup> locus <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eqs. 34</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref> are bound to move north-eastward (north-westward) or south-eastward (south-westward), visiting the yellow II (cyan III) or gray IV (green I) regions, as qualitatively sketched in the viewgraph of <xref ref-type="fig" rid="F20">Figures 20B,C</xref>, unvealing the local stability of the equilibrium point <xref ref-type="disp-formula" rid="e39">Eqs. 39</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">45</xref>, as indicated through the filling structure of its black circle symbol.</p>
<p>All in all, the application of our stepwise system-theoretic M-CNN design method to the cell model <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eqs. 18</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref>, identifies five inequalities, specifically <xref ref-type="disp-formula" rid="e55">Eqs. 55</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e65">65</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e68">68</xref>. Replacing the linear resistor in parallel to the capacitor in the memcomputing core of the cell circuit of <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure&#x20;8</xref> with an open circuit<xref ref-type="fn" rid="fn43">
<sup>43</sup>
</xref>, the system of five inequalities may be reduced to the triplet of non-redundant conditions <xref ref-type="disp-formula" rid="e55">Eqs. 55</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e66">66</xref>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="e67">67</xref>. Solving them through the geometric analysis method, all the points lying in the magenta region of the <italic>z</italic>&#x2013;<inline-formula id="inf943">
<mml:math id="minf943">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> parameter plane of <xref ref-type="fig" rid="F19">Figure&#x20;19B</xref> allow to program the M-CNN to retrieve the memory content stored in the locally distributed memristive bank. With reference to <xref ref-type="fig" rid="F19">Figure&#x20;19</xref>, the bistable cell SDP, shown in plot (a), was derived for the particular solution <inline-formula id="inf944">
<mml:math id="minf944">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>3.5</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>6.25</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which, as revealed via an asterisk marker in plot (b), is safely distanced from the white region of the parameter plane, where the three non-redundant inequalities would not be simultaneously satisfied. With the stable equilibrium of the positive saturation region, positioned at <inline-formula id="inf945">
<mml:math id="minf945">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>0.1950</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, choosing, for the initial condition <inline-formula id="inf946">
<mml:math id="minf946">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> on the capacitor voltage, an intermediate value, specifically <inline-formula id="inf947">
<mml:math id="minf947">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.15</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V, between the ordinate of the unstable equilibrium of the linear region, lying at <inline-formula id="inf948">
<mml:math id="minf948">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>k&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.0667</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the ordinate of the stable equilibrium of the negative saturation region, residing at <inline-formula id="inf949">
<mml:math id="minf949">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>k&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.275</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the phase-plane trajectory is found to converge asymptotically toward the equilibrium over the domain <inline-formula id="inf950">
<mml:math id="minf950">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> if the memristor initially sits in the off (on) resistive state <inline-formula id="inf951">
<mml:math id="minf951">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf952">
<mml:math id="minf952">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), as expected from rule 1 (2) from <xref ref-type="table" rid="T6">Table&#x20;6</xref>. Remarkably, the memristor state approaches asymptotically the same value it stored before its memory content interrogation commenced, revealing that no unwanted secondary effect accompanies the data reading operation. <xref ref-type="fig" rid="F21">Figure&#x20;21</xref> demonstrates that a <inline-formula id="inf953">
<mml:math id="minf953">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> M-CNN, accommodating cells regularly positioned along <inline-formula id="inf954">
<mml:math id="minf954">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>177</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> rows and <inline-formula id="inf955">
<mml:math id="minf955">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>240</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> columns, operates as desired, after its gene is programmed as established by the DRM<sub>2</sub>-centered M-CNN design methodology. The binary image, shown in plot (a), illustrates graphically the resistive states of all the memristors. A white (black) pixel in a given position of this image reveals that the memristor in the equivalent location of the RECALL M-CNN stores the lowest (highest) possible resistance before the memory reading task is initiated. The image in plot (b) visualizes through a uniform gray color of appropriate tone<xref ref-type="fn" rid="fn44">
<sup>44</sup>
</xref> the common initial condition assigned to each capacitor voltage, set to <inline-formula id="inf956">
<mml:math id="minf956">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.15</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V. Plot (c) codes the steady-state output voltages of all the cells. If the pixel, lying at the crossing between <inline-formula id="inf957">
<mml:math id="minf957">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>th</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> row and <inline-formula id="inf958">
<mml:math id="minf958">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>th</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> column of this image, is black (white), the steady-state output voltage of the cell in the equivalent location of the RECALL M-CNN is the positive (negative) saturation&#x20;level.</p>
<fig id="F21" position="float">
<label>FIGURE 21</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> Black-and-white checkerboard visualizing the binary data stored in the locally distributed memristive memory bank previous to their retrieval. A white (black) pixel at row <italic>i</italic> and column <italic>j</italic> in this image reveals the on (off) resistance of the memristor in the M-CNN cell <inline-formula id="inf959">
<mml:math id="minf959">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf960">
<mml:math id="minf960">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf961">
<mml:math id="minf961">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf962">
<mml:math id="minf962">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>177</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <inline-formula id="inf963">
<mml:math id="minf963">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>240</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). <bold>(B)</bold> Grey-scale image indicating the common <inline-formula id="inf964">
<mml:math id="minf964">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.15</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V-valued initial condition on each capacitor voltage. <bold>(C)</bold> Output binary image coding the steady-state output voltages of all the RECALL M-CNN processing elements. A black (white) pixel in correspondence to the <inline-formula id="inf965">
<mml:math id="minf965">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>th</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> row and <inline-formula id="inf966">
<mml:math id="minf966">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>th</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> column of this image denotes a positive (negative) saturation level <inline-formula id="inf967">
<mml:math id="minf967">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for the steady-state output voltage of the cell located in the corresponding position of the memristive cellular&#x20;array.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnano-03-633026-g021.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="s6">
<title>6 Discussion</title>
<p>The theory presented in this work is independent of the memristor model adopted in M-CNN circuit design. In fact, it is a general theory, which may be applied to a much wider range of nonlinear dynamical circuits other than the cellular arrays analyzed in the manuscript. It is worth to pinpoint that the Second-Order Dynamic Route Map (DRM<sub>2</sub>), around which the design methodology proposed in this paper is centered, extends the classical Dynamic Route Map (DRM) (<xref ref-type="bibr" rid="B5">Chua, 1998</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B15">Chua and Roska, 2002</xref>), applicable to first-order systems only, allowing to draw a complete picture of the local and global behaviour of any second-order dynamical system. For example, it shall constitute the system-theoretic tool of reference for a thorough study of the nonlinear dynamics of memristive devices with two state variables<italic>.</italic> In this work the DRM<sub>2</sub> is adopted to investigate the spatio-temporal phenomena emerging in each of the second-order memristive cells of a two-dimensional cellular array. The two degrees of freedom of each cell are the voltage across a linear capacitor and the state of a first-order non-volatile memristor. The model (<xref ref-type="bibr" rid="B30">Pershin et&#x20;al., 2009</xref>) adopted for the resistance switching memory in this work is a simple yet accurate mathematical description of a physical memristor realization (<xref ref-type="bibr" rid="B22">Jo et&#x20;al., 2009</xref>). The reason behind the choice of this particular piecewise-linear memristor model for our study lies behind the pedagogical nature of this paper. In other words, since the aim of this manuscript is to provide researchers with powerful system-theoretic methods to analyze memristive cellular arrays, we found it useful to adopt an analytically tractable memristor model, in order to allow the determination of closed-form analytical expressions for the nullclines as well as for the equilibria of each State Dynamic Portrait (SDP) of a given DRM<sub>2</sub>. The systematic M-CNN design methodology, presented in this paper, allows to derive optimal values for the cell parameters of each second-order cell <inline-formula id="inf968">
<mml:math id="minf968">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of a two-dimensional <inline-formula id="inf969">
<mml:math id="minf969">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> array &#x2013; <inline-formula id="inf970">
<mml:math id="minf970">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf971">
<mml:math id="minf971">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x2013; on the basis of the solution of an IS, which is preliminarily set up to obtain a desired task-dependent partition of the <inline-formula id="inf972">
<mml:math id="minf972">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf973">
<mml:math id="minf973">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> phase plane for each value of the input <inline-formula id="inf974">
<mml:math id="minf974">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the cell <inline-formula id="inf975">
<mml:math id="minf975">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> itself and of the input <inline-formula id="inf976">
<mml:math id="minf976">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of any of the 8 cells <inline-formula id="inf977">
<mml:math id="minf977">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x2013; <inline-formula id="inf978">
<mml:math id="minf978">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,0,1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf979">
<mml:math id="minf979">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x2013; in its neighboorhod. This rigorous system-theory-based design strategy represents one the first examples of a systematic memristor circuit design approach. As outlined in the paper, choosing the particular IS solution, which holds the largest distance from the parameter space regions, where the system would fail to operate as desired, allows to obtain a variability-aware design, which is of great interest, given the intrinsic cycle-to-cycle and device-to-device variability affecting memristive nanodevices. All in all, the system-theoretic analysis and design strategies, presented in this paper, are applicable to any M-CNN with second-order cells, irrespective of the particular models adopted for their constitutive first-order dynamical components, particularly the capacitor and the non-volatile memristor. Of course, in case one wished to use a first-order capacitor (memristor) model with a more complicated mathematical description, and pertaining to some other real-world electrical energy storage device (resistance switching memory), the appearance of the SDPs of a given cell DRM<sub>2</sub> would undergo inevitable changes, since the shape of the nullclines, the number, position, and stability of the second-order cell equilibria in the memristor state-capacitor voltage phase plane, the rules dictating how the sign of the time derivatives of the two states change across the <inline-formula id="inf980">
<mml:math id="minf980">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf981">
<mml:math id="minf981">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> phase plane, and, consequently, the final IS, leading to the selection of an optimal cell circuit parameter set for the implementation of a predefined memcomputing task crucially depend upon the particular cell model, but what matters is that the proposed theory, the highlight of this work, would keep its validity. The only downside associated with the adoption of more involved second-order cell models lies in the need, which would resultingly emerge, to recur to numerical methods for the investigation of the <inline-formula id="inf982">
<mml:math id="minf982">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf983">
<mml:math id="minf983">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> phase plane partitioning. Importantly, our future research efforts will be devoted to validate the system theory-centered memcomputing M-CNN designs by experimental verification on memristive hardware prototypes.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>7 Conclusion</title>
<p>The motto &#x201c;linearize-then-analyze&#x201d;, which electrical engineers have been advocating for generations, should not drive the investigation of highly nonlinear memristive devices, circuits and systems, which are being developed in our times through disruptive nanotechnologies with the intention to foster progress in integrated circuit (IC) design beyond the Moore era. In fact, given that linear analysis techniques are unable to gain a deep insight into the behaviour of a nonlinear system, the availability of a partial picture of the dynamics of a novel nano-device prevents its conscious use in IC design. Recurring to nonlinear system theory is thus absolutely necessary to unfold the full potential of memristors in electronics. However, the conversion of classical circuits to memristive equivalents might require the adaptation of classical nonlinear system-theoretic analysis and design techniques, as is the case in this study. Cellular Nonlinear Networks (CNNs) (<xref ref-type="bibr" rid="B17">Chua and Yang, 1988a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">Chua and Yang, 1988b</xref>) constitute one of the earliest examples of a non-von Neumann computing architecture, where data processing and storage tasks are locally distributed across a multi-dimensional array of locally coupled dynamical systems. In analogue hardware implementations of these bio-inspired computing structures, the cells typically feature one degree of freedom. As a result, the Dynamic Route Map (DRM) graphical tool, a powerful system-theoretic technique for the analysis of first-order systems, is applicable to gain a full understanding of the dynamics of these cells. Further, a rigorous procedure, employing the DRM analysis method, and leading to the derivation of an optimal solution for an inequality set (IS), which constrain number, and stability of cell equilibria for each of the possible combinations of inputs and/or initial conditions, allows to program the cellular network for the robust execution of a predefined computing task. The adoption of memristors in new designs of cell and coupling circuitry may allow to extend the processing functionalities and/or the computing efficiency of traditional dynamic arrays, thanks to the enrichment of the spectrum of dynamical phenomena, which may emerge within the cellular medium, while allowing to improve the spatial resolution of CNN analogue hardware realisations, concurrently. It is thus timely to investigate the impact of the introduction of memristors in new CNN designs. This work consider a first class of Memristor CNNs (M-CNNs), in which a first-order non-volatile resistance switching memory is inserted in parallel to the capacitor in each cell of a two-dimensional time- and space-invariant standard CNN. Given that the cells of each M-CNN from the proposed class feature two degrees of freedom, the DRM analysis methodology is no longer pertinent to gain insight into their data processing capabilities. A novel graphical tool, inspired to the Phase Portrait concept (<xref ref-type="bibr" rid="B32">Strogatz, 2000</xref>) from the theory of nonlinear dynamics, constituting the natural extension of the classical DRM system-theoretic technique to dynamical systems with two degrees of freedom, and called Second-Order Dynamic Route Map (DRM<sub>2</sub>) (<xref ref-type="bibr" rid="B33">Tetzlaff et&#x20;al., 2020</xref>), may allow to gain a deep insight into the dynamical phenomena emerging in cellular arrays with second-order memristive cells (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Ascoli et&#x20;al., 2020b</xref>), enabling to draw, finally, a codimension-2 bifurcation diagram, referred to as M-CNN Primary Mosaic, which specifies all the possible stable and unstable equilibria, which a cell may admit for each combination of self-feedback synaptic weight <inline-formula id="inf984">
<mml:math id="minf984">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and offset current <inline-formula id="inf985">
<mml:math id="minf985">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Finally, a rigorous procedure (<xref ref-type="bibr" rid="B1">Ascoli et&#x20;al., 2020a</xref>), employing the DRM<sub>2</sub> graphical tool, and leading to the derivation of an optimal solution of an IS, which shape the phase portrait of each cell in such a way that solutions of the CNN model equations may approach predefined equilibria for each of the possible combinations of inputs and initial conditions, allows to tune the parameters of the cellular array for a variability-tolerant accomplishment of a prescribed signal processing task or of a predefined memory operation. This work, contributing to the establishment of solid foundations of M-CNN theory, highlights the huge potential of memristive mem-processing structures for edge computing applications, and is expected to serve as a source of inspiration for future studies intended to verify the theoretical predictions on the beneficial impact of resistance switching memories on the performance of cellular nonlinear arrays.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec id="s8">
<title>Data Availability Statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/Supplementary Material, further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec id="s9">
<title>Author Contributions</title>
<p>AA and RT conceived the main idea of the paper. AA developed the systematic M-CNN design methodology, made all the analytical calculations, run the complete set of simulations to confirm the theoretical derivations, and wrote the whole manuscript. RT, SK, and LC supported the research with inspiring suggestions, precious guidelines, and insightful advices.</p>
</sec>
<sec id="s10">
<title>Funding</title>
<p>This work has been partially supported by the Czech Science Foundation under grant No. 18&#x2013;21608S, Czech Republic. LC is supported in part by AFOSR Grant No. FA 9550-18-1-0016.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s11">
<title>Conflict of Interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<fn-group>
<fn id="fn1">
<label>1</label>
<p>
<italic>In-memory computing</italic> refers to the partial/temporary use of data storage units for information processing purposes, while <italic>mem-computing</italic> is associated to the adoption of computing systems to perform memory read/write operations on demand, as is the case for the processing elements of the proposed memristive cellular&#x20;array.</p>
</fn>
<fn id="fn2">
<label>2</label>
<p>Interestingly, it has been recently shown (<xref ref-type="bibr" rid="B39">Zhang et&#x20;al., 2020</xref>) that the Cardiac Purkinje Fiber (CPF), which is the last branch of the heart conduction system, may be described via a modified variant of the memristive Hodgkin-Huxley equations, revealing the ubiquituous presence of memristors in living&#x20;cells.</p>
</fn>
<fn id="fn3">
<label>3</label>
<p>A CNN cell, exhibiting physical couplings to the eight closest processing elements, is said to have a sphere of influence of unitary radius, or, alternatively, a 3&#xd7;3 local neighborhood.</p>
</fn>
<fn id="fn4">
<label>4</label>
<p>The determination of a numerical solution for the <italic>M</italic>&#xd7;<italic>N</italic> ODEs, governing the time evolution of the states of all the processing elements, requires the preliminary assignment of an <italic>initial condition</italic> <inline-formula id="inf986">
<mml:math id="minf986">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to each cell <inline-formula id="inf987">
<mml:math id="minf987">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as well as the preparatory specification of the <italic>boundary conditions</italic> (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Chua and Roska, 2002</xref>), fixing the input voltage <inline-formula id="inf988">
<mml:math id="minf988">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the output voltage <inline-formula id="inf989">
<mml:math id="minf989">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of each <italic>virtual cell</italic>. With reference to a two-dimensional CNN, in which each cell exhibits a sphere of influence of unitary radius, a processing element <inline-formula id="inf990">
<mml:math id="minf990">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is said to be virtual if it does not belong to the nonlinear dynamic array i.e.,&#x20;<inline-formula id="inf991">
<mml:math id="minf991">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2209;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and/or <inline-formula id="inf992">
<mml:math id="minf992">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2209;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, but is part of the <inline-formula id="inf993">
<mml:math id="minf993">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> neighborhood of a cell, which belongs to the cellular network, being listed in the set <inline-formula id="inf994">
<mml:math id="minf994">
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1,1</mml:mn>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</fn>
<fn id="fn5">
<label>5</label>
<p>It is important to note that only CNN hardware realizations with such a basic coupling configuration have been developed so far (<xref ref-type="bibr" rid="B35">V&#xe1;zquez et&#x20;al., 2018</xref>).</p>
</fn>
<fn id="fn6">
<label>6</label>
<p>Since the CNN is space-invariant, from now onwards the following assumptions are made: <inline-formula id="inf995">
<mml:math id="minf995">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf996">
<mml:math id="minf996">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf997">
<mml:math id="minf997">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</fn>
<fn id="fn7">
<label>7</label>
<p>As reported in the template library (<xref ref-type="bibr" rid="B23">Karacs et&#x20;al., 2018</xref>), a very large class of computing tasks may be executed on the basis of the stable equilibria, the CNN states dynamically evolve to, or, more precisely, of the respective cell output voltages.</p>
</fn>
<fn id="fn8">
<label>8</label>
<p>Images to be processed, consisting of <inline-formula id="inf998">
<mml:math id="minf998">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> pixels, are encoded into the cells&#x2019; input voltages and/or into the cells&#x2019; initial states of a CNN, which features <italic>M</italic> rows and <italic>N</italic> columns. The output voltages, that the cells exhibit at equilibrium, and that constitute the result of a given computing task, are mapped onto an output image for visualization purposes. Regarding the correspondence between the color of the image pixel at row <italic>i</italic> and column <italic>j</italic> and the real value of the respective CNN cell input voltage <inline-formula id="inf999">
<mml:math id="minf999">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or initial state <inline-formula id="inf1000">
<mml:math id="minf1000">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or output voltage <inline-formula id="inf1001">
<mml:math id="minf1001">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the following convention is adopted in the EDGE CNN design. A black (white) image pixel is associated with a positive (negative) 1&#xa0;V value, while a gray image pixel is associated with a real number, properly extracted from the range <inline-formula id="inf1002">
<mml:math id="minf1002">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;V, so as to reveal the intensity of the color tone. The lighter (darker) is the gray color, the closer to <inline-formula id="inf1003">
<mml:math id="minf1003">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;V would be the corresponding real&#x20;value.</p>
</fn>
<fn id="fn9">
<label>9</label>
<p>The viewgraphs in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure&#x20;3</xref> have been derived under the following parameter setting: <inline-formula id="inf1004">
<mml:math id="minf1004">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>F, <inline-formula id="inf1005">
<mml:math id="minf1005">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf1006">
<mml:math id="minf1006">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf1007">
<mml:math id="minf1007">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;V.</p>
</fn>
<fn id="fn10">
<label>10</label>
<p>In the case <inline-formula id="inf1008">
<mml:math id="minf1008">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> the Internal DP Characteristic features a single segment only, as illustrated graphically through the pink <inline-formula id="inf1009">
<mml:math id="minf1009">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf1010">
<mml:math id="minf1010">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> locus in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure&#x20;3A</xref>.</p>
</fn>
<fn id="fn11">
<label>11</label>
<p>The effect of the offset current is to shift the Internal DP Characteristic, explaining the origin for the name of the <inline-formula id="inf1011">
<mml:math id="minf1011">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2013;<inline-formula id="inf1012">
<mml:math id="minf1012">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> locus for <inline-formula id="inf1013">
<mml:math id="minf1013">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>A.</p>
</fn>
<fn id="fn12">
<label>12</label>
<p>This theorem holds also for standard space-variant&#x20;CNNs.</p>
</fn>
<fn id="fn13">
<label>13</label>
<p>For <inline-formula id="inf1014">
<mml:math id="minf1014">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> the cell states continue their evolution toward the respective equilibria, but the output stage resistor voltages keep unchanged. This makes the CNN calculations insensitive to small variations in the nominal locations of the cell equilibria, and allows to read the result of a certain image processing operation at some finite&#x20;time.</p>
</fn>
<fn id="fn14">
<label>14</label>
<p>A standard space-invariant CNN, in which the cell <inline-formula id="inf1015">
<mml:math id="minf1015">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> features a sphere of influence of unitary radius and is described by the ODE (1), is said to be <italic>uncoupled</italic> (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Chua and Roska, 2002</xref>) if each feedback synaptic weight <inline-formula id="inf1016">
<mml:math id="minf1016">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x2013; <inline-formula id="inf1017">
<mml:math id="minf1017">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,0,1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x2013; except for <inline-formula id="inf1018">
<mml:math id="minf1018">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, is null. Further, if at least one feedforward synaptic weight <inline-formula id="inf1019">
<mml:math id="minf1019">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x2013; <inline-formula id="inf1020">
<mml:math id="minf1020">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,0,1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x2013; is non-null, then the CNN is said to be <italic>non-autonomous</italic>. Each rule in a suitable set, which an uncoupled nonlinear dynamic array is obliged to obey, so as to execute a preliminarily specified data processing task, dictates the equilibrium <inline-formula id="inf1021">
<mml:math id="minf1021">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the cell <inline-formula id="inf1022">
<mml:math id="minf1022">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, or the corresponding output voltage <inline-formula id="inf1023">
<mml:math id="minf1023">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> on the basis of conditions involving input <inline-formula id="inf1024">
<mml:math id="minf1024">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and/or initial condition <inline-formula id="inf1025">
<mml:math id="minf1025">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of each processing element <inline-formula id="inf1026">
<mml:math id="minf1026">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the <inline-formula id="inf1027">
<mml:math id="minf1027">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> neighborhood of the cell <inline-formula id="inf1028">
<mml:math id="minf1028">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> itself, only. Under these circumstances, the rules are said to be <italic>local</italic>. In case the aforementioned CNN is coupled, on the other hand, some of the rules &#x2013; referred to as global &#x2013; for the cell <inline-formula id="inf1029">
<mml:math id="minf1029">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> may also depend upon the input voltage <inline-formula id="inf1030">
<mml:math id="minf1030">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and/or the initial condition <inline-formula id="inf1031">
<mml:math id="minf1031">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of a remote processing element (<inline-formula id="inf1032">
<mml:math id="minf1032">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2209;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,0,1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and/or <inline-formula id="inf1033">
<mml:math id="minf1033">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2209;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,0,1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>).</p>
</fn>
<fn id="fn15">
<label>15</label>
<p>In the theory of nonlinear dynamics, a quantitative change in the behaviour of a system, occurring during the sweep of a control parameter, is referred to as a <italic>bifurcation</italic> phenomenon (<xref ref-type="bibr" rid="B32">Strogatz, 2000</xref>).</p>
</fn>
<fn id="fn16">
<label>16</label>
<p>It is instructive to observe that a very large number of fundamental image processing operations are possible adopting the class of standard space-invariant uncoupled CNNs, as may be inferred by inspecting the template library (<xref ref-type="bibr" rid="B23">Karacs et&#x20;al., 2018</xref>). For each CNN, belonging to this class and processing still images, the cell offset current from <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Eq. 13</xref> is always a constant, and the respective Shifted DP Characteristic is invariant over time. As anticipated earlier, with reference to a coupled CNN, which process still images, a cell, which satisfies the bistability condition <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Eq. 12</xref>, typically features a Shifted DP Characteristic, which continually moves vertically up or down until the time instant <inline-formula id="inf1034">
<mml:math id="minf1034">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, at which the state of each cell has entered the particular saturation region hosting the equilibrium it asymptotically converges to, keeping unchanged thereafter.</p>
</fn>
<fn id="fn17">
<label>17</label>
<p>The values of some of the parameters in the cell circuit of <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure&#x20;2</xref> are fixed as reported in the caption of <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure&#x20;5B</xref>. Since the bistability condition <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Eq. 12</xref> holds true, the slope of the piecewise-linear locus in the linear region&#x2013;refer to <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Eq. 9</xref> is strictly positive.</p>
</fn>
<fn id="fn18">
<label>18</label>
<p>In case <inline-formula id="inf1035">
<mml:math id="minf1035">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> were found to be equal to <inline-formula id="inf1036">
<mml:math id="minf1036">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the right breakpoint of the resulting <inline-formula id="inf1037">
<mml:math id="minf1037">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> versus <inline-formula id="inf1038">
<mml:math id="minf1038">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> locus, depicted in red in the example of <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure&#x20;6A</xref>, would lie on the horizontal axis. Under this hypothesis, in the worst-case scenario from rule 1, the state <inline-formula id="inf1039">
<mml:math id="minf1039">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> would keep equal to the initial condition <inline-formula id="inf1040">
<mml:math id="minf1040">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V at all times, and the cell <inline-formula id="inf1041">
<mml:math id="minf1041">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> would fail to operate as requested. As a result, in the worst-case scenario from rule 1, the right breakpoint of the Shifted DP Characteristic should lie within the plane lower half at some safety distance from the horizontal axis. Note that a half-filled black circle denotes a <italic>semistable equilibrium</italic>, which attracts only trajectories, which are initiated from one of its two&#x20;sides.</p>
</fn>
<fn id="fn19">
<label>19</label>
<p>In the worst-case scenario from rule 3 the cell is found to be bistable provided <inline-formula id="inf1042">
<mml:math id="minf1042">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and monostable otherwise.</p>
</fn>
<fn id="fn20">
<label>20</label>
<p>In case <inline-formula id="inf1043">
<mml:math id="minf1043">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> were found to be equal to <inline-formula id="inf1044">
<mml:math id="minf1044">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as shown in red in the example of 6(b), the cell state would keep its initial value at all times. Here, at least theoretically, rule 3 would hold true. However, in the presence of any infinitesimally small negative-signed additive constant perturbation of the offset current, the cell would become monostable with a globally asymptotically stable equilibrium, specifically <inline-formula id="inf1045">
<mml:math id="minf1045">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, in the negative saturation region, and the CNN would fail to impose rule 3 in the neighborhood of each cell with <inline-formula id="inf1046">
<mml:math id="minf1046">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V and <inline-formula id="inf1047">
<mml:math id="minf1047">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Thus, in the worst-case scenario from rule 3, the right breakpoint of the Shifted DP Characteristic should lie at some safety distance from the horizontal axis within the plane upper&#x20;half.</p>
</fn>
<fn id="fn21">
<label>21</label>
<p>Typically, the Full-Range model (<xref ref-type="bibr" rid="B44">V&#x00E1;zquez et al., 1993</xref>) is used in place for the Chua-Yang mathematical description of <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Eq. (1)</xref> to limit the range of admissible values for the cells&#x2019; states, thus simplifying the hardware realisation of the CNN paradigm.</p>
</fn>
<fn id="fn22">
<label>22</label>
<p>In state-of-the-art sensor-processor arrays the input to the processing element, lying in correspondence to the <inline-formula id="inf1048">
<mml:math id="minf1048">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>th</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> row and <inline-formula id="inf1049">
<mml:math id="minf1049">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>th</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> column of a CNN-UM hardware realization, is derived from the output of a sensing unit, located in the same position within a matrix of data detectors with same cell number count as the analog-and-logic computer (<inline-formula id="inf1050">
<mml:math id="minf1050">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf1051">
<mml:math id="minf1051">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). Since, for a given IC area, a sensing matrix may feature a much higher density as compared to a cellular computing machine, the low cell number count, which purely CMOS sensor processor arrays typically feature (<xref ref-type="bibr" rid="B35">V&#xe1;zquez et&#x20;al., 2018</xref>), could be significantly increased by leveraging the memcomputing capability of memristors to execute the memory functions, currently accomplished by additional data storage elements, within the CNN-UM computing&#x20;units.</p>
</fn>
<fn id="fn23">
<label>23</label>
<p>In the class of M-CNNs, investigated in this thesis, memristors are employed only for the design of the cell circuit. Their use for the circuit implementation of the synaptic couplings shall be the focus of future studies.</p>
</fn>
<fn id="fn24">
<label>24</label>
<p>Throughout this chapter the state, voltage, and current of the memristor <inline-formula id="inf1052">
<mml:math id="minf1052">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2133;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>in the cell <inline-formula id="inf1053">
<mml:math id="minf1053">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are denoted as <inline-formula id="inf1054">
<mml:math id="minf1054">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf1055">
<mml:math id="minf1055">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf1056">
<mml:math id="minf1056">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively.</p>
</fn>
<fn id="fn25">
<label>25</label>
<p>The numerical integration of the <inline-formula id="inf1057">
<mml:math id="minf1057">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> ODEs, dictating the time evolution of the state vectors of all the memprocessing elements, calls for the preliminary assignment of an <italic>initial condition</italic> <inline-formula id="inf1058">
<mml:math id="minf1058">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to each cell <inline-formula id="inf1059">
<mml:math id="minf1059">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and for the preparatory specification of the boundary conditions (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Chua and Roska, 2002</xref>), fixing the input voltage and the output voltage of each virtual&#x20;cell.</p>
</fn>
<fn id="fn26">
<label>26</label>
<p>The Pershin and Di Ventra model from (<xref ref-type="bibr" rid="B30">Pershin et&#x20;al., 2009</xref>) adopts the Heaviside functions <inline-formula id="inf1060">
<mml:math id="minf1060">
<mml:mrow>
<mml:mtext>step</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf1061">
<mml:math id="minf1061">
<mml:mrow>
<mml:mtext>step</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in place for the proposed continuous and differentiable variants, expressed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">Eqs. 26</xref>,<xref ref-type="disp-formula" rid="e27"> 27</xref>, respectively. The use of these discontinuous functions does not always prevent the memristor state <inline-formula id="inf1062">
<mml:math id="minf1062">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from exiting its existence domain <inline-formula id="inf1063">
<mml:math id="minf1063">
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> in numerical simulation of the original model. The proposed Biolek window-based boundary condition reformulation resolves this&#x20;issue.</p>
</fn>
<fn id="fn27">
<label>27</label>
<p>A phase plane trajectory is the locus of points <inline-formula id="inf1064">
<mml:math id="minf1064">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with first (second) coordinate at a given time extracted from the temporal succession of values of the memristor state (capacitor voltage) in the solution of the second-order ODE (18)&#x2013;(19) for a given initial condition <inline-formula id="inf1065">
<mml:math id="minf1065">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</fn>
<fn id="fn28">
<label>28</label>
<p>This 19-parameter set is often referred to as <italic>gene</italic> in CNN theory (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Chua and Roska, 2002</xref>), since its 19 elements crucially affect the spatio-temporal phenomena, which may emerge in the space-invariant array of locally coupled cells, similarly as the DNA genetic content has a significant impact on the dynamical evolution of living beings. The 9 feedback (feedforward) synaptic weights in the set <inline-formula id="inf1066">
<mml:math id="minf1066">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf1067">
<mml:math id="minf1067">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), with <inline-formula id="inf1068">
<mml:math id="minf1068">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,0,1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, are typically arranged in a <inline-formula id="inf1069">
<mml:math id="minf1069">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> matrix <bold>A</bold> (<bold>B</bold>), referred to as <italic>feedback (feedforward) template</italic> in CNN theory (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Chua and Roska, 2002</xref>).</p>
</fn>
<fn id="fn29">
<label>29</label>
<p>The conditions, under which a space-invariant M-CNN is uncoupled, are the same as defined in <xref ref-type="sec" rid="s2-3">section 2.3</xref> for a space-invariant CNN: <inline-formula id="inf1070">
<mml:math id="minf1070">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for all <inline-formula id="inf1071">
<mml:math id="minf1071">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,0,1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> such that <inline-formula id="inf1072">
<mml:math id="minf1072">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For a memristive cellular array from this class the rules are said to be <italic>local</italic> (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Chua and Roska, 2002</xref>), i.e.,&#x20;in general, they depend upon the input voltage <inline-formula id="inf1073">
<mml:math id="minf1073">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and/or the initial conditions <inline-formula id="inf1074">
<mml:math id="minf1074">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf1075">
<mml:math id="minf1075">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the two dynamical states of each cell <inline-formula id="inf1076">
<mml:math id="minf1076">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> within the <inline-formula id="inf1077">
<mml:math id="minf1077">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> sphere of influence of <inline-formula id="inf1078">
<mml:math id="minf1078">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, only. In coupled M-CNNs the applicability of the some of the rules&#x2013;referred to as <italic>global</italic> (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Chua and Roska, 2002</xref>)&#x2013;for the cell <inline-formula id="inf1079">
<mml:math id="minf1079">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> may be conditioned by the input voltage <inline-formula id="inf1080">
<mml:math id="minf1080">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and/or the initial conditions <inline-formula id="inf1081">
<mml:math id="minf1081">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf1082">
<mml:math id="minf1082">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the two dynamical states of some remote cell <inline-formula id="inf1083">
<mml:math id="minf1083">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with <inline-formula id="inf1084">
<mml:math id="minf1084">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2209;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,0,1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and/or <inline-formula id="inf1085">
<mml:math id="minf1085">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2209;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,0,1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</fn>
<fn id="fn30">
<label>30</label>
<p>The M-CNN computing paradigm, this section is focused upon, revolves around the asymptotic convergence of the state vector <inline-formula id="inf1086">
<mml:math id="minf1086">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the cell <inline-formula id="inf1087">
<mml:math id="minf1087">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to a relevant stable equilibrium <inline-formula id="inf1088">
<mml:math id="minf1088">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with ordinate located in either of the two saturation regions of the standard nonlinearity of <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Eq. 3</xref>, on the basis of a set of predefined task-dependent rules. However, as is the case for standard space-invariant CNNs satisfying the bistability condition, the output voltages of all the processing elements attain their final positive or negative saturation levels within a finite time frame. Similarly as in <xref ref-type="sec" rid="s2-2">section 2.2</xref>, denoting with <inline-formula id="inf1089">
<mml:math id="minf1089">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> the time instant, at which the capacitor voltage <inline-formula id="inf1090">
<mml:math id="minf1090">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the cell <inline-formula id="inf1091">
<mml:math id="minf1091">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> enters the saturation region, which accommodates the equilibrium <inline-formula id="inf1092">
<mml:math id="minf1092">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> the cell state vector <inline-formula id="inf1093">
<mml:math id="minf1093">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is expected to approach as time goes to infinity, the M-CNN may be considered at steady state, with respect to the output voltages of all its processing elements, from the time instant <inline-formula id="inf1094">
<mml:math id="minf1094">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This makes the memcomputing task outcome insensitive to a potential change in the location of some of the cell equilibria, which may occur due to non-idealities, including the intrinsic variability of nanodevices employed in the nonlinear dynamic array, especially the memristors.</p>
</fn>
<fn id="fn31">
<label>31</label>
<p>Despite template optimization (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Chua and Roska, 2002</xref>) does not constitute the focus of this research study, in some cases, in order to improve the robustness of the M-CNN design, it may be adviceable to include additional inequalities, which may endow the design with a good tolerance to parameter variability. As examples, one could enforce a minimal distance between certain <inline-formula id="inf1095">
<mml:math id="minf1095">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf1096">
<mml:math id="minf1096">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> nullclines to prevent the emergence of unwanted equilibria, or between the location of a desired equilibrium and the frontier between the saturation region, where it is due to reside, and the linear region. Moreover, in certain M-CNN designs, the use of the resistor of strictly positive conductance <inline-formula id="inf1097">
<mml:math id="minf1097">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in parallel to the cell capacitor allows to keep the power dissipation in the memristor within reasonable limits at equilibrium. Finally, within the domain of admissible solutions of a given IS, one should select a particular one holding some safety distance from the boundary with the remainder of the space of the cell unknown core parameters.</p>
</fn>
<fn id="fn32">
<label>32</label>
<p>These very same values will be assigned to all the invariable cell circuit parameters in each of the M-CNN designs discussed&#x20;below.</p>
</fn>
<fn id="fn33">
<label>33</label>
<p>Indicating the memristor resistance <inline-formula id="inf1098">
<mml:math id="minf1098">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (capacitor voltage <inline-formula id="inf1099">
<mml:math id="minf1099">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) of the cell <inline-formula id="inf1100">
<mml:math id="minf1100">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as state 1 (2), the convention adopted in the EDGE M-CNN design for mapping a given input image with <inline-formula id="inf1101">
<mml:math id="minf1101">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> pixels (<inline-formula id="inf1102">
<mml:math id="minf1102">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> real-valued initial cell capacitor voltages) onto <inline-formula id="inf1103">
<mml:math id="minf1103">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> real-valued cell input voltages (onto an initial state 2 image with <inline-formula id="inf1104">
<mml:math id="minf1104">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> pixels) is identical to the approach followed in <xref ref-type="sec" rid="s2-1">section 2.1</xref>, while discussing the operating principles of the standard array implementation. However, since <inline-formula id="inf1105">
<mml:math id="minf1105">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is set to <inline-formula id="inf1106">
<mml:math id="minf1106">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>V here, the colour coding map for the visualization of the steady-state cell output voltages differs from the strategy used in <xref ref-type="sec" rid="s2-1">section 2.1</xref>. A negative (positive) saturation voltage level for the steady-state output voltage of a cell is converted into a white (black) pixel for the steady-state output&#x20;image.</p>
</fn>
<fn id="fn34">
<label>34</label>
<p>As will be clarified shortly, the scenario <inline-formula id="inf1107">
<mml:math id="minf1107">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the most critical setting for the cell SDP synthesis in rule 1 (3), and, for this reason, is referred to as worst-case scenario.</p>
</fn>
<fn id="fn35">
<label>35</label>
<p>Given that, as discussed in <xref ref-type="sec" rid="s3-4">section 3.4</xref>, under <inline-formula id="inf1108">
<mml:math id="minf1108">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>A, the M-CNN cell is unable to exhibit monostable behaviour, its capacitor current necessarily includes a nonzero offset current in this design.</p>
</fn>
<fn id="fn36">
<label>36</label>
<p>The direction of motion of the state vector <inline-formula id="inf1109">
<mml:math id="minf1109">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> within each of the four possible regions, which may partition a cell SDP, is qualitatively indicated in the legend of <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure&#x20;11</xref>.</p>
</fn>
<fn id="fn37">
<label>37</label>
<p>The function of the linear resistor is to decrease the absolute value of the <inline-formula id="inf1110">
<mml:math id="minf1110">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> coordinate of the cell GAS equilibrium in each scenario from any of the three rules from <xref ref-type="table" rid="T1">Table&#x20;1</xref>. In turn this expedient would reduce the power, which the memristor device dissipates at equilibrium, allowing to extend its lifetime expectancy.</p>
</fn>
<fn id="fn38">
<label>38</label>
<p>As anticipated earlier, for each combination of indices <inline-formula id="inf1111">
<mml:math id="minf1111">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf1112">
<mml:math id="minf1112">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, a real value within the set <inline-formula id="inf1113">
<mml:math id="minf1113">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>V</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf1114">
<mml:math id="minf1114">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), associated to either the cell input voltage <inline-formula id="inf1115">
<mml:math id="minf1115">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or the cell state 2 initial condition <inline-formula id="inf1116">
<mml:math id="minf1116">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (to the cell output voltage <inline-formula id="inf1117">
<mml:math id="minf1117">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), is mapped into a suitable tone on the grayscale for visualization purposes.</p>
</fn>
<fn id="fn39">
<label>39</label>
<p>Despite, theoretically, under the hypothesis of either rule, the two-dimensional state vector <inline-formula id="inf1118">
<mml:math id="minf1118">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> converges toward the respective equilibrium <inline-formula id="inf1119">
<mml:math id="minf1119">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as <italic>t</italic> tends to <inline-formula id="inf1120">
<mml:math id="minf1120">
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, in practice it is infinitesimally close to its final destination after a finite amount of&#x20;time.</p>
</fn>
<fn id="fn40">
<label>40</label>
<p>A standard space-invariant uncoupled CNN, in which each cell features a <inline-formula id="inf1121">
<mml:math id="minf1121">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> local neighbourhood, is said to be <italic>isolated</italic> (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Chua and Roska, 2002</xref>) if each feedforward synaptic weight <inline-formula id="inf1122">
<mml:math id="minf1122">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x2013; <inline-formula id="inf1123">
<mml:math id="minf1123">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,0,1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x2013; except for <inline-formula id="inf1124">
<mml:math id="minf1124">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, is&#x20;null.</p>
</fn>
<fn id="fn41">
<label>41</label>
<p>Similarly as in the EDGE M-CNN design, the addition of a linear resistor in parallel to the capacitor within the memcomputing core of the processing element circuit of <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure&#x20;8</xref> allows to keep within reasonable limits the modulus of the voltage, falling across the resistance switching memory at equilibrium, for each of the two possible cell input voltage values. This preventive measure is of particular importance in view of a future hardware realization of the bio-inspired memristive array under&#x20;study.</p>
</fn>
<fn id="fn42">
<label>42</label>
<p>The task of the RECALL M-CNN may be considered accomplished as soon as the outputs of all its processing elements attain their final values. This occurs at the steady-state time instant <inline-formula id="inf1125">
<mml:math id="minf1125">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>max</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf1126">
<mml:math id="minf1126">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for all <inline-formula id="inf1127">
<mml:math id="minf1127">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with <inline-formula id="inf1128">
<mml:math id="minf1128">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denoting the time instant, at which the phase-plane trajectory point <inline-formula id="inf1129">
<mml:math id="minf1129">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, evolving in time according to the second-order ODE (18)&#x2013;(19), which models the dynamics of the cell <inline-formula id="inf1130">
<mml:math id="minf1130">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, enters the SDP negative (positive) saturation region, hosting the equilibrium, it is asymptotically converging to, in case the memristor <inline-formula id="inf1131">
<mml:math id="minf1131">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2133;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> initially sits in the highest (lowest) possible resistive state <inline-formula id="inf1132">
<mml:math id="minf1132">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf1133">
<mml:math id="minf1133">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>).</p>
</fn>
<fn id="fn43">
<label>43</label>
<p>The modulus of the voltage, falling across the cell memristor at equilibrium, was found to be reasonably small, even for <inline-formula id="inf1134">
<mml:math id="minf1134">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, irrespective of the initial condition.</p>
</fn>
<fn id="fn44">
<label>44</label>
<p>The graphical illustration convention, adopted here for visualizing each initial cell capacitor voltage is analogous as the one established in the discussion of the EDGE M-CNN design: the closer is its real value, lying in the set <inline-formula id="inf1135">
<mml:math id="minf1135">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;V, to the lower (upper) bound <inline-formula id="inf1136">
<mml:math id="minf1136">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;V, and the lighter (darker) is the tone of the gray colour attributed to the respective&#x20;pixel.</p>
</fn>
</fn-group>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ascoli</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tetzlaff</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kang</surname>
<given-names>S. M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chua</surname>
<given-names>L. O.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020a</year>). <article-title>Theoretical foundations of memristor cellular nonlinear networks: a DRM-based method to design memcomputers with dynamic memristors</article-title>. <source>IEEE Trans. Circuits Systems&#x2013;I: Regular Pap.</source> <volume>67</volume> (<issue>8</issue>), <fpage>2753</fpage>&#x2013;<lpage>2766</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/tcsi.2020.2978460</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ascoli</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Messaris</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tetzlaff</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chua</surname>
<given-names>L. O.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020b</year>). <article-title>Theoretical foundations of memristor cellular nonlinear networks: stability analysis with dynamic memristors</article-title>. <source>IEEE Trans. Circuits Systems&#x2013;I: Regular Pap.</source> <volume>67</volume> (<issue>4</issue>), <fpage>1389</fpage>&#x2013;<lpage>1401</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/tcsi.2019.2957813</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Biolek</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Biolek</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Biolkova</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Spice model of memristor with nonlinear dopant drift</article-title>. <source>Radioengineering</source> <volume>18</volume> (<issue>2</issue>), <fpage>210</fpage>&#x2013;<lpage>214</lpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bohaichuk</surname>
<given-names>S. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kumar</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pitner</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>McClellan</surname>
<given-names>C. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jeong</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Samant</surname>
<given-names>M. G.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Fast spiking of a mott VO &#x2013; carbon nanotube composite device</article-title>. <source>Nano Lett.</source> <volume>19</volume>, <fpage>6751</fpage>&#x2013;<lpage>6755</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.nanolett.9b01554</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="editor">
<name>
<surname>Chua</surname>
<given-names>L. O.</given-names>
</name>
</person-group> (Editor) (<year>1998</year>). <source>CNN: a paradigm for complexity. World scientific series on nonlinear science, series A, vol. 31</source>. <publisher-loc>Singapore</publisher-loc>: <publisher-name>World Scientific</publisher-name>. </citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chua</surname>
<given-names>L. O.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Everything you wish to know about memristors but are afraid to ask</article-title>. <source>Radioengineering</source> <volume>24</volume> (<issue>2</issue>), <fpage>319</fpage>&#x2013;<lpage>368</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.13164/re.2015.0319</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chua</surname>
<given-names>L. O.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018a</year>). <article-title>Five non-volatile memristor enigmas solved</article-title>. <source>Appl. Phys. A</source>. <volume>124</volume> (<issue>8</issue>), <fpage>563</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00339-018-1971-0</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chua</surname>
<given-names>L. O.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sbitnev</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Hodgkin-Huxley axon is made of memristors</article-title>. <source>Int. J.&#x20;Bifurcation Chaos</source> <volume>22</volume> (<issue>3</issue>), <fpage>1230011</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/s021812741230011X</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chua</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>If It&#x2019;s Pinched, It&#x2019;s a Memristor</article-title>. <source>Semicond. Sci. Technol. Spec. Issue. Memristive Devices</source> <volume>29</volume> (<issue>10</issue>), <fpage>42</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0268-1242/29/10/104001</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chua</surname>
<given-names>L. O.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kang</surname>
<given-names>S. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1976</year>). <article-title>Memristive devices and systems</article-title>. <source>Proc. IEEE</source> <volume>64</volume> (<issue>2</issue>), <fpage>209</fpage>&#x2013;<lpage>223</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/proc.1976.10092</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chua</surname>
<given-names>L. O.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2005</year>). <article-title>Local activity is the origin of complexity</article-title>. <source>Int. J.&#x20;Bifurcation Chaos</source> <volume>15</volume> (<issue>11</issue>), <fpage>3435</fpage>&#x2013;<lpage>3456</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/s0218127405014337</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chua</surname>
<given-names>L. O.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1971</year>). <article-title>Memristor: the missing circuit element</article-title>. <source>IEEE Trans. Circuit Theor.</source> <volume>18</volume> (<issue>5</issue>), <fpage>507</fpage>&#x2013;<lpage>519</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/tct.1971.1083337</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chua</surname>
<given-names>L. O.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018b</year>). <article-title>Memristors: remembrance of things past</article-title>. <source>IEEE Micro</source> <volume>38</volume> (<issue>5</issue>), <fpage>7</fpage>&#x2013;<lpage>12</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/mm.2018.053631136</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chua</surname>
<given-names>L. O.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Resistance switching memories are memristors</article-title>. <source>Appl. Phys. A.</source> <volume>102</volume>, <fpage>765</fpage>&#x2013;<lpage>783</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00339-011-6264-9</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chua</surname>
<given-names>L. O.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Roska</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2002</year>). <source>Cellular neural networks and visual computing: foundations and applications</source>. <edition>1 edition</edition>. <publisher-loc>Cambridge, England</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chua</surname>
<given-names>L. O.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1988b</year>). <article-title>Cellular neural networks: applications</article-title>. <source>IEEE Trans. Circuits Systems&#x2013;i</source> <volume>35</volume> (<issue>10</issue>), <fpage>1273</fpage>&#x2013;<lpage>1290</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/31.7601</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chua</surname>
<given-names>L. O.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1988a</year>). <article-title>Cellular neural networks: theory</article-title>. <source>IEEE Trans. Circuits Systems&#x2013;I</source> <volume>35</volume> (<issue>10</issue>), <fpage>1257</fpage>&#x2013;<lpage>1272</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/31.7600</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B40">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Di Marco</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Forti</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pancioni</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017a</year>). <article-title>Memristor standard cellular neural networks computing in the flux-charge domain</article-title>. <source>Neural Netw.</source> <volume>93</volume>, <fpage>152</fpage>&#x2013;<lpage>164</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.neunet.2017.05.009</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B41">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Di Marco</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Forti</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pancioni</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017b</year>). <article-title>Convergence and Multistability of Nonsymmetric Cellular Neural Networks With Memristors</article-title>. <source>IEEE Trans. Cybern.</source> <volume>47</volume> (<issue>10</issue>), <fpage>2970</fpage>&#x2013;<lpage>2983</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TCYB.2016.2586115</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B42">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Di Marco</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Forti</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pancioni</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>New Conditions for Global Asymptotic Stability of Memristor Neural Networks</article-title>. <source>IEEE Trans. Neural Netw. Learn. Syst.</source> <volume>29</volume>, <fpage>1822</fpage>&#x2013;<lpage>1834</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TNNLS.2017.2688404</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B43">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Duan</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hu</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dong</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mazumder</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Memristor-Based Cellular Nonlinear/Neural Network: Design, Analysis, and Applications</article-title>. <source>IEEE Trans. Neural Netw. Learn. Syst.</source> <volume>26</volume> (<issue>6</issue>), <fpage>1202</fpage>&#x2013;<lpage>1213</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TNNLS.2014.2334701</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="web">
<collab>Fujitsu Ltd</collab> (<year>2019</year>). <article-title>Fujitsu announcement</article-title>. <comment>Available at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.fujitsu.com/global/products/devices/semiconductor/memory/reram/">https://www.fujitsu.com/global/products/devices/semiconductor/memory/reram/</ext-link>
</comment> (<comment>Accessed July 30, 2019</comment>). </citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="web">
<collab>GlobalFoundries Ltd</collab> (<year>2018</year>). <article-title>GlobalFoundries announcement</article-title>. <comment>Available at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/devices/globalfoundries-halts-7nm-chip-development">https://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/devices/globalfoundries-halts-7nm-chip-development</ext-link>
</comment> (<comment>Accessed August 28<sup>th</sup>, 2018</comment>). </citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hu</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Strachen</surname>
<given-names>J.&#x20;P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Grafals</surname>
<given-names>E. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Davila</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lam</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2016</year>). &#x201c;<article-title>Dot-product engine for neuromorphic computing: programming 1T1M crossbar to accelerate vector-matrix multiplication</article-title>,&#x201d; in <conf-name>Proceedings of the ACM/EDAC/IEEE 53rd Annual Design Automation Conference (DAC)</conf-name>, <conf-loc>Austin, TX, USA</conf-loc>, <conf-date>June 5&#x2013;9, 2016</conf-date>. </citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Itoh</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chua</surname>
<given-names>L. O.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2003</year>). <article-title>Designing CNN genes</article-title>. <source>Int. J.&#x20;Bifurcations Chaos</source> <volume>13</volume> (<issue>10</issue>), <fpage>2739</fpage>&#x2013;<lpage>2824</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/s0218127403008375</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jo</surname>
<given-names>S. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>K. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>High-density crossbar arrays based on a Si memristive system</article-title>. <source>Nano Lett.</source> <volume>9</volume> (<issue>2</issue>), <fpage>870</fpage>&#x2013;<lpage>874</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/nl8037689</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="web">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Karacs</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cserey</surname>
<given-names>Gy.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zar&#xe1;ndy</surname>
<given-names>&#xc1;.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Szolgay</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rekeczky</surname>
<given-names>Cs.</given-names>
</name>
<name>
<surname>K&#xe9;k</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>CNN template library</article-title>. <comment>Available at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://cnn-technology.itk.ppke.hu/Template_libraryv4.0beta2.pdf">http://cnn-technology.itk.ppke.hu/Template_libraryv4.0beta2.pdf</ext-link>
</comment> (<comment>Accessed April 19, 2021</comment>). </citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kumar</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Williams</surname>
<given-names>R. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Third-order nano-circuit elements for neuromorphic engineering</article-title>. <source>Nature</source> <volume>585</volume>, <fpage>518</fpage>&#x2013;<lpage>523</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41586-020-2735-5</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Landauer</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1988</year>). <article-title>Dissipation and noise immunity in computation and communication</article-title>. <source>Nature</source> <volume>335</volume> (<issue>6193</issue>), <fpage>779</fpage>&#x2013;<lpage>784</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/335779a0</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hu</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jiang</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ge</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Montgomery</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Analogue signal and image processing with large memristor crossbars</article-title>. <source>Nat. Electron.</source> <volume>1</volume>, <fpage>52</fpage>&#x2013;<lpage>59</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41928-017-0002-z</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Moore</surname>
<given-names>G. E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1965</year>). <article-title>Cramming more components onto integrated circuits</article-title>. <source>Electronics</source> <volume>38</volume> (<issue>8</issue>), <fpage>114</fpage>&#x2013;<lpage>117</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.2307/3756714</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="web">
<collab>Panasonic Ltd.</collab> (<year>2013</year>). <article-title>Panasonic announcement</article-title>. <comment>Available at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://news.panasonic.com/global/press/data/2013/07/en130730-2/en130730-2.html">https://news.panasonic.com/global/press/data/2013/07/en130730-2/en130730-2.html</ext-link>
</comment> (<comment>Accessed July 30<sup>th</sup>, 2013</comment>). </citation>
</ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pershin</surname>
<given-names>Y. V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Di Ventra</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Memory effects in complex materials and nanoscale systems</article-title>. <source>Adv. Phys.</source> <volume>60</volume> (<issue>2</issue>), <fpage>145</fpage>&#x2013;<lpage>227</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/00018732.2010.544961</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pershin</surname>
<given-names>Y. V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fontaine</surname>
<given-names>S. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Di Ventra</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Memristive model of amoeba learning</article-title>. <source>Phys. Rev. E</source>. <volume>89</volume>, <fpage>021926</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.80.021926</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Roska</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1993</year>). <article-title>The CNN universal machine: an analogic array computer</article-title>. <source>IEEE Trans. Circuits Syst.&#x2013;II: Analog Digital Signal Process.</source> <volume>40</volume> (<issue>3</issue>), <fpage>163</fpage>&#x2013;<lpage>173</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/82.222815</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B32">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Strogatz</surname>
<given-names>S. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2000</year>). <source>Nonlinear dynamics and chaos: with applications to physics, biology, chemistry, and engineering (studies in nonlinearity)</source>. <edition>1 edition</edition>. <publisher-loc>Florida, US</publisher-loc>: <publisher-name>CRC Press</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B33">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tetzlaff</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ascoli</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Messaris</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chua</surname>
<given-names>L. O.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Theoretical foundations of memristor cellular nonlinear networks: memcomputing with bistable-like memristors</article-title>. <source>IEEE Trans. Circuits Syst.&#x2013;I: Regular Pap.</source> <volume>67</volume> (<issue>2</issue>), <fpage>502</fpage>&#x2013;<lpage>515</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/tcsi.2019.2940909</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B34">
<citation citation-type="web">
<collab>Toshiba Ltd.</collab> (<year>2012</year>). <article-title>Smart photo sensor SPS02</article-title>. <comment>Available at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.toshiba-teli.co.jp/pdf/industrial-camera-en/sps02e.pdf">https://www.toshiba-teli.co.jp/pdf/industrial-camera-en/sps02e.pdf</ext-link>
</comment> (<comment>Accessed February 1st, 2012</comment>). </citation>
</ref>
<ref id="B44">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>V&#x00E1;zquez</surname>
<given-names>A. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Espejo</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dom&#x00ED;nguez-Castro</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Huertas</surname>
<given-names>J. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>S&#x00E1;nchez-Sinencio</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1993</year>). <article-title>Current-mode techniques for the implementation of continuous- and discrete-time cellular neural networks</article-title>. <source>IEEE Trans. Circuits Syst. II: Analog Digit. Signal Process.</source> <volume>40</volume> (<issue>3</issue>), <fpage>132</fpage>&#x2013;<lpage>146</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/82.222812</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B35">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>V&#xe1;zquez</surname>
<given-names>A. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fern&#xe1;ndez-Berni</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Le&#xf1;ero-Bardallo</surname>
<given-names>J.&#x20;A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vornicu</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Carmona-Gal&#xe1;n</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>CMOS vision sensors: embedding computer vision at imaging front-ends</article-title>. <source>IEEE Circuits Syst. Mag.</source> <volume>18</volume> (<issue>2</issue>), <fpage>90</fpage>&#x2013;<lpage>107</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/MCAS.2018.2821772</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B36">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Weiher</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Herzig</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tetzlaff</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ascoli</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mikolajick</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Slesazeck</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Pattern formation with local active S-type NbOx memristors</article-title>. <source>IEEE Trans. Circuits Syst.&#x2013;I: Regular Pap.</source> <volume>66</volume> (<issue>7</issue>), <fpage>2627</fpage>&#x2013;<lpage>2638</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/tcsi.2019.2894218</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B37">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Williams</surname>
<given-names>R. S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>What&#x2019;s next? [The end of Moore&#x2019;s law]</article-title>. <source>IEEE Comput. Sci. Eng.</source> <volume>19</volume> (<issue>2</issue>), <fpage>7</fpage>&#x2013;<lpage>13</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/mcse.2017.31</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B38">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zar&#xe1;ndy</surname>
<given-names>&#xc1;.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2003</year>). <article-title>The art of CNN template design</article-title>. <source>Int. J.&#x20;Circuit Theor. Appl.</source> <volume>27</volume> (<issue>1</issue>), <fpage>5</fpage>&#x2013;<lpage>23</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/(sici)1097-007x(199901/02)27:1&#x3c;5::aid-cta38&#x3e;3.0.co;2-c</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B39">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chua</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Hearts are poised near the Edge of Chaos</article-title>. <source>Int. J.&#x20;Bifurcation Chaos</source> <volume>30</volume> (<issue>9</issue>), <fpage>2030023</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/s0218127420300232</pub-id> </citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>