固体電気二重層を利用する超高速動作・高線型性人工シナプス素子の開発

• 研究課題/領域番号: 22KJ2799
• 補助金の研究課題番号: 21J21982 (2021-2022)
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 基金 (2023); 補助金 (2021-2022)
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分29020:薄膜および表面界面物性関連
• 研究機関: 東京理科大学
• 研究代表者: 西岡 大貴 東京理科大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2023-03-08 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円); 2023年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2022年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
• キーワード: 神経模倣素子 / ニューロモルフィックコンピューティング / 人工シナプス / 固体電解質 / ナノイオニクス / 人工知能 / AIハードウェア / 固体電気二重層 / ニューロモルフィックデバイス

研究開始時の研究の概要

人工知能(AI)は深層学習をはじめとする様々な技術革新により認識問題や自然言語処理など様々な社会応用が期待されている。しかしながら、脳神経回路を再現したAI計算を従来型コンピュータ上で行う現状の取り組みは、消費電力が急増する問題に直面している。この問題の解決のため、シナプスの挙動を模擬した素子(人工シナプス素子)で構成される脳型コンピュータの開発が期待されている。しかしながら、良好な動作特性を示す人工シナプス素子は開発されておらず、脳型コンピュータの実用化には至っていない。そこで、本研究ではイオンと電子の振る舞いを活用した新しい方式の人工シナプス素子を開発し、脳型コンピュータの実用化を目指す。

研究実績の概要

今年度は開発した電気二重層型人工シナプス素子の情報処理能力を最大化するための駆動条件に関する検討を行った。連続時間における力学系である人工シナプス素子は、当然、入力信号の時間スケールや方式により挙動が動的に変化する。素子の構成材料等を改良するアプローチと比べて、既存の素子の性能向上を目指すアプローチは実用上の価値も大きい。まず、人工シナプス素子に情報を入力する手段として反転パルス法の効果を検証した。ある入力情報について、それを電圧信号に変換した通常の入力刺激に加え、電圧強度を反転させた信号を素子に印加することで大幅に性能が向上することを確認した。これは、人工シナプスの非線形性に伴う、信号強度に対する情報の等価性の損失が反転パルスによって軽減される効果に起因する。さらに、出力端子に振動電圧信号を加えながら出力を計測する方法で情報処理性能の大幅な向上に成功した。この方法では、力学系(人工シナプス)は常に揺り動かされた状態で情報処理を行うことになる。即ち、力学系としての過渡状態をある程度維持しながら情報処理を行うことで系内部における伝搬情報の時間的なつながりが強化される。その結果、記憶能力を含む計算性能の大幅な向上が確認された。
研究期間全体を通して、初年度は固体電気二重層効果を利用する人工シナプス素子の開発を行い、基本的なタスクを用いて性能を評価した。翌年度では、開発した素子の集積化やネットワークの大規模化を狙った学習アルゴリズムの検討を行うとともに、最終年度では上述のように既存の素子の能力を最大限に活用するための検討を行った。加えて、イオンゲーティングによって情報処理を行う本研究の枠組みを従来の半導体素子からスピン波や分子など様々な系への拡張も行った。本研究を通してイオン駆動とそれに起因する各種ダイナミクスで情報処理を行う人工シナプス素子の可能性を大きく広げることができた。

研究成果

• [雑誌論文] Inverted input method for computing performance enhancement of the ion-gating reservoir (2024)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi Yu、Nishioka Daiki、Namiki Wataru、Tsuchiya Takashi、Imura Masataka、Koide Yasuo、Higuchi Tohru、Terabe Kazuya
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 17 号: 2 ページ: 024501-024501
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ad2906
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Asymmetric transition of electrical resistance in an all-solid-state redox device with Fe₃O₄ and Li-ion electrolyte thin films for physical reservoir computing (2024)
  • 著者名/発表者名: Namiki Wataru、Tsuchiya Takashi、Nishioka Daiki、Higuchi Tohru、Terabe Kazuya
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 63 号: 3 ページ: 03SP13-03SP13
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad1fb0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Few- and single-molecule reservoir computing experimentally demonstrated with surface-enhanced Raman scattering and ion gating (2024)
  • 著者名/発表者名: Nishioka Daiki、Shingaya Yoshitaka、Tsuchiya Takashi、Higuchi Tohru、Terabe Kazuya
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 10 号: 9 ページ: 1-13
  • DOI: 10.1126/sciadv.adk6438
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A Redox‐Based Ion‐Gating Reservoir, Utilizing Double Reservoir States in Drain and Gate Nonlinear Responses (2023)
  • 著者名/発表者名: Wada Tomoki、Nishioka Daiki、Namiki Wataru、Tsuchiya Takashi、Higuchi Tohru、Terabe Kazuya
  • 雑誌名: Advanced Intelligent Systems 巻: 5 号: 9 ページ: 2300123-2300123
  • DOI: 10.1002/aisy.202300123
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enhanced synaptic characteristics of H_xWO₃-based neuromorphic devices, achieved by current pulse control, for artificial neural networks (2023)
  • 著者名/発表者名: Nishioka Daiki、Tsuchiya Takashi、Higuchi Tohru、Terabe Kazuya
  • 雑誌名: Neuromorphic Computing and Engineering 巻: 3 号: 3 ページ: 034008-034008
  • DOI: 10.1088/2634-4386/acf1c6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Room temperature fabrication of highly proton conductive amorphous zirconia-based thin films achieved through precise nanostructure control (2023)
  • 著者名/発表者名: Takayanagi Makoto、Tsuchiya Takashi、Nishioka Daiki、Higuchi Tohru、Terabe Kazuya
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry C 巻: 11 号: 39 ページ: 13311-13323
  • DOI: 10.1039/d3tc02084c
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental Demonstration of High‐Performance Physical Reservoir Computing with Nonlinear Interfered Spin Wave Multidetection (2023)
  • 著者名/発表者名: Namiki Wataru、Nishioka Daiki、Yamaguchi Yu、Tsuchiya Takashi、Higuchi Tohru、Terabe Kazuya
  • 雑誌名: Advanced Intelligent Systems 巻: 5 号: 12 ページ: 2300228-2300228
  • DOI: 10.1002/aisy.202300228
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Redox-based ion-gating reservoir consisting of (104) oriented LiCoO₂ film, assisted by physical masking (2023)
  • 著者名/発表者名: Shibata Kaoru、Nishioka Daiki、Namiki Wataru、Tsuchiya Takashi、Higuchi Tohru、Terabe Kazuya
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13 号: 1 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1038/s41598-023-48135-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Accelerated/decelerated dynamics of the electric double layer at hydrogen-terminated diamond/Li+ solid electrolyte interface (2023)
  • 著者名/発表者名: Takayanagi Makoto、Tsuchiya Takashi、Nishioka Daiki、Imura Masataka、Koide Yasuo、Higuchi Tohru、Terabe Kazuya
  • 雑誌名: Materials Today Physics 巻: 31 ページ: 101006-101006
  • DOI: 10.1016/j.mtphys.2023.101006
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Neuromorphic learning and forgetting functions of Pt/Ti0.99Sc0.01O2-δ/Pt multilayer by Schottky barrier modulation (2023)
  • 著者名/発表者名: Taniguchi Mitsuki、Takada Tomoasa、Tomiyoshi Kisara、Wada Tomoki、Nishioka Daiki、Higuchi Tohru
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 62 号: SG ページ: SG1022-SG1022
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acbb86
  • 査読あり
• [雑誌論文] Edge-of-chaos learning achieved by ion-electron coupled dynamics in an ion-gating reservoir (2022)
  • 著者名/発表者名: Nishioka Daiki、Tsuchiya Takashi、Namiki Wataru、Takayanagi Makoto、Imura Masataka、Koide Yasuo、Higuchi Tohru、Terabe Kazuya
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 8 号: 50
  • DOI: 10.1126/sciadv.ade1156
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Nanoionics-based neuromorphic function of a Pt/Ti0.96Co0.04O2-δ/Pt multilayer device operating at low pulse voltage (2022)
  • 著者名/発表者名: Takada Tomoasa、Yamaguchi Yu、Taniguchi Mitsuki、Fukushima Yoshiaki、Ito Hiroki、Notake Go、Nishioka Daiki、Takayanagi Makoto、Higuchi Tohru
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 61 号: SD ページ: SD1023-SD1023
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac4dba
  • 査読あり
• [学会発表] 表面増強ラマン散乱とイオンゲーティング刺激を利用する少数分子リザバーコンピューティングの開発 (2024)
  • 著者名/発表者名: 西岡 大貴, 新ヶ谷 義隆, 土屋 敬志, 樋口透, 寺部 一弥
  • 学会等名: 電気化学会第91回大会
• [学会発表] 表面増強ラマン散乱とイオンゲーティング刺激を利用する高性能少数分子リザバーコンピューティングの実証 (2024)
  • 著者名/発表者名: 西岡 大貴, 新ヶ谷 義隆, 土屋 敬志, 樋口透, 寺部 一弥
  • 学会等名: 2024年第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Deep Physical Reservoir Computing Achieved by Electric Double Layer Ion-Gating Reservoir. (2023)
  • 著者名/発表者名: NISHIOKA, Daiki, TSUCHIYA, Takashi, NAMIKI, Wataru, IMURA, Masataka, KOIDE, Yasuo, Tohru Higuchi, TERABE, Kazuya.
  • 学会等名: International conferences on solid state devices and materials (SSDM2023)
  • 国際学会
• [学会発表] イオンゲーティングリザバーを利用する高性能リザバーコンピューティング (2022)
  • 著者名/発表者名: 西岡 大貴、土屋 敬志、並木 航、髙栁 真、井村 将隆、小出 康夫、樋口 透、寺部 一弥
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 固体電解質/半導体界面のイオンダイナミクスを利用する高性能人工知能デバイス (2022)
  • 著者名/発表者名: 西岡 大貴、土屋 敬志、樋口透、寺部 一弥
  • 学会等名: 「蓄電固体界面科学」第４回若手勉強会
• [学会発表] Physical Reservoir Computing Based on Solid-State Electric Double Layer Effect (2022)
  • 著者名/発表者名: Daiki Nishioka, Takashi Tsuchiya, Wataru Namiki, Makoto Takayanagi, Tohru Higuchi and Kazuya Terabe
  • 学会等名: 23rd International Conference on Solid State Ionics (SSI-23)
  • 国際学会
• [備考] Liイオンの酸化還元反応を利用した高性能トランジスタの開発に成功
  • URL: https://www.tus.ac.jp/today/archive/20230602_1436.html
• [備考] 神経系の動作をマネする世界最高速度の電気二重層トランジスタ ～汎用性AI端末機器の高速化に期待～
  • URL: https://www.tus.ac.jp/today/archive/20230707_0777.html
• [備考] たった数個の有機分子が情報を記憶・計算して血糖値変化を高精度予測
  • URL: https://www.tus.ac.jp/today/archive/20240222_5839.html
• [備考] 脳の働きを模したイオニクス情報処理素子を開発 ～「カオスの縁」の再現でAI端末機器の高性能化に期待～
  • URL: https://www.tus.ac.jp/today/archive/20221222_4836.html
• [産業財産権] リザバー計算用電子素子 (2022)
  • 発明者名: 土屋 敬志/西岡 大貴/並木 航/寺部 一弥/他
  • 権利者名: 国立研究開発法人物質・材料研究機構
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2022
• [産業財産権] リザバー計算用装置 (2022)
  • 発明者名: 土屋 敬志/並木 航/山口 優/西岡 大貴/寺部 一弥
  • 権利者名: 国立研究開発法人物質・材料研究機構
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2022