(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに隣接して設けられている２次元的配列を成す複数の光学セルを有し、各光学セルは上部に光の入射部を有するとともに隔壁と底部で区画化された空間に光の情報を受けた時に応答する光応答性物質とこの光応答性物質に電子を与える還元性化合物とを溶媒に溶かした状態で収容し、隣り合った光学セルの間には両者を電気的に接続する導電性部材が設けられた構造を備え、この構造の一方側に直流電源を接続するとともに他方側に演算出力部を設けてなる光並列演算素子であって、
２次元的な光画像データを当該光並列演算素子の上部から照射することにより入力を行い、光学セル中の光応答性物質を照射光により電子状態を変え還元性化合物より電子を捕獲して負イオン化させると同時に還元性化合物を正イオン化させることで光学セルを照射光の光量に応じたアナログ的な導電状態とし、導電性部材を介して隣り合った光学セルどうしで電荷による情報の遣り取りを行わせることにより配線を形成させ、光学セルへの光照射停止により光学セル中の光応答物質と還元性化合物を特定の時定数で非導電状態とし、連続的な２次元的な光画像データの入力により光画像データを時系列で光並列演算させて、アナログ的な演算結果を前記配線の導電性を測定することにより得ることを特徴とする光並列演算素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光照射により光学セルの導電性を変化させることで、学習機能を備えた配線網を実現させるための光並列演算素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の情報処理装置の高度化の要求に伴い、生物の神経系を模倣した学習機能を持つ素子が求められている。このため、学習したアナログ情報に応じて、入力情報をアナログ的に処理して出力する演算装置が必要になってくる。
【０００３】
従来の学習機能を持つ素子では、学習させる情報を個々のアナログ情報を毎回デジタル信号に変換し、その情報を元に複数のスイッチを切り替えている。また、この素子に入力されたアナログ情報も毎回デジタル信号に変換し、学習した複数のスイッチで構成されたデジタル回路により、入力情報を処理していた。そのため、複数のアナログ信号の処理を並列に行うためには、入力回路数と同数のアナログ−デジタル回路が必要となってしまう。しかも、回路数が多くなればなるほど複数のアナログ−デジタル変換回路どうしの同期を取ることが難しくなると言った問題も生じてしまう。
【０００４】
一方、光を用いて演算を行う素子が提案されている。図５に従来の光演算素子の構成を模式的に断面図で示す。この光演算素子は、二次元配列した複数の光学セル５１を備え、それぞれの光学セル５１は隔壁５２と底部５３よりなる区画に光の情報を受けたときに応答する光応答物質５４を収容している。各光学セル５１には演算光照射装置５５により所定波長の光５６が照射し、光５６が照射された光学セル５１内の光応答性物質５４は光応答性を示し、その状態を検出することにより、演算が行われるようになっている。
【０００５】
しかしながら、このような従来の光演算素子は、それぞれ独立した光学セル５１を用いて情報の学習を行うことができるが、学習した情報による処理を行う場合には、学習を一旦止めて、学習した内容を読み取るなどの別の処理を行わなければならない。さらに、このような処理を並列に行うには、より複雑な機構が必要になるといった問題も生じてしまう。
【非特許文献１】坪村  宏、“光電気化学とエネルギー変換”、東京化学同人、p.201-227 (1980)
【非特許文献２】松重  和美、田中  一義、“分子テクノロジー”、化学同人、p.115-125 (2002)
【非特許文献３】Hiroshi Tsubomura, Yasuhiro Shimoura, and Shigeaki Fujiwara, “Chemical Processes and Electric Power in Photogalvanic Cells Containing Reversible or Irreversible Reducing Agents”, J. Am. Chem. Soc., 83, 2103 (1979)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、学習による情報処理といった複雑な演算を高速に行うことができる光並列演算素子を提供することを課題にしている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するため、互いに隣接して設けられている２次元的配列を成す複数の光学セルを有し、各光学セルは上部に光の入射部を有するとともに隔壁と底部で区画化された空間に光の情報を受けた時に応答する光応答性物質とこの光応答性物質に電子を与える還元性化合物とを溶媒に溶かした状態で収容し、隣り合った光学セルの間には両者を電気的に接続する導電性部材が設けられた構造を備え、この構造の一方側に直流電源を接続するとともに他方側に演算出力部を設けてなる光並列演算素子であって、
２次元的な光画像データを当該光並列演算素子の上部から照射することにより入力を行い、光学セル中の光応答性物質を照射光により電子状態を変え還元性化合物より電子を捕獲して負イオン化させると同時に還元性化合物を正イオン化させることで光学セルを照射光の光量に応じたアナログ的な導電状態とし、導電性部材を介して隣り合った光学セルどうしで電荷による情報の遣り取りを行わせることにより配線を形成させ、光学セルへの光照射停止により光学セル中の光応答物質と還元性化合物を特定の時定数で非導電状態とし、連続的な２次元的な光画像データの入力により光画像データを時系列で光並列演算させて、アナログ的な演算結果を前記配線の導電性を測定することにより得ることを特徴とする光並列演算素子を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、並列に配置された光学セル間での電荷による情報の遣り取りが加わったことにより、並列演算時の互いの情報による演算が可能になったため、学習による情報処理といった複雑な演算を高速に行うことができる演算素子を実現でき、係るアナログ演算素子の性能向上に寄与するところが大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明の光並列演算素子における光学セルの構成を模式的に示す断面図、図２は、本発明の光並列演算素子の原理説明図である。
【００１１】
光学セル１１は、隔壁１２と底部１３で区画化された空間を有し、その空間に光の情報を受けたときに応答する光応答性物質１４が収容されるようになっている。並列して配置される光学セル１１には、光応答性物質１４と電子を放出する還元剤１５が溶媒に溶解して収容されている。また、隣り合った光学セル１１の間には、両者を電気的に接続するための導電性部材１６が設けられ、光学セル１１に電圧をかけられるようになっている。光学セル１１の上部は開口するように記載されているが、透明部材で封止するようにしてもよい。光学セル１１内の光応答性物質１４は上側から光の照射が行えるようになっている。なお、ここで上側とは、図面に示してある方向を指し、実際の仕様にあたっては任意の方向を向いていてよい。
【００１２】
光学セル１１の材料としては、例えば石英、サファイヤ、窒化シリコン、透明アルミナ等を用いることができる。例えば、光応答性物質１４としては、RhodamineB， Thionine, Riboflavin, Proflavin等を用いることができる。また、還元剤１５としてはＴＥＡ(triethanolamine), ＥＤＴＡ, Hydroquinone等を用いることができる。光応答性物質１４を溶解する溶媒としては、水、メタノール、エタノール等を用いることができる。導電性部材１６としては、金、銀、銅、アルミニウム等の電気伝導性の大きな金属、合金を用いることができる。
【００１３】
演算動作は、まず、光学セル内での演算について述べると、図２（ａ）に示すように、光量Ｉの光を光学セル１１の光応答性物質１４に照射する。光照射前には光学セル１１内に入れられた光応答性物質１４と還元剤１５は電気的に中性とであったとする。光照射により光応答性物質１４の電子状態が変わり、還元剤１５から光応答性物質１４に電子を移すことで、光応答性物質１４が−イオンに、還元剤１５が＋イオンに変わる。光照射前には非導電性であった光学セルが、光照射により発生したイオンがキャリアに成ることで導電性になる。また、光照射を止めると光学セル１１は、導電性から非導電性に徐々に変化する。
【００１４】
本発明は図２（ｃ）に示すように、導電性部材１６で接続された多数の光学セル１１が二次元的に配列され、光が照射された光学セル１１の光応答性物質１４と還元剤１５が導電性を示すことで、ニューラルネットに相当する配線が構成され、この二次元的に配列された光学セルに対して光照射することで、各光照射する光の光量Ｉに比例した導電性を各光学セルが持ち、これらの演算によって導電性を持つ光学セルがつながった配線が形成される。
【実施例】
【００１５】
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
【００１６】
図３は本発明の実施例を係る光並列演算素子の構成を模式的に示す断面図である。図４（ａ）は実施例の原理説明図、図４（ｂ）は実施例の光学セル内での化学反応の説明図、図４（ｃ）は光学セルを２次元配置した構造での動作説明図である。図３，４では３つの光学セル３１が示されているが、これは例示のためであり、実際には所要数の光学セルを二次元配列されたものである。本実施例の光応答性物質、還元剤、照射波長等の条件は、非特許文献３を参考にした。
【００１７】
光学セルＡ，Ｂ，Ｃ（３１）は石英を半導体微細加工して図３のように隔壁３２と底部３３で区画化された空間を形成した。光学セル３１内には光応答性物質３４として、光が照射されると電子状態が変わり、電子を受け取るThionine（５×１０−５ｍｏｌ／ｌ）と、電子を放出する還元剤３５化合物であるＴＥＡ（１．０×１０−２ｍｏｌ／ｌ）を入れた。導電性部材３６は、光照射で導電性になった光学セル３１どうしを電気的に接続するもので、金薄膜を使用した。
【００１８】
図４（ａ）に示すように光学セルＡの片方の導電性部材３６には直流電源３７を接続し、光学セルＣの片方の導電性部材３６には電流を電圧に変換する電流−電圧変換回路３８を接続して、光学セルＡ，Ｂ，Ｃで構成される配線の導電性を計測する。光学セルＡ，Ｂ，Ｃ（３１）にそれぞれ演算用の波長６２０ｎｍの光を選択的に照射するデジタルマイクロミラー素子（Digital Micromirror Device：以下、ＤＭＤとも称する）３９を配置した。
【００１９】
次に、図３の実施例の構成図と図４の実施例の原理説明図を用いて、この光並列演算素子の動作について説明する。
【００２０】
ＤＭＤ３９より６２０ｎｍの演算光を、光学セルＡ，Ｂ，Ｃ（３１）内のThionineにそれぞれ強度ＩＡ，ＩＢ，ＩＣで照射した。光学セル（３１）に入ったThionine３４は、光照射により、基底状態から第一励起状態に励起し、基底状態以外である中間状態に緩和する。この過程により、Thionine３４は電子を受け取り負イオンになった。一方、電子を放出したＴＥＡ３５は正イオンになった。
【００２１】
この一連の反応において、各光学セルに照射した光量ＩＡ，ＩＢ，ＩＣに対応した量の光応答性物質３４、還元剤３５がイオン化してキャリアになり、光学セルＡ，Ｂ，Ｃに照射した光量ＩＡ，ＩＢ，ＩＣに対応した抵抗値を示す導電性を持つ光学セルＡ，Ｂ，Ｃに変化し、直列に接続した光学セルＡ，Ｂ，Ｃを通して電流−電圧変換回路３８に流れる電流が光量により決められる。光照射を止めると、導電性を持つ光学セルが非導電性の状態に徐々に戻る。Thionine（５×１０−５ｍｏｌ／ｌ）、ＴＥＡ（１．０×１０−２ｍｏｌ／ｌ）を用いた本実施例ではキャリア消滅の時定数は、だいたい２０ｍｉｎであった。ただし、光応答性物質１４と還元剤１５を変えることで、時定数を長くしたり短くすることが可能である。図４（ａ）下左図に示すような、キャリア数に依存した電圧を発生する。キャリア数は、光照射中はキャリア発生と消滅との競合で決まり、光照射停止でキャリア消滅のみになる。キャリア消滅は前述の時定数を持って減衰する指数関数と考えてよい。図４（ａ）下右図はセルの一つに照射する光量を半減させた例である。この例でも光照射中と光照射停止での出力電圧の時間依存性は同じ振る舞いをする。ただし、光量半減のセルだけはキャリア数が概ね半分となり、他のセルの倍の抵抗を持つことになる。このため大幅に出力電圧が低下する。
【００２２】
図４（ｃ）に示すように、Thionine３４とＴＥＡ３５が入った光学セル３１を二次元的に配置した構造に、図４（ｃ）の矢印で示した光学セルに光を照射すると回路２に接続された光学セルまで導電性の配線が現れる。この図４（ｃ）−Ａの期間に光照射を行うと回路２からＶＯＵＴ２の電圧が出力される。次に、光照射をやめた図４（ｃ）−Ｂの期間では電圧が下がり、光照射する光学セルを変えた図４（ｃ）−Ｃの期間では回路１からＶＯＵＴ１の電圧が出力される。最後に、光照射をやめた図４（ｃ）−Ｄの期間ではＶＯＵＴ１の電圧が下がっていく。電圧の時間依存性は、図４（ａ）で説明したものと同じ振る舞いである。
【００２３】
また、上記のThionine３４とＴＥＡ３５の代わりにProflavin３４とＥＤＴＡ３５の組み合わせについても上記と同様の計測を行ったところ、同様な結果が得られた。
【００２４】
以上説明したように、配線のようなつながりをもつ光を二次元に配列した光学セルに照射することで、配線網を形成する。しかも、光照射が無くなると配線網が消えていく。これらの働きにより、外部からの刺激が続くとニューロ配線が太くなることで流れる情報量が多くなり、刺激がなくなるとニューロ配線が細くなり、最終的には消滅していくことにより流れる情報量が少なくなる。この働きは生物が持つニューロ配線機能を模倣した素子機能を実現可能であることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の光並列演算素子における光学セルの構成を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の光並列演算素子の原理説明図である。
【図３】本発明の実施例に係る光並列演算素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図４（ａ）】（ａ）は本発明の実施例に係る光並列演算素子の原理説明図である。
【図４（ｂ）】（ｂ）は同実施例の光並列演算素子の光学セル内での光化学反応の説明図である。
【図４（ｃ）】（ｃ）は同実施例の光並列演算素子の光学セルを２次元配置した構造での動作説明図である。
【図５】従来の光演算素子の構成を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１１，３１  光学セル
１２，３２  隔壁
１３，３３  底部
１４，３４  光応答性物質
１５，３５  還元剤
１６，３６  導電性部材
３７  直流電源
３８電流−電圧変換回路
３９  デジタルマイクロミラー素子（ＤＭＤ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図４（ｃ）】
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【図５】
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