2024年 | プレスリリース?研究成果
製造容易性に優れた確率論的コンピュータを開発 ─半導体とスピントロニクスを組み合わせて超省エネAI計算─
【本学研究者情报】
〇电気通信研究所 教授 深见俊辅
【発表のポイント】
- 人工知能（础滨）で多く用いられる确率的なアルゴリズムを効率的に実行できるコンピュータの开発が喫紧の课题となっています。
- この用途に适し、製造が容易な确率论的（注1）コンピュータ（注2）を半导体回路と少数スピントロニクス（注3）素子の组み合わせで実现しました。
- 将来的には现行の半导体技术と比べて面积を约4桁小さくでき、エネルギー消费を3桁减らせることを确认しました。
【概要】
昨今の人工知能や机械学习では、确率的なアルゴリズムが様々な形で利用されています。一方でその演算自体は物理的には决定论的（注1）に动作する半导体回路で実行されており、ソフトとハードに不整合があります。人工知能や机械学习による社会変革が进展する中、この不整合を解消して更なる高度化、消费エネルギーの大幅な低减を実现することが期待されています。
今回、东北大学电気通信研究所の小林奎斗（けいと）大学院生（研究当時）と深見俊輔教授らは、米国カリフォルニア大学サンタバーバラ校のKerem Camsari博士らと共同で、確率的なアルゴリズムの実行に適し、かつ製造容易性にも優れた近未来版の確率論的コンピュータを開発し、その動作を検証しました。自然の熱で確率的に揺らぐスピン素子が生成する物理乱数（注4）で疑似乱数（注4）生成半导体回路を駆动することで、优れた计算性能が得られることを确认しました。加えて确率动作スピン素子を主体とする最终形态の确率论的コンピュータでは、现行の半导体回路で确率的な计算を行う场合と比べて4桁程度の小面积化と3桁程度の省エネ化がもたらされることを明らかにしました。
今回开発された近未来版の半导体?スピン融合确率论的コンピュータは、现行の人工知能、机械学习向け半导体回路の课题を克服するものです。今后研究开発が进展し、计算性能と省エネ性に优れたスピントロニクス确率论的コンピュータの先阵に立って社会実装されていくことが期待されます。
本研究成果は、2024年3月27日（英国時間）に科学誌Nature Communicationsに掲載されました。
図1. 本研究の位置付けを整理した模式図。既存技術である決定論的に動作する半導体回路からなるコンピュータ（上段）、本研究にて動作実証した半導体回路と少数の確率動作スピン素子からなる近未来版の確率論的コンピュータ（中段）、及び本研究にて性能を予測した多数の確率動作スピン素子からなる最終形態の確率論的コンピュータ（下段）。右側に回路面積、消費電力、及び製造技術の比較が示されている。
【用语解説】
注1. 決定論的、確率論的
现在のコンピュータによる演算では、入力情报に対して出力情报が一意に决まる。このような演算の仕组みを「决定论的」演算と言う。それに対して出力を一意に决めず、统计的な手法で决定する演算の仕组みを「确率论的」演算と言う。
注2. 確率論的コンピュータ、確率ビット
确率ビット（笔ビット）とは、短时间で0と1の信号を确率的に出力し、かつ各ビットを电気的に相関させられる情报処理の基本単位。确率论的コンピュータは确率ビットを用いて演算を行うコンピュータ。
确率ビットは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とは本质的に异なるが一定の类似性があり、确率论的コンピュータは量子コンピュータと并んで新概念コンピュータの一つとして注目されている。1981年にリチャード?ファインマンが行った讲演において、量子コンピュータと并んで、确率的な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. スピントロニクス
物质中の电子が持つ、电気的な性质（电荷）と磁気的な性质（スピン）が协调することによって発现する现象を理解し、工学的な応用を目指す学问分野。特に、磁性体のスピンの向き（上?下）を情报（0,1）の担い手として制御する、磁気ランダムアクセスメモリ(惭搁础惭)や磁気センサー等への応用が代表的。
注4. 乱数、物理乱数、疑似乱数、LFSR、Xoshiro
01010101、0000111100001111のような法则性を持たず、完全にランダムに并んだ数の列を乱数列と言う。物理乱数とは、ランダムな物理现象（例えばサイコロの目など）によって生成される乱数を指し、一方、疑似乱数とは决定论的（确定的）な计算によって出力される乱数を指す。
決定論的に動作する半導体回路を用いて疑似乱数を生成することができる。線形回帰シフトレジスタ（Linear Feedback Shift Register: LFSR）は代表的な疑似乱数生成回路であり、ある初期値を与えるとそれに基づいてある周期内でランダムな乱数列が生成され、またその周期は回路規模で決まる。Xoshiroは、ある数列にXOR演算、SHIFT演算、ROTATION演算を行うことでそのランダム性を高める回路、あるいは数学的な処理を指す。
多くのプログラミング言语に乱数出力専用の関数（谤补苍诲()など）が组み込まれているが、その多くはランダム性に问题があることが指摘されている。
问い合わせ先
（研究に関すること）
东北大学电気通信研究所
教授 深見 俊輔
TEL: 022-217-5555
Email: s-fukami*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
（兼）东北大学大学院工学研究科电子工学専攻
（兼）东北大学先端スピントロニクス研究開発センター (CSIS)
（兼）东北大学国際集積エレクトロニクス研究開発センター (CIES)
（兼）东北大学材料科学高等研究所 (WPI-AIMR)
（兼）稲盛科学研究機構 (InaRIS)
（报道に関すること）
东北大学电気通信研究所 総務係
TEL: 022-217-5420
Email: riec-somu*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
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