超大規模脳型回路における発火周期保障型パルス結合位相振動子系の実現

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K16130
• Research Institution: Ube National College of Technology
• Principal Investigator: 松坂 建治 宇部工業高等専門学校, 制御情報工学科, 助教 (00755879)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 結合位相振動子系 / ニューラルネットワーク / 電子回路 / 集積回路 / 超大規模脳型回路

Outline of Annual Research Achievements

平成29年度は，平成28年度に開発した発火周期保障モデルを導入した結合位相振動子を大規模結合ネットワークに拡張した大規模結合位相振動子系を構築し，数値シミュレーションによる系の振る舞いの検証を実施した．また，発火周期保障モデルを実現する電子回路の設計に取り組み，電子回路シミュレーションによる検証を実施した．
発火周期保障モデルは系の同相同期現象に至る過程の振る舞いを利用して結合位相振動子の周期動作のしきい値更新を実行する．このモデルを導入した発火周期保障型パルス結合位相振動子モデルにおいて，系の動作は，発火周期保障（同相同期により周期差を保持）動作と結合振動子による同期現象を発生する従来通りの動作の2段階となる．
数値計算シミュレーションでは結合位相振動子数を10000に拡張し，発火周期保障動作および位相更新による同相同期動作をそれぞれ20000回ずつ実行し検証を行った．1段階目の発火周期保障動作についての検証において，回路実装した際に生じる振動子間の周期ばらつきを想定した数値シミュレーションを実施し，周期保障動作の検証を行った．具体的には，モデル中のパラメータであるしきい値更新結合強度とネットワーク内の周期ばらつき，および更新回数（発火回数）の関係を検証し，周期保障動作におけるしきい値結合強度のパラメータ範囲が1.0E-11～1.0E-8の場合ネットワーク全体の周期を収束させることができることを明らかにした．また、周期保障動作が完了したのちに行う2段階目の位相更新による同相同期動作において，周期保障動作が完了している場合はいかなる位相更新結合強度パラメータを用いた場合でも同相同期現象が引き起こされることを確認した．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

平成29年度前半の当初の目標は，平成28年度に開発した発火周期保障モデルを実現する電子回路の設計に取り組み，電子回路シミュレーションによる検証を実施し，後半は電子回路の検証と並行して，市販のディスクリートのトランジスタを用いたアナログ電子回路の製作および発火周期保障型パルス結合位相振動子モデルの複数結合ネットワークを実現する集積回路のレイアウト設計・開発を行うことであった．また，構築したモデルを大規模な結合ネットワークに拡張した大規模結合位相振動子系を構築し，数値シミュレーションによる系の振る舞いの検証および知的画像処理等へのアプリケーション応用について検討・評価を行っていくことであった．
この目標に対し，構築したモデルを大規模な結合ネットワークに拡張した大規模結合位相振動子系を構築し，数値シミュレーションによる系の振る舞いの検証を実施することができ，電子回路設計を実施することができたが，アナログ電子回路実装および集積回路の設計については実施できていない．本研究課題における結合位相振動子ネットワークの数値シミュレーション検証では，時間タイミングを用いるモデルの特性上高い計算精度を要するため，ネットワーク規模の増大に伴う計算リソース（計算時間およびコンピュータのメモリサイズ）が増加する問題が生じた．この問題に対して，前年度作成していた数値検証プログラムおよびデータ解析用プログラムの改良・計算機の見直しを図ったため，大規模ネットワークへの拡張および検証に遅れが生じた．また、数値検証結果に伴い電子回路におけるパラメータに変更が加わり，電子回路設計に修正を行った．このため，本研究課題は当初の予定からやや遅れているといえる．

Strategy for Future Research Activity

当初の予定では，集積回路レイアウト（マスクデータ）を外部機関のLSI試作サービスを通じてチップ試作依頼し試作チップの測定および電子回路製作・評価および大規模結合位相振動子系を用いたアプリケーション適用についての数値計算検証について引き続き並行して実施する予定であった．
平成30年度は，提案モデルを実現する電子回路の設計および回路シミュレーションによる動作検証を行う予定である．また，平成29年度の大規模結合位相振動子系における数値シミュレーション検証ではネットワーク規模は十分大きいとは言えないため，さらにネットワーク規模を拡大した数値検証を実施する．発火周期保障モデルの動作は平成29年度までの成果により有効であることはほぼ確認できているが，動作範囲のパラメータおよび回路実装における時間波形（位相応答関数）の最適化は不十分である。このため数値検証では，振動子ネットワークの大規模化だけではなく集積回路実装に向けたパラメータ最適化を実施していく予定である．
上記のモデル検証および電子回路設計において一定の成果が得られ次第，学会発表や学術雑誌等によって随時公表する．

Causes of Carryover

（理由）前年度繰り越し額があったため，購入を計画していた物品の購入費用に端数が生じた．
（使用計画）購入予定だった物品の購入費に充てる．また，研究成果発表の旅費および参加費として使用する．