2014 Fiscal Year Annual Research Report
粗粒デバイスのための新規情報処理アーキテクチャの開拓
| Project Area | Molecular Architectonics: Orchestration of Single Molecules for Novel Function |
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| Project/Area Number |
25110015
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
浅井 哲也 北海道大学, 情報科学研究科, 准教授 (00312380)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大矢 剛嗣 横浜国立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30432066)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | ゆらぎ / 脳型情報処理 / 確率共鳴 / アーキテクチャ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、分子ナノ素子の特異な性質を生かした新規情報処理システムのためのアーキテクチャ（素子の組み上げかた）の構築学の確立を目的とするものである。従前の情報処理システムには各素子が確実に動作する堅固さが要求されるが、本研究ではその常識を刷新する解決策の骨子を提唱する。平成26年度の当初計画と研究実績は以下のとおりである：
1．確率共鳴ゲートを二端子分子素子で実現する回路方式の確立：任意の論理回路を構成するためにはNANDゲートが構築できればよいが、そのためには増幅採用を持った素子が必要となる。A01-03 班との連携により、分子系の自己触媒的効果を利用した増幅作用を応用して、センスアンプ機能を作出する。
（成果）A01小川Gとの連携により増幅作用を持つ分子素子について模索した。しかし、回路に組み込める素子への発展には至らなかった。H25年度に作成した分子素子の体系化マップをもとに、引き続き増幅素子の設計を模索する。
2. 分子素子を組み合わせた小規模・大規模回路の実装：分子素子をパッケージ素子として扱い、それらを基板上に配置・結線することで、小規模～大規模のCMOS-分子ハイブリッド回路の実証・評価を行う。
（成果：A01赤井Gとの共同研究）高伝導ポリマーを利用した脳型軸索（アナログメモリ）素子と、その学習制御回路の設計に取り組んだ。また、H25-26年の成果およびグループ間の議論を通じて、「脳型情報処理のためのパルス生成、伝搬、可塑性を分子素子上に創り出す」という大指針を領域内で共有できた。H25年度より実施している分子素子の体系化はこのための重要な調査であり、H26年末よりその具体化の作業（分子素子と機能の対応づけとアーキテクチャ選定）に着手した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成25年度より以下の5計画を平行して進めてきており、それぞれ成果が順調に得られている：
計画1. 粗粒素子の回路応用の基礎となるアーキテクチャ設計学の基礎確立：A01班長とともに分子素子の体系化を進め、領域内全研究グループが有する分子素子の物質名/デバイス、特徴・現象、状態変数、操作/変調方法、応答速度/過渡応答挙動/ダイナミクスなどのデータを収集・整理した。（今後、これらのデータをもとに情報処理への組み込み可能性の検討を行なう）
計画2. 分子粗粒素子と同程度の粒度を持つCMOSによる回路動作の実証：電源電圧を極限まで下げたCMOS粗粒回路の試作を行ない、その安定動作を確認した。
計画3. 確率共鳴ゲートを用いた非同期式論理回路の設計手法の確立：確立共鳴ゲートを用いた非同期回路の基礎（マイクロパイプライン構築法）を確立した。
計画4. 単一分子素子（粗粒素子）を用いた確率共鳴ゲートの要素回路設計：雑音環境下で生物的情報処理・ドミノ演算を行なう単一電子回路を設計し、シミュレーションによりその動作を示した。なお、確率共鳴ゲートの分子モデル作成には至らなかった。その理由は、計画時に想定していた双安定回路を単分子回路で設計できなかったことにある。モデルだけでなく、現実の素子を見据えた再設計が必要であると判断した。上記計画1で作成した分子素子の体系化マップをにらみつつ、引き続き双安定系の分子設計を模索する。
計画5. ゆらぎを利用する脳型情報処理の新規開拓：近年注目を集めている脳型学習（機械学習）システムについて、粗粒分子素子回路を見すえたアーキテクチャ設計の検討を行なった。物体の動きの特徴を学習により検知できるようなシステムや、生物の体表模様生成システム等を構築し、その有用性（異常検知能力、汎化能力の高さ等）を示した。
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| Strategy for Future Research Activity |
計画調書には直接触れられていないが、H25-26年の成果およびグループ間の議論を通じて、「脳型情報処理のためのパルス生成、伝搬、可塑性を分子素子上に創り出す」という大指針を領域内で共有できた。H25年度より実施している分子素子の体系化はこのための伏線であり、H26年末よりその具体化の作業（分子素子と機能の対応づけとアーキテクチャ選定）に着手している。
また、A01小川Gとの連携による増幅作用を持つ分子素子については、H25年度に作成した分子素子の体系化マップをもとに、引き続き増幅素子の設計を模索する。
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[Presentation] セルオートマトンの集積回路化とその技術動向2014
Author(s)
浅井 哲也
Organizer
明治大学先端数理科学インスティテュート現象数理学研究拠点研究集会「セルオートマトンが拓く現象数理学」
Place of Presentation
Meiji University, Tokyo, Japan
Year and Date
2014-12-04 – 2014-12-05
Invited
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