「遅い」のに高効率な情報処理技術を開発

しかし、微細化技術は限界を迎えつつあり、より小型で、電力効率に優れた情報処理の実現には、異なる原理に基づいた情報処理技術が求められています。

そこで、情報処理系としての生体に目を向けてみると、非常に高効率な情報処理を行っていることがわかります。生体神経組織は、MOSトランジスタと比べて100万倍以上もゆっくりと動作し、1 pW（ピコワット、ピコは1兆分の1）以下のわずかな電力しか消費しません。生体神経組織を人工素子で模倣できれば、超低消費電力な新しい情報処理に道を拓けると考えられますが、これまでの技術ではゆっくりとした動作と小さな素子面積、小さな電力消費を両立させるのは困難でした。

研究の経緯

産総研は、機能性材料の分野において、物質中で起こるさまざまな物理現象を素子として応用することを目指しており、特に酸化物材料の作製技術や評価技術、素子化技術を開発してきました。今回、これらの技術を応用することで、生体神経組織の動作を模倣するトランジスタの動作実証に成功しました。

なお、本研究開発は、国立研究開発法人科学技術振興機構の戦略的創造研究推進事業 CREST 「スパイキングネットによるエッジでのリアルタイム学習基盤（2019～2024年度、JPMJCR19K2）」による支援を受けています。

研究の内容

生体神経組織は、リーク積分と呼ばれる振る舞いで、外部から入力されるパルス状の信号を内部でゆっくりと時間変化する信号に変換します。図1（a）にリーク積分動作の概念図を示します。パルス信号が入力されるたびに、膜電位と呼ばれる内部変数がゆっくりと上昇していきます。パルス信号が来ないときは、膜電位は徐々に減少していきます。

従来の方法で生体神経と同じくらいの時定数を持つリーク積分を実現するには、図1（b）に示すように、1 µF（マイクロファラド、静電容量の単位の1つ）ものコンデンサーと100 kΩ（キロオーム、電気抵抗の単位の1つ）もの抵抗器が必要になります。この方法では回路面積が大きくなるだけではなく、抵抗器に流れる電流で無駄な電力消費が生じてしまいます。今回の技術は、外から印加する電圧により酸化物固体中の酸素欠損イオンを制御する方法で、電力を無駄にせずリーク積分を模倣できることを実証しました。

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