CMOSアナログ回路と少数キャリア拡散現象を組み合わせた反応拡散デバイスに関する研究
高橋 基容
2005 年度 卒 ／修士（工学）
修士論文の概要
本研究は、自然界に存在する化学系「反応拡散系」の挙動をアナログCMOS回路と少数キャリア拡散を用いて半導体上に模擬し情報処理デバイスへの応用を目指すものである。
現在半導体LSIの大半を占めるノイマン型計算機は、高速化･大容量化によりその機能を大きく成長させてきた。これらの逐次型情報処理デバイスは今日の情報化社会を形成し、支え続けている。その一方で、ノイマン型計算機には不向きな問題（画像認識、領域分割など）に対する要求も増加してきた。現在、これらの問題に対しては計算機の高速化･大容量化による対処がなされている。しかし、画像認識や領域の分割といった問題は要素が1増えるごとに計算量が爆発的に増加するため、単純に計算機の高速化を行うだけではとても要求に追いつかない。その「計算機の高速化」において重要な「実装の微細化」も既に限界に近づきつつある。また、高性能な計算機を設計･生産するためにかかるコストは膨張を続けており、採算上の問題も表面化してきている。
このような問題を解決するために、それまでのノイマン型計算機とは異なる理論による情報処理デバイスの研究が行われている。既存のものとは異なる仕組みを考案する方法として、自然界に習うという方法がある。例えば、脳を構成するニューロンやシナプスの活動(入出力パルス波)を模擬した情報処理ネットワーク「ニューラルネットワーク」がそうである。本研究では、自然界の至るところに存在する化学系「反応拡散系」の挙動を模擬することで、新しい情報処理デバイスの構築を目指す。
反応拡散系とは、複数の化学物質が混ざった状態で化学反応と物質の拡散とを繰り返す非平衡系である。反応拡散系の内部では、各化学物質の濃度は不均一な状態を維持している。この不均一な物質の濃度を空間上の各点で調べると、縞模様や斑点、螺旋模様といったパターンが現れる。このように、反応拡散系には物質濃度の時空間パターンを自ら作り出すという性質(自己組織化)があり、生命現象との関連性も指摘されている。この自己組織化作用で生成される図は、系の初期状態に依存する。「入力(初期状態)→出力(自己組織化作用の結果)」と見なすことができるので、反応拡散系を情報処理デバイスとして扱うことが可能である。
本研究では、この反応拡散系を構成する二つの現象「化学反応」と「物質拡散」とを、それぞれ「アナログCMOS回路の動作」「少数キャリア拡散現象」とを用いて半導体上に模擬する。反応拡散系の「物質拡散」を半導体上で模擬する有力な手段として、少数キャリア拡散を利用する方法がある。本研究では、この少数キャリア拡散現象を用いて物質拡散を模擬する。一方の「化学反応」は「周囲から拡散してきた物質を受け取り、その物質の種類･量に応じて物質を生成・拡散させる」という挙動を表現できればよい。拡散現象の模擬に少数キャリア拡散を用いるとき、物質の生成･拡散は拡散場となる半導体へキャリアを注入することである。キャリアの注入は半導体に電流を流し込むことで実現できるので、「化学反応」はCMOS回路の挙動で表現することが可能である。反応拡散系で行うことができる情報処理の量や精度は系の大きさに依存する。系を大きくするためには「化学反応」を模擬するCMOS回路の数を増やさなくてはならない。一般にデジタル回路ではCMOS回路は大きくなる。多数集積するためにはCMOS回路を小さくする必要があるので、ここではアナログ回路を用いる。
まず、アナログCMOS回路と少数キャリア拡散によって「化学反応」と「物質拡散」とが模擬できることを確認するために、それぞれのシミュレーションを行った。
少数キャリア拡散デバイスで物質拡散の模擬を行うためには、キャリアの注入を受けた点の近傍の電位が拡散してきたキャリアの影響で上昇しなくてはいけない。シミュレーションでは、この電位上昇が「化学反応」を模擬するCMOS反応回路で検知することが十分に可能な大きさであることを確認した。
アナログCMOS回路で化学反応を模擬する場合、様々な挙動を考えることができる。模擬する挙動によって反応拡散系は斑点を描いたり、縞模様を描いたり、様々な時空間パターンを描く。ここでは「物質濃度波の伝播と衝突」を模擬する。何故なら、本論文で行う情報処理「ボロノイ図の生成、画像の骨格検出」は反応拡散系の持つ性質「物質濃度波の伝播と衝突」を利用するものであるからだ。
次に、動作を確認したアナログCMOS回路と少数キャリア拡散デバイスとを組み合わせたシミュレーションを行い、その動作を確認した。デバイスが反応拡散系を模擬していることを確認するために、物質濃度波が同心円状に広がること、衝突した物質濃度波が消滅すること、反応拡散系が作り出すような螺旋パターンを生成することを確認した。
最後に、このデバイスを画像処理に応用するために「物質濃度波衝突検出回路」をアナログCMOS回路に取り付けた。シミュレーションを通じて、この回路が正しく動作することを確認した。この回路の動作により、ボロノイ図の生成や画像の骨格検出が行われることを確認した。更に、このデバイスは画像の輪郭を検出機能も持ち合わせることを確認した。