シンプルで万能なカオス信号を生成する手法を発見――小型で効率的、低消費電力なデバイスを作製 東京工業大学

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カオス的振動回路のCADレイアウトと回路基板

東京工業大学は2019年6月4日、ルドビコ・ミナティ特任准教授と伊藤浩之准教授らの研究グループが、「カオス信号」を生成する集積回路の作製法を新たに提案したと発表した。互いに接続された3つの「リング型発振器」を利用し、発振器間の接続強度が互いに競い合いながら制御されるように設計することで、低消費電力でのカオス信号の生成に成功したという。センサーなどへの応用が期待される。

脳活動、動物の群れ、天気など自然界の現象を示す信号を再現できれば、それらの原理を理解する手がかりとなる。これらの信号は複雑で、究極的にはいわゆる「カオス信号」になる。カオスとは、ランダム性ではなく複雑な規則性を意味する。カオスシステムでは、わずかなパラメータの違いが大きな挙動変化をもたらし得る。

カオス信号は多様な局面に存在するが、目的通りの特性を示すカオス信号の生成は難しい。それをデジタル信号で生成すると消費電力が多過ぎる場合があるので、アナログ回路を用いる必要がある。そこで研究グループは今回、カオス信号を生成する集積回路を作製する方法を新たに提案した。

この提案は、「異なる素数を用いてサイクル数を設定すると、位相の関係を固定できない」という考えに基づいている。この原則は、いくつかの種のセミの進化に見られる。それらのセミのライフサイクル年数は、他の種や天敵の年数と同期しないような素数の間隔になることが知られている。この現象は、互いに接続された3つの発振器の振動サイクルを小さい順に3つの素数(3、5、7)に設定すると、複雑なカオス信号が生成されることでも見ることができる。

今回の回路設計は、集積回路の中で最も古典的な「リング型発振器」から始めた。このリング型発振器は小型で、コンデンサやインダクタなどの受動素子を要しない。研究チームはこの回路を、3、5、7のサイクルをそれぞれ持つ3つのリング型発振器の強度が互いの接続強度によって独立制御できるようにした。その結果、可聴周波数からラジオ波帯域(1kHz~10MHz)という幅広い周波数スペクトラムでのカオス信号の生成に成功した。

ミナティ特任准教授は「この回路には必要最低限の形と原理がつくり出す美しさが表現されており、シンプルであるがゆえに実際の回路に見られるわずかな違いや不完全さがスパイスとなり、調和的に作動する大きなシステムを実現できたことがポイントである」と述べている。

研究グループは今後、開発した回路をセンサーなどと組み合わせ、例えば土壌の化学特性の測定などに応用する計画を打ち出している。生物の神経細胞回路を模して、互いにこの回路を接続させ、コンピューターチップに搭載する計画もあるという。

この試作回路を設計した伊藤准教授は開発技術について、100万分の1W以下のような低い消費電力でカオス信号を生成できる見通しがあると述べている。そのため、同技術の応用により、コンピューター処理の大幅な低消費電力化が期待できるという。

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