超伝導ナノワイヤーニューロンが人間脳レベルの効率を達成

科学が知る最も魅力的な計算デバイスは人間の脳です。単一コンポーネント「ニューロン」のグループで様々な複雑操作を実行します。

現代CPUがギガヘルツ速度で動くのに対し、脳は数ヘルツのクロック速度で動作。しかし並列で毎秒数兆回計算を実行し、会話・歩行・運転など従来コンピュータ未達成の複雑なことを容易にこなします。

今日の計算デバイスと比べ、脳はこれらタスク遂行に非常に少ないエネルギーしか消費しません。そのため研究者たちは効率的ニューラルネットワークで脳の計算性能模倣を試みています。従来マイクロプロセッサもニューラルネットワークのようにプログラム可能ですが、過剰な計算リソースとエネルギーを消費します。

この問題解決のため、MITのコンピュータ科学者たちがアイデアを出しました：人工ニューロンを作り、人間脳のようなネットワークで結合する。この設計実装のため、超伝導ナノワイヤーから人工ニューロンを設計しました。

このような人工ニューロンで構成されるデバイスは、理論上人間脳と同等の効率で動作可能です。

人工ニューロンの主要特徴

生物学的ニューロンは情報をエンコードする電気スパイクを生成し、神経に沿って伝達。情報はシナプス（2神経細胞間接合部）を介して別ニューロンに伝達されます。

他ニューロンはこの情報を通過または遮断可能。論理ゲートのように振る舞い、複数入力に対し1出力を生成します。

これらニューロンは、入力電気パルスが閾値を超えない限り発火せず、再発火まで特定時間（不応期）が必要です。

Source: arXiv:1907.00263

新超伝導ナノワイヤーは生物学的ニューロンのこれら全特徴を模倣。閾値以上の電流が流れると超伝導が崩壊する奇妙な非線形特性を持ちます。

これは抵抗の急激な上昇によるもので、生物学的ニューロンの電気スパイクに類似した電圧パルスを生成。第2ナノワイヤーで生成される別パルスを変調するのに使用でき、シミュレーション精度をさらに高めます。

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したがって、ナノワイヤーで構成される単純回路が発火閾値、伝達時間（回路特性調整で調整可能）、不応期などニューロン主要特性を模倣可能です。

こうした超伝導回路のエネルギー効率は生物学的ニューラルネットワークと匹敵。研究チームによれば、提案人工ニューラルネットワークは毎秒約100兆シナプス演算/ワットを実行可能。

シミュレーション結果は有望。成功すれば速度・電力面で高競争力技術に。大規模ニューロモーフィックプロセッサ実現可能で、スパイキングニューラルネットワークとして訓練しパターン認識など複雑タスク遂行可能。

他概念同様限界も：超伝導ニューロンは少数の他ニューロンとしか接続不可。生物学的ニューロンは数千ニューロンと接続。現時点では概念実証デモが必要な設計段階です。

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