卒業生とその進路

νMOSデバイスによるセルラーニューラルネットワークLSIの研究


藤原 孝信

2000 年度 卒 /修士(工学)

修士論文の概要

本研究は、非ノイマン情報処理アーキテクチャーの三次元セルラーニューラルネットワークをハードウェア化することによって、既存の集積回路とは異なる新しい並列処理・機能処理LSIの開拓を目指したものである。すなわち、シリコン機能デバイスのνMOS FETを用いて三次元セルラーニューラルネットワークを構成するための方針を確立することにより、新しい並列・機能LSIの実用化に向けた見通しを得ることができた。

近年の電気工学、特に情報処理分野における発展には目を見張るものがあり、まさに日進月歩のペースで進歩しつづけている。そのように情報処理分野が発展している背景には、現代社会の情報化が進み情報処理装置なしには成り立たないという状況に変わりつつあるためである。このような状況に応えるため、情報処理分野は常に最先端の技術で研究開発され、将来も発展しつづけるであろう。

情報処理用のハードウエアに関しては、現在はノイマンアーキテクチャーとプール代数に基礎をおいたLSIコンピュータが主流となっており、この流れは今後もゆるぎないものと考えられている。しかし最近のマルチメディア社会の発展や、情報そのものが氾濫し、多種多用に細分化する傾向にあることで、現在のLSIコンピュータでは処理しきれない問題も増えつづけてきている。また物理的な製造技術の問題による動作速度・集積度・消費電力の点から、近い将来に性能向上の限界がやってくると考えられている。そのような問題に答えるため、現在のコンピュータにおいて基本となるノイマン形アーキテクチャー、ブール代数といった概念にとらわれない新しいアーキテクチャーを作り出すことが必要である。本報告では、三次元セルラーニューラルネットワーク(CNN)を通常のCMOS集積回路により構成する方法について検討した結果を報告する。

近傍作用系の単位ニューロンを格子状に配置したCNNは、階層型ニューラルネットワークに比べて、より高い情報処理機能をもち、完全結合型ニューラルネットワークと比較して、構造が簡単である。全く同一の動作をするセルを並べたセルオートマトンの計算万能性を考慮すると、セルごとに異なる結合の仕方や動作の仕方が許されるCNNは、より高度な機能を実現できる潜在力をもつことが期待される。しかし、さまざまな目的のCNNを効率よく設計する一般的な手法は確立されていない。そのようななかで、三次元構造のCNNについて、遺伝的アルゴリズムを用いた設計法が提案され、さらにその具体的な応用が報告されている。主に時系列の情報処理の例が示されており、複雑な情報の処理が、比較的規模の小さなネットワークを用いて可能なことが示されている。更に単位セル(ニューロン)が近傍相互作用するCNNの動作は、脳細胞の動作と類似する点がある。このようなネットワークを回路として具体化し、集積回路化を検討することは新機能集積回路を開拓する上で重要なことである。

機能性の面ばかりでなく、ニューロンの結合を最近傍にのみ許容するCNNの性質は、回路として実現する際に、配線を整然と行える特徴をもつ。回路化するための重要なポイントは近傍ニューロンからの入力信号の積和演算、およびその結果のしきい値との比較を行う回路をできるだけコンパクトに設計する点にある。この点に関しては、機能デバイスの一つであるニューロンMOS(νMOS)をもちいてセルオートマトンを構成すると、高度な画像処理機能をもつ並列分散処理回路をコンパクトに実現できることが報告されている。この回路簡単化の手法は三次元CNNにおいても有効となる辛が期待される。本報告では、セルオートマトンの構成と同様の方法を用いることによって三次元CNNを構成することを考える。

学術論文

  1. Kawanishi T., Fujiwara T., Akai-Kasaya M., Saito A., Aono M., Takeya J., and Kuwahara Y., "High-mobility organic single crystal transistors with submicrometer channels," Applied Physics Letters, vol. 93, pp. 023303-1-023303-3 (2008).

国際会議

  1. Fujiwara T., Akai-Kasaya M., Saito A., Takeya J., and Kuwahara Y., "High-performance organic single crystal transistor with sub-micrometer channel," Third International Symposium on Atomically Controlled Fabrication Technology, Osaka University nakanoshima Center, Osaka, Japan (Nov. 24-26, 2010).
  2. Fujiwara T., Akai-Kasaya M., Saito A., Takeya J., and Kuwahara Y., "High-performance organic single crystal transistor with sub-micrometer channel," The 6th International Workshop on Nano-scale Spectroscopy and Nanotechnology (NSS6), Kobe University Centennial Hall (Rokko Hall), Kobe, Japan (Oct. 25-29, 2010).
  3. Fujiwara T., Akai-Kasaya M., Saito A., Takeya J., and Kuwahara Y., "High-mobility organic single crystal transistors with sub-micrometer channels," International Conference on Core Research and Engineering Science of Advanced Materials, Osaka University, Osaka, Japan (May 30-Jun. 4, 2010).
  4. Akai-Kasaya M., Fujiwara T., Saito A., Takeya J., and Kuwahara Y., "High-mobility organic single crystal transistors with submicrometer channels," The 2nd International Symposium on Atomically Controlled Fabrication Technology, Nakanoshima-Center, Osaka University, Osaka, Japan (Nov. 25-26, 2009).
  5. Akazawa M., Fujiwara T., and Amemiya Y., "A three-dimensional cellular neural network circuit system using a νMOS circuit," Proceedings of the 2000 IEEE International Symposium on Intelligent Signal Processing and Communication Systems, vol. 2 (D8-3-4), pp. 1061-1066, Honolulu, U.S.A. (Nov. 5-8, 2000).

国内学会

  1. 藤原 孝彰, 赤井 恵, 齋藤 彰, 竹谷 純一, 桑原 裕司, "高移動度短チャネル有機トランジスタの開発," 精密工学会2010年度関西地方定期学術講演会, 京都大学, (京都), 2010年5月28日.
  2. 藤原 孝信, 赤井 恵, 齋藤 彰, 桑原 裕司, "高移動度短チャネルルブレンFETの開発," 新学術領域「分子ナノシステムの創発化学」第一回全体会議, ホテルポールスター札幌, (札幌), 2009年8月21-22日.
  3. 藤原 孝彰, 川西 隆史, 赤井 恵, 齋藤 彰, 竹谷 純一, 桑原 裕司, "高移動度短チャネル有機FETの開発," 関西薄膜・表面物理セミナー2008, グリーンビレッジ交野, (大阪), 2008年11月28-29日.
  4. 川西 隆史, 藤原 孝彰, 赤井 恵, 齋藤 彰, 青野 正和, 竹谷 純一, 桑原 裕司, "ルブレン単結晶短チャネルFETの高性能化," 春季 第55回応用物理学関係連合講演会, 日本大学理工学部 船橋キャンパス, (船橋), 2008年3月27-30日.
  5. 藤原 孝信, 赤澤 正道, 雨宮 好仁, "機能変更の可能な三次元セルラーニューラルネットワークLSI," 電子情報通信学会ソサイエティ大会, (名古屋), 2000年9月.
  6. 藤原 孝信, 赤澤 正道, 雨宮 好仁, "機能変更の可能な三次元セルラーニューラルネットワーク回路," 電子情報通信学会総合大会, (広島), 2000年3月.
  7. 藤原 孝信, 赤澤 正道, 雨宮 好仁, "νMOSを用いた三次元セルラーニューラルネットワーク," 電子情報通信学会ソサイエティ大会, (船橋), 1999年9月.
  8. 藤原 孝信, 赤澤 正道, 雨宮 好仁, "ニューロンMOSを用いた3次元セルラーニューラルネットワーク回路の設計," 電子情報通信学会 回路とシステム研究会, CAS99-26, 1999年6月.