反応拡散チップ:自然界の非線形現象に学んだ新しい機能LSIの開拓

• Project/Area Number: 13750295
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: 電子デバイス・機器工学
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 浅井 哲也 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (00312380)
• Project Period (FY): 2001 – 2002
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2002)
• Budget Amount: ¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000); Fiscal Year 2002: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2001: ¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000)
• Keywords: 反応拡散系 / LSI / 非線形アナログ電子回路 / 反応拡散チップ / ニュートラルネットワーク / 集積回路 / 非線形アナログ回路 / 画像処理

Research Abstract

反応拡散チップの単位反応回路は平成13年度半ばにチップ化に成功し、理論通りの動作を確認した。その後、単位反応回路をチップ外で拡散結合させた「一次元縞模様の修復」を行うアナログ回路の開発に成功,続いて反応拡散系全体のチップ化を行った。平成13年度末に二次元集積化を行ったが、反応回路間のクロストークが大きくレイアウトの条件出しに時間がかかり、現時点ではシミュレーション上での動作確認に留まっている。
一方、上記の単位反応回路とは別に、画素回路の高密度集積を狙った単位反応回路を新たに設計・試作し、上記反応回路の面積を75%程度縮小できる見通しを得た(二次元集積化したときに、同じチップ面積で4倍の画素回路が搭載可能になる)。同じ目的で、半導体自身を反応媒体として用いる少数キャリア反応拡散デバイスのアーキテクチャを考案し、シミュレーション上でその動作を確認した。
また、反応拡散チップ開発の副産物として、神経細胞の動特性を模擬するアナログ反応回路の開発に成功した。神経の軸索を伝搬する神経インパルスは反応拡散モデルで記述可能であることから、これを用いて今後、神経系の情報処理機構を実装可能なチップの研究開発が期待できる。実際、平成13年度末にこのアナログ神経回路を集積化し、ノイズ環境下で正確かつ(従来のニューロチップと比べて)動作効率の良い、神経競合(多数の入力の中から最大の情報量を持つ神経を選択)の具現例を、実デバイスで実証できた。

Research Products

• [Publications] Asai T., Nishimiya Y.他: "A CMOS reaction-diffusion circuit based on cellular-automate 〜"IEICE Transactions in Fundamentals of Electronics 〜. E35・A. 2093-2096 (2002)
• [Publications] 浅井 哲也: "反応拡散チップの開発 〜反応拡散系をシリコンLSIの上に実現する〜"電気学会誌. 121・4. 253-257 (2001)
• [Publications] Asai T., Amemiya Y.: "Reaction diffusion systems on Excitable Semiconductor medium"Corr. Abst. 2003 RCIQE Int. Seminar on Quantum 〜. 64-71 (2003)
• [Publications] Asai T., Amemiya Y.: "Natural Computation with analog reaction-diffusion circuits"Proc. 2002 Int. Symp. New Paradigm VSLI Computing. 117-120 (2002)
• [Publications] Daikoku T., Asai T., Amemiya Y.: "An analog CMOS circuit implementing Turing's reaction 〜"Proc. 2002 Int. Symp. Nonlinear Theory and its 〜. 809-812 (2002)
• [Publications] Asai T., Amemiya Y.: "Frequency and temporal domain neural competition 〜"Proc. 2002 Int. Joint Conf. on Neural Networks. 1337-1341 (2002)
• [Publications] 浅井哲也: "反応拡散チップの開発〜反応拡散系をシリコンLSIの上に実現する〜"電気学会誌. 121・4. 253-257 (2001)
• [Publications] 浅井哲也: "A neumos visionchip based on the cellular-automaton processing"Jpn. J. Appl. Phys.. 40・4B. 2585-2592 (2001)
• [Publications] 浅井哲也: "Analog Integrated-and-Fire Neurochips: Neural competition in Frequency and Time Domains"Proc. 4th Int. Forum on Multimedia & Image Processing. 発表決定. (2002)
• [Publications] 浅井哲也: "Frequency-and Time-domain Neural Competition in Analog Integrate-and-Fire Neurochips"Proc. INNS-IEEE Int. Joint Conf. on Neural Networks. 発表決定. (2002)
• [Publications] 浅井哲也: "A novel reaction-diffusion system based on Minority-carrier transport in solid-state Cmos devices"Proc. Int. Semiconductor Device Research Synap. 141-144 (2001)
• [Publications] 浅井哲也: "Analog Cmos Implementation of Diffusive Lotka-Valterra Neural Networks"Proc. INNS-IEEE Int. Joint Conf. on Neural Networks. 90 (2001)