「遅い」のに高効率な情報処理技術を開発

• 固体中のイオンの動き制御により生体神経組織の動作を模倣できる低消費電力な素子を実証
• ゆっくりとした素子動作でありながら高効率な情報処理を実現できることを明らかに
• 非常に小さな電力で動作するエッジデバイスへの活用に期待

国立研究開発法人 産業技術総合研究所（以下「産総研」という）電子光基礎技術研究部門 強相関エレクトロニクスグループ、井上　悠 研究員、井上　公 上級主任研究員と、国立大学法人 東京大学、国立大学法人 九州大学、兵庫県公立大学法人 兵庫県立大学、国立大学法人 名古屋工業大学は共同で、生体神経組織^※の動作を模倣する低消費電力なトランジスタ^※の動作実証に成功しました。

生物の脳は生活環境での遅い入力信号を効率よく処理することを得意とします。こうした特徴（ゆっくり動作、超低消費電力）を人工素子で模倣することで、超低消費電力な情報処理に道を拓けると考えられますが、これまで両者の特徴を両立させるのは困難でした。今回、固体中に存在する電荷を持ったイオンを巧みに制御することによって、入力信号をゆっくりと時間変化する出力信号に変換する新概念のトランジスタを開発しました。チタン酸ストロンチウムをチャネルに用いたこのMOSトランジスタ^※は、イオン制御を動作原理とすることでシリコンを用いた従来のMOSトランジスタと比べて100万倍以上もゆっくりと動作するという特徴を持ちます。そして、500 pWという非常に小さな電力で動作できることを実証しました。非常に長い時定数（入力電圧に対して出力電流が変化する時間スケール）を持つ生体神経組織の動作を模倣できるこのトランジスタの動作実証は、生体のように超低消費電力で複雑な学習と推論ができるエッジデバイス^※の実現に貢献します。

なお、この技術の詳細は、2024年11月27日（米国東部時間）に「Advanced Materials」に掲載されました。

※生体神経組織
生体で情報伝達や判断、筋肉を動かす機能などを担う組織の総称。代表的なものにニューロンと呼ばれる細胞があり、これらの組織が複雑なネットワークを構成することで生体のさまざまな機能を担う。 

※トランジスタ
外部から入力した電圧や電流に応じて、素子を流れる電流を制御するスイッチング素子。パーソナルコンピューターやスマートフォンなどに含まれる中央情報処理装置はトランジスタを最小構成要素として構成されている。 

※MOSトランジスタ
Metal Oxide Semiconductorトランジスタの略称で、トランジスタのうち、金属、酸化物絶縁体、半導体で構成されるものの総称。半導体として一般的にはシリコンが用いられる。ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極という3つの電極を持ち、ソース電極とゲート電極の間に印加する電圧に応じて、ソース電極とドレイン電極の間に流れる電流が変化する。

※エッジデバイス
スマートフォンやスマートウォッチなど、情報処理ネットワークの末端で動作する情報処理装置の総称。携帯性やどこでも使えるという性質を持たせるために、小型化や低消費電力化が求められる。

掲載誌：Advanced Materials
論文タイトル：Taming Prolonged Ionic Drift-Diffusion Dynamics for Brain-Inspired Computation
著者：Hisashi Inoue, Hiroto Tamura, Ai Kitoh, Xiangyu Chen, Zolboo Byambadorj, Takeaki Yajima, Yasushi Hotta, Tetsuya Iizuka, Gouhei Tanaka, Isao H. Inoue
DOI：10.1002/adma.202407326

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システム情報科学研究院 矢嶋 赳彬 准教授