V体育“缓慢”但高效的信息处理技术 - 成功演示模仿生物神经组织操作的低功耗晶体管操作 -

日本产业技术综合研究所/日本科学技术振兴机构 (日本标准时间) / 东京大学 / 九州大学 / 兵库大学 / V体育

演示要点

• 〇展示了一种低功耗装置，可以通过控制固体中离子的运动来模仿生物神经组织的行为
• 〇揭示尽管元素运算速度较慢，仍可实现高效的信息处理
• 〇预计用于以极低功耗运行的边缘设备

V体育出模仿生物神经组织行为的晶体管
*这是对原始论文中的数字的引用或修改。

摘要

日本产业技术综合研究所（以下简称“AIST”）光电基础技术研究部强相关电子组、研究员井上裕、高级首席研究员井上公美、国立大学法人九州大学、国立大学法人兵库县立大学、兵库县立公立大学法人、V体育官方网站共同生物神经组织的行为的低功耗晶体管的运行。
　生物大脑擅长有效地处理生活环境中的缓慢输入信号。通过用人工元件模仿这些特性（缓慢运行、超低功耗），人们认为我们可以为超低功耗信息处理铺平道路，但到目前为止，还很难同时实现这两个特性。这次，我们V体育了一种新概念晶体管，通过巧妙地控制固体中存在的带电离子，将输入信号转换为缓慢随时间变化的输出信号。这使用钛酸锶作为通道MOS晶体管是一种传统的硅基设备，使用离子控制作为其工作原理。MOS与晶体管相比100它具有运行速度慢10,000倍以上的特点。和500 pW功耗运行。该晶体管的操作演示可以模仿具有很长时间常数（输出电流相对于输入电压变化的时间尺度）的生物神经组织的行为，能够以超低功耗进行复杂的学习和推理，就像在生物体中一样。边缘设备做出贡献
　有关该技术的详细信息，请参见2024年份11月27周日（东部时间）“

请参阅[词汇表]了解带下划线的部分

　

发展的社会背景

近年来一代人工智能,云型信息处理受到关注，为了实现任何人、任何地方都可以使用并保证安全的信息社会，需要即使在边缘设备上也能令人满意地运行的低功耗和高效信息处理能力。MOS晶体管被广泛用作信息处理器件，因为它们适合高速运行。到现在为止MOS晶体管的小型化带动了省电和小型化的不断发展。
　然而，小型化技术已达到极限，需要基于不同原理的信息处理技术来实现更紧凑和节能的信息处理。
　如果我们把生物体看作信息处理系统，我们会发现它们处理信息的效率极高。生物神经组织是MOS与晶体管相比100它的移动速度慢了一万倍以上，1 pW（皮瓦，皮克是1万亿1) 或更少。如果可以用人工设备模仿生物神经组织，人们认为这将为超低功耗的新信息处理铺平道路，但利用传统技术，很难同时实现运算速度慢、设备面积小和功耗低。

　

研究历史

　在功能材料领域，产业技术研究院致力于将材料中发生的各种物理现象应用于器件，特别是V体育了氧化物材料的制造、评价和器件形成技术。通过应用这些技术，我们成功地演示了模仿生物神经组织行为的晶体管的操作。
　这项研究和V体育基于日本科学技术振兴机构的战略创意研究促进项目冠“使用尖峰网络的边缘实时学习平台 (2019～2024财年，摩根大通JCR19K2支持）。

研究内容

生物神经组织是泄漏积分，并将外部输入的脉冲状信号转换为内部缓慢随时间变化的信号。图1（a)显示了泄漏积分运算的概念图。每输入一个脉冲信号，膜电位的内部变量会慢慢上升。当没有接收到脉冲信号时，膜电位逐渐降低。
　为了利用传统方法实现时间常数与生物神经相似的泄漏积分，1（b)，如图1 µF（微法拉，电容单位1带电容器100kΩ（千欧姆，电阻单位）1您将需要几个电阻。这种方法不仅增加了电路面积，而且由于电流流过电阻而造成不必要的功耗。该技术使用外部施加的电压缺氧离子，我们证明可以在不浪费功率的情况下模拟泄漏积分。

图1 （a) 生物神经组织的泄漏积分行为。 (b) 如何实现传统的泄漏积分行为。
*这是对原始论文中的数字的引用或修改。

图 2 (a)表示本次说明的动作的晶体管的示意图。通道由氧化物半导体钛酸锶制成，MOS这是一个晶体管。栅电极(G)源电极(S，电子源泉)和漏电极(D，电子吸收器)之间流动的电流（从漏电极流向源电极）变化。与传统晶体管不同，由于氧化物半导体用于沟道部分，因此器件中存在的缺氧离子可以用于器件操作。
图 2 (b)栅电极(G)施加电场时缺氧离子的分布有限元法的分析结果。当施加电场时，带正电的缺氧离子移动到钛酸锶层的底部，同时，在钛酸锶层的上表面附近产生缺氧离子。此时，由于移动速度取决于栅极的电场强度，因此在深度方向上产生速度分布，并且钛酸锶层的上表面附近的缺氧离子的浓度随着时间而增加。随着缺氧离子浓度的增加，电子浓度也增加，使得电流更容易在氧化物中流动。此时，源电极(S)·漏电极(D)它们之间流动的电流可以作为响应脉冲电场输入的缓慢时变信号来提取。缺氧的离子在氧化物中移动缓慢，很容易产生类似于生物神经的长期变化。此外，正如蓄电池可以反复充电和放电一样，离子运动本身是一个可逆过程，因此即使在低速下，它也有可能在非常低的功率水平下运行。

图2 所V体育的模拟泄漏积分操作的晶体管及其操作机制。
（a) 这次演示的晶体管的示意图。
（b) 栅电极(G)施加电场时的缺氧离子分布的有限元法分析结果。
*这是对原始论文中的数字的引用或修改。

图3显示了实际电流波形测量结果。快脉冲(当输入频率增加时)时，输出电流的幅值会逐渐增大。另一方面，慢脉冲(当输入频率降低时)输入时，输出电流的幅度将逐渐减小。这样，我们成功地实现了“泄漏积分运算”，其中电流的幅度根据输入脉冲缓慢变化。频率依赖性分析表明，该元素具有与生物神经相当的较长时间常数。此时的功耗为500 pW，缺氧离子，可以实现高效的泄漏积分操作。通过设计实现电路的方法（例如独立地写入和读取元件），可以预期进一步降低功耗。

图 3 所V体育的模仿泄漏积分操作的晶体管的输出波形。
*这是对原始论文中的数字的引用或修改。

此次演示的漏电流积分晶体管适用于构建人工模仿生物神经系统行为的神经网络。例如，在神经网络中，a圣人b绘制的图形的笔迹是谁写的。 (图)4（a））。图 4 显示了使用假设V体育的设备进行模拟的手写异常检测验证实验的结果。b）。这里随机连接256神经元突触水库计算执行学习和推理。神经元是生物神经元泄漏积分点火，突触以编程方式模拟生物突触的行为。元件的时间常数用于神经元和突触的操作。ab圣人a的笔迹b的笔迹时，该笔迹可被视为他人笔迹的程度增加，表明笔迹异常检测成功。然而，从发达的元素10在假设元素速度快一万倍的模拟中，手写异常检测失败。这个模拟结果可以解释为，检测手写异常需要有关过去的信息，例如笔过去的位置和绘制形状的速度，并且元素移动得越慢，就越有可能更长时间地保留信息。通过这种方式，我们证明了元素的缓慢性在处理与人类交互的信息的神经网络的运行中起着重要作用。
　我们V体育的漏电积分晶体管以及此次获得的有关器件运行速度的知识将有助于实现主动利用生物神经系统“慢”特性的低功耗信息处理。

图 4 使用神经网络模拟手写异常检测。
（a) 手写异常检测的概念图。 (b) 假设V体育设备，使用模拟检测手写异常的验证实验结果。
*这是对原始论文中的数字的引用或修改。

未来计划

通过使用V体育的晶体管构建神经网络，我们将为可以低功耗运行的边缘设备构建信息处理平台。例如能量收集上运行的可穿戴设备
而且，未来将在边缘设备上完成，而无需使用云人工智能等设备需要小型化、安全性和自主操作。

演讲者/研究人员信息

• 日本产业技术综合研究所光电基础技术研究部强相关电子组
  研究员井上佑
  Kimi Inoue，高级首席研究员
  鬼头爱技术人员

• 东京大学
• 国际高等研究院、国际神经智能研究组织 (WPI-IRCN）
• Hiroto Tamura，特聘研究员（研究时）
• 工程研究生院系统设计研究中心
• 饭冢哲也副教授
• Byambadorji Zorbo 助理教授
• 陈翔宇特聘研究员（研究时）

• 九州大学系统信息科学学院信息电子学系
• 副教授矢岛武明
• 兵库大学大学院工学研究科电气特性工学科
• 堀田育志教授

• V体育信息工程系
• （还有东京大学国际高等研究院、国际神经智能研究组织）WPI-IRCN) 合作研究员（研究时）
• 田中刚平教授

论文信息

• 已出版的杂志：先进材料
• 论文标题：驯服长时间的离子漂移扩散动力学以实现类脑计算
• 作者：Hisashi Inoue、Hiroto Tamura、Ai Kitoh、Xiangyu Chen、Zolboo Byambadorj、Takeaki Yajima、Yasushi Hotta、Tetsuya Iizuka、Gouhei Tanaka、Isao H Inoue
• DOI：101002/adma202407326
• 网址：

术语表

• 生物神经组织
• 生物体中执行信息传递、判断和肌肉运动等功能的组织的总称。一个典型的例子是称为神经元的细胞，这些组织形成一个复杂的网络，在生物体中执行各种功能。

• 晶体管
• 根据从外部输入的电压和电流控制流过元件的电流的开关元件。个人计算机、智能手机等中包含的中央信息处理单元配置有晶体管作为其最小构成元件。

• MOS晶体管、源极、漏极、栅极
• 金属氧化物半导体晶体管的缩写，由金属、氧化物绝缘体、半导体制成的晶体管的总称。硅通常用作半导体。也称为源电极、漏电极、栅电极3它有两个电极，源极和漏极之间流动的电流根据源极和栅极之间施加的电压而变化。

• 边缘设备
• 在信息处理网络末端运行的信息处理设备的总称，例如智能手机和智能手表。为了提供便携性和在任何地方使用的能力，需要小型化和低功耗。

• 一代人工智能
• 信息处理设备使用深度学习算法自行生成文本、图像、音频等的程序的总称。代表OpenAI公司聊天GPT等等。

• 云
• 连接到互联网的大型信息处理设备，例如超级计算机。用户通过将必要的信息从自己的设备发送到云端并从云端接收信息处理的结果来处理信息。

• 膜电位、泄漏积分、泄漏积分触发
• 在活细胞中，由细胞膜分隔的细胞膜内部和外部之间的电位差称为膜电位。泄漏积分是一种模型，它形式化了向神经元提供输入时膜电位的行为。1一。当施加输入时膜电位增加（积分作用），并且当不施加输入时膜电位缓慢减小（泄漏作用）。当重复泄漏积分并且膜电位达到一定阈值时，在称为发射的操作中产生脉冲状信号（泄漏积分发射）。

• 缺氧离子
• 所V体育的晶体管中使用的钛酸锶具有称为晶体的结构，其中氧、钛和锶等原子规则排列。实际上，晶体中可能会形成氧原子逃逸的孔洞，这些孔洞称为氧空位。氧空位可以通过交换晶体内的原子而在晶体中移动。在钛酸锶中，氧空位表现为带正电的离子。

• 有限元法
• 一种计算物理量空间分布的数值计算方法。空间分布可以通过将空间划分为大量元素并数值求解每个元素所遵循的方程来获得。

• 突触
• 负责在神经元之间传递信息的生物神经组织。当一个神经元放电时，信息通过突触中的化学物质交换传递到另一个神经元。

• 水库计算
• 一种信息处理方法，利用随机系统中随时间变化的变化（例如水中的涟漪或随机连接的神经网络）来对时间序列数据执行计算。输入信号被转换为系统的时间过程，并通过以适当的比例将从系统中提取的多个不同的时间演化相加而获得输出。

• 能量收集
• 使用以前难以利用的微量能量发电，例如室温、振动和废热。

联系信息

研究很重要

• 国立产业技术综合研究所
• 电子光学基础技术研究部强相关电子组
• 研究员井上佑
• 〒305-8565 茨城县筑波市东1-1-1 中央五号
• hisashiinoue[at]aistgojp
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• 高级首席研究员 Ko Inoue
• 〒305-8565 茨城县筑波市东1-1-1 中央五号
• iinoue[at]aistgojp

• V体育
• 信息工程学院田中刚平教授
• tanakagouhei[在]nitechacjp
  
  

日本标准时间业务相关事宜

• 国家研究V体育机构日本科学技术振兴机构
• 战略研究推进部ICT组
• 前田幸子
• 〒102-0076 东京都千代田区 7K 五番町'sgobancho
• crest[at]jstgojp

公共关系很重要

• 国立大学法人V体育企划公关科
• 电话：052-735-5647
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