确率动作スピン素子を用いた高性能?省电力「笔」コンピューターを実証 ～机械学习や组合せ最适化に适した高い演算性能と电力効率が明らかに～

确率动作スピン素子を用いた高性能?省电力「笔」コンピューターを実証　～机械学习や组合せ最适化に适した高い演算性能と电力効率が明らかに～

2022年12月 7日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

电気通信研究所　教授　深见俊辅

【発表のポイント】

确率的に动作する新规スピン素子とプログラマブル半导体（贵笔骋础）を用いて、量子コンピューター^（注１）に似た機能を持ち、室温で複雑な問題を省電力で高速に解くコンピューター - 確率論的（「Ｐ」）コンピューター^（注２） - を構築。
开発したＰコンピューターで组合せ最适化问题などを例にその性能を评価。
古典コンピューターで确率的な演算を行う场合と比べて约５桁高い演算性能と约１桁低い消费电力を実现できることが明らかに。

【概要】

东北大学、カリフォルニア大学サンタバーバラ校（アメリカ）、メッシーナ大学（イタリア）の研究チームは、机械学习や组合せ最适化などの用途で威力を発挥する确率论的（「Ｐ」）コンピューターを开発し、优れた演算性能と电力効率を明らかにしました。

人工知能（础滨）やデジタルトランスフォーメーション（顿齿）^（注３）の进展に伴いコンピューターに要求される演算性能は飞跃的に増大しており、一方で昨今の社会情势の中ではコンピューターの省电力化もまた重要な课题です。これら要求の全てを従来型（古典）コンピューターで対応するのは难しく、古典コンピューターが苦手とする问题に特化した新概念コンピューターの研究开発が活発に行われています。

今回研究チームは、機械学習や組合せ最適化などを高速かつ省電力で解く「Ｐコンピューター」を、自然の熱で状態が確率的に変化する新規スピン素子とプログラム可能半導体回路（Field Programmable Gate Array; FPGA）^（注４）を用いて构筑し、その性能を评価しました。组合せ最适化を例に、古典コンピューターで确率的アルゴリズムを実行した场合と比较し、Ｐコンピューターは约５桁高い演算性能と约１桁低い消费电力を実现できることを明らかにしました。

今后本技术を発展させることで、低炭素社会の実现に向け需要が高まっている、エッジで复雑性の高い问题を省电力で処理する情报机器などの実现に繋がるものと期待されます。

本研究成果は、2022年12月3-7日（米国時間）にアメリカで開催される学術会議「International Electron Devices Meeting: IEDM」で発表されました。

図１　构筑した确率动作スピントロニクス素子からなる确率ビットと贵笔骋础からなる确率论的コンピューター（笔コンピューター）の写真

【用语解説】

注1.量子コンピューター
量子力学的な0状態の1状態の重ね合わせが可能な量子ビット（Qビット）が情報の基本単位となるコンピューター。Qビット間でのもつれ合い（相関状態）によって複数の状態を同時にとることができる点で古典的なビットとは異なっており、これによって高速な計算ができると期待されている。1981年にリチャード?ファインマンが行った講演において、自然界の量子力学的に記述される現象を効率的に計算する仕組みとして紹介されている。

注2.确率论的コンピューター
短时间で出力信号が0と1の间で确率的に変化し、かつ各ビットを电気的に相関させられる确率ビット(笔ビット)が情报処理の基本単位となるコンピューター。0と1の重ね合わせ状态を持ち、かつビット间でもつれあい(相関状态)を形成できる量子ビット(蚕ビット)とは本质的に异なるが、一定の类似性があることから、量子コンピューターと并んで新概念コンピューターの一つとして注目されている。注１の1981年にリチャード?ファインマンが行った讲演において、量子コンピューターと并んで、确率的な自然现象を効率的に计算する仕组みとして绍介されている。

注3.デジタルトランスフォーメーション（顿齿）
公司や社会が人工知能やインターネット上のビッグデータ等のデジタル技术を活用し、生活の利便性の向上や业务効率化を図ること。

注4.プログラム可能半導体回路（Field Programmable Gate Array; FPGA）
ユーザーが現場（Field）で論理回路の機能をプログラムできる論理集積回路。パソコンの頭脳であるCPU（Central Processing Unit）と比べると、汎用性では劣るものの、論理回路の構成を変えられることから、ユーザーがプログラムした計算を行う速度は速くなる。一方、ASIC（Application Specific Integrated Circuit）と比べると、速度では劣るものの、ユーザーが機能を書き換えられ汎用性が高いという特徴がある。

详细（プレスリリース本文）