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2018 年度 実績報告書

超並列アナログ脳型LSIに向けたナノ構造メモリ素子とその集積回路化の研究

研究課題

研究課題/領域番号 15H01706
研究機関九州工業大学

研究代表者

森江 隆  九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 教授 (20294530)

研究分担者 高橋 庸夫  北海道大学, 情報科学研究科, 教授 (90374610)
寒川 誠二  東北大学, 流体科学研究所, 教授 (30323108)
遠藤 和彦  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究グループ長 (60392594)
研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2019-03-31
キーワードソフトコンピューティング / ニューラルネットワーク / 抵抗変化型メモリ素子 / ナノ構造 / 集積回路
研究実績の概要

1.ナノ構造ReRAM 素子の構造・製造法の研究:有望なアナログメモリ素子として検討してきたTaOx系ReRAM素子における動作メカニズムを明らかにした.2つの動作メカニズムValence Change Memory(VCM)とElectrochemical Memory(ECM)のうちどちらが支配的かは上部電極により決まると考えられ,その材料としてそれぞれTaおよびCuを用いて,TaOx絶縁膜の形成条件を変えてReRAMを試作して特性を評価した.その結果,ReRAM動作には初期状態が大きく影響することがわかり,時間領域動作のための高抵抗化にはECMを選択する可能性もあることがわかった.また,ReRAM素子と併せて,強誘電体ゲートトランジスタをアナログメモリ素子として利用することも検討し,有望な結果を得た.
2.ナノ構造メモリ素子とMOS 回路との結合設計・試作・評価:アナログメモリ素子の利用を前提とした時間領域アナログ方式ニューラルネットワーク回路モデルおよび構成法を検討した.メモリ素子をMOSFETで模擬した2値荷重積和演算回路をTSMC0.25um技術により設計・試作したチップを引き続き測定して,素子バラツキの影響やノイズによるジッタ(時間領域でのノイズゆらぎ)の大きさとその影響,および温度変化の依存性を評価し,実応用に耐える特性を実現できることを示した.
3.脳型時間軸情報処理モデルへの適用:素子でのゆらぎ現象を確率的情報処理モデルに適用するために,単層Fe-MgF2グラニュラー薄膜でのナノドットアレイにおけるトンネルタイミングのゆらぎが利用できる可能性を見いだした.併せて,非線形回路動作上のカオス現象を利用するカオスボルツマンマシン(CBM)の評価を引き続き行い,数値シミュレーションで巡回セールスマン問題を解くことを試みた.

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (42件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 雑誌論文 (11件) (うちオープンアクセス 2件、 査読あり 7件) 学会発表 (28件) (うち国際学会 6件、 招待講演 10件) 図書 (1件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] An Energy-efficient Time-domain Analog VLSI Neural Network Processor Based on a Pulse-width Modulation Approach2019

    • 著者名/発表者名
      M. Yamaguchi, G. Iwamoto, H. Tamukoh, T. Morie
    • 雑誌名

      arXiv.org

      巻: - ページ: 1902.07707

    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] Controlled Current Transport in Pt/Nb:SrTiO3 Junctions via Insertion of Uniform Thin Layers of TaOx2019

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Tsurumaki-Fukuchi, Yusuke Tsuta, Masashi Arita, and Yasuo Takahashi
    • 雑誌名

      Physica Status Solidi (RRL) - Rapid Research Letters

      巻: 13 ページ: 1900136 (1-5)

    • DOI

      10.1002/pssr.201900136

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Time-domain Analog Weighted-sum Calculation Model for Extremely Low Power VLSI Implementation of Multi-layer Neural Networks2018

    • 著者名/発表者名
      Q. Wang, H. Tamukoh, T. Morie
    • 雑誌名

      arXiv.org

      巻: - ページ: 1810.06819

    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] Detection of single holes generated by impact ionization in silicon2018

    • 著者名/発表者名
      H. Firdaus, T. Watanabe, M. Hori, D. Moraru, Y. Takahashi, A. Fujiwara, Y. Ono
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 113 ページ: 163103-1-5

    • DOI

      10.1063/1.5046865

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Oxygen distribution around filament in Ta-O resistive RAM fabricated using 40 nm CMOS technology2018

    • 著者名/発表者名
      M. Arita, A. Tsurumaki-Fukuchi, Y. Takahashi, Z. Wei, S. Muraoka, S. Ito, and S. Yoneda
    • 雑誌名

      2018 International Memory Workshop (IMW)

      巻: - ページ: 106-109

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Investigation for Multilevel Memory Capability of ReRAM using Ta2O5-δ Insulator2018

    • 著者名/発表者名
      Yuanlin Li, Reon Katsumura, Mika Kristian Gro?nroos, Atsushi Tsurumaki-Fukuchi, Masashi Arita, Hideyuki Andoh, Takashi Morie, and Yasuo Takahashi
    • 雑誌名

      2018 Silicon Nanoelectronics Workshop (SNW-2018)

      巻: - ページ: 51-52

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Study on Interfacial Redox Reactions of Tantalum as a Good Scavenger Material in ReRAM Devices2018

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Tsurumaki-Fukuchi, Masashi Arita, and Yasuo Takahashi
    • 雑誌名

      2018 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2018)

      巻: - ページ: A6-03

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Double-gate single-electron transistor characteristics of single-layer Fe-MgF2 granular films2018

    • 著者名/発表者名
      Takayuki Gyakushi, Yuki Asai, Atsushi Tsurumaki-Fukuchi, Masashi Arita, and Yasuo-Takahashi
    • 雑誌名

      30th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2018)

      巻: - ページ: 15P-7-31

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Shape change dynamics of Cu filament in double layer CBRAM2018

    • 著者名/発表者名
      Ryusuke Ishikawa, Atsushi Tsurumaki-Fukuchi, Masashi Arita, Yasuo-Takahashi, Masaki Kudo, and Syo Matsumura
    • 雑誌名

      30th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2018)

      巻: - ページ: 15C-4-5

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Analog Memory Devices for Time-domain Weighted-sum Calculation Circuits2018

    • 著者名/発表者名
      K. Yamashita, M. Harada, T. Morie, A. T. Fukuchi, M. Arita, Y. Takahashi, S. Samukawa
    • 雑誌名

      Proc. of the Eighteenth Int. Symp. on Advanced Fluid Information (AFI-2018)

      巻: - ページ: 100-101

  • [雑誌論文] Multilevel memory characteristics of Ta/Ta2O5-δ ReRAM for the Application of Neural Network2018

    • 著者名/発表者名
      Yuanlin Li, Atsushi Tsurumaki-Fukuchi, Masashi Arita, Hideyuki Andoh, Takashi Morie, Yasuo Takahashi, and Seiji Samukawa
    • 雑誌名

      Proc. of the Eighteenth Int. Symp. on Advanced Fluid Information (AFI-2018)

      巻: - ページ: 98-99

  • [学会発表] Live Demonstration: A VLSI Implementation of Time-Domain Analog Weighted-Sum Calculation Model for Intelligent Processing on Robots2019

    • 著者名/発表者名
      M. Yamaguchi, G. Iwamoto, Y. Abe, Y. Tanaka, Y. Ishida, H. Tamukoh, T. Morie
    • 学会等名
      Int. Symp. on Circuits and Systems (ISCAS 2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] 次世代AIのための脳型計算モデル・集積回路・デバイス2019

    • 著者名/発表者名
      森江 隆
    • 学会等名
      新世代コンピューティングシンポジウム/第8回電子光技術シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] 次世代AIのための脳型記憶処理モデルと新デバイス技術への期待2019

    • 著者名/発表者名
      森江 隆, 立野 勝巳, 高田 健介, 川内 聖士, 下留 諒, 田向 権
    • 学会等名
      第66回応用物理学会 春季学術講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] FeFETを用いた時間領域アナログ積和演算回路の特性評価2019

    • 著者名/発表者名
      原田 將敬, 森江 隆, 高橋 光恵, 酒井 滋樹
    • 学会等名
      第66回応用物理学会 春季学術講演会
  • [学会発表] 単層Fe-MgF2グラニュラー単電子トランジスタにおける等周期クーロン振動の解析2019

    • 著者名/発表者名
      瘧師 貴幸, 浅井 佑基, 福地 厚, 有田 正志, 高橋 庸夫
    • 学会等名
      第54回応用物理学会北海道支部/第15回日本光学会北海道支部合同学術講演会
  • [学会発表] Ag/WOx/Pt平面型CBRAMにおける金属イオン移動のTEMその場観察2019

    • 著者名/発表者名
      酒井 慎弥, 武藤 恵, 福地 厚, 有田 正志, 高橋 庸夫
    • 学会等名
      第54回応用物理学会北海道支部/第15回日本光学会北海道支部合同学術講演会
  • [学会発表] 界面エンジニアリング効果によるPt/Nb:SrTiO3接合の伝導特性の制御2019

    • 著者名/発表者名
      蔦 佑輔, 福地 厚, 有田 正志, 高橋 庸夫
    • 学会等名
      第54回応用物理学会北海道支部/第15回日本光学会北海道支部合同学術講演会
  • [学会発表] CBRAMの初期化過程のTEMその場観察2019

    • 著者名/発表者名
      武藤 恵, 酒井 慎弥, 福地 厚, 有田 正志, 高橋 庸夫
    • 学会等名
      第66回応用物理学会 春季学術講演会
  • [学会発表] 低電流動作時のCu/MoOx/Al2O3 CBRAMにおけるCu-CFの観察2019

    • 著者名/発表者名
      石川 竜介, 有馬 克紀, 福地 厚, 有田 正志, 高橋 庸夫, 工藤 昌輝, 松村 晶
    • 学会等名
      第66回応用物理学会 春季学術講演会
  • [学会発表] 高抵抗動作を目指したCu上部電極型Ta2O5-δ抵抗変化多値メモリ2019

    • 著者名/発表者名
      李 遠霖, 福地 厚, 有田 正志, 高橋 庸夫, 森江 隆
    • 学会等名
      第66回応用物理学会 春季学術講演会
  • [学会発表] 単層Fe-MgF2グラニュラー単電子トランジスタにおける等周期クーロン振動特性の解析2019

    • 著者名/発表者名
      瘧師 貴幸,浅井 佑基,福地 厚,有田 正志,高橋 庸夫
    • 学会等名
      第66回応用物理学会 春季学術講演会
  • [学会発表] In-situ TEM investigation on instability of ReRAM switching2018

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Muto, Shinya Sakai, Atsushi Tsurumaki-Fukuchi, Masashi Arita, and Yasuo Takahashi
    • 学会等名
      EMRS 2018 Spring Meeting (EMRS-18)
    • 国際学会
  • [学会発表] In-situ electron miroscopy to investigate resistive RAM operations2018

    • 著者名/発表者名
      M. Arita, A. Tsurumaki-Fukuchi, and Y. Takahashi
    • 学会等名
      2018 Collaborative Conference on Materials Research (CCMR 2018)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Enhanced defect formation at metal/oxide interfaces and its application to resistive memory devices2018

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Tsurumaki-Fukuchi, Masashi Arita, and Yasuo Takahashi
    • 学会等名
      7th International Symposium on Transparent Conductive Materials and the 5th E-MRS & MRS-J Bilateral Symposium on Advanced Oxides (TCM-2018)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Observations on the interfacial redox reactions in metal-oxide memristive devices2018

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Tsurumaki-Fukuchi, Masashi Arita, and Yasuo Takahashi
    • 学会等名
      EMN Meeting on Titanium-Oxides BS3-I15
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Tunnel Magnetocapacitance in Single-layered Fe/MgF22018

    • 著者名/発表者名
      Robin Msiska, Shusaku Honjo, Yuki Asai, Masashi Arita, Atsushi Tsurumaki-Fukuchi, Yasuo Takahashi, Norihisa Hoshino, Tomoyuki Akutagawa, Osamu Kitakami, Masaya Fujioka, Junji Nishii and Hideo Kaiju
    • 学会等名
      The 19th RIES-Hokudai International Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] 深層学習ハードウェアのためのカオスボルツマンマシンのVLSI実装2018

    • 著者名/発表者名
      森江 隆, 山口 正登志, 川島 一郎, 田向 権
    • 学会等名
      電子情報通信学会 集積回路研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] 家庭用サービスロボットへの適用に向けた脳型知能集積回路の開発2018

    • 著者名/発表者名
      森江 隆, 田向 権
    • 学会等名
      電子情報通信学会 第31回回路とシステムワークショップ
    • 招待講演
  • [学会発表] 脳型情報処理のための時間領域アナログ演算方式回路とアナログメモリデバイス2018

    • 著者名/発表者名
      森江 隆
    • 学会等名
      JEITA 先端電子材料・デバイス技術フォーラム
    • 招待講演
  • [学会発表] 時間領域アナログ演算に基づく脳型処理モデルとデバイス開発の現状と展望2018

    • 著者名/発表者名
      森江 隆
    • 学会等名
      日本学術振興会 産学協力研究委員会 薄膜第131/半導体界面制御技術第154委員会 合同研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] 世代AIのための脳型処理モデル・デバイス開発の現状と分子ナノテクノロジーへの期待2018

    • 著者名/発表者名
      森江 隆
    • 学会等名
      日本学術振興会 産学協力研究委員会 分子ナノテクノロジー第174委員会 第64回研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] 電流経路TEM観察のための簡易型EBACシステムの試作2018

    • 著者名/発表者名
      藤田順, 有田正志, 武藤恵, 福地厚, 高橋庸夫
    • 学会等名
      日本顕微鏡学会第74回学術講演会
  • [学会発表] 単層Fe-MgF2グラニュラー薄膜を用いた単電子トランジスタの特性評価2018

    • 著者名/発表者名
      浅井 佑基, 瘧師 貴幸, 福地 厚, 有田 正志, 高橋庸夫
    • 学会等名
      第79回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Top-gate付Fe-MgF2グラニュラー膜における単電子トランジスタ特性の評価2018

    • 著者名/発表者名
      瘧師 貴幸, 浅井 佑基, 福地 厚, 有田 正志, 高橋庸夫
    • 学会等名
      第79回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] TaOx界面層を用いたPt/Nb:SrTiO3接合の伝導特性制御2018

    • 著者名/発表者名
      蔦 佑輔, 福地 厚, 有田 正志, 高橋庸夫
    • 学会等名
      第79回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Cu上部電極を用いたTa2O5-δ抵抗変化型多値メモリ特性の実現2018

    • 著者名/発表者名
      李 遠霖, 勝村 玲音, Mika Kristian Gronroos, 福地 厚, 有田 正志, 高橋庸夫, 安藤 秀幸, 森江 隆
    • 学会等名
      第79回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Cu/MoOx/Al2O3 CBRAMの微小領域におけるフィラメント形状観察2018

    • 著者名/発表者名
      石川 竜介, 福地 厚, 有田 正志, 高橋 庸夫, 工藤 昌輝, 松村 晶
    • 学会等名
      第79回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 電流測定TEMその場観察に向けた電極作製2018

    • 著者名/発表者名
      石川 竜介, 有馬 克紀, 福地 厚, 有田 正志, 高橋 庸夫, 工藤 昌輝, 松村 晶
    • 学会等名
      日本顕微鏡学会北海道支部学術講演会
  • [図書] Nanoscale Switching and Degradation of Resistive Random Access Memory Studied by In Situ Electron Microscopy (Chapter 4) in "Memristor and Memristive Neural Networks"2018

    • 著者名/発表者名
      Masashi Arita, Atsushi Tsurumaki-Fukuchi and Yasuo Takahashi
    • 総ページ数
      29
    • 出版者
      InTech
    • ISBN
      978-953-51-3948-5
  • [備考] 九州工業大学 大学院生命体工学研究科 人間知能システム工学専攻 脳型集積システム研究室

  • [備考] http://www.brain.kyutech.ac.jp/~morie/

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公開日: 2019-12-27  

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