スピントロニクス・CMOS融合脳型集積システム研究室

研究室HP
[ 教授(兼) ] 遠藤 哲郎 
[ 助教(兼) ] 馬  奕涛

研究活動

電気通信研究所の人間性豊かなコミュニケーション実現の理念とハードウェア関連技術を中心に蓄えた情報通信分野の実績に基づき、材料と情報の基礎科学から、情報を生成・蓄積・認識するためのデバイス、回路、アーキテクチャー、ソフトウェアまでにわたる新分野の開拓を本研究分野の目的とする。 AI時代に求められる情報記憶と情報処理が融合し効率的に動かす半導体集積回路に必要な基盤的研究開発を行う本研究分野を設置することで、情報の量から質の変革をフィジカル空間にて実現する。人間のように高度な情報処理・判断を革新的に効率よく且つ低電力で実行できるハードウェア工学分野を牽引し、発展に大きく貢献することを目指す。
本研究分野は、スピンデバイスの高速と高耐性の特徴を活用することにより消費電力効率を最大化できる次世代AI集積回路アーキテクチャーの提案・設計・検証・評価を一貫して展開し、既存のノイマン型コンピューチィングでは実現が困難な的確な情報価値の決定や取捨選択などの処理をリアルタイムに実装できる新しい脳型コンピューチィングを提供する。

スピントロニクス・CMOS融合脳型集積分野02
図1 スピントロニクス・CMOS融合集積回路の新たな体系による高機能且つ超低電力の不揮発脳型集積システムの実現

スピントロニクス・CMOS融合脳型集積システム 研究分野(遠藤教授)

本研究分野においては、スピントロニクス・CMOS融合デバイスに関する理解、スピントロニクス・CMOS融合に基づく回路・アーキテクチャー設計論、脳型CMOS集積回路、及びAIコンピューティング実現のための学理を結集し発展させることによって、スピントロニクス・CMOS融合集積回路の新たな体系を構築し、高機能且つ超低電力のスピントロニクス・CMOS融合脳型集積システムの実現を目的としている。そのために、研究全体を「ノイマン型」と「非ノイマン型」の2テーマに分け、これらの間での知見の共有、技術の移管、フィードバックを有機的に行っている。
Society5.0の実現に向けてヨッタ(1024)バイトを超える超巨大情報が生成されるのみならず、情報の質を加味し人間の思考を支援するAI情報処理の必要性が増大していく。一方、既存の揮発メモリに基づくAI機能を実装するアプローチは、演算あたりのエネルギー効率が非常に悪く、フィジカル空間での適応は困難である。 本研究分野は、実質無限回の情報書換および3次元積層が可能な不揮発スピン素子を活用したIoT向けノイマン型の超低消費電力AIシステムを目指して、大規模なSTT-MRAMマルチコア不揮発連想AIシステムを提案し、約40倍の高消費電力効率及び3倍程度の高回路面積密度の性能優位性が実証できた。また、デジタルパルスに基づいたスパイキング・ニューラルネットワークを導入して、時系列処理が実行可能な、且つ、デジタルパルスのロー/ハイ状態に応じた速やかな自動Sleep-Down/Wake-Upにより極低消費電力の性能が実現可能なデジアナ混載非ノイマン型脳型アーキテクチャーを提案・検証をしている。

スピントロニクス・CMOS融合脳型集積分野03
図2 大規模なSTT-MRAMマルチコア不揮発連想AIシステム、約40倍の高消費電力効率及び3倍の高回路面積密度優位性が実証