脳の働きを再現した高性能AI素子を開発 NIMSと東京理科大

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国立研究開発法人物質・材料研究機構(NIMS)と東京理科大学の研究チームは2022年12月22日、「カオスの縁(ふち)」と呼ばれる脳の特徴を再現して情報処理を行う高性能AI素子の開発に成功したと発表した。画像や音声、匂いなどの分類や予測を含むあらゆるパターン認識や判断に対応できるため、将来的には人間らしさを備えた人工脳の開発という夢につながる可能性がある。

AI技術が進歩する中で、最近はAIが学習する際の膨大な電力消費が課題となっており、人間の脳のような高効率で高性能のコンピューターの研究、開発が世界で進められている。

研究チームでは、脳研究の中で明らかになってきたカオスの縁と呼ばれる現象に着目。カオスの縁とは、比例関係にない(非線形な)法則で記述される非線形力学系における秩序とカオス(混沌、無秩序)の境界付近の状態で、脳も非線形力学系に含まれる。秩序状態では運動にわずかな乱れが加わってもやがて収束していくが、カオス状態ではわずかな乱れの影響が増幅され大きな違いを生み出す。非線形力学系を用いる情報処理では、カオスの縁において性能が最も高まることが経験的に知られている。

このことから、研究チームはカオスの縁を人工的に発現させる研究に取り組み、リチウム固体電解質薄膜とダイヤモンドを積層した界面近くで起こるイオニクス現象を利用してカオスの縁を再現。この手法を用いて情報処理を行う高性能AI素子の開発に成功した

この素子は固体電解質/ダイヤモンド界面の電気二重層の充放電で電気抵抗が変化する電気二重層トランジスタの原理で動作する。この素子に、情報処理が必要な時系列データを電圧パルス列として入力すると、電気二重層の充放電によってダイヤモンド表面を流れるドレイン電流が刻一刻と変化し、その際、リチウムイオンと電子の輸送がお互いに影響を及ぼし合って複雑に振る舞う。この状況は、無数のニューロンが互いにフィードバックしあう脳神経によく似ており、実際、脳神経の電気応答に見られるようなスパイクや緩和をともなう、複雑多様な電気応答を出力することがわかった

また、この素子の情報処理性能を評価したところ、小型素子の中で世界最高の性能を示した。

研究チームは、電気二重層という厚さ数ナノメートルほどの微小空間で、高性能を実現できるのは実用上の大きなメリットだとし、スマートウォッチや監視カメラ、音声センサーなどの各種センサーと組み合わせることで、医療や防災、製造、警備など幅広い分野で活用が期待できるとしている。将来的には、人間らしさを備えた人工脳への発展も視野に入れ、さらに研究を進めていく。

今回の研究成果は2022年12月14日、Science Advances誌に掲載された。

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