卒業生とその進路

ディジタルリングリザバーとそのオンライン学習器の統合アーキテクチャに関する研究


吉田 広世

2022 年度 卒 /修士(工学)

修士論文の概要

本研究は、時系列データを扱う機械学習モデルとして近年注目されているReservoir Computingのハードウェアーキテクチャに関するものである。本研究では大きく2つの目的のもと進行した。1つ目は、Reservoir Computingをより実応用に近づけるという目的である。従来のリザバーネットワーク(Echo State Network)に時分割多重方式を取り入れ、ネットワークを小型化したモデルを考案しFPGAアーキテクチャを構築した。さらに学習器との統合やセンサーアプリケーションの創出を試みた。2つ目は、Reservoir Computing用高速オンライン学習器の実装である。ある特定の機械の異常検知には1𝜇sの分解能が必要であることから本研究では、1学習サイクルあたり1𝜇s以下を実現する高速オンライン学習器の実装を試みた。学習アルゴリズムはFORCE学習とし、バッファリングや並列アーキテクチャ、データフローによる転置演算の省略などのアプローチを行うことで1学習サイクルあたり0.96𝜇sの学習を実現し、従来の学習器より数千倍高速に学習可能なFORCE学習FPGAアーキテクチャを構築した。

学術論文

  1. Yoshida K., Akai-Kasaya M., and Asai T., "A 1-Msps 500-node FORCE learning accelerator for reservoir computing," Journal of Signal Processing, vol. 26, no. 4, pp. 103-106 (2022).

特許

  1. 斉藤 友貴哉, 筒井 拓郎, 凌 元傑, 浅井 哲也, 阿部 佑紀, 吉田 広世, "リザーバ装置及びプロセス状態予測システム," PCT/JP2023/013903 (2023年4月4日) .

国際会議

  1. Yoshida K., Akai-Kasaya M., and Asai T., "A 1-Msps 500-nodes FORCE learning accelerator for reservoir computing," RISP International Workshop on Nonlinear Circuits, Communications and Signal Processing 2022, Online (Feb. 28-Mar. 1, 2022).
  2. Abe Y., Yoshida K., Akai-Kasaya M., and Asai T., "Physical reservoir computing on analog-digital hybrid circuit systems comprising discrete semiconductor devices," RISP International Workshop on Nonlinear Circuits, Communications and Signal Processing 2022, Online (Feb. 28-Mar. 1, 2022).
  3. Yoshida K., Asai T., and Motomura M., "A subthreshold memory cell utilizing nonlinear characteristics of positive-feedback operational transconductance amplifier," Proceedings of the 2011 Kyoto Workshop on NOLTA, p. 15, Kyoto University, Kyoto, Japan (Nov. 30, 2011).

受賞

  1. 吉田 広世, 令和4年度北海道大学大学院情報科学院 - 学院長賞(修士), 2023年3月23日.
  2. Yoshida K., "A 1-Msps 500-nodes FORCE learning accelerator for reservoir computing," The Research Institute of Signal Processing - NSCP'22 Student Paper Award, Mar. 1, 2022.
  3. 吉田 広世, "時分割入出力が可能なリング型リザーバのFPGAアーキテクチャの構築とその評価," 電子情報通信学会NOLTAソサイエティ - 2021年奨励賞, Jun. 12, 2021.

国内学会

  1. 玉田 洸太, 阿部 佑紀, 吉田 広世, 浅井 哲也, "リザバーコンピューティングにおける高速・省メモリオンライン学習に向けたアンサンブルカルマンフィルタのハードウェアアーキテクチャ," 電子情報通信学会複雑コミュニケーションサイエンス研究会, 北海道ルスツリゾートホテル&コンベンション, (北海道), 2023年3月26-27日.
  2. 阿部 佑紀, 吉田 広世, 赤井 恵, 浅井 哲也, "ディスクリート半導体素子で構成可能なアナデジ混在物理レザバーの試作と評価," 電子情報通信学会複雑コミュニケーションサイエンス研究会, (オンライン開催), 2021年11月18-19日.
  3. 吉田 広世, 阿部 佑紀, 赤井 恵, 浅井 哲也, "時分割入力とオンライン学習が可能なFPGAレザバーコンピュータの構築とその評価," 電子情報通信学会複雑コミュニケーションサイエンス研究会, (オンライン開催), 2021年11月18-19日.
  4. 吉田 広世, 赤井 恵, 浅井 哲也, "時分割入出力が可能なリング型リザーバのFPGAアーキテクチャの構築とその評価," 2021年 電子情報通信学会 NOLTAソサイエティ大会, (オンライン開催), 2021年6月12日.