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2019 Fiscal Year Research-status Report

単一アナログデバイスと局所的学習則を用いるリアルニューロモーフィックシステム

Research Project

Project/Area Number 19K11876
Research InstitutionNara Institute of Science and Technology

Principal Investigator

木村 睦  奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 客員教授 (60368032)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 中島 康彦  奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (00314170)
ZHANG Renyuan  奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (00709131)
松田 時宜  龍谷大学, 公私立大学の部局等, 研究員 (30389209)
羽賀 健一  北陸先端科学技術大学院大学, シングルナノイノベーティブデバイス研究拠点, 研究員 (40751920)
Project Period (FY) 2019-04-01 – 2022-03-31
Keywordsアナログデバイス / 局所的学習則 / ニューロモーフィックシステム
Outline of Annual Research Achievements

人工知能は、未来の社会の中心となる技術であるが、巨大なサイズと膨大な電力が問題である。ニューロモーフィックシステムは、脳の模倣で、コンパクト化・低消費電力化が期待できる。そこで、我々は、超コンパクト・超低パワーの『リアルニューロモーフィックシステム』の研究を、アーキテクチャ:単一アナログデバイス/マテリアル:アモルファス金属酸化物半導体/アルゴリズム:局所的学習則の3つの観点から進めている。本研究では、上記の新技術を導入したニューロモーフィックシステムの動作を、シミュレーション・実機で確認し、実用的かつ人間の脳と同様な超コンパクト・低パワーの汎用人工知能の可能性を検討する。
現在まで、シミュレーションでは、抵抗変化素子・メモリスタのモデリングを行い、局所学習則とともに組み込んだ論理シミュレーションを行った。ディープ・畳み込みニューラルネットなどを構築し、連想記憶・画像認識の例として、MNIST・CIFAR-10の文字・画像のデータセットで、一定の認識成功率を達成した。一方、実機では、アモルファス金属酸化物のIn-Ga-Zn-O(IGZO)・Ga-Sn-O(GTO)で、抵抗変化素子・メモリスタの作製に成功し、クロスポイントチップやLSI積層チップなどを用いて動作を確認した。
今後は、シミュレーションでは、強誘電体キャパシタのモデリングを行い、論理シミュレーションを行う。さらに、回路シミュレーションで、動的挙動も含む正確な動作を解析する。一方、実機では、Ba-La-Ti-O(BLT)で、クロスポイントチップやLSI積層チップなどを用いて動作を確認する。最後に、大規模化では、大規模の1兆素子程度のニューロモーフィックシステムを想定し、超コンパクト・超低パワーの人工知能の実現にむけての可能性も検討し、汎用人工知能としての動作を評価する。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

まず、シミュレーションでは、、単一アナログデバイスである抵抗変化素子・メモリスタのモデリングを行った。印加電圧・電流の履歴にコンダクタンスが依存するモデルである。そして、抵抗変化素子・メモリスタのモデルを局所学習則とともに組み込んだ論理シミュレーションを行った。中規模のニューロモーフィックシステムを想定し、ディープニューラルネット・畳み込みニューラルネットなどのネットワーク構成を構築した。連想記憶・画像認識の例として、MNIST・CIFAR-10の文字・画像のデータセットを用いて、一定の認識成功率を達成した。これらの結果については、早々に研究発表を行う予定である。
つぎに、実機では、アモルファス金属酸化物のIGZO・GTO(いずれも我々が研究している高機能材料)で、組成・デバイス構造・製造プロセスなどの最適化で抵抗変化特性・遷移特性などを制御し、抵抗変化素子・メモリスタとして活用できるものの作製に成功した。シナプス素子だけ個別基板に集積化したクロスポイントチップや、ニューロン素子をLSIに集積化しそのうえにシナプス素子を成膜したLSI積層チップなどを用いて、実機を試作して動作を確認した。現在は、3x3画素の小サイズの文字認識であるが、基本的な動作確認に成功したといえる。これらの結果については、早々に研究発表を行う予定である。また、BLTで、やはり組成・デバイス構造・製造プロセスなどの最適化で強誘電性などを制御し、強誘電体キャパシタとして活用できるものの作製に成功した。シナプス素子の接続強度の初期値・変化速度の実際の値についても評価した。

Strategy for Future Research Activity

まず、シミュレーションでは、、単一アナログデバイスである強誘電体キャパシタのモデリングを行う。印加電圧の履歴に分極・キャパスタンスが依存するモデルである。そして、既に完成している抵抗変化素子・メモリスタのモデルを局所学習則とともに組み込んだ論理シミュレーションを行う。より大規模のニューロモーフィックシステムを想定し、ディープニューラルネット・畳み込みニューラルネット・リザーバニューラルネットなどのネットワーク構成を構築する。最適化問題(巡回セールスマン問題など)などに対する正常な動作を確認する。また、強誘電体キャパシタのモデルを局所学習則とともに組み込んだ論理シミュレーションを行う。中規模・より大規模のニューロモーフィックシステムを想定し、ディープニューラルネット・畳み込みニューラルネット・リザーバニューラルネットなどのネットワーク構成を構築する。連想記憶・画像認識・最適化問題などに対する正常な動作を確認する。さらに、回路シミュレーションで、動的挙動も含むニューロモーフィックシステムの正確な動作を解析する。
つぎに、実機では、BLTで、シナプス素子だけ個別基板に集積化したクロスポイントチップや、ニューロン素子をLSIに集積化しそのうえにシナプス素子を成膜したLSI積層チップなどを用いて、実機を試作して動作を確認する。
最後に、大規模化では、大規模の1兆素子程度のニューロモーフィックシステムを想定し、超コンパクト・超低パワーの人工知能の実現にむけての可能性も検討する。ここでは、まずは上記の連想記憶・画像認識・最適化問題などを同じシステム構成のニューロモーフィックシステムで実現できるかを確認することで、汎用人工知能としての動作を評価する。

Causes of Carryover

主に、予定していた旅費の一部が、若干安価になったため、残額として次年度使用額が生じた。次年度は、汎用人工知能の評価にむけた、物品費として使用する計画である。

  • Research Products

    (32 results)

All 2020 2019

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 2 results) Presentation (26 results) (of which Int'l Joint Research: 16 results,  Invited: 8 results)

  • [Journal Article] Influence of characteristic variation of oxide semiconductor and comparison of the activation function in neuromorphic hardware2020

    • Author(s)
      Ikeda Hiroya、Yamane Hiroki、Takishita Yuta、Kimura Mutsumi、Nakashima Yasuhiko
    • Journal Title

      Nonlinear Theory and Its Applications, IEICE

      Volume: 11 Pages: 232~252

    • DOI

      10.1587/nolta.11.232

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Memristor property of an amorphous Sn?Ga?O thin-film device deposited using mist chemical-vapor-deposition method2020

    • Author(s)
      Takishita Yuta、Kobayashi Masaki、Hattori Kazuki、Matsuda Tokiyoshi、Sugisaki Sumio、Nakashima Yasuhiko、Kimura Mutsumi
    • Journal Title

      AIP Advances

      Volume: 10 Pages: 035112~035112

    • DOI

      10.1063/1.5143294

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] レアメタルフリー Ga-Sn-O 材料の薄膜トランジスタへの応用2019

    • Author(s)
      松田 時宜、梅田 鉄馬、加藤 雄太、西本 大貴、杉崎 澄生、古田 守、木村 睦
    • Journal Title

      電子情報通信学会論文誌 C

      Volume: J102-C Pages: 305~311

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Memristive Characteristic of an Amorphous Ga-Sn-O Thin-Film Device with Double Layers of Different Oxygen Density2019

    • Author(s)
      Kurasaki、Tanaka、Sugisaki、Matsuda、Koretomo、Magari、Furuta、Kimura
    • Journal Title

      Materials

      Volume: 12 Pages: 3236~3236

    • DOI

      10.3390/ma12193236

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Emerging applications using metal-oxide semiconductor thin-film devices2019

    • Author(s)
      Kimura Mutsumi
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 58 Pages: 090503~090503

    • DOI

      10.7567/1347-4065/ab1868

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Neuromorphic System with Crosspoint-type Amorphous Ga-Sn-O Thin-Film Devices as Self-Plastic Synapse Elements2019

    • Author(s)
      Mutsumi Kimura、Kenta Umeda、Keisuke Ikushima、Toshimasa Hori、Ryo Tanaka、Junpei Shimura、Atsushi Kondo、Takumi Tsuno、Sumio Sugisaki、Ayata Kurasaki、Kaito Hashimoto、Tokiyoshi Matsuda、Tokiyoshi Kameda、and Yasuhiko Nakashima
    • Journal Title

      ECS Trans.

      Volume: 90 Pages: 157~166

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 薄膜デバイスを用いたニューロモーフィックシステム -有機デバイスの可能性-2020

    • Author(s)
      木村 睦
    • Organizer
      高分子学会 有機エレクトロニクス研究会
    • Invited
  • [Presentation] 薄膜デバイスを用いたリアルニューロモーフィックシステム2020

    • Author(s)
      木村 睦
    • Organizer
      エレクトロニクス実装学会 第34回春季講演大会 特別シンポジウム 「IoTによるフィジカル空間変革とAI社会実装」
    • Invited
  • [Presentation] 薄膜デバイスを用いたニューロモーフィックシステム2020

    • Author(s)
      木村 睦
    • Organizer
      薄膜材料デバイス研究会 高知特別研究会
    • Invited
  • [Presentation] Brain-like Integrated System using Thin-Film Devices2020

    • Author(s)
      Mutsumi Kimura
    • Organizer
      The 8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Neuromorphic System using Thin-Film Devices as a Novel Computing System2019

    • Author(s)
      Mutsumi Kimura
    • Organizer
      ISACIT 2019
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Neuromorphic Chip using AOS Thin-Film Devices2019

    • Author(s)
      Mutsumi Kimura
    • Organizer
      The 77th Fujihara Seminar
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Novel application using TFTs2019

    • Author(s)
      Mutsumi Kimura
    • Organizer
      IMID 2019
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Neuromorphic System using Thin-Film Devices2019

    • Author(s)
      Mutsumi Kimura
    • Organizer
      2019 ULSIC vs. TFT Conference
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Neuro-inspired System with Crossbar Array of Amorphous Metal-Oxide-Semiconductor Thin-Film Devices as Self-Plastic Synapse Units - Letter Recognition of Five Alphabets -2019

    • Author(s)
      Mutsumi Kimura, Kenta Umeda, Keisuke Ikushima, Toshimasa Hori, Ryo Tanaka, Tokiyoshi Matsuda, Tomoya Kameda, and Yasuhiko Nakashima
    • Organizer
      The 26th International Conference on Neural Information Processing, ICONIP 2019
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] In-Ga-Zn-O Film Thickness Dependence of Memristor Characteristic for Resistive Random Access Memory2019

    • Author(s)
      Kaito Hashimoto, Ayata Kurasaki, Mutsumi Kimura, and Tokiyoshi Matsuda
    • Organizer
      IMFEDK 2019
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Ga-Sn-O Thin Film Synapse for Neural Network2019

    • Author(s)
      Yuki Shibayama, Daiki Yamakawa, Yuki Onishi, and Mutsumi Kimura
    • Organizer
      IMFEDK 2019
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Synapse Elements in Neural Network Based on Multilayer Cross-Point Device using IGZO2019

    • Author(s)
      Takumi Tsuno, Jumpei Shimura, Atsushi Kondo, and Mutsumi Kimura
    • Organizer
      IMFEDK 2019
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Crystal Growth of (Bi, La)4Ti3O12 Using a Two Step Deposition Process2019

    • Author(s)
      Homare Yoshida, Yuta Miyabe, and Mutsumi Kimura
    • Organizer
      IMFEDK 2019
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ニューラルネットワーク用Ga-Sn-O薄膜シナプス2019

    • Author(s)
      柴山 友輝, 山川 大樹, 大西 祐輝, 山根 弘樹, 中島 康彦, 木村 睦
    • Organizer
      薄膜材料デバイス研究会 第16回研究集会
  • [Presentation] アモルファスIn-Ga-Zn-O薄膜シナプスの可塑性2019

    • Author(s)
      山川 大樹, 柴山 友輝, 大西 祐輝, 池田 裕哉, 中島 康彦, 木村 睦
    • Organizer
      薄膜材料デバイス研究会 第16回研究集会
  • [Presentation] Real Neuromorphic System using LSI Chip and Thin-Film Devices2019

    • Author(s)
      Mutsumi Kimura, Keisuke Ikushima, Daiki Yamakawa, Hiroki Yamane, and Yasuhiko Nakashima
    • Organizer
      ICONS 2019
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Development of Two-Layered ReRAM using Ga-Sn-O Thin Film2019

    • Author(s)
      Ayata Kurasaki, Sumio Sugisaki, Ryo Tanaka, Tokiyoshi Matsuda, and Mutsumi Kimura
    • Organizer
      AM-FPD '19
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Evaluation of IGZO Synapses for Neuromorphic Systems2019

    • Author(s)
      Daiki Yamakawa, Yuki Shibayama, Hiroki Yamane, Yasuhiko Nakashima, and Mutsumi Kimura
    • Organizer
      AM-FPD '19
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A Programmable Calculation Unit Employing Memcapacitor-based Neuromorphic Circuit2019

    • Author(s)
      Yan Chen, Jing Zhang, Yingjie Zhang, Renyuan Zhang, Mutsumi Kimura, and Yasuhiko Nakashima
    • Organizer
      NEWCAS 2019
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Evaluation of Neuromorphic Hardware using Cellular Neural Networks and Oxide Semiconductors2019

    • Author(s)
      Hiroya Ikeda, Hiroki Yamane, Yuki Shibayama, Mutsumi Kimura, and Yasuhiko Nakashima
    • Organizer
      APDCM 2019
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Ga-Sn-O薄膜を用いた抵抗変化型メモリのメモリスタ特性の電極依存性2019

    • Author(s)
      橋本 快人, 倉崎 彩太, 田中 遼, 杉崎 澄生, 角田 涼, 木村 睦
    • Organizer
      映像情報メディア学会
  • [Presentation] 2段階堆積プロセスを用いた(Bi,La)4Ti3O12薄膜の結晶成長2019

    • Author(s)
      吉田 誉, 石崎 勇真, 宮部 雄太, 木村 睦
    • Organizer
      映像情報メディア学会
  • [Presentation] ニューラルネットワークのための多層クロスポイント型シナプス素子2019

    • Author(s)
      津野 拓海, 近藤 厚志, 新村 純平, 田中 遼, 山川 大樹, 柴山 友輝, 岩城 江津子, 木村 睦
    • Organizer
      映像情報メディア学会
  • [Presentation] ミストCVD法によるGa-Sn-O薄膜を用いたメモリスタ開発2019

    • Author(s)
      小林 雅樹, 杉崎 澄生, 木村 睦
    • Organizer
      映像情報メディア学会
  • [Presentation] Neuromorphic System using an LSI Chip and a-IGZO Thin-Film Devices2019

    • Author(s)
      Mutsumi Kimura, Keisuke Ikushima, Daiki Yamakawa, Hiroki Yamane, and Yasuhiko Nakashima
    • Organizer
      38th Electronic Materials Symposium
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 局所学習則と薄膜デバイスを用いるリアルニューロモーフィックシステム - 文字学習の動作確認 -2019

    • Author(s)
      木村 睦, 田中 遼, 山川 大樹, 柴山 友輝, 池田 裕哉, 滝下 雄太, 中島 康彦
    • Organizer
      第80回応用物理学会秋季学術講演会

URL: 

Published: 2021-01-27  

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