韓国科学技術院（KAIST）が開発した新しい半導体デバイスは、データの入力に対する応答速度を変えることができ、迅速から緩やかな変化の信号を処理するのに役立ちます。これは、大量のソフトウェア処理に依存することなく実現されます。このデバイスは「プログラム可能ダイナミックメモリトランジスタ（PDM）」と呼ばれ、ストレージデバイスのメモリ機能とトランジスタの計算機能を組み合わせています。従来の固定応答速度の半導体デバイスとは異なり、このデバイスの時間応答は異なる設定にプログラム可能で、保持することができます。研究者たちは、このデバイスを使用して、迅速かつ緩やかな変化を含む時間系列データを処理しました。
これらのテストでは、PDMの予測誤差は従来の固定応答半導体デバイスに比べて最大40倍低下しました。チームはまた、異なる応答速度を持つデバイスで構成された統合PDMアレイを構築し、このアレイは複数の時間変化信号を同時に処理し、異なる時間スケールで情報を抽出できるようにしました。
プログラム可能ダイナミックメモリトランジスタ技術がデータ処理方法を変える
応答速度を変化させる能力は、この技術の核心です。現実世界のシステムからのデータは、一定の速度で変化することはほとんどありません。例えば、ロボット内のセンサーは、ミリ秒単位の迅速な動きと、より緩やかな変化を捉えることがあります。従来のハードウェアは製造後、通常固定の時間応答を持つため、入力データの動作が異なるときにソフトウェアが補償を行う必要があり、これが計算負荷を増加させ、エネルギーを消費します。KAISTの研究者たちは、トランジスタ内部に2つの機能層を配置することでこの問題を解決しました。一つの層は入力された電荷を保存・処理し、もう一つの層は電子を捕獲してデバイスが元の状態に戻る速度を制御します。
電子捕獲層を調整することで、研究者たちはデバイスの電流回復時間を約5倍の範囲に調整でき、その特性周波数も10倍以上の範囲に調整できます。PDMは、持続的な外部電力を必要とせずにそのプログラム応答特性を保持できるため、従来の固定応答半導体ハードウェアにはない内蔵の適応性を備えています。
研究者たちは、この技術の多時間スケールデータへの応用をテストしました。迅速かつ緩やかなパターンが混在する場合、PDMの予測誤差は固定応答デバイスよりも著しく低下しました。チームは、PDMアレイの精度が従来のソフトウェアベースのシステムと同等であると報告していますが、エネルギー消費ははるかに少ないです。このアプローチは、データの変化をローカルで処理する必要があるシステム、例えば自動運転車、ロボット、ウェアラブルデバイスに非常に有用である可能性があります。研究者たちは、手書きや異なる速度の物体の動きなど、時間とともに変化する信号の特徴を使用してこの概念を示しました。
PDMは、これらの異なる入力時間スケールに合わせて応答特性を調整できます。
KAISTの主席教授である崔信賢氏は、「本研究は、異なる速度で変化するデータを効果的に処理できる応答特性を持つプログラム可能な人工知能半導体を示しています。私たちは、これが自動運転車、ロボット、ウェアラブルデバイスの性能を向上させる核心技術となり、同時にそれらのエネルギー消費を削減することを期待しています。」と述べています。このデバイスはKAISTが主導するチームによって開発され、Samsung Electronicsの半導体研究開発センターの研究者も参加しています。既存の半導体製造プロセスで使用される材料との互換性も、今後の商業化に寄与します。
関連研究は『Nature Communications』誌に発表されています。