九州大学(九大)と科学技術振興機構は1月24日、独自に設計したニューロン回路を用いて、局所的に電子回路のタイミングを制御する仕組みを開発し、余分な機能を省きタイミング制御だけに特化することで、1.2pWの消費電力で動作するニューロン回路を実現したこと、ならびにこのニューロン回路の応用例として、IoTデバイスの標準機能である直流電圧変換を1nW程度で実現できることを実証したことを発表した。

同成果は、九大大学院 システム情報科学研究院の矢嶋赳彬准教授らの研究チームによるもの。詳細は、英オンライン総合学術誌「Scientific Reports」に掲載された。

IoTデバイスの活用領域として、人がアクセスしにくい場所に設置され、かつ電力供給の問題から、環境発電での駆動が求められる分野が考えられているが、環境発現(エナジー・ハーベスティング)で得られる電力は、一般的な電力線などで供給される電力と比べ低いことから、そうしたIoTデバイスの活用のためには、1μW未満の電力でデバイスを制御する技術の確立が求められるようになっている。

従来のプロセスの微細化による消費電力の削減にはさまざまな要因から限界がある。例えば一定周波数の信号であるクロックは、回路全体の動作タイミングを制御するために用いられるが、必要なときに必要な場所の回路だけを動作させる、といったことはできず、電力の無駄が生じてしまう。

今回、研究チームは、生物の神経回路における、個々の神経細胞(ニューロン)がスパイク信号によって局所的にイミング信号を生成することで、必要なときに必要な場所だけ動作させる仕組みを参考にしたニューロン回路を開発し、低消費電力での電子制御技術の確立を目指したという。

  • ニューロン回路

    (左)生物の神経回路による筋肉の制御のイメージ。(右)今回開発されたニューロン回路による電子制御のイメージ。ニューロン回路を使うことで、無駄なくIoTデバイスを電子制御し、消費電力1.2pWが実現された (出所:九大プレスリリースPDF)

その結果、消費電力1.2pWで動作するニューロン回路が実現できたという。このニューロン回路は、所定のタイミングでスパイク信号を出力する仕組みで、このスパイク信号をメモリ回路と合わせて使用することで、任意のタイミング情報を持つパルスまたはスパイク形状のデジタルパターンを生成することができるという。これを従来のデジタル回路で使われていたクロックの代わりに用いることで、必要なときに必要な場所だけ回路を動作させ、低消費電力な電子制御の枠組みを構築することが可能になるという。

  • ニューロン回路

    ニューロン回路によるデジタルパターン生成。ニューロン回路とメモリ回路を組み合わせて、パルスまたはスパイク形状の任意のデジタルパターンを超低消費電力に生成。このデジタルパターンを用いることで、デジタル回路を好きなときに好きな場所だけ動作させることができ、優れた低消費電力性が得られるとする (出所:九大プレスリリースPDF)

実際に応用例として、IoTデバイスの標準機能である直流電圧変換を1nW程度で実現できることも研究チームでは実証しており、この値は従来の電圧変換回路に比べておよそ2桁低く、電力制限が厳しいIoTデバイスに向く制御方法だといえるとしている。

なお、研究チームでは、今回開発されたニューロン回路による電子制御は、IoTデバイスで必要とされるセンサ制御や無線制御、電源制御などといったさまざまな機能に応用可能だとしており、今後、今回の技術を従来のアナログ・デジタル技術と適材適所に利用することで、限られた電力制限下でも高度な制御・機能が実現できるようになるとしている。