チューリング反応拡散系を模擬するアナログCMOS集積回路
大黒 高寛
2003 年度 卒 ／修士（工学）
修士論文の概要
本研究は、新たなアーキテクチャに基づいた情報処理デバイスの開拓を目的とするものである。高度な情報化社会となった今日、従来の逐次的情報処理技術では処理しきれない膨大な情報を高速に処理するデバイスの開発が求められている。新たな情報処理技術の開拓にむけ、本研究では、生態系・自然現象などで見られる反応拡散系を手本とし、その回路化を行う。
反応拡散系は実時間で処理を行う並列システムである。また、この系は空間的に多種多様なパターンを形成するという能力をもつ。この反応拡散系の一種であるチューリング反応拡散系を電子回路上に模擬することにより、並列処理型の新しい情報処理システムの構築を目指す。
本研究ではそのための第一歩としてチューリング反応拡散系をアナログCMOS回路によって模擬する。化学反応を模擬する反応回路、物質の拡散を模擬する拡散回路を既存のCMOS技術によって模擬することによりシリコンチップ上で様々な情報処理デバイスとの混成が容易である。また、アナログCMOS回路で構成することにより、コンパクトかつ低消費電力なデバイスの実現を目指す。
反応回路、拡散回路ともに解析結果に基づいて動作を行うことを確認した。また、反応回路、拡散回路を相互に結合したときの空間的パターンの発生を一次元系、二次元において確認した。初期パターンとして欠損やかすれのあるパターンを入力した場合、縞状のパターンを生成するチューリング反応拡散系の能力により欠損を修復・強調したパターンを出力することを確認した。このパターン修復の機能を用いることで指紋画像の復元・修復を行うデバイスを構築できる可能性がある。
また、アナログ回路では重要な問題であるMOSトランジスタのばらつきを考慮してチップを試作し、その測定を行った。反応回路、拡散回路ともに正常に動作を行っていることを確認した。さらにネットワークにおいてチューリングパターンの発生を確認した。
これらの結果より、チューリング反応拡散系を用いた並列画像処理デバイスの基礎を構築できたものと考える。提案した反応拡散回路をさらに大規模に拡張し、チップ化を行うことで高速に指紋画像の修復・強調作用を行うような新しいデバイスの実現の見通しがたったものといえる。
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