4

2

特集

データセントリック時代のソフトウェア技術

6

データセントリック時代のソフトウェア技術

9

組織を越えたデータ利活⽤を安全・便利にする次世代データハブ

14

将来のスマートシティを支える高解像度多カメラ分析基盤

18

繰り返し型の効率的なテストを実現するテスト活動データ分析技術

22

主役登場 榎本 昇平
NTTソフトウェアイノベーションセンタ24

特集

FEBRUARY

2022

Vol. 34 No. 2

CONTENTS

ナノメカニクス研究の最前線

26

ナノメカニクス研究の概要と展望

30

ナノメカニカル振動子による新しいカオス信号生成手法

34

フォノン導波路やフォノニック結晶を用いた弾性波の制御

39

光のエネルギー損失が極めて少ないオプトメカニカル素子の創出

43

光キャビティを用いたナノワイヤ振動子の高感度検出と制御

47

インクジェット技術を用いた架橋ナノワイヤ電気機械素子の作製

51

主役登場 岡本 創
NTT物性科学基礎研究所

52

from ★
スポット画像特徴量を用いた観光スポットマイニング手法「ジェネリック観光地」
抽出技術

58

挑戦する研究者たち
中島 和秀

NTTアクセスサービスシステム研究所
上席特別研究員

研究者にはゴールはない．
満足したら終わりだと思うのが健全

63

挑戦する研究開発者たち
藤井 雅雄

NTTデータ 技術革新統括本部
データベーステクニカルリード

シンプルなコードにこだわるという美学．
最後の番人として「中身まで分かる人」
でありたい

67

明日のトップランナー
村上 友規

NTTアクセスサービスシステム研究所・
NTT未来ねっと研究所
特別研究員「インテリジェント空間形成技術」
を実現する
インテリジェント反射板制御および無線センシングの研究

70

グループ企業探訪
ドコモ・テクノロジ株式会社
移動通信関連の研究開発を通じて培った
強みを活かしお客さまの期待にこたえる74

from NTTコミュニケーションズ

データ流通とDXにて実現する「日本版Smart Society」――未来の可能性と選択肢が開かれた社会をめざして

Webサイト オリジナル記事の紹介
3 月号予定編集後記

NTT技術ジャーナルはWebで閲覧できます．
https://journal.ntt.co.jp/
本誌掲載内容についての
ご意見，
ご要望，
お問い合わせ先

本誌ご購読のお申し込み，
お問い合わせ先

日本電信電話株式会社
NTT技術ジャーナル事務局
E-mail journal@ml.ntt.com

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企画編集
日本電信電話株式会社〒100-8116 東京都千代田区大手町1-5-1
大手町ファーストスクエア イーストタワー
NTTホームページ URL https://group.ntt/jp/
発行
一般社団法人電気通信協会〒101-0003 東京都千代田区一ツ橋2-1-1如水会ビルディング6階
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FAX （03）3288-0615
URL http://www.tta.or.jp/©日本電信電話株式会社2022●本誌掲載記事の無断転載を禁じます●※本誌に掲載されている社名，
製品およびソフトウェアなどの名称は，各社の商標または登録商標です．

78

特集

データセントリック時代のソフトウェア技術
実世界のデータからさまざまな価値を生み出す「データ中心社会」の到来に向けて，IOWN（Innovative Optical and Wireless Network）構想の中でNTT研究所が取り組む，
データセントリック時代のソフトウェア技術について特集する．
本特集では，組織を越えたデータ流通 ･ 分析を促進する技術と，価値創出を支えるソフトウェア開発を加速する技術について紹介する．

情 報 処 理 基 盤

Iス マ ー ト シ テ ィ

デ

O

W

ー

タ

2022.2

通N

ソフトウェアテスト

Data-centric era
4

流

6

データセントリック時代のソフトウェア技術
データ中心社会を支え，ビジネスの進化に対応できる，データセントリック時代の情報処理基盤の実現に向けたさまざまな技術課題と，NTT研究所の取り組みについて，NTTソフトウェ
アイノベーションセンタでの活動を紹介する．

9

組織を越えたデータ利活用を安全 ･ 便利にする次世代データハブ
NTTが研究，実用化を進めている次世代データハブの主要な構成要素である「仮想データ
レイク」「データブローカー」「データサンドボックス」について紹介する．

14

将来のスマートシティを支える高解像度多カメラ分析基盤
AI推論処理の処理量 ･ 消費エネルギーの大幅な削減を実現する「イベント駆動型推論」のコンセプトと，その要素技術である「多層推論技術」と「推論リソース共有技術」について
紹介する．

18

繰り返し型の効率的なテストを実現するテスト活動データ分析技術
NTTが研究開発を行いOSS化した，ソフトウェアテストを飛躍的に効率化する技術について
紹介する．

22

主役登場 榎本 昇平（NTTソフトウェアイノベーションセンタ）
AIの省電力化をめざして

2022.2

5

特集

データセントリック時代のソフトウェア技術

情報処理
基盤

データ

流通

ア

ソフトウェ

データセントリック時代のソフトウェア技術
実世界のデータからさまざまな価値を生み出す「データ中心社会」の到来とともに，ビジネスの進化に伴いシステム基盤やソフトウェ
ア開発手法への要求はより一層高まっています．本稿では，データ
中心社会を支え，ビジネスの進化に対応できる，データセントリッ
ク時代の情報処理基盤の実現に向けたさまざまな技術課題と，NTT

木原

せいじ

誠司

†１

たなか

田中

ひろゆき

裕之

†2

研究所の取り組みについて，NTT ソフトウェアイノベーションセ

NTT ソフトウェアイノベーションセンタ センタ長† 1ンタでの活動を中心に紹介します．

NTT ソフトウェアイノベーションセンタ† ２

情報処理基盤を取り巻く環境
実世界の問題を，実世界のさまざまなデータを用いて解決していくプロセ

6

きはらす．データ中心社会においては，多種迅速性が求められる Web アプリケー

大量のデータの流通や分析の礎となるション等の開発に適したアジャイル型

情報処理基盤の役割がより重要になる開発も広く取り入れられるようになっと考えられます．

てきており，さらに高速化するビジネ
ス変革に追従できる，新たな開発技術

スはますます重要となりつつありま

これまでの技術的歴史を振り返る

す．製造業においては工場稼働データと，情報処理基盤はたゆまぬ進化を遂に基づく予実管理や設備の故障予測，

げてきました．システム基盤の観点でこのような背景から，NTT ソフト

小売業においては気象データに基づくは，まずプロセッサの性能向上が，微ウェアイノベーションセンタ（SIC）

需給予測や顧客行動データに基づく細化によるシングルコア CPU の高速

では，IOWN 構想に基づく将来の情報

マーケティングや動線設計など，その化，そしてマルチコア化により実現さ処理基盤の実現に向けて，関連する技

ようなプロセスの事例は枚挙に暇があれてきました．またサーバ単体による術を専門とする各 NTT 研究所と連携りません．データから価値を生み出す

プロセッシングから，分散・並列化にし，データ中心社会を支えビジネスのという意味で，このようなプロセスをよる高速化・スケール化へと，システ進化に対応できる，システム基盤技術

私たちは「データ価値化」と呼んでいム全体の高速化・高度化も進められてとソフトウェア開発技術の研究開発にます．企業間競争の激化や環境問題・きました．私たちの提唱する IOWN

取り組んでいます．

社会問題の深刻化に加え，新型コロナ（Innovative Optical and Wireless

ウイルス感染症の流行によるリモート

Network）構想（1），（2）では，ハードウェ

型社会への強制的移行等により，社会

アやネットワークの進化に加え，それ全体がデジタルトランスフォーメー

らに対応できるソフトウェア，すなわ

データ中心社会におけるデータ価値ション（DX）を迫られ，データ価値

ちシステム基盤技術にも進化が求めら化の大まかな流れを図に示します．ま化への期待は高まる一方です．このよれます．ソフトウェア開発手法の観点

ず実世界の各所において，センシング

うな背景から私たちは，意思決定や最では，基幹システム等の大規模・高品

データやログデータ等として実世界の適化，未来予測など，あらゆる場面で質なソフトウェアが求められる場合にモノやコトに関するデータが生成・収データに基づき価値を生み出す「デー

適したウォーターフォール型開発に加集され，蓄積されます．次に，このデー

タ中心社会」が到来すると考えていまえ，近年ではユーザビリティや開発のタを分析・変換し，これに基づき問題

2022.2が求められます．

データ中心社会を支える情報処
理基盤技術

特集

顧客
製造・農業・自動車・公共等

収集

蓄積データに基づく活動
分析・
変換

データ
データ流通

図

データ分析・価値化

データ中心社会のバリューチェーン

を解決すべく実世界へ働きかける活動

データを生み出し，運び・処理し・届（₆）
モリセントリックアーキテクチャ』を行います．多くの場合，この活動にけるといった処理すべてにおいて高速がその一例になります．

より変化した実世界について，また性 が 求 め ら れ ま す．NTT で は，

（2） データ流通技術

データ収集していく，という循環を繰

IOWN 構想を提案し，スマートな社会

データ中心社会で生み出されたデー

り返すことで，漸次的に改善したり，の実現に向けて研究活動を進めておタを真に活用するためには，地理的・

実世界の変化に継続的に追従したりしり，その中で共通的に求められるのが，ネットワーク的に離れたデータ群の組ます．データをエビデンスとして，実高速・広帯域ネットワークと，高い処

み合わせとともに，組織や国などの垣

世界へフィードバックをかけていくこ

理能力を持つコンピュータです．この根を越えたデータ群を掛け合わせるこのようなプロセスにより，堅実に実世コンピュータの実現に向けて，光電融とも必要となってきます．この掛け合界を良い方向へ動かし，さまざまなド

合技術を活用した「ディスアグリゲー

わせには，高速なネットワークやコン

メインの顧客へ価値を提供していくこ

テッドコンピューティング」という概

ピュータ等はもちろんのこと，実世界とが可能となります．

（3）

念を提案しました ．私たちは，2021

におけるデータの発生・蓄積の状況に

年 ₇ 月に発足した NTT IOWN 総合イ

合わせた管理・処理とともに，データ

このようなデータ中心社会のバ
リューチェーンを支えるべく，以下のノベーションセンタのもとに共に所有者の意思に合わせた権限やライフような情報処理基盤技術の研究開発に集結した NTT ネットワークイノベーサイクルの管理・処理も必要となりま取り組んでいます．

ションセンタ，NTT デバイスイノベー

す．このような課題の解決に向けた取（1） ディスアグリゲーテッド・コションセンタと協働し，特にシステムり組みとして，本特集記事『組織を越ソフトウェアについて取り組んでいまえたデータ利活用を安全・便利にする

データ中心社会で生み出し活用されす．本誌特集記事『ディスアグリゲー（₇）
において，NTT
次世代データハブ』

る膨大なデータを価値とするためには，

テッドコンピューティングに向けたメ

社会情報研究所（₈）との取り組みを紹介

ンピューティング技術

（4）
（₅）
，

2022.2

₇

特集

データセントリック時代のソフトウェア技術

します．

ます．その 1 つとして，本特集記事（3） データ分析・価値化技術『繰り返し型の効率的なテストを実現

データから価値を生み出すために（11）するテスト活動データ分析技術』には，もちろん，コンピュータや情報流て，機能の追加や改良に伴い繰り返し通の仕組みだけでは足りません．価値

実行される回帰テストを効率化する技を創出する各ドメインにて具体的な問術を紹介します．

題と向き合い，入手できる多様なデー
タと多様な分析方法から，適切な組みデータ中心社会を支え，ビジネスの式化をする必要があります．このため進化に対応できる将来の情報処理基盤には，統計学や機械学習のような素養の実現に向けては，本稿で述べたようと各ドメインの理解が必要で，能力とにさまざまな課題を解決していく必要

ともに，ツールや基盤による支援が必があります．IOWN 構想のもと，さま要となると考えています．これらは今

ざまな産業分野のパートナーの方々，

やいかなる領域でも必要となるため，

学術分野・技術分野の専門家の方々とNTT の研究所においても，NTT コンのコラボレーションを通じて，各技術

ピュータ＆データサイエンス研究所の早期確立をめざしていきます．

を中心として，多数の組織にて取り組
みがなされています．SIC では特に，問題の定式化に基づいてデータを価値に変換する処理を高速に実行するための処理基盤に取り組んでおり，具体例
を本特集記事『将来のスマートシティ
を支える高解像度多カメラ分析基（10）にて紹介します．
盤』（4） ソフトウェア開発技術
データ中心社会においてはビジネスやサービスに求められる進化のスピードが大きくなるため，ソフトウェア開発の従来の手法ではいずれ限界がくると考え，ソフトウェア開発における人の作業の一部をAI（人工知能）が代替・超越する技術の実現により，AI と人が協働できる新たな高速開発の実現に向けた技術の研究開発に取り組んでい

8

今後の展開

合わせを見つける，すなわち問題の定（9）2022.2

スト活動データ分析技術，” NTT 技術ジャー
ナル，Vol.34，No.2，pp.18-21，2022．

■参考文献（1） https://group.ntt/jp/newsrelease/2019/05/
19/190509b.html（2） https://rd.ntt/iown/（3） 岡田 ・ 木原 ・ 岡崎：“IOWN を支えるディス
アグリゲーテッドコンピューティング，” NTT
技術ジャーナル，Vol.33，No.5，pp.40-44，2021．
（4） https://group.ntt/jp/newsrelease/2021/05/
12/210512d.html（5） https://www.rd.ntt/iic/（6） 石崎 ・ 山部：“ ディスアグリゲーテッドコン
ピューティングに向けたメモリセントリック
アーキテクチャ，” NTT 技術ジャーナル，Vol.33，No.5，pp.50-53，2021．
（7） 大 村 ・ ジ ェ イ ・ 片 山 ・ 河 井 ・ 柏 木 ・ 馬
越 ・ 除補 ・ 木村：“ 組織を越えたデータ利活用を安全 ・ 便利にする次世代データハブ，” NTT 技術ジャーナル，Vol.34，No.2，
pp.9-13，2022．
（8） https://www.rd.ntt/sil/（9） https://www.rd.ntt/cds/（10） 三上 ・ 史 ・ 井上 ・ 榑林 ・ 松尾 ・ 山崎：“ 将来のスマートシティを支える高解像度多カメ ラ 分 析 基 盤，
” NTT 技 術 ジ ャ ー ナ ル，
Vol.34，No.2，pp.14-17，2022．
（11） 丹野 ・ 切貫 ・ 川口 ・ 但馬 ・ 生沼 ・ 村本：“ 繰り返し型の効率的なテストを実現するテ（左から）木原  誠司 / 田中  裕之
ソフトウェアに関するエンジニアの力と研究者の力，SIC が持つこれら 2 つの力に加え，各 NTT 研究所の力，そしてOSS（オープンソースソフトウェア）活動を含む世界中のさまざまな方とのコラ
ボレーションにより，将来の情報処理基盤の実現をめざしていきます．

◆問い合わせ先NTT ソフトウェアイノベーションセンタ企画担当
TEL 0422-59-2207
FAX 0422-59-2072
E-mailsic

hco.ntt.co.jp

特集

データセントリック時代のソフトウェア技術

データ流通

データ

データ駆動型
社会ハブ

組織を越えたデータ利活用を
安全 ・ 便利にする次世代データハブ
おおむら

経済的発展と社会課題解決の両立が期待されるデータ駆動型社会
においては，企業や組織を越えたさまざまなデータの利活用が必須です．しかし，機微なデータやアルゴリズムの取り扱いや，遍在する多種多様なデータ群からの所望のデータの発見や取得に関して多くの課題が存在し，広く実践されるに至っていません．本稿では，

けい

大村

圭

かたやま

しょうこ

ジェイ ホンジェ

†１

片山

翔子

かしわぎ

けいいちろう

†１

かわい

†１

さきこ

河井

彩公子

うまこし

けんじ

†１

柏木

啓一郎

馬越

健治

よすけ

ゆきこ

きむら

たつろう

除補

†１

由紀子

†１

木村

†2

達郎

それら課題を解決し，組織を越えたデータ利活用を安全 ・ 便利に

NTT ソフトウェアイノベーションセンタ† 1する次世代データハブと主要な技術を紹介します．

NTT 社会情報研究所† ２は，目的外利用などによる機密情

次世代データハブとは報漏洩の懸念がある．

†１

プローチを説明します．

仮想データレイク

スマートシティや企業横断型 DX な

これら課題の解決に向け，私たちはどの例にみられるように，企業や組織

次世代データハブの研究開発に取り組

複数の組織や拠点に遍在するデータの枠を越えたデータの流通と利活用にんでいます．次世代データハブは，提を活用する場合，従来モデルでは，図よる新たな価値の創出や社会的課題の供者によるデータに対するガバナンス

2（a）に示すように各拠点で生成され解決に向けた取り組みが始まりつつあを維持しつつ，多拠点に遍在するデーたデータを単一の拠点に集約して 1 つ

ります．しかし，このような取り組み

タから利用者が必要なデータを迅速にの巨大なデータレイクをつくり，各利を一部の限定的なものではなく，社会

効率良く入手し利用できるようにする

用者はそこにアクセスすることでデー全体に拡大していくには以下のようなデータ流通の基盤であり，企業や組織

タ活用を行ってきました．しかし，こ課題があります．

の枠を越えたデータの利活用を安全でのモデルでは，データ利用者が実際に便利にするものです．

利用するデータはごく一部であっても・それぞれの企業で個別に収集，管理されている膨大なデータの中から目的に合致するデータを見つけ出すことや，必要時に迅速に取得

次世代データハブの主要な構成要素は以下の 3 つです（図 1 ）．
①

することが困難である．
・一方，データを提供する立場からすると，自身の貴重なデータの利②

用可否を適切に制御し，また，そな問題に加え，データ提供者の視点か

複数企業のデータを仮想的に統らは自身のデータのコピーが大量に生合し，効率的なデータ検索・取得

成されデータへのガバナンスが効かなを可能にする「仮想データレイク」

くなるといった問題が生じ，企業間で多拠点間での効率的なデータ送

データを流通させ，さまざまな分析・受信を可能にする「データブローの流通範囲や利用実績を把握する

全量コピーが必要となるなどの一般的カー」

解析をすることが困難でした．
そこで私たちは，各拠点に遍在する企業間でデータやアルゴリズム

データを単一拠点に集約することなく・特に希少性の高いデータや重要なを互いに秘匿したまま実行可能に活用可能とするためのデータ基盤技術

ノウハウの詰まった分析アルゴリ

する「データサンドボックス」

を仮想データレイクと呼び，研究開発

ズムを他の企業に利用させるに

以下，それぞれが解決する課題とアことが困難である．

③に取り組んでいます．

2022.29

特集

データセントリック時代のソフトウェア技術

仮想データレイクは，図 ₂（b）に示で，自身のデータに対するガバナンス

く遍在データをどのように効率良く管すとおりデータそのものではなくメタを維持することが容易となります．

理するか，また，データ利用者が常に

データ ＊ 1 を収集することで，遍在す

この仮想データレイクの実現に向利用可能な状態とし適切なタイミング

るデータを仮想的に集約・一元化し，け， ₂ つの観点からの問題の解決に取で手元に届けるかというデータ管理・

データ利用者がオンデマンドに必要なり組んでいます． 1 番目は，さまざま配信の観点です．以降ではそれぞれのデータのみを効率良く取得して分析やな取得経緯により形式や品質の異なる観点での問題解決の取り組みについて解析処理に活用することを可能としま

膨大なデータの中からデータ利用者の説明します．

す．また，データ提供者からするとマ

目的達成に必要なデータをどのようにスタとなるデータを常に自拠点で管理

効率的に発見し，活用につなげるかとし，要求に応じて仮想データレイクをいうデータ発見・活用の観点， ₂ 番目

介して利用者にデータを提供すること

は，各拠点で日々生成され増加してい＊1

メタデータ: 本稿では，データの所在や作成
者，形式などの「データを説明するためのデータ」全般のことをメタデータと呼びます．

次世代データハブ

企業A管理
ストレージ

企業Xサイト

仮想データレイク

効率的なデータ探索

メタデータ管理

データ管理情報（メタデータ）

許可したデータのみ表示（ガバナンス維持）
必要時に必要分だけ
高速オンデマンド転送

仮想的に一元化

企業B管理
ストレージ

データサンドボックス

分析アルゴリズム指示
分析結果のみ（データ最小化）
秘匿したまま処理

高信頼蓄積

データブローカー

リアルタイムメッセージ交換
超大量デバイス
多数の拠点への高速通信（センサ，アクチュエータ） （大量サブスクライバ対応）

図₁

IOWNコアネットワーク

次世代データハブの全体像

データ利用者

データ利用者

データ解析・分析拠点

データ解析・分析拠点

データレイク

仮想データレイク

データ
提供者

拠点Aのデータのサブネット
拠点Aの
メタデータ

データ
提供者
拠点A

拠点B

拠点A

（a） 従来のデータレイク

2022.2

拠点B（b） 仮想データレイク

図2

1₀

制御用AI

データ活用モデル

特集■データ発見・活用

すべての拠点のデータを利用者がいこのような大量の端末との間での低遅膨大なデータの中からデータ利用者

つでも活用できる状態とするために，

延かつ高信頼なメッセージ交換を可能が必要とするデータを発見できるよう

各拠点でのデータの作成・更新・削除とする，新たなデータブローカー技術にするために，データを詳しく説明すといったイベントを低遅延に収集しメの開発に取り組んでいます．

る “メタデータ” を一定の規則に従っタデータとして管理します．こうした従来のデータブローカー技術では，て統一的に付与し，管理します．

最新の状態のメタデータを用いること大量端末への同報配信を効率良く行う

メタデータには，データの意味情報

で，利用者からは手元にデータが存在ことのみを重視してメッセージの永続のようにデータ提供者によってあらかするかのように，ファイルの一覧情報

化や再送制御を行わず信頼性に欠ける

じめ付与されるものもあれば，データを表示したり，要求を出してその中身

設計，もしくは，確実な配信のみを重の形式や品質情報のように自動付与さを取得したりすることが可能となり視して大量端末に対応できない設計のれるものもあります．これらを用いた

ます．

いずれかとなっており，前述した要件

さまざまな条件での柔軟な検索を可能

また，利用者がデータを要求してかの双方を同時に満足することができまとし，データ利用者の目的達成に必要ら返却されるまでのレスポンスを実用せん．これらを両立するうえでの課題

なデータの絞り込みを容易にします．

上問題のない長さにするために，デーの 1 つとして，端末が受信できなかっ

また，データ間の関連性や，プロビ

タの差分配信を行えるデータフォー

たメッセージの再送処理があります．

ナンスデータと呼ばれるデータの出自

マットや，仮想データレイク内での再送のためには，端末 1 つひとつにつから流通経路や加工プロセスに至る情キャッシュ機構を導入します．これにいてメッセージの配信状態を記録する

報もメタデータとして付与し，管理しより機械学習のように同じデータを繰必要がありますが，端末が大量に接続ます．前者により，データ利用者が曖

り返し活用する処理においては，デーされる場合，その状態管理コストは非昧な手掛かりしかない場合でも関連しタの転送に伴う処理時間の増大を抑え

常に大きく，リソース不足による転送たデータをたどることで本当に必要なることが可能となります．また，デー遅延が生じ得ます．私たちは送受信プ

データを発見しやすくなります．また，タへのアクセスのパターンや頻度に応

ロトコルの見直しや状態管理アルゴリ

後者により，データに不適切な加工がじて動的にデータをキャッシュするプ

ズムの改善によりこの課題の解決を試なされていないことや出自が不明な怪リフェッチ機能や各拠点から仮想デー

みています（図 3 ）．

しいデータではないことを確認でき，

タレイクへ PUSH 型の配信を行う機こうした課題解決の積み重ねによ

データの信頼性を判断できるようにな能を整備し，データ利用者や提供者がり，大量端末との低遅延かつ高信頼なります．

自身の要件に応じたアルゴリズムをプ

メッセージ交換を可能とする新しい■データ管理・配信

ラガブルに適用できるように，設計・データブローカーを実現していきます．

遍在するデータを集約することなく，遍在した状態のまま効率良く管理
し，オンデマンドに取得できるように開発を進めています．

データブローカー

データサンドボックス■背景するには，いくつかの課題があります．

近年，スマートファクトリーやコネ

前述のように，異なる企業がそれぞ本稿では特に，各拠点で日々生成，更クテッドカーなどの分野では，数万〜れ保有する希少性の高いデータやアル

新されていくデータの最新状態を遠隔数10万台のセンサや車両などの端末がゴリズムを掛け合わせることで新たなからどのように効率良く把握し管理すネットワークに接続され，監視や制御

価値を生むことが見込まれているにもるか，データの要求から返却までのレに必要なメッセージの送受信を行ってかかわらず，その漏洩への懸念から，

スポンスタイムを高速化し単一データ

います．正確な監視や制御のためにそうした企業間の連携はほとんど行わ

レイクに集約したときのそれにどのよ

は，端末からのデータ収集と端末へのれていません．

うに近づけるか，といった課題への取フィードバック伝達をごく短時間で確データやアルゴリズムを互いに開示

り組みについて述べます．

実に行う必要があります．私たちは，せずに掛け合わせる単純な方法とし2022.211

特集

データセントリック時代のソフトウェア技術

端末 1

同時配信

Msg1
Msg1

端末 2

Msg1

g1

Ms

端末 3

s

M

Msg1

Msg3

Message2
Message3

データ永続化状態管理
端末 1
Msg1:済Msg2:未端末n

図₃

きる第三者（プラットフォーム事業者）に預けて計算した結果のみを返してもらう」というものが考えられます．こ

端末 2
Msg1:済Msg2:未端末n
Msg1:済Msg2:未

Msg1
Msg2
Msg3

データブローカーの再送・永続化機構イメージて，「データやアルゴリズムを信頼でされない）．

■技術課題と解決アプローチ
これらを実現するには，主に以下に示す課題の解決が必要です．

実行環境の生成
データサンドボックスはユーザどうしが合意したデータ利用ポリシーごとに独立した実行環境を生成します．ま

互いに開示する必要はなくなりますが，の不正実行，それによる元のデー

た，この実行環境から外部へのアクセ

プラットフォーム事業者には開示してタや結果の不正取得

スを制限し，アルゴリズムによる利用

しまうことになります．

①■技術 ₂ ：揮発性のある独立したなりすましによるアルゴリズムの方法では，データやアルゴリズムを②

誤ったアルゴリズムの実行による元のデータや結果の流出

私たちは，プラットフォーム事業者③

ポリシーに反したデータの外部への持ち出しを防止します．さらに，アルゴプラットフォーム事業者によるリズムの処理完了と同時にこの実行環

つつ，プラットフォーム事業者にもそデータやアルゴリズムの不正取得

境を消去し，データやアルゴリズムのの内容を秘匿したままデータとアルゴ

データサンドボックスでは，これらリズムを掛け合わせることが可能な課題を下記技術の組み合わせにより解「データサンドボックス技術」の研究決します（図 ₄ ）．

開発を進めています．本技術により以■技術 ₁ ：認証と合意に基づくアが計算を代行するモデルをベースとし下のようなデータやアルゴリズムの利

クセス制御

活用の実現をめざしています．

データサンドボックスは利用する･ 競合各社がデータを持ち寄ってユーザ（データやアルゴリズムの提供

統合して処理し，その結果を各社

者，結果データの利用者）を認証し，で共有する（ただし，各自のデー

なりすましを防止します．また，元タは相手やプラットフォーム事業

データやアルゴリズムおよび結果デー

者に開示されない）．

タに対するアクセスをユーザどうしが･ 自社の貴重なデータを他社が有事前に合意した内容（データ利用ポリ

する秘伝の分析プログラムで分析シー）にのっとって制御し，アルゴリ

し，その結果を得る（ただし，元ズムの不正実行やデータの不正取得をのデータや分析プログラムは相手防ぎます．

やプラットフォーム事業者に開示

1₂

Msg2

再送制御

g1

Message1

キュー

2022.2

流出を防止します．

＊2＊3

TEE：OS の管理権限を持つユーザによるメモリ参照を防止するため，CPUがメモリ領域を暗号化して利用するように構成された隔離実行環境のこと．これまではモバイ
ル端末や組込み系機器を中心に利用されていましたが，近年では Intel や AMD などのサーバ用CPUにも多く搭載され始めています．
リモートアテステーション：ユーザが TEEの真正性を確認する手段としてCPUベンダが提供する機能．ユーザはTEEの構成情報を取得し，これをCPUベンダがインターネッ
ト上で提供するリモートアテステーション
サービスを用いて検証することで，そのTEE が CPU ベンダの提供した機能を利用して作成され，改ざんされていないことを確認できます．

特集

リモートアテステーションサーバ
技術 3 . TEEとリモートアテステーションを応用した実行環境の検証
プラットフォーム
ユーザA

ユーザB

データサンドボックス
コンテナ

データ

セキュアな環境
（TEE）

データ

B

B

プログラム

ユーザC

プログラム
CPU

技術 2 . 揮発性のある独立した結果
実行環境の生成結果
データ
利用ポリシー

技術 1 . 認証と合意に基づく
アクセス制御認証基盤

図₄■技術 ₃ ：TEE とリモートアテス
テーションを応用した実行環境の検証

ポリシー管理データサンドボックスの技術構成

可能としています．

今後に向けてプラットフォーム事業者など実行環

本稿では，私たちが研究，実用化を境を運用，管理する者によるデータや進めている次世代データハブの主要なアルゴリズムの参照を防止する既存の構成要素である「仮想データレイク」

仕 組 み と し て TEE (Trusted「データブローカー」「データサンドボッとリクス」を詳しく紹介しました．次世代がありま

データハブにより，安心・安全かつ効す．データサンドボックスは，これら率的なデータ流通が可能になり，これを応用することで，「実行環境に取りまで困難とされてきた企業や組織の枠込んだデータやアルゴリズムがデータを越えた機密性の高いデータやアルゴ

利用ポリシーで合意されたものである

リズムの相互利用による新たな価値のこと」，および「利用している実行環

創出や社会的課題の解決が促進される

境が TEE を用いて生成され，データと考えています．今後は要素技術の研やアルゴリズムが秘匿化されているこ究開発やパートナーの皆様との検証評と」をユーザ自身により検証可能とし価をさらに加速させ，データ駆動型社ています．これにより，プラットフォー

会の 1 日も早い実現に貢献します．

Execution Environment)
モートアテステーション＊3＊₂

ム事業者によるデータやアルゴリズムの参照を防ぎつつ，データとアルゴリ
ズムを掛け合わせて結果を得ることを（上段左から）大村

圭 / ジェイ ホンジェ/

片山 翔子/ 河井 彩公子（下段左から）柏木 啓一郎 / 馬越 健治 /除補 由紀子 / 木村 達郎
私たちは，本稿で紹介した次世代デー
タハブの技術確立とその実用化を通じて，企業や組織の枠を越えたデータの流通と利活用による新たな価値の創出や社会的課題の解決に貢献していきます．

◆問い合わせ先NTT ソフトウェアイノベーションセンタ
企画担当
TEL 0422-59-2207
FAX 0422-59-2072
E-mailsic

hco.ntt.co.jp

2022.2

1₃

特集

データセントリック時代のソフトウェア技術

ティ
スマートシ

IOWN

AI

将来のスマートシティを支える
高解像度多カメラ分析基盤
IOWN（Innovative Optical and Wireless Network）時代のスマー
トシティは，都市のあらゆる情報を価値化しアクセス可能とする
CPS（Cyber-physical system）の上に構築されます．本稿では，都市規模の CPS を支える，高解像度 ・ 多数のカメラ映像を効率的に処理する AI（人工知能）推論基盤，および基盤上での AI 推論処理の処理量 ・ 消費エネルギーの大幅な削減を実現する「イベント駆動型推論」のコンセプトと，その要素技術である「多層推論技術」と「推論リソース共有技術」について紹介します．

みかみ

けいた

し

きょく

三上

啓太

史

いのうえ

井上

のりあき

規昭

くればやし

りょうすけ

まつお

よしのり

やまさき

いくお

松尾

嘉典

榑林
山崎

旭

亮介
育生

NTT ソフトウェアイノベーションセンタういった，現実世界を対象に情報処理分析を行ったうえで，その分析結果をを行い，最適化等を実現する仕組みを

再び現実世界にフィードバックするこ

皆様がスマートシティという言葉を表す概念として，サイバーフィジカルとで，現実世界に最適な作用を及ぼす

聞いて思い浮かべるのはどのような都

シ ス テ ム（CPS：Cyber-physicalという，いわば「現実をプログラム可市でしょうか．国土交通省の定義（1）に

system）があります．CPS とは図能にするシステム」です．

よると，スマートシティとは「都市の1 に示すように，現実世界（フィジカ

現実がプログラム可能になると何が抱える諸課題に対して，ICT 等の新技ル）の情報を仮想空間（サイバー）に起こるでしょうか．それは「現実のソ術を活用しつつ，マネジメント（計画，取り込み，コンピューティングによる

フトウェア化」です．実は現実のソフ

スマートシティとCPS

整備，管理・運営等）が行われ，全体最適化が図られる持続可能な都市または地区」としています．また，野村総合研究所の定義（2）では，より具体的に，スマートシティとは「都市内に張り巡らせたセンサー・カメラ，スマー

サイバーフィジカルシステム

コンピューティング
デジタルツインに対する情報処理

センシング
AI推論によるデータの価値化

トフォン等を通じて環境データ，設備
稼働データ・消費者属性・行動データ
等の様々なデータを収集・統合してAI で分析し，更に必要に応じて設備・

サイバー空間（デジタルツイン）

機器などを遠隔制御することで，都市
インフラ・施設・運営業務の最適化，
企業や生活者の利便性・快適性向上を目指すもの」としています．いずれの定義でも「都市を対象として，ICT 技

現実世界（フィジカル）アクチュエーション
現実世界の制御術を活用して管理運用を行い，全体最適を目指す」点は共通しています．こ14

2022.2

図1

サイバーフィジカルシステム（CPS）

特集

スを必要とする「重い処理」であり，トウェア化はすでにあちこちで起こっ来ない路線バス」は「移動したいと思っています．例えば電話です．かつて電た瞬間に目の前に止まる自動運転タク

私たちも「ストリームマージ技術」や話といえば，それは受話器とダイヤルシー」に置き換わるかもしれません．

「GPU オフローディング技術」といっを備えた箱であり，それが小型化・無都市規模の CPS を構築し，その上た効率化・高収容化技術に取り組んで線化した携帯電話も，はじめはあくま

でさまざまな都市サービスのソフト

きました．しかし，IOWN（Innovative

で遠隔地の音声をつなぐ端末でした．

ウェア化を進めることで，電話がス

Optical and Wireless Network）

しかし，電話が「ソフトウェア化」しマートフォンになることで手元に起き構想がめざす，「ヒトでは扱いきれなたスマートフォンの登場は世界を変えたような，劇的な変化と利便性・快適い規模の事象をとらえ，ヒトを超えるました．物理的なボタンはタッチスク

性向上が都市規模で起こることが期待速度で分析・判断できる AI システム

リーン上のアイコンとなり，やがて自されています．

の実現」に向けては，入力データのさ由に姿を変えてあらゆる手のひら大のインタフェース（電話，電卓，書籍，
カメラ等）を兼ねるようになりました．
電子書籍やデジカメも，書籍やカメラ

鍵となるのは
AI 推論処理における処理量 ・
消費エネルギーの削減

らなる高解像度化・高 FPS（FramePer Second）化と，都市規模のカメ
ラ・センサ数への対応が必要となります（3）．一般に AI 推論の処理量と消費がソフトウェア化した例といえるで

では，スマートシティを支える基盤

エネルギーは分析対象となるデータ量

しょう．このソフトウェア化により，である都市規模の CPS は，容易に実に比例するため，入力データ量の爆発

従来の静的で一方通行のインタフェー

現可能なのかというと，そんなことは的な増加は，そのまま処理量と消費エ

スは動的でインタラクティブなものにありません．CPS は大きく，センシ

ネルギーの爆発的な増加につながりま

変化し，また提示される情報も受け手

ング，コンピューティング，アクチュ

す．IOWN 時代のスマートシティを支に応じたパーソナライズやレコメンド

エーションの 3 ステップからなり，そえる都市規模の CPS を実現するためが可能となるなど，劇的な変化と利便

れぞれの領域では現在進行形でさまざには，この処理量・消費エネルギーを性・快適性向上が起こりました．

まな研究が進められています．その中

持続可能なレベルまで削減する技術が話をスマートシティに戻します．そでも NTT ソフトウェアイノベーショ必要となるのです．

う，スマートシティというのは，「ソンセンタ（SIC）が課題として取り組

フトウェア化した都市」なのです．こんでいるのが，センシングおよびコン

れまで都市を構成する要素というの

ピューティングを担う AI（人工知能）

は，コンクリートでできたビルであり，推論基盤です．スマートシティにおけ

前述の処理量・消費エネルギーの削

金属製の看板であり，その上で運行さるセンシングは，都市の各所に配置さ減のために私たちが取り組んでいるのれる交通機関でした．しかし，スマーれたカメラや各種センサ，都市内のコが「イベント駆動型推論」というスト

トシティではビルは BMS（Building

ネクティッドカーやスマートフォンか

リームデータ向け AI 推論の実装コンManagement System）で制御さら発生し続ける大量のストリームデー

セプトです．イベント駆動型推論の目れたスマートビルディングに，看板はタを深層学習による推論（いわゆる的は，AI 推論に必要な処理量を，「入デジタルサイネージに，交通機関はコ

AI 推論）によって分析し，意味のあ

力データ量依存」から「価値ある情報

ネクティッドカーをはじめとしたスマーる情報として価値化することによって量依存」に変えていくことにあります

トモビリティになり，それらはすべて行われます．また，価値化された情報（図 2 ）．

プログラム可能です．都市がソフトを「デジタルツイン」として計算機上

従来の，すべてのフレームを逐次的ウェア化されれば，「いつも混雑するに再構築し，現実世界に望む結果をもに処理する常時処理型の AI 推論にお道路」は「交通状況に応じて車線や制たらすフィードバックを計算するのにいては，処理量と消費エネルギーは入限速度が最適化されるスマート道路」

も AI 推論は欠かせません．

力されるデータ量（解像度・FPS・になるかもしれませんし，「なかなか従来から AI 推論は大きな計算リソー

イベント駆動型推論のコンセプトと要素技術

ストリーム数等）に依存します．した2022.215

特集

データセントリック時代のソフトウェア技術

計算リソース必要量

計算リソース必要量t
カメラの動作時間

従来の推論処理方式

論

型推

動
ト駆

ン

イベ

イベントの発生頻度

車が通過した時間

図2がって，スマートシティに配置される推論が挙げられます．多層推論は，同カ メ ラ や セ ン サ の 高 解 像 度 化・ 高一フレームを複数ステップに分けて分

FPS 化・数量増加は，そのまま処理析するもので，次節にて詳しく紹介しイベント駆動型推論を実現するため量と消費エネルギーの増加につながります．その他のアプローチとして，時には，何らかの方法でイベントを検知ます．これは一見当たり前のように思間的制御，および空間的制御がありまする必要があります．多層推論では前えますが，例えば人間の認知のメカニ

す．時間的制御では，時間的に前のフ段のイベント検知を行う軽量な前さばズムを考えると，解像度の増加が処理

レームの分析結果を基に，以降のフきモデルと，後段の本格的な分析を行

量・消費エネルギーの増加に直結する

レームの分析パラメータを制御しま

う AI 推論モデルを組み合わせ，イベ

ことはありません．それは人間が，普す．例えば，「通常時は5FPS で分析

ントが起きたときのみ後段の AI 推論

段はなんとなく全体を把握しておき，を行い，人物が検知された場合のみ分モデルを駆動することで系全体での処

いざ何かイベント（目の前に急に現れ析の頻度を上げ，15FPS で分析する」

理量を削減します（図 3 ）．前さばきる，音を立てる等）が起きたときにはといった制御がこれにあたります．空

モデルとしては，イベント検知によりそちらに注意を払い，対象を詳しく見

間的制御では，カメラやセンサのトポ

後段に送るフレームの絞り込みを行う

るというイベント駆動型の認知を行っ

ロジーを活用し，ある入力ソースの分

もの，後段と同一のタスクを前段でよているためです．この場合，認知に必析結果を使って他の入力ソースの分析

り軽量・低解像度なモデルで推論し，要な処理量・消費エネルギーは，「注パラメータを制御します．例えば，「監

処理結果の確信度が低い場合のみ後段

意を払うべき対象の量」すなわちその視エリアの入口のカメラにおいて人物に送るもの，AI 推論を分割してその人にとって「価値ある情報の量」に依が検知された場合のみ，エリア内のカ前半部分を前さばきモデルとし，中間存するはずです．AI 推論を実装する

メラ映像を分析する」といった制御が出力を後段に送るものなど，複数のバ際も同様の工夫を行うことで，「価値これにあたります .

リエーションが考えられ（3），ユースケー

ある情報量依存」の処理量を実現しよ

このコンセプトの実現に向けて，うというのが「イベント駆動型推論」

SIC では「多層推論技術」および「推のコンセプトです．

論リソース共有技術」に取り組んでいイベント駆動型推論の実現方式とし

16

イベント駆動型推論の概観

ます．

多層推論技術スや利用するハードウェア構成によって最適な構成は変わってきます．

推論リソース共有技術ていくつかのアプローチが考えられま

イベント駆動型推論により処理量がす．代表的なアプローチとして，多層「価値ある情報量依存」になった場合

2022.2

特集

一次解析（軽量な前さばき）

二次解析（本格的なAI推論分析）

アクション

図₃

に必要となるのが推論リソース共有技術です．従来の常時処理型の AI 推論

前さばきモデルを用いた多層推論技術の例

今後の展望

では，必要となるハードウェアリソー

本稿では，都市規模の CPS によっ

スは常にほぼ一定であり，その収容設て実現される，ソフトウェア化された計は容易でした．一方で，イベント駆都市（＝スマートシティ）の世界観と，動型推論では，必要となるハードウェ

それを支える，高解像度・多数のカメ

アリソースはイベントに応じて変化しラ映像を効率的に処理する AI 推論基

ます．イベントが集中し負荷が上昇し盤，およびイベント駆動型推論のコンた場合にも対応可能なリソースを用意

セプトと，その要素技術である多層推する必要がありますが，ピーク時に合論技術と推論リソース共有技術についわせて確保したリソースを普段は遊ばて紹介しました．

ベント駆動型推論，” NTT 技術ジャーナル，Vol.32，No.12，pp.16-22，2020．
（4） https://developer.nvidia.com/nvidia-tritoninference-server（5） https://kserve.github.io/website/

せてしまうのは望ましくありません．

多層推論技術や推論リソース共有技

このように，変化する推論の要求に術を利用し，イベント駆動型推論のコ応じて動的にハードウェアリソースをンセプトを導入することで，IOWN 時

割り当てる技術としてはサービング技

代のスマートシティで必要となる膨大術（Triton Inference Server ，な AI 推論の処理量・消費エネルギー

KServe 等）がありますが，一般にを大幅に削減することが期待できま

サービング技術はオンデマンドなユー

す．さらに，IOWN に向けた 1 つひスケースに特化しています．SIC では，とつの要素技術を積み重ねることで，サービング技術をリアルタイムなスト

ヒトを超える速度で分析・判断できる

リーム処理ユースケース向けに拡張しAI システムを実現します．そして，た「推論リソース共有技術」の研究開より安全で，誰にでも利用でき，持続発に取り組んでいます．推論リソース

可能で，より快適なサービスを創造し，共有技術を用いることで，リアルタイ

さまざまな社会課題を解決していき

ムなストリーム処理のユースケースにます．

私たちは，現状のデータセンタやクラウドでも動くソフトウェアを開発すると同時に，IOWN を見据えて情報処理基盤に必要な要素技術を創出しています．

■参考文献◆問い合わせ先（₄）（5）

おいても，ストリーム間で推論リソー
スを共有し，ピークの異なる複数のス
トリームを束ねて統計多重効果を得ることが可能となります．

（1） https://www8.cao.go.jp/cstp/society5̲0/
smartcity/index.html（2） h t t p s : / / w w w . n r i . c o m / j p / k n o w l e d g e /glossary/lst/sa/smart̲city（3） 江 田 ･ 榑 林 ･ 榎 本 ･ 史 ･ 飯 田 ･ 羽 室：
“IOWN 時代の AI サービスを支える高効率イ（上段左から）三上 啓太 / 史

旭/

井上 規昭
（下段左から）榑林 亮介/ 松尾 嘉典/
山崎 育生

NTT ソフトウェアイノベーションセンタ
AI 基盤プロジェクト
TEL 0422-59-7262
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2022.2hco.ntt.co.jp

1₇

特集

データセントリック時代のソフトウェア技術

ソフトウェア
テスト

探索的
テスト

テスト
スクリプト

繰り返し型の効率的なテストを実現するテスト活動データ分析技術
近年，コストを抑えながらソフトウェアを早期にリリースすることへの要求が増しています．そのため，開発全体のコストに占める割合が大きく，ソフトウェアの一定の品質を確保するために必要となるソフトウェアテストは，開発における QCD（Quality, Cost,
Delivery）の要といえます．本稿では，NTTソフトウェアイノベーショ
ンセンタ（SIC）が研究開発を行い OSS 化した，テストを飛躍的に効率化する技術について紹介します．

はると

きりぬき

ひろゆき

丹野

治門

切貫

弘之

かわぐち

たかひろ

たじま

まさき

川口

敬宏

但馬

将貴

おいぬま

もりひで

むらもと

たつや

生沼

守英

村本

達也

NTT ソフトウェアイノベーションセンタ

えて，新規機能追加等による既存機能

リプト作成を行います．そしてテストの劣化が引き起こされていないかを確実施では，テストケースごとに，入力

ウォーターフォールモデルによるソ認するためのテスト（回帰テスト）を，

データを与え，ソフトウェアを動作さ

フトウェア開発は図 1 のように行われリリースのたびに旧機能全体に対してせ，それぞれのテストケースでソフトます＊．テストで摘出できなかったソ行う必要があり，これにも大きなコスウェアの振る舞いが期待どおりである

フトウェアの不具合はそのままユーザトがかかります．NTT ソフトウェア

かを確認します．現状のテストでは大の元へリリースされてしまうため，ソイノベーションセンタ（SIC）では，

きく 3 つの課題があると考えています．

フトウェアの品質確保においてテスト

ソ フ ト ウ ェ ア 開 発 に お け る QCD

1 番目の課題は，従来の事前計画しは欠くことのできない大事な工程で（Quality，Cost，Delivery）の要とた指標値に基づいた網羅的かつ詳細なす．しかし，これらを手動ですべて行なっているテストを変革し，ソフトウェ

テスト設計には大きなコストがかかる

おうとすると大きなコストがかかって

ア開発の生産性を飛躍的に向上させるという点です．品質向上をめざして網しまいます．また，近年ではユーザのことをめざしています．

羅性を追求すると膨大な時間がかかり

ソフトウェアテストの重要性

ニーズの変化や，動作環境となるソフ
トウェア，ハードウェアの進化のスピー

ソフトウェアテストの現状ます．加えて，テストの再現性や監査性の確保のために，各テストケースにドが早いため，必要に応じて素早くソ

ソフトウェアテストの目的は，ソフ

ついて，テスト手順など詳細に記述す

フトウェアを改良し短期で繰り返してトウェアが正常に振る舞うことを確認るような重厚長大なテストケース表のリリースすることも求められていましたり，ソフトウェアの不具合数を減作成にも大きな稼働がかかります．

す．しかし，一定の品質を確保しながらしたりすることです．テスト工程に2 番目の課題は，テストの実施にはらソフトウェアのリリースを繰り返しおける主要なタスクはテスト設計，テ

膨大な稼働とスキルを要するという点行うためには，新規部分のテストに加スト実施となります．テスト設計でです．多数あるテストケースそれぞれ

は，行うべきテストのバリエーション

について，手順に沿って，テスト対象の洗い出しを行い，テストケースを網アプリへの操作や入力，そして結果の

要件
定義

図1

18

たんの

設計

製造

テスト

羅的に設計し，各テストケースそれぞれについて具体的にテスト実施可能なソフトウェア開発プロセス

2022.2

手順への詳細化や，自動実施用のスク＊ 図 1 はウォータフォール開発におけるプロセスとなっており，アジャイル開発ではこのようなプロセスを短期で繰り返すこととなります．

特集

確認を行う必要があります．手順どお開発技術を確立し，AI と人が協働しりにすべてを実施していくことに多大て開発を行うというアプローチをとっ

そして，最終的には，大量に蓄積しな時間がかかります．

ています．超高速開発におけるテスト

たテスト活動データを解析することで，については図 2 に示すような世界をめ

過去のテスターの知見を再利用し，テざしています．

スト実施中に繰り返し行われる手順に3 番目の課題は，短期で繰り返しリ
リースを行うために必要となる回帰テす（ 3 番目の課題の解決）．

ストの自動化にコストがかかる点で私たちのアプローチでは，闇雲に網ついては自動実施による補助を行うこす．JUnit，Selenium など，テスト

羅性を追求せず，テストすべき個所をとに加え，テスト品質を向上させるたを自動実行するための既存のフレーム

選択し，そこに集中します．そして，めにテスト推薦を行うことで，テストワークやライブラリは多く存在します

どこへ選択・集中するかについては，実施についても大幅に省力化することが，自動実行のためにはスクリプト作テスト実施状況・結果のデータを収をめざします（ 2 番目の課題の解決）．

成が必要となり，スクリプト作成に大集，分析して逐次判断します．これに今回，本稿では，NTT グループ内

きな手間がかかります．そのうえ，スより，従来の網羅的なテストの課題をでも多く開発されている，Web アプ

クリプトは一度作成したら終わりでは解決し，テストの飛躍的な効率化を実

リケーションをフロントエンドとしてなく，テスト対象ソフトウェアの修正現します．収集したテスト実施状況・持つ業務アプリケーションにおける，に合わせてスクリプトを修正するとい結果のデータに詳細なテスト手順も含効率化のニーズが高い結合テストを対う保守作業にも大きな手間がかかりまれるため，テストの再現性と監査性象とした技術「LatteArt」が，どのます．

も担保することができます（ 1 番目のように 1 番目と 3 番目の課題を解決し課題の解決）．加えて，収集したテスているかについて説明します．

めざす世界

ト活動データを活用し，保守しやすい

SIC では，多様化・曖昧化するビジ

テストスクリプトの自動生成も行うこネスの要件とビジネスの進化スピードとで，回帰テストの自動化を容易に行に対応した超高速開発の実現のため，えるようにし，ソフトウェアを改良し人の作業の一部を代替・超越する AI

たあとに迅速なリリースを可能にしま

繰り返し型の効率的なテストを実現するテスト活動データ分析技
術 LatteArt
業務アプリケーションは，多くのユー

テスト活動の分析結果に基づくテスト設計・実施 （短期で繰り返しのフィードバックループ）
テスト設計

テスト実施

• おおまかなテスト設計を行ったうえで，分析結果に基づき随時追加でテスト設計を行うことで選択・集中

LatteArt

機能 観点 1
機能A 対象機能B 対象

観点 2
対象外
対象

• 過去のテスターの知見を再利用し，機械支援でテスト作業の省力化• 自動生成されたテストスクリプトを活用可能・・• 分析結果をレビュー

テスター

・・

テスト
管理者

#
1
2

テスト報告

テストスクリプト
データ
収集

テスト
実施支援

スクリプト生成テスト活動データ
データ価値化へ

図2

分析結果（テストレポート）

データ分析

めざす世界

2022.2

19

特集

データセントリック時代のソフトウェア技術

スケースシナリオ，機能，画面があり，分析し，さまざまなデータモデル

す．これにより，随時人がテスト

各画面における入力のパターンも多くで可視化することが可能です．例の充分性を確認し，必要最低限のの組み合わせが存在し，従来の網羅的えば，図 3 ， 4 に示すようなシーテストを補うことで効率的なテスなテストには大きなコストがかかりま

ケンス図，画面遷移図といったモトを実現できます．加えて，テス

す．なんらかのモデル（例えば，ソフデルで可視化することが可能で

ト活動データに基づき，テスト

トウェアの設計モデル）から網羅的なテストを自動設計することでテスト設

画面計を支援するツールも存在しますが，
ソフトウェアの設計モデルの作成という追加のコストが発生してしまうとい
う課題がありました．また，Web ア

テスト目的

プリケーションのテストを自動化する
ためには，画面の操作を自動で行うテ

画面遷移

ストスクリプトの作成が必要となります．このようなテストスクリプトは，
例えば，既存のキャプチャ＆リプレイ
ツール（例：SeleniumIDE）を使う

テスト中の気付きことで，高いスキルがなくてもスクリ
プトを作成することはできますが，ス
クリプト作成の手間はかかりますし，
キャプチャ＆リプレイツールで記録したテストスクリプトはモジュール化さ

テスト中に発見したバグ

れていないため，修正しづらく保守性が低いという課題もあります．
このような課題を解決するため，私たちは，繰り返し型の効率的なテスト

図3

シーケンス図を実現するテスト活動データ分析技術
LatteArt の開発を進めてきました．
LatteArt には以下のような特徴があ
ります．

画面

① テスト活動データの収集：テス
ターの Web アプリケーション画
面 上 の 操 作 ロ グ， ス ク リ ー ンショット，およびテスターがテスト実施中に入力したテスト目的，

画面遷移

バグ，気付きなどを自動で収集し，テスト活動データとしてデー
タ化します．
② テスト活動データの分析：自動で収集されたテスト活動データを

20

2022.2

図4

画面遷移図

特集

対応する画面要素がプレビュー表示される

図5

テストスクリプト
図6

テストスクリプトのドキュメント

ケース表とテスト結果相当の情報をテスト活動データから自動で生繰り返し型のテストは新しいテスト手成するので，従来作成していた詳法であるため，NTT グループ内外の細なテスト手順を含む重厚長大な

ステークホルダ（開発者・システムオー

テストケース表も不要となります．

ナ）により，新しいテスト手法が理解

回帰テスト向けテストスクリプ

され，広く受け入れられる土壌をつく

ト生成：テスト活動データから，り上げることが重要と考えます．そのページオブジェクトパターンに基ために，LatteArt の OSS コミュニ

づいてモジュール化した保守性のテ ィ を 立 上 げ， ソ ー ス コ ー ド を高いテストスクリプトの雛形を自Github で公開しました（5）．

③

動生成（3）します．さらに，ドキュ

今後は，実践で得たデータも武器

メントも合わせて一緒に自動生に，大量に蓄積されたテスト活動デー

成（4）することで，編集の際のテス

タから，過去のテスターの知見を抽出

トスクリプトの可読性を向上させすることにより，テスト実施時に繰ります．ドキュメントには，テスト返し行われる事前手順作業の自動化やがどういう画面遷移を行うかを示

テスト推薦を行うことで，テスト実施

す画面遷移図や，操作される要素についても大幅な省力化を実現し，テを示したスクリーンショットも含スト全体のさらなる効率化をねらいま

まれています．図 5 ， 6 にテストす．加えて，ＮＴＴグループに閉じず，

スクリプトの例を示します．これＮＴＴグループ外の企業，大学等ともにより，テストスクリプトの実装，連携し，産学のさまざまな知見をいた

保守が容易になり，手間をかけずだきながら進めることで，LatteArtに回帰テストを自動化することをの OSS コミュニティを中心としたテ

可能とします．

スト変革のエコシステムを育てていく

到達点と今後の展望
現在，NTT グループ会社との共同実験で LatteArt の適用評価を行っており，開発現場から好感触を得ています．また，LatteArt の技術について
は国内の学会における発表でも高い評価を受け，複数の賞をいただくことができました．LatteArt を用いた短期つもりです．めざす世界の実現のため，一歩一歩着実に研究開発を進めていきたいと考えています．
■参考文献（1） 熊川 ･ 峯尾 ･ 丹野 ･ 切貫 ･ 倉林：“SONAR
Testing 効率 と客観性を両立した新たなテスト手法，” 日本科学技術連盟 ソフトウェア
品質シンポジウム2019，2019.
（2） H.Kirinuki, T.Kurabayashi, H.Tanno, andI.Kumagawa: “Poster: SONAR Testing Novel Testing Approach Based on Operation

Recording and Visualization，” ICST 2020,
pp. 410-413, Oct．2020．
（3） 切貫 ･ 丹野 : “ 手動テストのログを用いた有用な End-to-End テストスクリプトの自動生
成，” ソフトウェアエンジニアリングシンポ
ジウム2020論文集，pp. 106-114，2020．
（4） 但馬 ･ 切貫 ･ 丹野 : “ ドキュメントの自動生成による End-to-End テストスクリプトの理
解支援，” ソフトウェア工学の基礎28，pp.
177-178，2021．
（5） https://github.com/latteart-org/latteart/（上段左から）丹野 治門/ 切貫 弘之/
川口 敬宏（下段左から）但馬 将貴/ 生沼 守英/
村本 達也
私たちはテストを飛躍的に効率化する
ことをめざし，繰り返し型の効率的なテストを実現するテスト活動データ分析技術の研究開発を進めています．今後も，開発現場のフィードバックを得ながら技術を磨いていきます．

◆問い合わせ先NTT ソフトウェアイノベーションセンタ
ソフトウェア開発技術プロジェクト
TEL 03-6712-9638
FAX 03-6712-8372
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2022.2hco.ntt.co.jp

21

特集

データセントリック時代のソフトウェア技術

主役登場

AI の省電力化をめざして

榎本

昇平

NTT ソフトウェアイノベーションセンタ
研究員

深層学習に代表される AI（人工知能）技術は数多くの数あります．これらのデバイス上の軽量モデルで大部分の商用サービスに利用され，ビジネスを変革する技術として処理を行い，一部の処理のみをクラウド上の高精度モデル

発展してきています．NTT が進める IOWN（Innovative

で行うという役割分担により，精度低下なく計算量 ・ デー

Optical and Wireless Network）構想においても，デー

タ転送量を削減し，系全体で省電力化と高収容化につながタ中心社会におけるデータ分析 ・ 価値化に向け AI をさらることが期待できます．

に進化させた，より高度な認知 ・ 自律 ・ 予測システムの実

軽量モデルが正解可能なデータは軽量モデルが処理すべ

現をめざしています．すなわち，ヒトでは見えないものをきです．一方で，不正解なデータはすべてクラウドへ転送

知覚し，ヒトでは扱いきれない規模の事象をとらえ，ヒト

すればいいというわけではありません．高精度モデルも不を超える速度で分析 ・ 判断できる AI システムの実現です．

正解な場合は無駄な転送 ・ 計算になってしまいます．

それらの AI システムを用いてデータを価値化することでこれらのモデルの推論の正誤の判定が自動で可能ならばより安全に誰もが利用でき，持続可能で快適なサービスを無駄な転送と計算を回避できますが，この判定は困難です．

創造し，さまざまな社会課題を解決していきます．

そこで，私は軽量モデルの学習時に高精度モデルの正誤情

AI の利便性への期待が高まる一方で，AI による電力消報も同時に学習させることで，データを転送するかしない費の問題が注目されています．AI の認知能力 ・ 処理速度かを判定するスコアを出力させる技術を研究しています．

を高めようとすると，より多くの電力を消費する結果とな

提案技術は必要なデータのみをクラウドへ送信するため無ります．NTT ソフトウェアイノベーションセンタ（SIC）

駄な転送を省くことができます．実際に従来に比べて最大では，AI の能力向上と合わせて消費電力を飛躍的に低減

で36％の計算コストと41％の通信コストを削減することをさせるために，イベントが起きた際にのみ AI 処理を行う

確認しています．

イベント駆動型推論の研究開発に取り組んでいます．
イベント駆動型推論を実現する技術の 1 つとして，私は減につながることが期待できます．私は，ヒトを超える速

カスケード推論技術に着目しています．カスケード推論と度で分析 ・ 判断できる AI システムの実現のために現在もは，計算コストや精度が低いが高速な AI モデル（軽量モ

さまざまな研究を行っています．そして，より安全に誰もデル）と計算コストが高く速度が遅いが高精度な AI モデが利用でき，持続可能で快適なサービスを創造しさまざまル（高精度モデル）を組み合わせて推論を行う技術です．

な社会課題を解決していきたいと考えています．

近年，低消費電力で AI 推論が可能なエッジデバイスが多22

提案技術は計算 ・ 転送コストを削減し大幅な消費電力削

2022.2

特集

ナノメカニクス研究の最前線
振動や音波 ･ 弾性波を利用したナノメカニカル素子は，発熱や集積化の点で優れた省エネ微小デバイスとして期待される．
本特集では，
電気や光を用いてナノメカニカル素子を制御し，これをセンサや情報処理応用などへとつなげる
NTT物性科学基礎研究所の最新成果について紹介する．

ナ ノ テ ク ノ ロ ジ

カ

フ

ォ

ノ

械

振

ス

ン

エ

機

オ

ル

ビ

ウ

動

Nanomechanics
24

2022.2ム26

ナノメカニクス研究の概要と展望
MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）技術をさらに発展させたナノメカニク
ス技術について，NTT研究所で行われている研究成果を中心に，その概要と今後の展望を
紹介する．

30

ナノメカニカル振動子による新しいカオス信号生成手法
NTT研究所で最近実現することに成功した，ナノメカニカル振動子を用いた簡便で汎用性の高い新しいカオス生成手法について紹介する．

34

フォノン導波路やフォノニック結晶を用いた弾性波の制御
電気機械フォノニック結晶という新しいプラットフォームを用いて，フォノンのオンチップ制
御技術の向上に取り組んだこれまでの研究成果について紹介する．

光のエネルギー損失が極めて少ないオプトメカニカル素子の創出
半導体材料よりも桁違いに長い発光寿命を持つ希土類エルビウム元素を用いて実現した 光のエネルギー損失が極めて少ないオプトメカニカル素子 に関する研究成果について紹介する．

39

43

光キャビティを用いたナノワイヤ振動子の高感度検出と制御
機械的な機能と光 ･ 電子デバイスとしての機能を融合した新しいハイブリッド量子デバイスの創出へ向けて，NTT研究所が最近開発したナノワイヤの微小振動を高感度に検出 ･ 制御する技術について紹介する．

47

インクジェット技術を用いた架橋ナノワイヤ電気機械素子の作製
身近なインクジェット技術を用いることによって，機械振動素子を手軽に効率良く，かつ資源の無駄を極力抑えて作製できることについて紹介する．

51

主役登場 岡本 創（NTT物性科学基礎研究所）
物体の小さな振動を利用する

2022.225

特集

ナノメカニクス研究の最前線

ナノメカニクス

フォノン

ナノテクノロジ

ナノメカニクス研究の概要と展望

昨今，微細な構造の機械的な振る舞いを活用した MEMS（Micro
Electro Mechanical Systems）の技術が，携帯端末や車載機器などさまざまな場面で用いられています．本稿では，この MEMS 技術を

ひろし

さらに発展させたナノメカニクス技術について，NTT 研究所で行山口われている研究成果を中心に，その概要と今後の展望について紹介

NTT 物性科学基礎研究所† 1

します．

浩司

†１

ごとう

後藤

ひでき

秀樹

†2

NTT 物性科学基礎研究所 所長† ２

う意味でしょうか．英語の me­c han­が，例えば， 1 秒間に440回振動を繰

ics の和訳は力学とされています．力り返すと，440ヘルツ（Hz）の振動に「ナノメカニクス」という言葉を聞学と聞いてまず思い出すのは，リンゴなります．これは音楽の「ラ」の音にかれて，皆さんは何を想像されるでが落ちるのを見て万有引力の発見につ対応します．523.23 Hz だと少し高い

しょうか．ナノテクノロジという言葉ながったとされるニュートン力学で「ド」の音，783.98 Hz だと，さらに高が使われ始めて随分経っていますのす．これは，モノ（リンゴ）の動きと，い「ソ」の音になります．振動が早くで，「ナノ」は非常に小さいことを表

それを引き起こす力（万有引力）が，なるほど高い音になるわけですが，高現する言葉としてご存じの方も多いとどのような関係にあるかを記述した学い音を出すためには鐘を小さくすれば思います．
「ナノメートル」という単問です．したがって，ナノメカニクス

よいことは容易に想像できると思いま位がその語源であり，正確に書くと10とは，ウイルスのサイズに代表される

す．すなわち，もしナノのサイズで鐘億分の 1 メートルという極めて小さい

極めてミクロな世界において，モノにをつくったらその振動は極めて高い周

サイズを表します．なかなか簡単に想加わる力と，それによる動きを研究す

波数で起きるわけです．私たちの研究像できない大きさですが，原子の大きる分野ということになります．私たちのエッセンスはこの部分にあります．

さが0.1～0.2ナノメートル程度なので，が研究の対象としているナノメカニク

すなわち，最先端の微細加工技術を用

その数倍程度の大きさというわけでス技術は，このような小さな力と小さいて極めて小さな「鐘」を作製し，そす．次の単位は「マイクロメートル（ミな動きを用いて，新しい微細構造素子

れが持つ高い周波数の振動を用いた新クロン）」となり100万分の 1 メートル（デバイス）技術を開拓しようというしい技術を開拓しようとしているわけを意味しますので，だいたい 1 ナノメー

試みになります．

です．

ナノメカニクス技術とは

26

やまぐち

トルから 1 ミクロンに至る範囲の大き

さて，ナノの世界からは少し離れ，さを扱う技術をナノテクノロジと呼ぶ

お寺の鐘を想像していただけるでしょことになります．現在猛威を振るってうか．鐘を叩くとなぜゴーンという音

いくら半導体の微細加工技術が進んいる新型コロナウイルスは，おおよそが鳴るかというと，鐘を構成しているでいるといっても，お寺の鐘と同じか100ナノメートルという大きさなので，金属が，叩かれることによって周期的たちの構造をナノスケールに縮小した

ちょうど，その程度の大きさを扱う技

な弾性振動を引き起こすためにほかあものをつくることはたやすくありませ

術ということができるかと思います．

りません．この振る舞いも力学の法則ん．そこで，もっとつくりやすい簡単

では「メカニクス」のほうはどういを用いて正確に記述できるわけです

な構造を振動させて，その機能を使い2022.2

ナノメカニカル振動子

特集ます．図 1 にその代表例を示します．

を回路に沿って伝えていく素子についしたがって，ナノメカニカル素子を活

図 1（a）はカンチレバー（片持ち梁）ても解説していますが，この導波路は用することにより，いわゆる超音波あと呼ばれる構造です．ちょうど，プー

メンブレン振動子を多数等間隔に連続

るいは携帯電話の周波数に相当する極ルの飛び込み板のような形状で，端をさせた形状となっています．

超音波と呼ばれる高い周波数の振動を叩けば振動するわけです．図 1（b）はさて，表 1 は，カンチレバーならび制御できる技術を実現できることにな

両持ち梁と呼ばれ，橋のようなかたちに両持ち梁の周波数が，構造のサイズ

ります．私たちはこのような視点から，です．両側が固定されていますのでカとともにどのようになるかを，代表的20年近く前よりナノメカニクスの研究

ンチレバーより動きが硬く，高い振動な半導体の 1 つであるガリウムヒ素を続けてきました．扱っている周波数

周波数を持ちます．薄い板状の例を図（GaAs）に対して示したものです．

は100キロヘルツ程度から 1 ギガヘル（b）に示しましたが，円柱状の構
1（a）

同じ形状でも両持ち梁のほうがカンチツの範囲に及びますが，今回の特集で造でもかまいません．本特集で紹介すレバーより 6 倍ほど周波数が高くなりは主に10メガヘルツまでの比較的低い

るナノワイヤを用いた研究は，結晶成

ますが，長さがミクロンサイズより短周波数領域の研究を紹介します．

長により作製した直径数百ナノメート

くなった段階で，ギガヘルツの周波数

ルの円柱構造をカンチレバーあるいは領域に入ることが分かります．ギガヘ

両持ち梁状の振動体として用いたもの

ルツというのは携帯電話の電波に使わところで，このような弾性的な動き

です．図 1（c）は円形メンブレン振動

れている周波数です．私たちの耳に聞を素子として活用する技術として，い子で，ちょうど太鼓のような形状にこえる音は，もっとも高い音でも10～わ ゆ る MEMS（Micro­ Electro­

なっています．今回の特集でフォノ

20キロヘルツ程度ですが，その10万倍

Mechanical­ Systems）が活発に研

ニック結晶導波路と呼ばれる弾性振動も高い周波数ということになります．

究されています．私たちの研究では 2

ナノメカニクスの応用

つの独自のアプローチを用いることにより，MEMS の次世代技術ともいう

ll

べき「ナノメカニクス」技術の研究を進めています（表 ２ ）．第一は，弾性tt（a） カンチレバー

特性の非線形性を用いることです．「非線形性」というのは耳慣れない言葉か（b） 両持ち梁と思いますが，実はダイオードやトラ
ンジスタなどの半導体素子は，コイルやコンデンサ，抵抗などの「線形」な特性を持つ素子にはない非線形性を持つことで，さまざまな機能を持たせる（c） 円形メンブレン構造

図1

ことに成功しました．非線形性とは，

ナノメカニカル振動子の代表例

入力と出力が比例しないことを意味します．例えば，抵抗器では加えた電圧

表₁

カンチレバーならびに両持ち梁の振動周波数の計算値に比例する電流が流れますが，ダイ

l の長さ

₁ mm

₁00 µ m₁0 µ m₁ µm

₁00 nmカンチレバー

₃2 kHz₃20 kHz

₃.2 MHz

₃2 MHz₃20 MHz

両持ち梁

200 kHz

2 MHz

20 MHz200 MHz2 GHz

l は構造の長さ，t は厚さ（図 ₁ 参照）で，それらの比（l/t）を20，材料としてガリウムヒ素を用いたときの計算値

オードでは，それらは比例しません．
さらにトランジスタでは電極に加えた電圧や電流によって，この非線形特性が変化します．メカニカル振動子の場

2022.22₇

特集

ナノメカニクス研究の最前線

合，この特徴は加えた力に対し振動のいられてきたこのような材料において可能です．どの程度小さな振動を検出

大きさが比例しないことに相当します

は，弾性振動による新しい原理の電子できるかというと，0.1ピコメートル（10が，微細化に伴い，このような非線形デバイスや光デバイス，あるいは，超兆分の 1 メートル）という，原子より性の影響は顕著になります．この特性

高感度のセンサ技術などの応用が期待

さらに小さな原子核の直径に匹敵するを活用した「非線形」ナノメカニカル

されます．特に，いわゆる量子デバイ

小さな変位を検出することができま素子を実現することにより，ダイオースとして知られているナノ構造を組みす．この原理により，梁が受けた著し

ドやトランジスタなどと同じような革込むことにより，昨今注目されている

く小さな力による変位を検出すること新的機能を持つナノメカニカル素子を量子技術への応用が可能となります．

が可能となり，超高感度の加速度や磁つくり出すことをめざしています．も

図 ２ はこのような一例として実現し気，あるいは分子や原子のセンサの核

う 1 つの試みは，半導体や光材料など

た超高感度センサの電子顕微鏡写真で心部として用いることができます．

の機能性材料を用いることにより新しす ．両持ち梁構造の根元部分に量子本特集では，最近，私たちのグルー

い機能をつくり出すことです．これまドット構造が埋め込まれており，梁のプで研究が大きく進んだ 5 つのトピッ

で電子デバイスや光デバイスとして用弾性振動を超高感度に検出することがクスについて紹介します．まず，非線（1）形ナノメカニクスの例として，新しい表2

カオスの発生手法について紹介しまエレクトロニクスとメカニクスにおける素子と機能の比較
非線型素子

線形素子

エレクトロニクス

二端子素子

三端子素子

す（2）．カオスはこれまでランダムで掴

量子素子

インダクタ
コンデンサ
抵抗器

ダイオード

トランジスタ

量子ビット
量子メモリ

同調器
フィルタ

検波
整流

増幅 ･ スイッチ
メモリ ･ 演算

量子計算
量子計測

共振器

で，応用するうえでは，むしろ障害となる現象とみられていました．しかし，昨今の機械学習の分野では，このカオ
ス的な振る舞いが機械学習の効率を改善するうえで重要な役割を果たすと期

高周波フィルタ
センサ ･ ジャイロ
マイクロフォン

メカニクス

みどころのない振る舞い，という意味

待されています．また，カオスを使っ今後の研究対象

た秘匿通信なども提案されており，いメカニクスでは非線形素子ならびに量子素子はまだこれからの研究対象であり，それらが発展することによりダイオードや
トランジスタと同様の大きな技術的飛躍が期待される．

かにしてカオスを制御よく発生させる
かは，応用上も重要な研究課題であるということができます．
2 番目のトピックスとして，フォノ

導電
領域

加振用
交流電圧

制御用
電極

量子ドット
振動子

電流
（ガリ

ウムヒ

素）

構造が振動することにより量子ドットに歪が加わるが，この歪が量子ドットを流れる電流に大きな変化を与えるため，電流の変化を測定することにより梁構造の振動を高感度に検出できる．

図22₈

量子ドットを組み込んだ振動子（両持ち梁構造）

2022.2

ニック結晶を用いたフォノン導波路について紹介します（3）．フォノンとは，光に対するフォトン，電流に対する電子などと同じ意味で用いられ，音波などの弾性振動の基本単位となる「音の粒子」にあたります．私たちは非線形性を用いて，このフォノンの流れを制御する手法を新たに開拓しました．これはちょうど，電子回路を流れる電流，
すなわち電子の流れを電圧で制御する

特集

トランジスタと同様の役割を持ち，音ノメカニカル振動子として用いること

波，すなわちフォノンの流れを外部かにより，電子デバイス，光デバイス，

ら制御する「フォノントランジスタ」

量子デバイスを組み合わせた高度な機を世界で初めて実現した研究といえま

能をナノメカニクスデバイスに取り込す．電子回路と同様に，ナノメカニク

むことが期待されます．

スデバイスの集積回路が実現できれ最後のトピックスでは，これらのナば，この素子は，その中核を担う役割

ノメカニカル素子を作製する手法としを持つことが期待されます．

て，インクジェット技術を用いた架橋

3 番目のトピックスは，光ファイバ

ナノワイヤ電気機械素子の作製についなどに広く用いられている光材料であて紹介します（6）．インクジェット技術

る希土類元素を用いた新しいオプトメ

は皆さんの身近にあるプリンターの基（4）

カニクス素子です ．オプトメカニク

盤技術として知られていますが，昨今，スとは，光とメカニクスの両方の機能

この手法は新しい微細構造作製技術とを融合した技術のことで，昨今，研究しても使われ始めています．この解説が大きく進展している技術分野の 1 つ

では，結晶成長により作製した半導体

です．エルビウムなどの希土類元素

ナノワイヤを，どのようにして半導体

は，通信波長帯の光の吸収や発光を担

ウエハの上の所望の位置に並べ，ナノ

う材料であり，その特性制御は光通信

メカニカル素子として組み上げるかに技術において広く活用できるとともついて説明します．

に，量子技術への応用も期待されます．本特集では，希土類元素の 1 つで今後の展望あるエルビウムをカンチレバーに組み

本稿では，本特集で紹介するナノメ

込み，希土類元素の発光を弾性振動に

カニカル技術に関して，その概要を簡より変調する新しい技術について紹介

単に紹介しました．電子デバイスや光します．

デバイスに比較し，ナノメカニカル素4 番目のトピックスでは，同じくオ

子はまだまだ研究が始まったばかりのプトメカニクスの技術を使って，光に段階であり，今後大きな発展が得られより半導体ナノワイヤからなるカンチる可能性があります．NTT 物性科学

レバー構造の振動を高感度に検出した基礎研究所では，機械学習などの新し例について紹介します ．半導体ナノ

い情報処理や，高感度低消費電力セン

ワイヤは，気相成長などの結晶成長法

サなどの IoT（Internet of Things）

によって作製されるナノ構造です．リ

技術，さらには量子通信や量子計測なソグラフィなどの微細加工を使用しなどに貢献する新しい原理のナノメカニ

いため構造の結晶性が高く，半導体

カル素子の開拓をめざして研究を進めレーザや高速トランジスタに用いられ

ています．

（5）

ているヘテロ構造や，量子技術の要である量子ドットなどのナノ構造を組み込むことが可能です．ナノワイヤをナ

electromechanical backaction induced by aquantum dot,” Nat. Commun., Vol. 7, No.
11132, 2016.
（2） 山口 ・ Samer ・ 浅野：“ ナノメカニカル振動子による新しいカオス信号生成手法，” NTT
技術ジャーナル，Vol.34，No.2，pp.30-33，
2022．
（3） 畑中 ・ 黒子 ・ 山口：“ フォノン導波路やフォノニック結晶を用いた弾性波の制御，” NTT
技 術 ジ ャ ー ナ ル，Vol.34, No.2, pp.34-38,
2022．
（4） 太 田 ・ Victor ・ 山口 ・ 岡 本：“ 光 の エネル
ギー損失が極めて少ないオプトメカニカル
素 子 の 創 出，” NTT 技 術 ジ ャ ー ナ ル，
Vol.34, No.2, pp.39-42, 2022．
（5） 浅野 ・ 章 ・ 山口 ・ 岡本：“ 光キャビティを用いたナノワイヤ振動子の高感度検出と制御，” NTT 技 術 ジ ャ ー ナ ル，Vol.34, No.2,
pp.43-46, 2022．
（6） 佐々木 ・ 舘野 ・ 岡本 ・ 山口：“インクジェッ
ト技術を用いた架橋ナノワイヤ電気機械素
子の作製，” NTT 技術ジャーナル，Vol.34，
No.2, pp.47-50, 2022．

■参考文献（1） Y. Okazaki, I. Mahboob, K. Onomitsu, S.
Sasaki, and H. Yamaguchi: “Gate-controlled（左から）山口  浩司 / 後藤  秀樹
メカニカル振動子は，鐘や太鼓などの楽器に始まり，水晶振動子や携帯端末用の高周波フィルタなど，さまざまな場面で活用されてきた技術要素です．非線形性や量子性などを活用したナノメカニク
スは，その機能を大幅に広げる新技術として今後の発展が期待されます．

◆問い合わせ先NTT 物性科学基礎研究所
フロンティア機能物性研究部
ナノメカニクス研究グループ
TEL 046-240-3475
FAX 046-240-4317
E-mail hiroshi.yamaguchi.zc

2022.2hco.ntt.co.jp

29

特集

ナノメカニクス研究の最前線

カオス

クス
ナノメカニ

秤動

ナノメカニカル振動子による新しいカオス信号生成手法
さまざまな自然現象にみられるカオスは，不規則で複雑な振る舞
いをその特徴とするため，学術的な重要性は認められつつもデバイス技術への応用はあまり進んでいませんでした．しかし，最近のセキュリティ技術や AI（人工知能）技術の進歩により，カオス信号を利用しようとする試みが具体化し始めています．本稿では，NTT研究所で最近実現することに成功した，ナノメカニカル振動子を用いた簡便で汎用性の高い新しいカオス生成手法について報告します．

ひろし

山口

浩司

あさの

もとき

浅野

Samer

Houri

元紀

NTT 物性科学基礎研究所

したら，その後は同じ振る舞いを示す

しかし，実際にはほんの少しだけ落とという「規則性・再現性」があるとい

す角度や速度が違うわけで，それによ

カオスという言葉をネットで検索すう点で，これはランダムな動きとは一り，その後の振る舞いは全く変わってると，「無秩序で，さまざまな要素が線を画す重要な性質です．したがっしまいます．

入り乱れ，一貫性が見出せない，ごちゃて，最初の状態が把握できれば，原理

このような複雑な振る舞いが，非常ごちゃした状況・様相を形容する表現」

的にはその後の動きを完全に予測できに簡単な力学系において発生することとされています．
「今の株価の動きはることになります．しかし，カオスにもカオスの特徴です．そういう意味でカオス的だ」とか「私の机の上はまさ

は，ほんの少しの初期条件の違いが大は，例えば，天気の振る舞いは，気温，にカオスだ」など，予測のつかない不きな変化を引き起こす「バタフライ効

湿度，風向，風速，気圧等，非常に複規則な状態が一般にカオスと呼ばれて果」という性質があり，これにより実雑な系に依存しており，実際にはカオいるようです．一方，数学の世界でカ際には将来予測が極めて困難になるとスと呼べないということになります．

オスというと，こちらは学問の対象という特徴も持っています．最初の状態

しかし，例えば 3 つの星がお互いの重して具体的に性質が規定されているよが完全に把握できれば，原理的にはそ

力で引き合う「三体問題」では，カオうです．数学的に厳密な表現ではありの後をすべて予測できるわけですが，ス運動が起きることが知られていまませんが，分かりやすく書くと「一見最初の状態がほんのちょっと，例えば

す． 3 つの星と重力という極めて簡単

無秩序にみえる複雑な動きでありなが0.01％違うだけでも，しばらく時間がな力学系であるにもかかわらず，複雑

ら，決まった法則に従って時間変化を経ったのちの振る舞いが大きく異なっな振る舞いがみられる点がカオス現象

する再現性のある振る舞い」という表てしまうわけです．これは例えば，ラの興味深いところです．

現ができるかと思います．不規則でラグビーボールを平らな床の上に落とし

このように，カオスは複雑で取り扱

ンダムな動きと，規則性を持つ周期的たときを想像すると分かりやすいかも

いが難しそうな現象なので，従来はむな動きのちょうど中間的な振る舞いとしれません．ラグビーボールの動きはしろ制御不能で技術応用は難しいと考して，数学や物理学の対象として注目

あくまで物理の法則に忠実に従ってい

えられてきました．しかし，カオスのを集めてきたわけです ．

るわけで，もし完全に同じ条件で床の複雑さをむしろ積極的に利用し，情報

カオスには，いくつかの特徴があり

上に落とすことができれば，その後のの暗号化を行う秘匿通信や，カオスがます．まず，同じ初期条件でスタート

運動も繰り返し再現できるはずです．

生成される直前の「カオスの縁」状態

カオスとは

（1）

30

やまぐち

2022.2

特集を用いた高効率の機械学習 ＊ 1 など，におけるメカニカル振動子 ＊ 2 を用い

れ，カオス振動になります（図 1（b））．

カオスを技術応用しようという試みがたカオス発生手法の研究は，MEMS

このカオス振動をつくり出すには振動

現在進められています（2）．ただ，前述によるセンサ部と機械学習を行う信号子の非線形性を活用する必要があり，したように，カオスは初期条件の変化

処理部の集積化など，応用上の重要性

メカニカル振動子で実現するには，櫛に対して極めて敏感なので，いかにしが着目されていました．しかし，メカ型電極と呼ばれる大きな構造と，数10て安定にカオスを生成できるかが，カニカル振動子を用いたカオス生成につボルトという高い電圧を加える必要がオスの応用を考えるうえでの大きな技

いて成功した例はあったものの，応用ありました．これに対し，私たちの研術課題であるといえます．このような上の研究はあまり進んでいませんでし

背景のもと，私たちはナノメカニカル

た．その大きな理由の 1 つは，メカニ

振動の非線形性を用いることにより，

カル振動子を用いたカオス発生には櫛外部から安定にカオス発生の制御が行型電極などの複雑な素子構造が必要でえる新しいカオスの生成手法を提案すあり，また数10ボルトという高電圧が．以降で不可欠であったことにあります．今はその手法について，概略を述べます．

回，NTT の研究所ではナノメカニカ

ることに成功しました

（3）
，
（4）

ル振動子の「秤動＊ 3 」運動に着目し，秤動運動によるカオス生成

2 つの異なる高周波信号を入力するだ

高感度センサや高周波フィルタ，プ

けという，極めて簡便な方法でカオス

ロジェクタなどさまざまな機器応用が信号を発生させる手法を実証し，素子

行 わ れ て い る MEMS（Microの小型化と低電圧駆動を実現しました．

Electro Mechanical Systems）

図 1 に振動子によるカオス生成の様は，微細構造の機械的な「動き」を使っ子を示します．通常の振動子は規則正て動作させる素子を，チップ上に集積

しい周期運動（図 1（a））を行いますが，化させたものです．この MEMS 技術

ある条件の下ではこの周期運動が乱（a） 規則的な周期運動（b） カオス的な周期運動（c） 規則的な秤動振動（d） カオス的な秤動振動（本研究）横軸は時間，縦軸は振動子の変位を表します．
（a）通常の振動子が示す規則的な周期運動を示します．
（b）カオス状態の周期運動です．振動の振幅と位相が不規則に変化しています．（c）規則的な秤動振動です．細かな振動（青線）の振幅（赤線）が周期的に変化しています．（d）カオス的な秤動運動を示します．赤線で示された振動振幅の変化が不規則な振る舞いを示しています．

図1

カオス振動の概念図＊1

機 械学習とカオスの縁：機械学習とは人工知能を構成する技術の1つです．コンピュータにより大規模データから共通のパターン
やルールを見つけ出し，それを新しい入力
データに適用することにより，さまざまな判断や結果の予測を可能とする技術です．
機械学習にもさまざまな手法が存在します
が，データ処理を行うネットワーク自体を学習させるディープラーニングなどの手法とは異なり，固定されたネットワークからの出力の重み付けだけを学習させることに
より機械学習を実現するリザバー計算の手法が，最近注目を集めています．リザバー
計算ではカオス状態が発生する近傍の「カオスの縁」状態を用いることにより特性の優れた計算ができる可能性が指摘されています．
＊2 メ カニカル振動子（機械振動子）：弾性変形を周期的に繰り返すことにより機械的な振動が継続する人工構造体．鐘や鉄琴など楽器の振動板もメカニカル振動子の一種です．最近では微細加工技術の発展に伴い，髪の毛よりも小さなメカニカル振動子を半導体チップに集積することも可能になっており，MEMS 振動子として実用化が進められています．メカニカル振動子のもっとも代表的な形状の1つは本研究でも用いられている両持ち梁と呼ばれるもので，橋や鉄琴の振動板に類似した形状をしています．
＊3 秤
 動：月や地球などの天体は自転や公転という決まった周期運動を行っていますが，この運動とともに，ゆっくりとした別の周期運動も行っています．このような運動は「秤動」と呼ばれ，自転や公転に比較して小さく，また周期も数年から数万年という大きなものであり，潮の満ち引きや他の惑星の引力など，さまざまな要因により引き起こされます．メカニカル振動子はある決まった周波数で規則的な振動運動を行いますが，振動子が持つ非線形性により完全な周期運動にはならず，長い周期の振幅変化を伴います．この振幅変化は天体の秤動運動に相当するものといえますが，通常は天体と同様に非常に小さな変化しかみられません．
しかし，秤動運動の周波数に相当する周期的な外力が加わると，共鳴現象により大きな秤動運動が引き起こされます．今回の研究では，外部より 2 つの振動数を加え，その差周波を秤動運動に共鳴させることにより，カオス信号を発生させることに成功しました．

2022.231

特集

ナノメカニクス研究の最前線

究では振動子の「秤動」振動を用いる
ことにより，この問題を解決しました．秤動とは，一般に天体の運動に対して使われる言葉で，例えば月が地球

ロックイン
アンプ
レーザ干渉計導電性 n-AlGaAs/GaAs

Sin 成分
Cos 成分＋の周りを公転する際，本来の2₇.3日の

f1

駆動用
交流電圧源

f2

公転周期に加え，もっと長い周期の運動を，その公転軌道の周りで行っていることが知られています．これが秤動

振動方向運動にあたりますが，振動子の場合には，ある決まった周波数の振動において，その振幅が周期的に変化した図 1

f1 =1,566.5 kHz
f2 = f1 ± Δ kHz

オーミック電極V1 =3.0 V
V2 =2.1 V

絶縁性 GaAs/AlGaAs

ショットキー電極（c）のような振る舞いが秤動運動になります．ちょうど，AM ラジオに使われている振幅変調（AM: Amplitude
Modulation）された波と同じ振る舞いです．私たちは，この振幅の変化が，梁構造の長さは150 μm，幅は20 μm，厚さは0.6 μmです．構造の表面には振動の電気的な駆動と検出が可能となる電極が形成され，これらの電極に 2 つの周波数の交流電圧を加えることにより，カオス的な振動状態を発生させます．振動の様子はレーザ干渉計で検出し，ロックインアンプを用いて振動のSin成分とCos成分を個別に測定することによって，カオスであることを確認します．
梁の振動周波数は約1.6 MHzです．

図2

実験に用いたメカニカル振動子と測定手法の模式図ある条件ではカオスとみなされるかたち（図 1（d）の赤線）で起きることをやるとカオスの生成が可能になりまめ， 微 細 化・ 集 積 化 が 可 能 で す．

初めて見出し，それをナノメカニカル

す．図 ₃ に得られた振動の様子を示し

MEMS のマイクロフォンやセンサな振動子で実現することに成功しました．

ま す． 2 つ の 駆 動 周 波 数 の 差 が3.3

どと集積化し，マイクで収音した信号

図 ₂ に実験に用いた装置を示しまkHz になると振動の振幅と位相がランをオンチップで機械学習させて処理す

す．「両持ち梁構造」は圧電半導体でダムに変化し，カオスとしての振る舞ることができるかもしれません．さらあるガリウムヒ素（GaAs）とアルミいを示していることが分かります．

に第 3 の利点は，このようなメカニカ

ニウムガリウムヒ素（AlGaAs）の接3₂

さて，カオスであることを確認する

ル振動子に限らず，さまざまな物理系

合構造から作製されており，赤矢印のには Lyapunov 指数と呼ばれる値の振動子に対しても応用可能であると方向に振動します．この電極に交流電を計算し，前述した「ほんの少しの初いう点です．例えばレーザに用いられ圧を加えることによって梁の振動を引期条件の違いが大きな変化を生み出ている光共振器など，より広い範囲のき起こし，その動きをレーザ干渉計です」という性質を，定量的に確認する

通信技術に応用し，秘匿通信や光を用計測します．測定された振動の振幅は必要があります．私たちは東京工業大

いた機械学習などに応用できるのでは

ロックインアンプを用いて Sin 成分と学との共同研究により，数値計算を用ないかと考えています．

Cos 成分に分けて記録します．秤動

いて実際にそのような性質がみられる

振動を引き起こす手法は非常にシンプことを確認しました．

＊4ルで，振動子を駆動するのに 2 つの異この手法には 3 つの大きな利点があなる周波数（図中の f1と f2）の交流電ります．第 1 に，数ボルト（実験では圧を加えるだけです． 2 つの異なる周2 ～ 3 V）という小さな電圧で駆動で波数が合わさると，それらが干渉してき，カオスの発生を電気的に自在に制「うなり」を打つことはよく知られて御できるという点です．このため，現います．このうなりが振幅変調，すな

在のエレクトロニクス技術と整合させ

わち秤動運動を引き起こすわけです

ることが容易です．第 2 に，櫛型電極が，その周波数と振幅をうまく選んでのような大きな構造を必要としないた

2022.2＊4L yapunov 指数：カオス的な力学系では，ほんの少しだけ異なる初期条件でスタートしても，力学系を表す座標（例えば振動子の変位）が時間とともに大きく異なっていく
ことが，不規則で複雑な振る舞いを引き起こす原因です．これを数学的に表す指標として，2つの運動の座標間の距離が時間に対してどのように指数関数的に増大していくかを示す指数をLyapunov 指数と呼びます．カオスであるためには Lyapunov 指数が正であることを確認する必要があります．

特集

（mV）
50

（mV）

（a）Δ= 6.5 kHz

40 （a）
0

35

20

振動の

振動振幅

50

-40
40

（b）Δ= 5.4 kHz

35

0

成分

Sin

-40
40 （c）

2045（c）Δ= 3.3 kHz

0

30

15
0

（b）

2.5

5（ms）

-40

時間

-40
0
40（mV）
振動のCos 成分

図 1 で示した赤曲線に対応します．左図は振動振幅（Cos成分）の時間変化，右図はそのときの振動振幅のSin成分とCos成分の軌跡です．Δは2 つの交流電圧の周波数差を表します．（a）Δ= 6.5 kHzでは振幅は周期的な変化を示し，Sin振幅，Cos振幅の軌跡は閉じた曲線となります．しかし（b）Δ= 5.4 kHzになると，振動の周期性が変わり始め，（c）Δ=3.3 kHzではカオス的な不規則な振幅変化となりました．（c）における不規則な様子は，右図に示す振動振幅の軌跡が線ではなく，広い範囲に分布していることから確認できます．

図₃

今後の展望
本稿ではナノメカニカル振動子における秤動運動を用いた新しいカオス信号発生手法について，ごく簡単に解説しました．この手法では，従来手法に比較して，桁違いに小さい電圧でカオスの発生を駆動することが可能で，また大きな電極構造を用いないため小型化，集積化に適した素子を実現することができます．一方，図 1 からも理解できるように，秤動運動によるカオス
信号は，もともとの振動に比較して，ずっと周波数が低いため，実用的な周波数のカオス信号を生成するためには，より高い周波数の振動子が必要です．私たちは最近フォノニック結晶を使って GHz に至る周波数の振動子を作製することにも成功しており，このような高周波化は，今後進めていかな

振動振幅の実験値

ければならない重要な目標となっています．このような方向にも今後チャレンジを進め，機械学習等への応用を実現していきたいと考えています．
■参考文献（1） 山口：“ カオスとフラクタル，” 筑摩書房 ,2010．
（2） 中野：“ 小特集 リザバーコンピューティン
グ，” 電子情報通信学会誌 , Vol.102，No.2,
2018．
（3） https://journal.ntt.co.jp/article/10464（4） S. Houri, M. Asano, H. Yamaguchi, N.
Yoshimura, Y. Koike, and L. Minati:“Generic Rotating-Frame-Based Approachto Chaos Generation in Nonlinear Microand Nanoelectromechanical System
Resonators,” Phys. Rev. Lett.，Vol．125，
No．17, 174301，Oct．2020.

（左から）浅野 元紀 / 山口 浩司 /Samer Houri「カオス」は₁₀₀年以上前から調べられている古典的な研究テーマですが，それをデバイス上で制御し，技術応用しようという試みは，まだ発展途上といえます．
この研究がカオス技術を新たな方向に展開する一助になることを期待しています．

◆問い合わせ先NTT 物性科学基礎研究所
ナノメカニクス研究グループ
TEL 046-240-3475
FAX 046-240-4317
E-mailhiroshi.yamaguchi.zc

2022.2hco.ntt.co.jp

33

特集

ナノメカニクス研究の最前線

ク
フォノニッ
結晶

フォノン

MEMS

フォノン導波路やフォノニック結晶を用いた弾性波の制御
エレクトロンやフォトンと同じように，身近に存在する音や熱にもフォノンと呼ばれる格子振動の素励起があります．信号処理デバ
イスや通信システムにおけるエレクトロンやフォトンの重要性とは対照的に，フォノンの制御技術は未発達だったため情報担体としての活用は極めて限定的でした．本稿では，電気機械フォノニック結
晶という新しいプラットフォームを用いて，フォノンのオンチップ
制御技術の向上に取り組んだこれまでの研究成果について解説します．

情報担体としてのフォノンの
可能性

はたなか

だいき

畑中

大樹

やまぐち

ひろし

山口

くろす

黒子

めぐみ

浩司

NTT 物性科学基礎研究所

す．また，同一周波数で比較すると波長が 5 桁も短く，さらに，自由空間への輻射がなくエネルギー損失が少ない

フォノニック結晶とマイクロ電気
機械システムフォノンは物質を構成する原子や格という優れた特徴もあります（1）．将来フォノンの制御プラットフォームと子振動の素励起です．特に，振動数がの IoT（Internet of Things）社会にして，フォノニック結晶とマイクロ電

104 ～1011 Hz のものを超音波と呼び，おいて，高周波情報処理システムのさ

気機械システム（MEMS）が古くかエコーやソナーのような生体や水中内らなる小型化，省エネ化への要請はまら知られています．前者は，異なる弾の観測・探査システムの信号源としてすます高まっていくため，短波長かつ性体の周期構造から成る人工音響構造

古くから利用されてきました ．一

低損失なフォノンの情報担体としてので，フォトニック結晶のフォノン版に方，情報処理システムにおいては，超活用が有望視されます．そのために（ 図 ₁（a））． 周 期 間 隔
な り ま す（1）

音波を含むフォノンは，デバイスの駆は，フォトンのように，フォノンにも（ α ）を，フォノンの波長（ λ ）程度

動過程で生じる副産物であり，正常なオンチップで多様な制御ができるプにすると，構造がつくる弾性周期ポテ

動作を乱す障害物としてみなされ，情ラットフォームが必要になります．

ンシャルの影響を受け，フォノンの分（1）

報担体としての利用はこれまで積極的に試みられていませんでした．
次世代の情報担体として注目を集めるフォトン（光）も，元々は顕微鏡等の観測分野での応用にとどまっていました．その後，プラナー光波回路やフォトニック結晶などの新しいプラッ
トフォームが登場したことで，チップスケールでの制御技術が向上した結果，現在の産業的価値が見出されました．フォノンはフォトンと同様に波動性を持ち，その挙動に類似性がありま

3₄2022.2（a） フォノニック結晶の一例（模式図）．
柱が規則的に並ぶことで，異なる弾性体の周期構造を形成しています．

図1（b） マイクロ電気機械システムの一例（模式図）．梁が両端で固定された両持ち梁（ビーム）構造をしています．

フォノニック結晶とマイクロ電気機械システムの模式図

特集

散関係 ＊ 1 が変調されます．例えば，

御性はありませんが，空間的な制御性

導波路の一端から励起されたフォノン

ブラッグ条件（nλ =2α ，n は自然数）を有しています．

がその他端まで伝搬していることが確を満たす周波数近傍にはバンドギャッ

両者の特徴を比較すると，その機能認できます．このバンドは7.4 MHz でが発生し，波長λを持つ波は伝に相補的な関係があることが分かりま分 散 関 係 の 端 に 到 達 し ま す（ 波 数

搬できなくなります．さらに，バンド

す．私たちはこの点に注目して， 2 つ

k= π / α ），次のバンド（水色）がギャップの形成により分散曲線が緩やの異なる構造を融合した「電気機械生じる周波数までの間に，灰色で示し

かになり，その傾斜で決まる群速度もフォノニック結晶」という新しいフォた空隙が生じています．これがバンド低下します．フォノニック結晶を用いノンの制御プラットフォームを提案しギャップです．ここではちょうどフォ

れば，その周期構造を通して，フォノ

ました．これを用いると，フォノンの半波長が孔間隔に一致しブラッンの空間的な伝搬制御が可能になりま

ノンのオンチップ励振や空間伝送，そ，グ条件を満たすため（ λ / 2 = α ）す．それゆえ，フォノニック結晶は音の動的制御を同じデバイス上で実現でフォノンは孔の位置でブラッグ反射＊ 7

響工学の分野において，遮音器などのきるようになります．

を受けます．実際に，バンドギャッププ＊2

音響波制御システムの基本構造として利用されてきました．

（3）
，
（4）

電気機械フォノニック結晶

一方，MEMS は主に半導体工学等

図 2（a）に示すように，電気機械フォのエレクトロニクス分野において精力

ノニック結晶はガリウムヒ素（GaAs）

的に研究されてきました．これはカンを媒質に持つ直径22 μm の円形薄膜

チレバーやビームのような nm，μm（メンブレン）が 8 μm の間隔で100スケールの立体梁構造からなり，オン個一列に周期的に連結した導波路構造

チップかつ電気的に超音波振動を励起から構成されています（4）．メンブレン（図 1（b））．また，梁と基板できます（2）と基板の間は中空になっており，太鼓間では，振動の伝わりやすさを示す音の膜のように振動します．GaAs は圧

響インピーダンス差が大きいことから，

電性 ＊ 6 を有しているため，メンブレ

弾性振動の基板への流出が抑えられ，ン上に設置した電極に交流電圧を加え振動の持続時間が長い（高い Q 値＊3ることで，メンブレンの上下振動（超の）共振を保持できます．近年，これ

音波フォノン）を誘起することができ

ら振動子において顕著に現れる非線形ます．この弾性振動はメンブレンの連効果に着目した，振動の非線形ダイナ

結方向に沿って伝わっていきますが，

ミクスやそれを応用した動的制御技術

その過程で周期孔がつくる弾性ポテン

に関する研究に学術的な注目が集まっ

シャルの影響を受け，分散関係が変調ています．これまでに，パラメトリッ

されます．数値計算から求めた分散関ク効果＊ 4 や四波混合＊ 5 を介した，フォ

係と，フォノン伝搬の周波数依存性をノンの増幅や周波数変換といった振動

実際に測定した結果を図 2（b）に示しの外部変調が実証されています．このます．上図の分散関係では， 1 番目のように，MEMS はフォノンの動的なバ ン ド（ 黄 色 ） が3.5 MHz か ら7.4制御ができる一方で，局所的な構造のMHz にわたって形成されています．

ため，空間的な伝送はできません．対

このバンドがフォノンの伝搬を促しま

照的に，フォノニック結晶は動的な制すので，図下部の実験結果においても，の位置で，フォノン伝搬が著しく抑制＊1分
 散関係（曲線）：波の波数と周波数間の関係性．波数は波長の逆数で，運動量と比
例関係にあります．この関係から周波数に対応した波数が一意に決まり，伝搬速度な
どの基本的な波の伝搬特性が決定します．
＊2 バ
 ンドギャップ：波の周波数に対して分散が決まらない，つまり対応する状態が存在しない周波数帯域のことを意味します．波
長と媒質の周期間隔が特定の条件（ブラッグ条件）を満たす周波数において発生します．ここでは，周期構造から強い反射を受け，波の伝搬が強く抑制されます．
＊3 Q
 値：共振周波数（f res）の半値全幅（Δf res，緩和時間の逆数）に対する比によって表される振動の質や寿命の評価に用いる無次元性能指数（Q=fres/Δfres）．
＊4 パ
 ラメトリック効果：周波数の異なる波が混合し，それらの和もしくは差の周波数成分を持つ新しい波が発生する現象です．
MEMSの場合，外部信号により振動子内の張力を周期的に変調することで実現します．
＊5 四 波混合：三次の非線形効果を介して行われる波の周波数変換法です．周波数 f1と周波数 f2の異なる 2 つの波を同時に入力すると，このプロセスを通して新しい周波数の波（f3, f4）が発生します．なお，f3とf4はエネルギー保存則を満たすようその値が決まります（f1+f2=f3+f4）．
＊6 圧
 電性：物体に電圧を加えると歪が生じる
現象．電気機械フォノニック結晶では，この歪により，曲げモーメントが発生し，メ
ンブレンの垂直方向に振動が発生します．
＊7 ブ
 ラッグ反射：原子が周期的に並んだ格子面に角度θ で波が入射する場合，その波長（λ ）と隣接する格子面間隔（α ）がブラッ
グ条件を満たす場合（nλ =2α sin θ , nは自然数），反射に強い干渉が現れる現象．
本実験における一次元系では，θ = π /2となります．

2022.235

特集

ナノメカニクス研究の最前線

5μm

5μm

（a） 電気機械フォノニック結晶の模式図（π /α）
1

波数

（m/s）
100

群速度

0

（nm）
振動振幅

100

実験
計算

50

10‒1
10‒2
10‒3

2

4

6

周波数

8

（b） フォノン波の分散関係（上）とその周波数応答（下）

図2

4

5

6

7

8 （MHz）

周波数（c） 群速度の周波数依存性
青点が実験結果，緑線が計算結果を示します．
計算値は図 2（b）の分散関係から求めました．

電気機械フォノニック結晶とフォノン伝搬特性されていることが分かります．また，分散と呼ばれる，伝搬速度が周波数に路の一端から加えます．ここでチャー

バンドギャップにより，接する分散曲

よって変化する特徴を有しています．

プ定数（C）の符号は，周波数が時間と線の傾斜が緩やかになるため，フォノ

ここに，包絡線が有限の幅を持つ波束

ともに増大，または，減少するかを決

ンの伝搬速度（群速度）が徐々に低下（パルス）を入力します．波束には，めます．搬送周波数を5.8 MHz に選ぶ

していくはずです．その現象を実験でフォノンの振動周波数（搬送周波数）と，この導波路では，高い周波数の確かめた結果が図 2（c）です．3.5 MHzに加え，近傍の周波数成分の波も含まフォノンのほうが低い周波数よりも速から7.0 MHz までは，伝搬速度は周波れています．したがって，群速度に分く伝搬していきます（図 2（c））．負の数とともに増加していますが，その後散がある場合，各々の周波数に応じたチャープでは，入力時に高周波数の波は，反転して減少していることが確認

速度でそれぞれの周波数の波が進むたが波束前方に低周波数の波が後方にいできます．このことから，バンドギャッ

め，それらを包括する波束は伝搬ととるので，伝搬とともに高周波数の波はプや群速度変調の発生を実験的に確認もに拡がっていきます．このような波より先に進み，低周波数のそれはさらし，本構造がフォノニック結晶として形の歪を誘起する群速度分散は，通常に遅れるため，結果的に波束は拡大し機能していることが分かります．

の導波路において望ましくない特性でていきます．反対に，正のチャープをすが，私たちはこれを積極的に利用し，入力すると，今度は波束前方に低周波

フォノン波の圧縮や拡大といった波束

数，後方に高周波数の波が偏在してい制御を実現しました．

ることになりますので，同じメカニズ

フォノン波束エンジニアリング
フォノニック結晶効果の実用例とし

3₆310 （MHz）て，フォノンの波束制御の研究につい負 の 周 波 数 変 調（ チ ャ ー プ，

ムでも，この場合は伝搬とともに波束て紹介します．この導波路は，群速度C< 0 ）を加えたフォノン波束を導波．図 3（b）
が圧縮していきます（図 ₃（a））

2022.2

特集

圧縮

（μs）

進行方向

6
C＝－3
C＝0
C＝3
C＝9.7

5
4

波束幅

3
2
1
0

0

2

4

6

8

10

12

14（mm）

伝搬距離（a） 正チャープ信号（C > 1）の波束圧縮の模式図．波束前方から後方に移るにしたがって，波の周波数が増加しています．

図3（b） さまざまなチャープ定数（C）の入力
波における波束幅の伝搬距離依存性

群速度の分散による波束形状の変化はこれを実験的に確かめた結果です．

後述する非線形効果を合わせて用いれその結果，中央のメンブレン振動子を

ここでは，さまざまなチャープ定数（C）

ば，無変調の入力信号からフォノン波

通過する導波路のフォノン波もこの弾で入力した波束幅の伝搬距離依存性を

束の圧縮・拡大を実現することも可能

性特性の変化から影響を受け，伝搬ス

プロットしています．前述のとおり，です ．

ペクトルが変調します．伝搬波の振動

C= － 3 の負のチャープ入力では，波束幅が距離に比例して増加している一（5）

フォノン伝搬のスイッチング

周波数を適切に調整すれば，フォノンの伝搬強度が低下することになりま方で，C= 3 の正チャープ入力では波電気機械フォノニック結晶が持つす．それを実験的に確かめた結果が図束幅が減少していることが分かりまMEMS の特性を活用すれば，フォノ

4（b）に な り ま す． こ こ で は，5.745

す．しかし，距離7 mm を超えると波ン波の動的制御も可能です ．ここでMHz の伝搬波を連続波として導波路束の変化が，一転，圧縮から拡大へとは，導波路の中央に設置したメンブレ

端から加え，同時に，メンブレン振動

転 じ て い ま す． こ れ は， 入 力 時 のン振動子を外部変調用ノードとして使子から1.855 MHz の共振を1.0 ms のチャープによる波の偏在が解消されたいます（図 ₄（a））．このメンブレンは間隔で周期的に加えたときの，伝搬波ためと理解できます．また，周波数掃隣接するメンブレンとの結合が弱いたの他端での振動強度を時間領域で測定

引範囲を広げると，この圧縮効果も強め，3 MHz 以下の低周波数領域ではしています．確かに，中央のメンブレ

くなります．実験では，C= 3 から₉.7

単一の MEMS 共振器として振る舞い

ンが振動しているときだけ，伝搬強度へ増やしたところ，波束幅が 2 μs かます．それゆえ，表面に設置した電極が低下していることが分かります．こら 測 定 装 置 の 分 解 限 界 値 で あ る0.6から交流電圧を加えることで，導波路のように，外部から変調信号を電気機

μs まで圧縮しました．このように，の伝搬モードから，スペクトル的に独械フォノニック結晶に加えることで，

フォノニック結晶の特異な分散関係を立し，振動がメンブレン内に局在したフォノン波伝搬の動的な制御が可能に用いて，伝搬フォノンの波束形状を制共振を励起できます．これを強く励起なります．

御することができます．この実験ではすると，大きな振動振幅によりメンブ

本稿では説明を割愛しましたが，こ入力にチャープ信号を使いましたが，レン内の応力分布が再調整されます．

のほか，振動エネルギー転送や全機械（3）2022.23₇

特集

ナノメカニクス研究の最前線

入力：フォノン伝搬波

20μm

変調信号：MEMS振動子（nm）

MEMS振動子

導波路（a） MEMS振動子ー導波路の電子顕微鏡写真とスイッチング測定の構成図．MEMS振動子の共振と伝搬波の振動形状を挿入図に示
します．

図4

0.25 出力：フォノン伝搬波
0.20
0.15
0.10
0.05

0

可能となり，情報担体としてのフォノ

MEMS の非線形効果を用いて成功しンの有用性が飛躍的に高まると私たちています．

は期待しています．

すれば，オンチップで空間的かつ動的なフォノン制御を実現できます．しかし，その動作周波数は数 MHz と低く，実用性を追求するためには，極超音波と呼ばれる GHz 帯まで周波数を引き上げる必要があります．私たちは，最近，この極超音波デバイスの作製にも成功しました（6）．また，マグノンと呼ばれる強磁性スピン波を活用した極超音波フォノンの動的制御の研究にも取り組んでいます．本稿で説明した電気機械フォノニック結晶のフォノン制御技術と組み合わせることで，高周波で動作するフォノニック能動素子やそれ2022.2

3

4

5

6

7

8

9

（ms）

電気機械フォノニック結晶によるフォノン伝搬の動的制御らを集積したフォノン波回路の構築が電気機械フォノニック結晶を基盤に

2（b） フォノン伝搬のスイッチング．MEMS振動子のオン・オフに伴い，伝搬波の出力が変調されています．

フ ォ ノ ン 伝 搬 波 の 周 波 数 変 換 も，

融合

1

時間

ランダムアクセスメモリ操作，さらに，さらなる高周波化とマグノンとの

3₈

振動強度

導波路

■参考文献

（1） M. Maldovan：“Sound and heat revolutions
in phononics，” Nature，Vol．503, pp．209217，2013.
（2） K . L . E k i n c i a n d M . L . R o u k e s ：“Nanoelectromechanical systems,” Review of
Scientific Instruments, Vol.76, No.6, June
2005.
（3） D. Hatanaka, I. Mahboob, K. Onomitsu, and H.
Y a m a g u c h i：“ P h o n o n w a v e g u i d e s f o relectromechanical circuits,” Nature
Nanotechnology, Vol.9，No.7，pp．520524，July 2014.
（4） M. Kurosu, D. Hatanaka, K. Onomitsu, and H.
Yamaguchi：“On-chip temporal focusing ofelastic waves in a phononic crystal
waveguide,” Nature Communications,Vol.9，No.1331，2018.
（5） M. Kurosu, D. Hatanaka, and H. Yamaguchi：“Mechanical Kerr Nonlinearity of Wave
Propagation in an On-Chip
Nanoelectromechanical Waveguide,” Phys.
Rev. Applied 13, 014056，Jan. 2020.
（6） D. Hatanaka and H. Yamaguchi：“Real-Space
Characterization of Cavity-Coupled
Waveguide Systems in Hypersonic Phononic
Crystals,” Phys. Rev. Applied 13, 024005，
Sept．2020.

（左から）畑中 大樹 / 黒子 めぐみ /山口 浩司
振動や熱といったフォノンを信号処理に使うという考えは，洗練されたエレク
トロニクスやフォトニクスからみると，
非現実的に聞こえるかもしれません．だからといって全く価値がないとはじめから見切るのでなく，その潜在性に注目して，有用性を確かめ，社会的価値を引き出すことが，基礎研究に携わる者の責務だと思い，日々研究に取り組んでいます．

◆問い合わせ先NTT 物性科学基礎研究所
フロンティア機能物性研究部
ナノメカニクス研究グループ
TEL 046-240-2518
FAX 046-240-4317
E-maildaiki.hatanaka.hz

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特集

ナノメカニクス研究の最前線

エルビウム

オプトメカ
ニカル素子

歪 制 御

光のエネルギー損失が極めて少ない
オプトメカニカル素子の創出
オプトメカニカル素子は発光デバイスなどの光学素子に機械的な自由度を付加した機能素子として近年注目されています．これまで
オプトメカニカル素子には微細加工が容易な半導体材料が主に用いられてきましたが，NTT 研究所では半導体材料よりも優れた光学特性を有する希土類元素を利用した新規オプトメカニカル素子の研究開発を進めています．本稿では，半導体材料よりも桁違いに長い
発光寿命を持つ希土類エルビウム元素を用いて実現した“光のエネルギー損失が極めて少ないオプトメカニカル素子”に関する研究成果を紹介します．

希土類エルビウム元素を用いた
オプトメカニカル素子

おおた

りゅういち

竜一

Victor M. Bastidas

やまぐち

ひろし

おかもと

太田
山口

浩司

岡本

はじめ

創

NTT 物性科学基礎研究所

うな特異な構造を組み込むことによ

材料で形成された従来のオプトメカニ

り，光と機械振動との相互作用を強めカル素子では，光の寿命すなわちエネ（1）

ることができます ．このような加工

ルギー損失時間が機械振動の損失時間

シリコンなどの半導体薄膜でつくらにより高感度な振動検出や高精度な振よりも圧倒的に短いため，光を用いたれた微小な板ばね（カンチレバー）構

動制御が可能となる素子としてオプト振動の制御（2）は可能でしたが，振動を造は，ばねの上下振動を利用したナノメカニカル素子は注目されています．

用いた光の制御は困難でした．これにとして機能します．

光と機械振動が相互作用するオプト対して NTT 研究所では，半導体材料

そのようなナノメカニカル素子は，例

メカニカル素子では，光と機械振動のと比べて発光寿命が圧倒的に長い希土

えばモバイル端末で使われる微小セン間のエネルギー損失時間の関係性が素類エルビウム元素を含むナノメカニカ

サや最先端の分析装置など，幅広い用

子の振る舞いにとって重要となりまル素子を作製することにより，光のエ

途で利用されています．これらのナノす．ここでいう「エネルギー損失時間」

ネルギー損失時間が振動の損失時間をメカニカル素子は，電気的な操作が可とは，例えば光の場合では，光がエネ

上回る新しいオプトメカニカル素子を能なエレクトロメカニカル素子と，光ルギーを失って暗くなるまでに要する実現することに成功しました（3）．これによる操作が可能なオプトメカニカル時間を指します．機械振動の場合でにより，機械振動を用いた光の増幅や素子に大別されます．このうち後者では，振動がエネルギーを失って止まる

発振など，従来は困難であったオプト

は，素子の内部に光が効率的に入るよまでに要する時間を指します．オプト

メカニカル技術が可能となります．

メカニカル素子＊1＊1

ナ
 ノメカニカル素子：弾性変形を周期的に繰り返すことにより機械的な振動が継続する人工構造体．鐘や鉄琴など楽器の振動板
もメカニカル素子の一種です．最近では微細加工技術の発展に伴い，髪の毛よりも細く小さなナノメカニカル素子を半導体チップに集積することも可能になっており，
MEMS 振動子として実用化が進められています．ナノメカニカル素子のもっとも代表的な形状の1つは本研究でも用いられている「片持ち梁」と呼ばれるもので，プールの飛び込み板に類似した形状をしています．

メカニカル素子ではエネルギー損失時

エルビウムは長距離伝送に適した通間の短い系を用いて損失時間の長い系

信波長帯（1.5 µm 程度）で光を吸収・を制御することが可能となります．例

発光することができるため，光通信用

えば，光が振動よりも長持ちする場合のレーザや光増幅器などへ応用されてには，振動を用いて光の強度や位相をいる材料です．したがって，これをオ変調制御することが可能となります．

プトメカニカル素子に用いることによ一方，振動のほうが光よりも長持ちす

り通信波長帯でのオプトメカニカル素

る場合には，光を用いて振動を制御す子の動作が可能となります．また，エることなどが可能となります．半導体

ルビウムは発光寿命が長くエネルギー

2022.239

特集

ナノメカニクス研究の最前線

オプトメカニカル素子

下運動しますが，交流電圧の周波数が

光吸収・
発光の測定

共振周波数（1.57 MHz）に合致した
際には，機械共振により Q 倍程度の変位がオプトメカニカル素子に生じます．その様子は素子に振動検知用の振動方向レーザ（波長633 nm）を照射し，その反射光をドップラー干渉計と呼ばれ圧電アクチュエータ
オプトメカニカル素子となる領域の両側を削り取ることで, 断面形状が逆三角形となるカンチレバー構造を作製しました.
素子の内部にはエルビウムが多数埋め込まれており, 機械振動による歪に依存したエルビウムの光吸収特性を調べることができます.

図1

エルビウムを含むオプトメカニカル素子の模式図る装置で検出することにより確認できます（図 2（a））．この機械共振の際にはカンチレバーの中央表面付近に大きな歪がかかり，この歪が結晶に埋め込まれているエルビウム元素に作用しま

損失の少ない材料ですので，これを用動が増幅される現象です．今回私たちす．これらは素子の機械特性を確認すいることにより素子の省エネルギー化が用いたナノメカニカル素子の機械共る実験でしたが，素子の光学特性は光が期待できます．

振 Q 値は2500ですので，共振を利用

励起用の波長可変レーザ（波長約1536

しない場合に比べて Q 倍程度，すな

nm=1.536 µm）を照射することによわち約2500倍も大きな歪を素子に導入

り評価されます．図 2（b）はオプトメできます．この機械共振を用いた大きカニカル素子を駆動していないときの機械振動によるエルビウム共鳴
波長の変調

40

半導体やエルビウムなど多くの光学な歪の導入により，エルビウム元素のレーザ波長と光吸収強度の関係を示し

材料では，特定の波長（共鳴波長）で共鳴波長を変調させることに成功しまています．これにより，1536.48 nm

強い光吸収や発光が起こります．このした．

付近にエルビウムの光共鳴に基づく急共鳴波長は主に材料の特性によって決今回実験で用いたオプトメカニカル

まりますが，電場や磁場などの外的な素子は多数のエルビウム元素が埋め込

今回作製した素子における重要な特要因にも依存します．今回実験で用いまれた結晶から作製しています．この徴の 1 つは，エルビウムの発光寿命がたオプトメカニカル素子では，外的因結晶を集束イオンビームにより斜めか

機械振動の寿命を大きく上回っている子として歪を機械振動により導入できら削る（ミリングする） ことにより，という点です．それを確認できる実験

ます．歪によりエルビウムの共鳴波長

断面が逆三角形の片持ち梁カンチレ

結果を図 2（c）に示します．このデーが変調される光機械特性を用いて，光バー（長さ140 µm，幅14 µm，最大タは，アクチュエータによる振動の励を用いた振動の検出や，振動を用いた

厚さ 7 µm）が得られます（図 1 ）．

振とエルビウムの光励起をある時刻で光の制御が可能となります．実は，ここれを圧電アクチュエータの上に乗せ同時に止めて，その瞬間から光の強度れまでエルビウムの光共鳴は歪にはあた後に，エルビウムの鋭い光共鳴が得と振動の振幅が時間経過によりどれだ

まり敏感に応答しないだろうと考えらられる 4 ケルビン（−269℃）程度のけ減衰するかを測ったものです．このれていました．それは，共鳴に寄与す

温度にまで冷却します．このような極結果から，光のエネルギー損失時間がるエネルギー準位が原子の内殻領域に

低温環境において，アクチュエータを振動のエネルギー損失時間よりも十分存在するため，外的な影響は受けづら

用いてオプトメカニカル素子の振動をいと思われていたためです．これに対励起します．アクチュエータに交流電して私たちは，機械共振により大きな圧を印加すると，その周波数でアク歪を局所的に与えることのできるナノ

チュエータが上下に運動します．アクメカニカル素子に着目しました．「共チュエータの上に設置したオプトメカ

振」とは素子固有の周波数において振ニカル素子のチップもこれと同様に上2022.2＊2

峻なピークを確認できます．

＊2イ オンビームを用いたミリング手法：真空中で飛ばしたイオンをぶつけることで物理的に材料を削り取る加工方法です．材料の組成などによらず，さまざまな材料を加工できることが特徴です．またイオンを斜めからぶつけることでナノメカニカル素子のような立体構造を作製することもできます．

特集（任意単位）

光吸収強度

40
変位

光・振動エネルギー（任意単位）
1.0

（nm）
50

30

0.5

20
10
0

0.0
1.568

1.570

1.572

（MHz）

1536.441536.481536.52 （nm）

（a）圧電アクチュエータに印加する交流電圧の周波数（横軸）が素子の共振振動周波数（1.57 MHz）に合致した際に変位（縦軸）が最大になることが確認できます.

（b）波長1536.48 nmにエルビウムに由来する明瞭な光吸収ピークが観測されます.

図2

（µs）

‒4

0

5

時間

10

15（ms）（c）エルビウムの発光強度（光エネルギー）とメカニカ
ル素子の振幅（振動エネルギー）の時間変化. 光の寿命の方が振動の寿命よりも圧倒的に長いことが確認されます.

オプトメカニカル素子の振動特性と光学特性

機械振動を用いた光の増幅 ･

周波数シフト
‒8

0.1

波長

周波数

1

0

4

発振

8 （GHz）

1.2

光吸収強度（任意単位）

相対時間

0.8

0.6

0.4
0.4
0.2

エルビウムの共鳴波長が振動に応じて変化する現象は，光と機械振動の非線形な相互作用に基づいています．これを応用すれば，例えば光増幅器のよ
うな非線形オプトメカニカル素子の実現が視野に入ります．図 ₄ は，今回のオプトメカニカル素子に外部からポン

0.0

0.0
1536.43

1536.481536.53（nm）

波長

機械共振の周期（0.64µs）でオプトメカニカル素子に含まれるエルビウムの光吸収波長が正弦的に変化する様子が観測されます（点線は中心波長の変化）.

図3

機械振動によるエルビウムの光吸収スペクトルの時間変化

プ光を入れた際に，エルビウムの発光
強度がポンプ光の強度に応じて増幅される様子をシミュレーションした結果を示しています．このシミュレーショ
ンには前述の実験で得られた光と機械振動の相互作用の大きさと損失時間がに長くなっていることが分かります．

図 2（b）の光共鳴がどのように時間応用いられており，ポンプ光の周波数がこのような関係性は，極めてエネル

答するかを評価する実験で確かめるこ

エルビウムの共鳴周波数とカンチレ

ギー損失の小さな光共鳴を使用しないとができます．図 ₃ は，横軸が光の波

バーの機械共振周波数の和周波に合致と達成できませんが，私たちは従来の長，縦軸が時間，色の濃淡がエルビウした際に光の増幅や発振が可能となり半導体材料よりも光学特性の優れたエムの光共鳴強度を表しており，エルビ

ます．その理由は，このような周波数

ルビウム元素を用いることにより，こウムの光共鳴が機械振動の周期〔0.64

整合条件において，ポンプ光のエネル

れを達成することに成功しました．

µs=1.57 MHz（共振周波数）の逆数〕

ギーが光共鳴と機械共振のエネルギー

今回作製した素子におけるもう 1 つに応じてシフトすることを示していまに分配されるためですが，機械共振にの重要な特徴は，エルビウムの光共鳴

す．その際のシフト量はエルビウムの分配されたエネルギーは光共鳴のエネが素子の振動変位に応じて変化すると

光共鳴線幅を上回っており，歪を用いルギーに比べて圧倒的に早く損失していう点です．これは，アクチュエータてエルビウムの発光を制御できることしまうので，実質的に光共鳴にのみ選に印加する電圧の周波数を機械共振周が確認されます．

択的にエネルギーを与えることができ波数（1.57 MHz）に合致させた状態で，るためです．つまり，光の寿命が機械

2022.24₁

特集

ナノメカニクス研究の最前線

増幅領域（任意単位）
104

発振領域

103
増幅利得

102

101

100

1

10

100

1000

（任意単位）

ポンプ光強度

エルビウムの共鳴周波数とメカニカル素子の機械共振周波数の和周波に合致したポンプ光を素子に照射した際，ポンプ
光強度の増加につれ光信号の増幅利得が増大し（黄色領域），しきい値を超えると発振する（青色領域）様子が確認されます.

図4

オプトメカニカル素子を用いた光増幅を示すシミュレーション結果

振動の寿命よりも圧倒的に長い今回の素子の動作周波数は 1 MHz 程度でし

オプトメカニカル素子で初めて可能とた が， 今 後 は 素 子 の 小 型 化 に よ りなる現象です．このようにオンチップ

GHz 域での高速動作をめざします．

で形成されるメカニカルな光増幅器

そのような高速動作が可能となれば，は，小型かつ省エネルギーな光デバイ

例えばレーザ光の変調や波長多重化なスとして注目されます．得られる増幅

どの光制御技術への応用が期待できま

利得はオプトメカニカル素子の構造やす．エルビウムは単に通信波長帯でのQ 値に依存しますので，素子構造の最光アクセスが可能なだけでなく，光の適化などによるさらなる高利得化が今

量子力学的な性質を利用した情報通信

後期待できます．

にも利用される材料です．したがっまとめと今後の展望
本稿では希土類エルビウム元素を用いた新しいオプトメカニカル素子について紹介しました．機械振動の寿命よりも長い発光寿命を持つエルビウム元
素をナノメカニカル素子に埋め込むことにより，微小な振動を用いた光共鳴
波長の制御や光の信号増幅などが可能となることを示しました．今回の原理
実証実験は−269℃の極低温環境で行いましたが，今後は液体窒素温度（−196℃）での動作に向けて材料や構造の改良を進め，実際に応用利用のできる素子化をめざします．また，今回の4₂

2022.2て，そのような元素を含むオプトメカ
ニカル素子による量子情報技術への応用展開も今後大きく期待されます．
■参考文献（1） M. Eichenﬁeld, J. Chan, R. M. Camacho, K. J.
Vahala, and O. Painter：“Optomechanicalcrystals，” Nature，Vol．462, pp．78-82，
2009.
（2） J. Chan, T. P. Mayer Alegre, A. H. SafaviNaeini, J. T. Hill, A. Krause, S. Groblacher,
M. Aspelmeyer, and O. Painter：“Lasercooling of a nanomechanical oscillator into
its quantum ground state，” Nature，Vol．
478, pp．89-92，2011.
（3） R. Ohta, L. Herpin, V. M. Bastidas, T.
Tawara, H. Yamaguchi, and H. Okamoto：“Rare-earth-mediated optomechanical systemin the reversed dissipation regime，” Phys.
Rev. Lett.，Vol．126，No． 4 ，047404，
Jan．2021.

（左から）山口 浩司 / 岡本創/

太田 竜一 / Victor M. Bastidas
近年ナノメカニクスの研究分野は急速に拡大しており，光通信技術への応用にも大きな期待が寄せられています．私たちは「優れた材料」と「最先端の加工技術」
を組み合わせることで，振動による制御を可能とする新しい光機能素子の実現をめざしています．

◆問い合わせ先NTT 物性科学基礎研究所
フロンティア機能物性研究部
ナノメカニクス研究グループ
TEL 046-240-4665
FAX 046-240-4317
E-mailryuichi.ohta.rx

hco.ntt.co.jp

特集

光キャビティ

ナノメカニクス研究の最前線

ナノワイ

ヤ

機械振動子

光キャビティを用いたナノワイヤ振動子の高感度検出と制御
半導体ナノワイヤは肉眼では見えないほどに細く小さな棒状の構造です．このような微細構造に光や電荷を閉じ込めることにより，光子や電子の １ 粒 １ 粒を制御できる量子ナノ光 ・ 電子デバイスとしての機能が加わります．一方，半導体ナノワイヤは，それ自身が“しなり”運動する振動子としても機能します．本稿では，この機
械的な機能と光 ・ 電子デバイスとしての機能を融合した新しいハ
イブリッド量子デバイスの創出へ向けて，NTT 研究所が最近開発

あさの

もとき

ザン

浅野

元紀

章

やまぐち

ひろし

おかもと

山口

浩司

岡本

ゴウチャン

国強

はじめ

創

したナノワイヤの微小振動を高感度に検出 ・ 制御する技術を紹介します．

ハイブリッドメカニカルデバイスとしての半導体ナノワイヤ

NTT 物性科学基礎研究所にしなり運動することから，これを振することが可能となれば，極小デバイ

動子として利用することができます．

スを用いた革新応用が広がります．とこの振動子は非常に小さな構造なのりわけ，そのようなハイブリッド化を

半 導 体 ナ ノ ワ イ ヤ は 直 径 が 数100

で，外から加わる力や物体の付着など

光・電子・振動のそれぞれに量子力学

nm（髪の毛の太さの100分の １ 程度），に対して振動特性が敏感に変化しま的な性質が顕著に現れる極限領域で可長さが数μ m と非常に細く小さな棒

す．この特徴を利用すれば，振動特性能とすれば，例えば，光子 1 粒を生成状構造です．これは，数 mm 角の半の変化量を読み取ることにより，外力するための光子源や，量子情報を保存

導体チップをテニスコートの大きさにや粒子の量などを検知するメカニカルするためのメモリなどといった，昨今

例えた場合，その中につまようじが 1センサとして用いることができます．

注目を集めている量子情報通信の分野

本立っているようなサイズ感です．しまた，光や電気で駆動される機械アクにおける重要技術への応用展開につなたがって，直接目で見ることはもちろ

チュエータとしての利用も可能です．

がります．このようなハイブリッド化ん，光学顕微鏡でもその全体像をとらこのように，半導体ナノワイヤの振動により，光・電子・振動が三位一体とえることは困難です．このように小さ子としての特徴を利用したさまざまななった革新的な量子情報デバイスを創な構造ですが，最新の半導体技術を用研究が展開されています ．

出できる可能性が期待されています（2）．

（1）

いて光子や電子を内部に閉じ込めるこ

これまで微小な光・電子デバイス，

このように期待が集まる半導体ナノとが可能です．NTT 研究所では，こあるいはナノメカニカルデバイスとしワイヤですが，その微小な機械振動をの技術を用いて，超低消費電力な半導て注目されてきた半導体ナノワイヤで高感度に検出して制御する技術はこれ

体レーザや，電子スピンの制御が可能

すが，これらの機能を有機的に結びつまで十分に発達していませんでした．

なスピントロニクス素子など，半導体

けたハイブリッドデバイス化へ向けた

その理由は，直接目では見えないほど

ナノワイヤの光・電子デバイス応用へ取り組みは始まったばかりです．例えに小さなナノワイヤのサイズにありま向けた基礎研究を展開しています．

ば，光や電気，振動の信号を複合的にす．通常の（かろうじて）目で見える

一方，半導体ナノワイヤは優れた機用いた新たな情報処理や，振動に応じ程度の機械振動子の振動検出に用いら械特性を持つナノメカニカル素子とした 光・ 電 子 物 性 の 制 御 な ど，IoTれるレーザ照射などの手法を，光の波ての側面も有しています．例えば，基（Internet of Things）デバイスとし

長（ 1 μ m 程度）よりも小さなナノ板に垂直に成長したナノワイヤは左右ての機能性を半導体ナノワイヤに付与

ワイヤに適用することは困難です．し2022.243

特集

ナノメカニクス研究の最前線

エバネッセント場
機械振動

機械振動

誘電体球

光
機械バネ
ミラー

ミラー

微小振動子

光経路

ウィスパリングギャラリーモード（a） 機械バネに接続されたミラーキャビティにおける共振器オプトメカニクスの構成

図₁（b） 微小振動子を接近させた誘電体球における近接場オプトメカニクスの構成

共振器オプトメカニクスと近接場オプトメカニクスの概念図

たがって，ナノワイヤのような極めて

この経路変化は波の位相変化として表なく，またミラーキャビティのように小さな構造の振動を高感度に検出してれます．この位相変化を読み取ること大きなキャビティを外部に設置したと制御するための新しい有効な手法を開で，機械バネの振動を高感度に検出すしても，サイズの大きく異なる微小な拓する必要があります．

ることができます．一方，キャビティ

ナノワイヤに対して十分な光機械結合を生み出すことが難しいからです．

以降では，半導体ナノワイヤの超高に強く閉じ込められた光がミラーに感度な振動検出と制御を可能とする新

よって反射される際，光の運動量が変これに対して，私たちは微小な球状技術として，NTT 研究所で最近開発化する反作用としてミラーに力が加わの光キャビティを用いた近接場オプト

した微小ガラス球を用いた「近接場共ります．この力（放射圧）を利用する

メカニクスという手法を世界で初めて

振器オプトメカニクス」と呼ぶ技術にことにより，機械バネの駆動や周波数

半導体ナノワイヤに適用しました．こついて簡単に紹介します ．

の制御が可能となります．

の技術の鍵となる球状キャビティは，（₃）

光の放射圧は，古くは「彗星の尾」

光ファイバの材料でもあるシリカガラにその存在が発見されていましたが，スという透明なガラスを加工すること

これを積極的に活用した「共振器オプ

で，半導体ナノワイヤとは独立に作製

共振器オプトメカニクスの技術は図

トメカニクス」が応用技術として花開します．ちょうどガラス職人がガラス

₁（a）に示すような片側が機械バネにいたのは2000年代前半に入ってからでのコップや風鈴をつくるように，シリ接続されたミラーキャビティのモデル

す．最近では，世界トップレベルの性

カ光ファイバの先端を熱して膨らませで理解することができます．キャビ能を示すデバイスにおいて，振動量子ることで，数10 μ m 径の非常に小さ

ティとは，光を閉じ込めるための「箱」

1 粒に対応する量子揺らぎの検出・制な「ガラス玉」を作製することができのことです．このモデルでは， 2 枚の御に成功したという報告もなされています．このガラス玉に細線化した光

ミラーの間を反射によって光が行ったます．しかし，このような共振器オプ

ファイバを接触させると，光ファイバ

り来たりすることで，光が閉じ込めら

トメカニクスの技術を極めて小さな構から漏れ入った光がガラス玉表面を何れています．ミラーに取り付けられた造である半導体ナノワイヤに適用する度も周回する「ウィスパリングギャラ

機械バネが振動すると，キャビティにには一筋縄ではいきません．なぜなら

リーモード」と呼ばれるキャビティ光

閉じ込められた光が通る経路が変化しば，特殊な成長方法によって作製され学モードが誘起されます．この際，図ます（図 1 に赤，緑矢印で表示）．光るナノワイヤと質の良い光キャビティ

1（b）に示すように，全反射が生じるは波としての性質を有していますので，とを同じチップ上に作製ことは容易でガラス玉の周壁部分で光が球の外側に微小ガラス球を用いた近接場共振器オプトメカニクス

44

光経路

2022.2

特集

細線加工ファイバ
微小球キャビティ

200 nm[111]

ウィスパリングギャラリーモード

2 μm

[110]

（b） 半導体ナノワイヤの電子顕微鏡像（赤矢印は結晶軸）
球構造

50 μm

半導体ヘテロ構造ナノワイヤ（a） 近接場オプトメカニクスのセットアップの概略図

図2（c） シリカ微小球キャビティの光学顕微鏡像実験で用いたセットアップとデバイス

染み出すエバネッセント場が生じまにまで細線化した通信波長光ファイバが観測されました（図 ₃（a））．これら

す．このエバネッセント場をナノワイ

をコンタクトさせ，ウィスパリングギャ

は，ナノワイヤの縦・横 2 方向の振動

ヤに近づけると，ナノワイヤの振動に

ラリーモードを誘起します．このモーモードの熱揺らぎに対応しています．

応じてキャビティを周回する光の経

ドのエバネッセント場をナノワイヤに熱揺らぎとは，ナノワイヤが環境温度

路，すなわち位相が変化するため振動近接させることにより，1.₈×10 の Q

によりランダムに運動する熱的な振動の検出が可能となります．また，ミ値を有する光共鳴を観測しました．Q

のことであり，温度が高いほど大きく

ラーキャビティの例と同様，この反作

値とは，キャビティにどれだけ強く光なります．本実験で用いたナノワイヤ用としてナノワイヤに力が加わりまを閉じ込めることができるかを示すの室温における熱揺らぎは100 pm 程

す．この光と機械の相互作用を活用す

Quality の指標であり，10 という値は度（～ 1 × 10-11 m/Hz0.₅ ～ 原子 1 個ることにより，光を用いたナノワイヤ

高 Q 値に分類される閉じ込めの強いの大きさと同程度）であり，本測定系の振動制御も可能となります．光のエ

光共鳴を指しています．

で検出可能な最小変位量（図 ₃（a）のバネッセント場を用いた本手法により，光の波長よりも小さなナノワイヤの振動を高感度に検出・制御すること

₅₅

半導体ナノワイヤの高感度変位測定と振動特性制御

フロアレベルに相当）は10 pm 程度であることが分かりました．この最小検
出可能変位は2.₈ケルビンの温度環境

私たちは，ナノワイヤの振動に伴うにナノワイヤを置いた際期待される熱実験の概略を図 ₂（a）に示します．

光の位相変化を鋭敏に読み出すため，揺らぎの大きさに相当しています．こ

測定には InP 基板上に多数成長されたホモダイン光干渉計と呼ばれる測定系

れはすなわち，約－2₇0℃という絶対

InAs/InP ヘテロ構造半導体ナノワイを構築しました．この干渉計の利点

零度近くの極低温環境でもナノワイヤが可能となるのです．

ヤ（ 図 2（b）， 長 さ1₄ μ m， 直 径₅00

は，光パワーを検出する通常の検出方の熱揺らぎが検出可能であることを示nm）の 1 つを用います．また，光ファ法とは異なり，光の位相変化を高感度しています．そのような極低温環境でイバ先端を放電加工した₄0 μ m 径のに読み取れる点にあります．この干渉は，半導体ナノワイヤに閉じ込められガラス玉を光キャビティとして用いま計出力信号に対してスペクトル測定をた電子が量子力学的な性質を示しま．ガラス玉に1 μ m 程度す（図 2（c））

行うと， 1 MHz 近傍に 2 つのピーク

す．したがって，このような環境でナ

2022.24₅

特集

ナノメカニクス研究の最前線（m/ Hz）（nm）
0
キャビティーナノワイヤ間隔

10－11

PSD
（V2/Hz）

100

10－10

振動変位密度

200
300
10－11
400

10

－12

500
1.275

1.28

1.285

（MHz）

1.275

周波数

ノワイヤの機械的な自由度を引き出すことが可能となれば，ハイブリッド量子デバイス化へ向けて大きく前進し（b） 光キャビティと半導体ナノワイヤの間隔を制御した際のパワースペクトル密度（PSD）

半導体ナノワイヤの高感度変位測定と振動特性制御の結果

今後の展開
今回紹介した技術は，光波長よりもサイズの小さな半導体ナノワイヤの微ます．
一方，振動の検出のみならず，振動小振動を高感度に検出・制御することを積極的に制御する技術の開発も重要を可能にします．その検出感度は光となります．微小ガラス球を用いた本

キャビティの Q 値向上でさらに高ま手法は，ナノワイヤの振動検出と同時ることが期待できます．前述の実験でに振動を光で制御することも可能とし用いた光キャビティの Q 値は10₅の程ます．これは，光ピンセットにも応用度でしたが，より精度良く加工するこされている光勾配力と同じ原理で，光とにより10₇以上の Q 値を得ることも電場の密度が低いほうから高いほうへ十分に可能です．そのような高 Q 値

物体に力が働きます．この力は，キャキャビティを用いれば，半導体ナノワ

ビティとナノワイヤの近接距離が小さ

イヤの熱揺らぎのみならず，さらに 2

くなるほど増加し，振動周波数の変化

桁小さな量子力学的揺らぎを検出できと線幅の増大を引き起こします（図 ₃

るレベルにまで振動検出感度を引き上（b））．また，詳細は割愛しますが，こげることも可能となることが理論予測の力を用いてナノワイヤの振動軸を回されています．これを実験的に実現す

転させることにも私たちは成功しているにはまだまだ課題が残っていますが，ます．このように，キャビティの強い

今後も挑戦を続け，ハイブリッド量子光勾配力を用いることで，ナノワイヤ

デバイスへ向けた半導体ナノワイヤのの振動特性を精密に制御できることを研究を進めていきます．

明らかにしました．

■参考文献（1） F. R. Braakman and M. Poggio：“Forcesensing with nanowire cantile-4₆

2022.210－12周波数（a） 半導体ナノワイヤの振動変位スペクトル密度（挿入図はしなり運動を示す）

図₃1.285 （MHz）

1.28

vers，
” Nanotechnology，Vol．30, No．33，
May 2019.
（2） G. Kurizki, P. Bertet, Y. Kubo, K. Mølmer, D.
Petrosyan, P. Rabl, and J. Schmiedmayer:“Quantum technologies with hybrid
systems，” PNAS, Vol．112, No. 3, pp．
3866-3873, March 2015.
（3） M . A s a n o , G . Z h a n g , T . T a w a r a , H .
Yamaguchi, and H. Okamoto：“Near-fieldcavity optomechanical coupling in a compound
semiconductor nanowire，” Commun. Phys.，Vol．3, No．230，Dec．2020.

（左から）章国強 / 山口 浩司 /浅野 元紀 / 岡本創

皆さんの身の回りにあふれている「振動」
ですが，その究極的に小さな領域ではまだまだ解明されていない現象がたくさんあります．小さな「ガラス玉」を覗いて広がる振動の物理の奥深さと，その応用技術の重要性をお伝えできれば幸いです．

◆問い合わせ先NTT 物性科学基礎研究所
フロンティア機能物性研究部
ナノメカニクス研究グループ
TEL 046-240-3825
FAX 046-240-4317
E-mailmotoki.asano.gm

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特集

ット
インクジェ

ナノワイヤ

ナノメカニクス研究の最前線

機械振動

インクジェット技術を用いた架橋ナノワイヤ電気機械素子の作製
半導体ナノワイヤは次世代の電気 ･ 光デバイス用材料として注目され，近年精力的に研究が進められています．細長いナノワイヤ
を架橋構造にすると，それ自体の機械振動を利用した電気機械素子として機能し，高感度センサなどへの応用が期待されています．本稿では身近なインクジェット技術を用いることによって，そのよう

ささき

さとし

智

舘野

功太

おかもと

はじめ

やまぐち

ひろし

佐々木

たての

な機械振動素子を手軽に効率良く，かつ資源の無駄を極力抑えて作岡本

製できることを解説します．

NTT 物性科学基礎研究所

インクジェットプリンタ

創

山口

こうた

浩司

分解能としては数10 μｍ程度となりには全体の極一部のみ電極・配線とします．

て基板上に残して他の大部分はレジス

インクジェットプリンタは家庭やオ

実はインクジェットプリンタは文字

トとともに除去してしまうので大量のフィスで PC から紙類に印刷するのにや絵を印刷するだけでなく，プリント

材料が無駄になってしまいますが，イ用いられる身近な家電製品です．一基板のような電子回路を直接「印刷」

ンクジェットでは必要量の材料のみを方，産業的にもさまざまな局面で利用することもできます．インクジェット

必要な個所にオンデマンドに配置できされており，例えばペットボトルの手法はマスクレスかつオンデマンドにるので，昨今重要視される省資源化とキャップに年月日などの文字を印字す

金属電極などの材料を配置可能であるいう観点からも有利といえます．

るのにもインクジェットプリンタが使ことから，フォトリソグラフィのよう

われています．プリンタヘッドが印刷な従来のトップダウン手法がなじみに対象物と非接触なので，紙のような平くいソフトマテリアルへの微細構造形

坦なものだけでなくペットボトル

成にも適用でき，生体に貼り付け可能

私たちの研究グループは主にμ m

キャップのように立体的で凹凸のあるなフレキシブルエレクトロニクスデバ

領域のサイズの微細機械振動素子を研ものにも印字ができます．通常のインイス等へも応用されつつあります．従究してきましたが，さらに小さい nm

クジェットプリンタにおけるインク吐

来のリフトオフ法でプリント基板の金領域の断面サイズを有する機械振動素出機構としては，圧力でインクを押し属パターンを形成する際には，面積的子材料として半導体ナノワイヤに着目

半導体ナノワイヤを用いた
機械振動素子出すピエゾ方式や，ヒータによる加熱
でインクを押し出すサーマル方式が 2

ナノワイヤ

大方式となっています．家庭用のイン

機械振動

クジェットプリンタから吐出される液滴の最小サイズは約 1 pL で，空気中を飛翔する液滴の直径は10 μ m 程度といわれていますが，紙などの印刷対（a） 成長基板

象物に液滴が到達してから乾燥するまでに若干広がるので，実際の最小印字

図1（b） デバイス基板

基板上に成長したナノワイヤと横型機械振動素子の模式図2022.247

特集

ナノメカニクス研究の最前線しました．ナノワイヤは図 1（a）に模れずに無駄になってしまいます．この式的に示すように半導体基板に対してような非効率や無駄を避けるには，転一定の結晶方位に沿った角度で成長し写するべきナノワイヤを光学顕微鏡等

たヒゲ状の結晶で，典型的なサイズとでリアルタイム観察しながらデバイス

図 2（a）は実際のインクジェット装

しては直径数100 nm，長さ10 μ m 程

基板上の所定の位置に着地させる手法

置（SIJ 社製）の主要部分の写真で，度です．ナノワイヤが基板から縦方向が必要となります．昨今はグラフェン

手前の観察用カメラの奥に見える赤いに生えたままの状態でレーザやトランなどの薄膜の小片をハンドリングする

筒状の部品の下に吐出ノズルがあり，ジスタなどのデバイスに加工することために，レジスト等の樹脂膜に一時的

電気的に XYZ3軸精密制御できるようも可能ですが，ここではより精密な電に吸着させて別の基板に転写する方法になっています．また独自に補助マニ

気的制御を行うため，図 1（b）のようがよく用いられています．この手法をピュレータを追加しています．これはに別のデバイス基板に必要な数だけナナノワイヤの転写に適用することもで

図 2（b）の拡大写真に示すようにタンノワイヤを移し，両端に電極を有する

きますが，私たちはより効率的に転写

グステン針の先に細いヒゲ状のインジ

横型の両持ち梁構造を作製することと作業を行うためインクジェットプリン

ウム（先端径数μ m）を付着させたしました．なお半導体材料としては，

タを用いる方法を開発しました．ただもので，いったんデバイス基板上にイ

表面に電子がたまりやすく電気的接触

し，使用したのは前述した家庭用インンクジェット射出されたナノワイヤののとりやすいインジウムヒ素（InAs）

クジェットプリンタよりも1000分の 1

位置を微調整するために用います（2）．

を採用しています．

インクジェットによるナノワイヤ
機械振動素子の作製

程度の極微小液滴の吐出が可能な研究

実際の転写作業においては，ナノワ

さて，ここで無数のナノワイヤが生用のハイスペックな装置です（1）．またイヤをブチルカルビトールという揮発えている成長基板から機械振動素子用

吐出機構は前述した 2 種とは別の静電しにくい溶液中に分散させたものをの別の基板にどのようにナノワイヤを的な仕組みとなっています．外観は家「インク」としてインクジェット装置

移すかを考えます．もっとも原始的な庭用インクジェットプリンタよりは大に充填します．このとき成長基板内の方法はナノワイヤの生えた成長基板を柄になるもののデスクトップサイズで，数ミリ角程度の微小領域からナノワイ

そのまま，あるいは綿棒などにいった

常温常圧下で比較的簡便に作業が行え

ヤを先の細いブラシなどでブチルカル

んナノワイヤをこすり取ってデバイス

ます．

ビトール溶液に払い落としてやれば，十分な本数のナノワイヤが分散されま

基板に押し付けて機械的に転写する方法です．この方法はデバイス基板のどこにナノワイヤが転写されるかは全くの偶然頼りとなります．ナノワイヤの場所に合わせて電極を後付けする作製方法ならば，どこかに使えるナノワイ
ヤは見つかるでしょうが，後で説明す

補助マニピュレ－タるように，私たちは架橋構造用に準備した溝の上に橋渡しされた状態でナノタングステン針
ヒゲ状インジウム

ワイヤを置く必要があるため，このよ

1 mm

うな偶然に頼る方法を用いるわけにはいきません．また，たまたま所望の位置にナノワイヤが転写された場合でも，それ以外の大多数のナノワイヤは使わ

48

2022.2（a） インクジェット装置中心部

図2（b） 補助マニピュレータ先端部

インクジェット装置とマニピュレータの写真

特集

す．図 3 にナノワイヤを分散させたブ

柔らかい金属なので，ナノワイヤにダ

前述したインクジェット装置によるチルカルビトール溶液をインクジェッ

メージを与えることはないと考えていナノワイヤ転写を用いた，電気機械振

ト吐出している模式図と，実際の転写ます．このように補助マニピュレータ

動素子の作製フローを図 4 に示しま

作業中の光学顕微鏡写真を示します．

を使用することにより，最終的にはす．まずシリコン基板上の酸化膜にド斜め方向から観察した低倍率光学顕微

1 μm 程度の精度でナノワイヤの位置

ライエッチングで溝を掘り，電気機械

鏡写真中に黒っぽく見えている数カ所決めを行うことが可能です．

制御用のバックゲート金属を溝の中にの楕円形部分がインクジェット吐出されたブチルカルビトールの液滴です．
ここでは長さ10 μ m 程度のナノワイ

液滴ヤを転写するために，比較的口径の大きなノズルを用いているため本装置とインクジェットノズル

し て は か な り 大 き な サ イ ズ（ 直 径
50 μm 弱）の液滴を吐出しています．

（b） 斜め観察低倍率
光学顕微鏡写真200 μm

図 3（c）の高倍率光学顕微鏡写真が示すように左右 2 組の微細電極群がシリナノワイヤ

コン基板上にあらかじめ形成されており，各電極群をねらって液滴をインク

ナノワイヤ

インジウム

ジェット吐出しています．ブチルカル
ビトールの蒸発が進んで液滴がなくな
りかけていますが，まだナノワイヤは完全には基板に固定されていません．
図 3（c）の左の写真を見ると，ちょう

10 μm（a） ナノワイヤを含む液滴の吐出（模式図）

図3（c） 高倍率光学顕微鏡写真

インクジェット装置によるナノワイヤ転写の様子

ど各液滴に 1 本ずつナノワイヤが含まれるようにナノワイヤ分散液の濃度が調節されていますが，元の液滴サイズ
が大きいこともあり，まだ電極の上に（a） ドライエッチングによる溝形成とゲート電極の蒸着（b） PMGIスペーサ層で溝埋め
ナノワイヤ転写はナノワイヤが乗っていません．この後，ヒゲ状インジウムの補助マニピュ
レータでナノワイヤの位置を調整したのが図 3（c）の右写真で，各ナノワイ

SiO2
Si基板

ヤが電極の真上に直交するように配置されています．このとき，液滴ごとナ
ノワイヤを動かすか，ナノワイヤと基（d） スペーサ層除去（c） ソース・ドレイン電極形成

板の間に多少なりとも溶液が残った状態で動かしていますので，ナノワイヤに無理な力が加わることはありません．また，直接マニピュレータの先端がナノワイヤに触れてもインジウムは

図4

電気機械振動素子の作製手順

2022.249

特集

ナノメカニクス研究の最前線

蒸着しておきます．溝の深さとゲート（a） 完成デバイスのSEM写真

金属の厚みの差が最終的にナノワイヤ（c） 室温での機械振動信号とゲートの間隔（約300 nm）となります．ここにそのままナノワイヤを転

ソース

ドレイン

ワイヤが下に引っ張られて金属ゲート
表面に接触してしまうので，あらかじ

5μm

め PMGI という樹脂のスペーサ層で覆っておき，その上にナノワイヤをイ

Fres＝12.904 MHz
Q＝1322

InAsナノワイヤ

ソース

ンクジェット転写します．電気的測定（b） 断面図

振動振幅

写すると，後のリフトオフ工程でナノ

ゲート

ドレイン

ナノワイヤ

12.88

12.89

12.99

を行うためのソース・ドレイン電極を

12.91

12.92

12.93（MHz）

周波数

リソグラフィとリフトオフ法で形成しゲートた後，気相中の等方的オゾンクリーニ

図5完成したナノワイヤ電気機械素子の外観と機械振動特性

ング法によってスペーサ層を除去すると，架橋ナノワイヤ素子が完成します．

うのは，室温・常圧下において光学顕

図 5（a）に完成した架橋ナノワイヤ

微鏡でリアルタイム観察しつつマニ

機械振動素子の走査電子顕微鏡

ピュレーション可能な最小サイズに近（SEM）写真と，図 5（b）に断面模式図

い の で は な い で し ょ う か． イ ン ク

を示します．振動する架橋部分のナノジェットプリンタ自体はμ m 領域のワイヤの長さは10μ m で，300 nm の技術ですが，nm 領域の直径を有する

ギャップを介して静電的にナノワイヤ

ナノワイヤを介して，前者から後者へと結合しているバックゲートの幅は 4橋渡ししているともみなせます．そのμ m となっています．ゲート電極に結果，より高い共振周波数領域へ応用

高周波電圧を印加して架橋部分に静電範囲を広げることが可能となり，また，的な力を及ぼしつつ，ソース・ドレイ

梁構造が軽くなることによってナノワ

ン電極間に流れる電流をモニタするこ

イヤに吸着した単一分子を検出するなとによって検出した機械振動の信号をど，高感度センサへの応用も期待でき

図 5（c）に示します．12.9 MHz 付近にます．

ローレンツ型の共鳴振動ピークが観測されており，架橋ナノワイヤの長さや直径から計算される共鳴周波数とも近い値となっていることから，きちんと架橋電気機械素子が実現できていることが分かります ．
（3）

今後の展開
半導体ナノワイヤの典型的なサイズ
である直径100 nm，長さ10 μ m とい

50

2022.2■参考文献（1） 村田：“ 微細パターン直描を可能にするスー
パインクジェット印刷技術の開発，” 応用物
理，Vol.81，No.5，pp.386-390，2012．
（2） K. Fl hr, M. Liebmann, K. Sladek, H. Y.
G nel, R. Frielinghaus, F. Haas, C. Meyer,
H. Hardtdegen, T. Schäpers, D.
Gr tzmacher, and M. Morgenstern:“Manipulating InAs nanowires withsubmicrometer precision,” Rev. Sci.
Instr.，Vol. 82, p.113705, 2011.
（3） W. Tomita, S. Sasaki, K. Tateno, H.
Okamoto, and H. Yamaguchi: “Novel
Fabrication Technique of Suspended
Nanowire Devices for NanomechanicalApplications,” Phys. Status Solidi B,
p.1900401, 2019.

（左から）岡本

創 / 舘野 功太 /佐々木 智 / 山口 浩司
インクジェットプリンタは身近な家電製品ですが，最先端のデバイス作製にも応用可能な技術であり，かつ省資源化 ･環境保護にも寄与し得ることをお伝えできれば幸いです．

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ナノメカニクス研究の最前線

主役登場
物体の小さな振動を利用する

岡本

創

NTT 物性科学基礎研究所
フロンティア機能物性研究部
ナノメカニクス研究グループ
特別研究員 グループリーダー

私たちの周囲にあるさまざまな物体は，その材質や形状されます．また，私たちのグループでは，振動 ・ 光 ・ 電気，

で決まる固有の周波数で振動します．その振動の大きさはあるいは，振動 ・ 電気 ・ 磁気など，振動系とその他 2 系

外から与える力の大きさに依存しますが，あらわに外力をを融合したハイブリッド化の取り組みも積極的に進めてい与えなくても，周囲環境の温度により，目には見えない程ます．そのようなハイブリッド系の構築は，振動を介した度の小さな振動が起こります．このような物体の振動を積高効率な光電変換や超高感度な電荷 ・ スピン検出など，極的に活用することができれば，例えば検体の付着などに素子のさらなる高機能化や高性能化を可能とします．また，よる振動の変化を利用した高感度センサや，振動（弾性波）

多系のハイブリッドによって現れる新たな物理現象の解明に情報を担わせて転送する信号処理利用など，さまざまななど，基礎研究としての意義も大きく存在します．

役に立つ応用の可能性が広がります．このような試みは物体の微小な振動を取り扱うナノメカニクス分野はオプ“ ナノメカニクス” と呼ばれる研究領域において近年取り

ティクス分野やエレクトロニクス分野と比べて発展が遅れ組みが活発化しています．私たちのグループでも，NTTていました．それは，光子（フォトン）や電子（エレクトの有する高度な結晶成長技術や微細加工技術を武器に，微ロン）と比べて振動量子（フォノン）の取り扱いが困難で小な振動子を用いたナノメカニクス研究を積極的に展開しあったためですが，近年の飛躍的な技術革新により，最近ています．

ではフォノン単体を検出 ・ 操作することも可能となって私たちのグループでは，そのような微小な振動子を「光」きています．これからは今まで以上に振動を利用したさま

や「電気」あるいは「磁気」を用いて自在に制御したり，

ざまな素子や新規応用が世に示される時代となるでしょ

振動の情報を「光」や「電気」あるいは「磁気」に転写しう．ナノメカニクス，あるいはもっと言うなれば “フォノて読み取る技術を用いています．このような技術を応用すニクス” の時代が到来するでしょう．私たちが取り扱うナ

ると，小さな「振動」を利用して光や電気，磁気の応答をノメカニカル素子の振動だけでなく，皆さんにより馴染み制御することも可能となり，オプティクスやエレクトロニのある “ 音 ” や “熱” も振動（フォノン）によるものです．

クス，マグノニクスに関する素子を機械的自由度で操るこ音や熱を積極的に利用した機能素子が現れる時代もそれほとのできる新しい機能素子が実現します．機械的な「振動」

ど遠くないかもしれません．振動の “波” にいかにうまくはジュール発熱を生じないことから，このようなアプロー

乗るかが私たち研究者に問われています．

チは環境に優しい省エネ素子の創出という観点で特に期待

2022.2

51

中島

和秀

NTT アクセスサービスシステム研究所
上席特別研究員

研 究 者 にはゴ ー ル
はない．満足したら終 わりだ と 思うのが健全

年々増加するデータ通信容量に対応するため，将来的にデータ伝送容量を100倍から1000倍以上に増大させる技術が求められています．これに対応するために，世界的にマルチコア光ファイバの研究が進められている中で，現在の光ファイバの100倍以上の伝送容量と世界最高の空間利用効率を有するマルチコア光ファイバを実現し，主要国際会議においてトップスコアの評価を獲得した中島
和秀上席特別研究員に研究活動の進捗と世界初に臨む研究者の姿
勢について伺いました．

光通信基盤の持続的な発展を支え，「つなぐ」光媒体技術の研究開発
手掛けていらっしゃる研究概要，活動等について教えていただ
けますでしょうか．

に光の通り道であるコアを複数設ける方法を組み合わせる
ことで実現します．私たちは，関連グループと緊密に連携しながら， 1 本の光ファイバに複数のコアを設ける，空間
分割多重光ファイバ（マルチコア光ファイバ）に関して，

私は，あらゆるヒト・モノ・コトをつなぐ光通信基盤の空間チャネル数の拡大・高密度化，空間分割多重（SDM）

持続的な発展を支える，光媒体技術の研究開発を手掛けて

光増幅技術と伝送媒体内における光制御技術の融合，さらいます．コアネットワーク，海底ネットワークにおいてさには導入に向けて空間分割多重光ファイバの特性を最大限らなるトラフィック増大が予想されており，既存のシング発揮する革新的なケーブル化技術の研究開発に取り組んで

ルモード光ファイバでは伝送容量の限界を迎えるため，大います（図 1 ）．

容量化が必要になってきます．この大容量化は，複数のレー

58

ザ光を多重化して伝送する方法と， １ 本の光ファイバの中2022.2

さて，これまでネットワークの高速・大容量化のために

光ファイバを開発してきましたが，通信以外にもその活用との整合性を考慮した新たな技術の開発・導入が不可欠で領域があります．光ファイバは曲げにより屈折率が変化す

す．これは世界的に共通な課題であり，さらに，世界中にるという特徴がありますが，音や振動による極微小な屈折張り巡らされた光ファイバによるネットワークが相互につ率変化のため，散乱光の振幅・位相が変化します．この性ながるためにも，国際標準化が重要になります．そこで，質を利用して，光ファイバケーブルを社会へ張り巡らせた

私 は，ITU-T（International Telecommunication

センサとしての活用が考えられます．光ファイバをセンサ

Union-Telecommunication Standardization

として活用する，光ファイバ環境モニタリング技術は，電Sector）の議論にも参画し，200₉年からは課題検討グルー

力・ガス・水道・鉄道等インフラの設備管理・劣化予測や，プの議長（ラポータ）を務め，光ファイバ技術に関する国

河川や地盤情報による災害状況把握や被災予測，交通量や際標準化の議論をリードしてきました．

渋滞予測，気象などの都市情報等，さまざまな社会課題のいずれも社会に大きく貢献する研究ですね．具体的にどのレベルまで研究は進んでいるのでしょうか．

解決を実現するものとして期待されており，こうした新しい価値創造についても光媒体技術の視点からテーマの １ つとして取り組んでいます．

約１0年，世界のトレンドとなっている研究分野である

そして，私はライフワークとして光ファイバ技術の国際

マルチコア光ファイバで，私たちは世界をリードする成標準化に関する活動をしています．光通信インフラは一度果を上げています．

導入すると，容易に変更・更改することはできません．こ20１₇年には直径2₅0 µm 以下の光ファイバ断面に ₆ モーのため，光通信インフラの研究開発においては，既存技術

ド（チャネル）伝搬可能なコアを１₉コア配置することでファ

光ファイバ

バンドルテープ

空間分割
多重技術
マルチコア・マルチモード光ファイバ

張力

張力

マルチコア・マルチモード光ファイバの高密度実装とケーブル化による特性制御

現在の光ファイバ

コア
空洞

5.6 µm図1

光増幅媒体に空洞を付与し，空間チャネル間の光増幅偏差を低減

空間分割多重伝送の実現に向けた光媒体研究2022.25₉

イバ １ 本当り１１₄の空間チャネルを配置し，既存光ファイイバ技術の確立をめざすとともに，20₃0年にはマルチモー

バと同等の機械的信頼性を実現する世界トップクラスのドの併用や，高度化された光伝送技術との組合せで既存

超大容量伝送光ファイバを実現することに成功しました．

光ファイバの１2₅倍の伝送容量を実現したいと考えていま

そして，20１8年には１0モード・１2コアの光ファイバを設計・す．さらに将来的には，私たちが継続的に議論を重ねて試作し，空間多重数と空間利用効率（単位断面積当りのきた空孔構造光ファイバ技術との融合により，究極の大空間多重度）の双方で既存光ファイバの１00倍以上のポテ

容量伝送光ファイバを実現することも検討していきたい

ンシャルを有する世界最高の高密度空間分割多重光ファと考えています．

イバを実現しました（図 ₂ ）．コアの数を多くすると光ファ
イバの直径が太くなり，前述の直径2₅0 µm は既存の光ファ
イバのほぼ倍の太さであり，製造等の効率が低くなります．
そこで，私たちは既存の光ファイバと同じ細さで容量を増やすことを追究してきました．量産性や接続性など実研究者として心掛けてきたことを教えてください．

用化に向けたさらなる検討等は必要ではあるものの，現

私がとても重要であると考え大切にしてきたことは，状の通信設備や装置との親和性に優れ，短距離から １ 万論文や学会発表等さまざまな情報のソースにアプローチkm 級の長距離伝送にも適用可能なマルチコア光ファイバ

して気になったことを探すことです．しかし，コロナ禍

の研究成果も報告させていただき，20１₉年には OECC

により学会等において顔を合わせて議論する機会が少な（O p t o e l e c t r o n i c s a n d C o m m u n i c a t i o n s

く，休憩時間等の立ち話の機会も減りましたから，メー

Conference）の論文賞等を受賞しました．

ルでのやり取りで刺激を受けています．そして，これら

今後は，IOWN（Innovative Optical and Wirelessを通して他者の研究活動や着眼点，また，論文に大いに

Network）に向けて，202₅年を目途に既存光ファイバと刺激をいただいています．ただ，残念なことにオンライ同等の特性を有するコアを ₄ 個多重したマルチコア光ファンの学会や会議では，つい PC の脇や周辺にある目先の仕既存光ファイバに対する空間利用効率

150

15-mode ﬁber
3-mode MCF
6-mode MCF
10-mode MCF

100

10-mode12-core ﬁber

125 µm50

0217 µm
0

25

50

75

100

125

150

光ファイバ 1 心内の空間チャネル数
世界最高の空間多重数（12コア×10モード＝120）のマルチコア・マルチモード光ファイバ

図26₀

研究要素は「肌感覚」にある

2022.2

既存光ファイバと同じ細さのマルチコア光ファイバ
既存光ファイバと同等の伝送特性で短距離から 1 万km伝送まで対応

マルチコア・マルチモード光ファイバの検討例

事に一瞬気を奪われ，大切な刺激を逸してしまうことが何となく頭の片隅に意識を置いておくというニュアンスあります．やはり，オンサイトの直接的な活動がいいでを感じました．

すね．

仲間との話にもよく出るのですが，新しいイメージやそして，研究者にとって大切な能力として，何をねらい，

アイデアは食事や入浴の最中といった意外なときに浮か検討するかを見極める力があります．私はこの力を養うた

ぶものです．頭の片隅に置いておくことで日常のふとしめに新しいことを意識し，少しずつでも挑戦することを心た瞬間のひらめき，これも先ほどお話しした無駄を省き掛けてきました．また，余裕がないと新しい発想は生まれ

過ぎない余裕から何かが生まれるという話につながってないものですから，一見無駄に見えることでも少しはやっいるように感じます．特に実験をしているときはこれがてみる，やれるゆとりを意識してきました．

生きてきますから，実験中に気になったことは回り道だ

こうした教訓からも，「手を出して触る」ことは，研究と思わずに，時間を見つけてやってみるのが良いと思い者にとって最大のメリットであると実感します．この「肌ます．これをないがしろにすると研究自体が先細りして感覚」はとても重要で，ちょっとした違和感，不思議だといくようにも感じます．そして，虫の目，鳥の目，魚の感じたことに研究要素や発見があるからです．

目で研究活動を眺めていきたいですね．私たちはグルー

私は入社して28年，光ファイバ一筋に仕事を行ってきま

プで取り組んでいるので，鳥の目の役割はある程度年をした．現在，使用されている光ファイバは非常に優れてい重ねた研究者に任せて，若手は虫の目で一生懸命に追究て良くできたデザインで，ある意味で技術は確立したものするのも良いでしょう．

となっており，これ以上は追究しなくても良いだろうと考

さて，私は恩師や指導者に「技術ベースで提案することえられた時代も経験しました．それでも，私は長年の経験は自由」であると教えられました．部下だから進言してはと「肌感覚」による勘から，将来的には限界が来ると考え，いけない，というような発想はいけない，むしろ提案ベー

大容量化を追究するに至ったのです．そしてそれが現実のスで議論してほしいと言われて育ってきましたから，私もものとなりました．

若手にはぜひこの言葉を意識してほしいと思っています．

28年の研究活動において意識されてきたことをお聞かせください．
私は通信としての光ファイバ技術にこだわり続けてきましたが，研究活動において光ファイバの技術を別の何私も属しているグループでエキスパート・リーダ等のコメントなどを聞きながら，一生懸命考える努力をしましたし，議論を積み重ねてきたことが大いに役立ちましたから，ぜひ，提案ベースを心掛けてください．

かに活かす等のバイ・プロダクト的な発想は意識してきました．ちょっとした気付きやひらめき力は意識することでだんだんと身についてきます．NTT の OB で，私の国際標準化活動の大先輩に「目の前を通り過ぎる後ろ髪をつかめるようになれ」と言われたことがあります．ダヴィンチの言葉で「幸運の女神には前髪しかない」という言チームの一員であるという主体性を強く意識する先輩や仲間とのこうした会話はチームでの研究活動ならではですね．

葉がありますが，大先輩は「後ろ髪」という言葉で教えチームで研究をする大きな利点はメンバのさまざまなコてくださいました．「後ろ髪にすがりついて接点をつくっ

メントが聴けることにあります．ただ，チームにおける課ていく」と．この言葉には常に何かを考えるのではなく，題分担が曖昧になってしまうこともあり，これは避けなけ

2022.261

ればなりません．例えば，論文の学会投稿の担当は誰か等を使って情報を届ける意義はとても重要であると考えていが明確になっていないと，主体的にかかわらない，かかわ

ますし，利用していただく方々に大きなインパクトを与えれないことがあります．この主体性はチームの一員としてたいと考えています．こうした自分なりの考えや方向性を若い研究者の方に大切にしていただきたい心構えの 1 つでしっかりと持っていてほしいと考えます．

す．計算でも実験でも出てきた結果や数字を鵜呑みにしな

そして，繰り返しになりますが，ぜひ提案ベースを強くいでください．それをどういう目線で検討するかにオリジ

意識して研究活動をしてください．提案することで面白み

ナリティがあり，主体性が発揮されますから強く意識しても湧いてきます．否定されたとしても，その理由を追究すいただきたいと思います．

るのも研究の醍醐味だと考えます．加えて，実験に限らず，

また，オリジナリティを追究し，主体性を持った研究者

その領域において手掛けているテーマに一番詳しいのは手となるために重要なのは関心や興味を持つことだと私は考を動かして，汗をかいている自分であると自負していただ

えています．漠然と「先輩に言われたから実験しました」

けたらと思います．

では，そこには面白みや関心が存在していないように思い
研究者に求められるのは言われた仕事をする

Home）拡大時に私たちが検討した曲げに強い光ファイバ

ことではなく，結果に対してどう手を加えるか，加工するを部分的にでもネットワークに活用してもらえました．残か，何が出てくるかという面白みを見出すことで，それが念ながら，先輩方が今のネットワークに使われている光ファ

一番重要なのではないかと思うのです．

イバを開発して以来，それを凌駕する新たな光ファイバ

ませんか？

私が若かったころ，実験のグループリーダに「上下左右，の大規模導入はありませんが，部分的であっても社会にいろいろな方向から見ろ」と，報告書をよく突き返され貢献できたことは本当に嬉しかった記憶があります．こたものです．解釈することは結構難しいことなのですが，の経験は興味本位の研究ではなく，社会の役に立つ研究

それでもさまざまな方向から眺めて解釈していくと，意をするように私を変えてくれました．加えて，通信以外

外な発見があります．とはいえ，いまだに私も何だか分にも使えるのではないかとバイ・プロダクトの感覚も養っからないままに進めるときもありますから，若い研究者てくれました．IOWN 構想が発表され，世の中の関心もの気持ちも分かります．また，皆さんと同じように上かAI や IoT（Internet of Things）等 ICT やその周辺に向ら NO と言われてショックを受けた経験もありますから，

いてきているからこそ，こういった発想を持ついいチャ

私たち上席もなるべく NO とは言わないように努力していンスなのではないかと思います．

ます．10回やって 1 回うまくいったらラッキーだと思って臨んでください．
 い研究者の皆さんは，先輩のこうした励ましに支えられている
若のですね．
研究者は組織に属していても，自分なりの夢や方向性を語れるかということはとても重要だと考えています．私は情報をあまねく普及させるという電電公社のミッションに憧れて NTT に入社しましたから，光ファイバという媒体

62

28年間の研究者人生において，FTTH（Fiber To The

2022.2

研究者にはおそらくゴールはありません．満足したら終
わりなのではないでしょうか．研究は一生続くと思うこと
が健全ではないでしょうか．今後も，研究開発と国際標準化の両輪で，光ファイバネットワークの持続的な発展を支え，あらゆるヒト・モノ・コトをつなぐ光ファイバ技術の実現をめざして邁進していきたいと思います．

挑 戦 す る
研 究 開 発 者 た ち藤井 雅雄
NTT データ
技術革新統括本部
データベーステクニカルリード

シンプルなコードにこだわるという美学．
最 後 の 番 人として
「 中 身まで 分 かる人」でありたいAI や IoT，FinTech などのアプリケーションやサービスが多様化する昨今，データ基盤としてデータベースが重要視されています．
さまざまな分野で導入が進むオープンソースソフトウェアによるDBMS，PostgreSQL のコミュニティでコミッタとして活躍し，開発においてバグの修正やパッチのレビュー，世界中の技術者への働きかけを実施し，社員教育にも携わる NTT データ 技術革新統
括本部 データベーステクニカルリード藤井雅雄氏に研究開発の概要と研究開発者としての姿勢について伺いました．

お客さまの選択肢を増やすためトレンドを意識する
手掛けている研究開発について教えてください．

ド基盤上などで PostgreSQL のマネージドサービスを構築し，PaaS（Platform as a Service）として提供することです（図 1 ）．オンプレミス（ローカルなサーバ）での構築ですとお客さまごとに PostgreSQL のインストー

私が手掛けている研究開発は，① PostgreSQL as a

ルやバックアップなどを一から検討して構築する必要があService， ② PostgreSQL の 性 能 向 上・ 機 能 改 善，

りますが，これをクラウド基盤上に PaaS として構築する③ PostgreSQL におけるグローバルトランザクションのことで，お客さまは簡単に PostgreSQL を利用できるよ実現です．PostgreSQL はオープンソースソフトウェア

うになり，バックアップも自動的に定期取得され，監視も（OSS） の DBMS（DataBase Management Sys­

行われます．

tem）です．
PostgreSQL as a Service は，NTT データのクラウ

現在，世界的なトレンドとして商用 DBMS からの移行というかたちで PostgreSQL の導入が進んでおり，従来

2022.263

挑 戦 す る 研 究 開 発 者 た ち
テーマです．
新しい取り組みの中での課題を教えてください．
PostgreSQL as a Service は，コンテナ仮想化ソフ
トウェアを管理・自動化するための OSS の Kubernetes
は OSS の利用が少なかった，社会インフラとしての基幹上に構築することを検討しています．Kubernetes 上で系システムにおいても PostgreSQL の採用が進んでいまの PostgreSQL as a Service の実現には，従来のオン

す．社会インフラシステムの場合は特に，万が一のトラブ

プレミス上の PostgreSQL 環境では使われてなかったさ

ル時には迅速に解析・対応できるように整えておく必要が

まざまなオープン製品の組合せが必要になり，最適な組あり，性能情報の収集機能が重要になります．そこで，合せの検証を行っています．これらのオープン製品につPostgreSQL の性能向上・機能改善として，メモリの使いて，知見をためて使いこなせるようにならなければな

用状況を確認するための機能やトランザクションログに関らない点が課題の 1 つです．さらに，Kubernetes 関連する情報などの性能情報収集機能を開発して，Postgre­

は技術の進歩が早いので，その継続的なキャッチアップ

SQL に機能追加しています．

も重要な課題です．

PostgreSQL におけるグローバルトランザクションのグローバルトランザクションについては，Postgre­

実現については，グローバルトランザクションに必要な，SQL コミュニティ内で機能追加の合意をまだ得られてお複数のデータベースインスタンス（メモリ構造とプロセスらず，今後どう開発・展開していくのかを再検討する必群で構成される仕組み）をまたがるトランザクションの実

要があります．

行結果に一貫性を持たせる Atomic Commit，および複使い捨ての「おもちゃ」はつくりたくない

数のインスタンスをまたがるトランザクション実行の観測結果に一貫性を持たせる Atomic Visibility を Postgre­
SQL 上で実現することで，OSS 開発コミュニティへ提案
し，採用されることをめざしています（図 2 ）．グローバ
ルトランザクションとは，ユーザが DBMS を操作する際研究開発において大切にしていらっしゃることを教えていただけますでしょうか．

に使用する複数のインスタンスの中で，複数操作を 1 つのこれは個人的なモットーとも重なりますが，研究開発

ト ラ ン ザ ク シ ョ ン と し て 実 現 す る メ カ ニ ズ ム で す．

において「おもちゃ」はつくりたくないと思っています．

PostgreSQL におけるトランザクション処理能力を増大「おもちゃ」とは，お客さまに使っていただいたけれど，させるために，複数のインスタンスを連動させることがあ

1 年後には製品として存在しないものとなりサポートもりますが，インスタンスをまたがるトランザクション処理ない状態で，お客さまからすれば梯子を外されたようなの一貫性が必要になり，それを実現するための手段がこの状況を生み出してしまうことです．

ユーザ
PostgreSQL

PostgreSQL

HA構成

PostgreSQL

HA構成

セットアップ
操作・監視

モニタリングWeb UI

バックアップクラウド基盤

図1

642022.2

PostgreSQL as a Service

ログ集約こうした思いから，自らの研究開発成果については，には PostgreSQL のパッチやプログラムを書いてコミュ

長期的なサポートやメンテナンスのエコシステムが確立

ニティに投稿してもらっています．このタスクを続けてされた PostgreSQL などの OSS に可能な限り取り込み，

いくと自動的に中身を知ることになりますから，彼らの「中自分たちだけではなくコミュニティとも連携しながら，身まで分かる」番人としての実力も養われていると思いお客さまに安心して最後まで使ってもらえるように考えます．

ています．そして，成果を世に送り出して終わりではなく，課題やテーマを探すときに大切にしていらっしゃることを教えていただけますでしょうか．

お客さまにお使いいただいてフィードバックを受け，継続的により良いものにしていきたいと考えています．そPostgreSQL の性能向上・機能改善については，実際の意味では，お客さまにご利用いただいてからが本番だに PostgreSQL を使ってくださっているお客さまやプロと思っています．
また，研究開発成果について，途中で投げ出さない，

ジェクトからニーズをしっかりと伺うことを大切にしてい何が起きても最終的に自分たちが責任を持ってトラブル

ます．ただ，お話を伺うだけではなかなか見つけられない

対応するなどの “ 覚悟 ” を持つことも必要です．その “ 覚課題があるので，私は実際に技術支援等で現場に入り，当悟 ” を決める判断基準の 1 つは，成果についてソースコー

事者として課題やニーズを確認し，新しいテーマも見つけドレベルで裏側まで理解していることです．システム（ソられたらいいという心構えで活動しています．

フトウェア）にブラックボックスの部分があると，トラ

現在は，技術支援の割合が少し減ってしまいましたが，ブル発生時にその部分について責任を持った対応ができ少し前まではおおむね 3 分の 1 から半分程度の時間は現ないことがあります．もちろん，どの研究開発も裏の裏場に赴いて技術支援をしながら，残りの時間を使って研まで熟知する必要はありませんし，ブラックボックスを究開発をしていました．現場で課題を見つけては研究開

組み合わせて新しいものをつくり出すこともあると思い発でそれを解決し，その解決した成果を現場へフィードバッ

ます．ただ，データベースのような基盤レイヤにおいてクし，さらに技術支援先からフィードバックをいただいは裏の裏まで熟知していることが重要なポイントで，デーて研究開発につなげるという，とても良いループができ

タベースの研究開発者としてはこの責任感は持っていたました．
また，現場に赴くとキャッチできる情報量が違います．

いと思います．
私たちはデータベースでトラブル発生時の最後の番人

思いもしなかった使われ方をしていることもあれば，技的な立場ともいえます．番人の姿勢については同僚とも術者目線で当たり前の動作も，実際にお使いになってい話していますし，新人や若手にも番人として「中身までるお客さまの運用方法の観点からみると理解できないこ分かる人」になってほしいと伝えています．また，若手ともあり，お客さまの本当の「お困りごと」が具体的にサーバに存在しないデータにアクセスがあると，そのデータ実体がある
サーバに対して透過的にアクセス

SQL

テーブル
A

B

C
サーバA

Atomic Commit
Atomic Visibility
A

サーバB

B

C

A

テーブル

サーバC

図2

B
テーブル

C

A

データ実体

A

仮想データ

グローバルトランザクション

2022.265

挑 戦 す る 研 究 開 発 者 た ち
美学やこだわりによって成果が変わることもあり，深いレベルで能力を発揮することにつながると思って臨んでいます．私の一番の美学・こだわりはロジック・コードのシンプルさです．他の研究開発者がつくったコードもしっ
かりと読んで，トラブルの可能性を予見してプログラミン
分かることがあります．現場では異なる観点でさまざま

グ・コーディングをします．複雑すぎて自分しか知らないなフィードバックをいただけますから現場に赴くことはようなコードでは，サポートできる技術者が自分だけといっ大切です．ただ，私 1 人でできることには限界があります

た状況になってしまい，逆にお客さまに迷惑をかけることから，メンバや部下に現場へ入ってもらいニーズを吸い上になりますから，多くの技術者がサポートできるようにすげています．それでも人手が足りていませんから，サイクるという意味でもシンプルさは大切です．

ルを回せる人材を増やしていきたいと思います．

一番大切なのは「面白い」こと
研究開発者としての自信を持てたのは，入社して何年目くらいでしたか．

オープンソースのコミュニティや社外のミートアップ等，
さまざまな場へ積極的に出て行って，成果へのフィードバッ
クをもらうと良いです．さまざまなバックグラウンドの技
術者やユーザから意見をいただくことで見識が広がります．

入社18年目を迎えて，すでに古株という感覚があります．

今の若い研究開発者の皆さんの中には，すでにコミュニティ

そんな私が若いころと比較して，お客さまが求めているこでの開発や社外での講演に臨んでいる方もいて，また海外とをより広い視野でとらえられるようになった，お客さま

技術者との英語でのやり取りも臆していない様子が見受けの立場で技術を眺めることができるようになった，そしてられ，すごいなと感心しています．

引き出しが増えたことを通して，自らの成長を実感していどうしても外に出て行く最初の一歩が踏み出せない人は，
思い切って一度やってみましょう．実はそこまで気を張

ます．

66

若い研究開発者の皆さんに一言お願いいたします．

また，自信を持てるようになった大きなターニングポ

ることでもなかったと分かるものです．最初の一歩はそイントは PostgreSQL の本体の中に，データベースの更のことに慣れている経験者と一緒に踏み出すことをお勧

新内容を複製する，レプリケーションという機能を入れめします．もし，PostgreSQL であれば，私に直接聞いた こ と で し た． 当 時， レ プ リ ケ ー シ ョ ン 機 能 はていただいてもかまいません．実際に Twitter で「改造しPostgreSQL にはありませんでしたが，コミュニティにたいけれどどうしたらいいか」等と直接連絡をいただく

働きかけて入れることができました．PostgreSQL 本体

こともありますから，皆さんも遠慮せずに連絡してくだに機能を取り込めるように，プログラムを一からつくっ

さい．

ては捨てることを 2 年ほど繰り返して，やっとの思いで研究開発者には新しい技術やトレンドに対するアンテナ

入れることができました．そして，全世界の人に使っての高さは大切です．私が入社した当時と比較して，研究開

いただき，さまざま人から感謝されるまでに至りました．

発のスピードはどんどん速くなっています．最先端の技術

コミュニティでは技術的な正しさがすべてであり，それを追って，そこに対して自分なりの付加価値を付けること

により物事が進んでいくからこそ，基準も明瞭で議論にで，さらなる新しい最新技術として成果を出すことができも納得感があるため，この過程を通して，技術者としてます．そして何よりも，研究開発において一番大切なのは成長できたと思います．途中で，紆余曲折があっても技「面白い」ことです．PostgreSQL のコミュニティでは50

術的な正しさはいつでもモノサシなので，この点におい歳代後半の技術者がいらっしゃるのですが，その方はトッて海外の技術者からも，さまざまな視点に気付かせてもプの開発者で，技術力の高さは世界的にも知られています．

らえ，どんな議論も納得できることが多く，自らの糧とかつて日本では技術者の定年は35歳だといわれていた時期なりました．

もありましたが，そんな世界はもう終わりました．永遠に

これらの経験を通して，私はつくっているものに対す技術者としてコードを書いて仕事をできるのが今の時代でる美学やこだわりを持つことが大切だと思っています．

すから，私もその中心に身を置いていきたいと思います．

2022.2

NTTアクセスサービスシステム研究所・NTT未来ねっと研究所

村上友規 特別研究員「インテリジェント空間形成技術」を実現する
インテリジェント反射板制御および無線センシングの研究
IOWN（Innovative Optical and Wireless Network）時代に向け，
これまでの「与えられた伝送空間」から「つくる伝送空間」へのパラダ
イムシフトとなることが期待されている「インテリジェント空間形成技術」．今回は，その技術の土台となる 2 つの技術について，村上友規特別研究員にお話を伺いました．
◆PROFILE：2008年日本電信電話株式会社入社（修士卒）．NTT未来ねっと研究所配属．
2015年NTTアクセスサービスシステム研究所へ異動，博士号取得（早稲田大学），IEEE
AP-S Japan chapter Young Engineer Award受賞．2020年電波功績賞 総務大臣表彰受賞，NTT未来ねっと研究所兼任．

インテリジェント空間の形成には，例えば中継局で電波を受「インテリジェント空間形成技術」
を支える2つの技術

けて信号処理をかけるなどさまざまな方法がありますが，今回は私が携わっている「インテリジェント反射板制御」および「無線センシング」の2つの要素技術を紹介します．

◆「インテリジェント空間形成技術」とはどのような技術なのでしょうか．

◆インテリジェント反射板制御とはどのような技術なのでしょうか．

これまでの無線技術の研究は，与えられた無線伝送空間におイ ン テ リ ジ ェ ン ト 反 射 板（RIS：Reconfigurable

いていかに高速な通信を成立させるか，といったものが一般的でIntelligent Surfaces）は，電波の電気的特性を変化させる特した．これに対し，「インテリジェント空間形成技術」は，周囲殊素材を使用した反射板で，各素子を電子的にコントロールするから無線伝送空間そのものを変化させ，電波の進行方向や強度をことにより反射角や透過率といった反射特性を変化させることが制御することにより，通信品質や通信速度の最大化を図るというできます．鏡で光を反射する場合には入射角と反射角とは等しくコンセプトの研究です．

なりますが，インテリジェント反射板では任意に反射角度を制御

皆さんが利用しているスマートフォンを例にとると，これまし，反射する電波の方向を変えることができます．

では端末や基地局を進化させることで，基地局から端末等へ固定

例えば，障害物の影になり従来の反射板では電波が届かなかっ

的に飛んでいる電波を利用してより高速な通信を行うことをめざたところにも電波を届かせることができます．また，特定の地点

してきました．対して提案するインテリジェント空間形成技術でにフォーカスさせて通信品質を向上することもできます．
その他，は，街自体の電波環境をリアルタイムで把握し，空間に散りばめ

そのまま透過させて背後に送ること，吸収してどこにも届かない

られたデバイスによって動的に電波の進行方向等を変化させるこようにすること，散乱させて広域に届けることなども可能ですとにより，これまで電波が届かなかった場所にも届かせるなど，（図）．

より良いインターネットインフラや通信環境を提供することが可

私たちは，このインテリジェント反射板を制御する技術につ能となります．データ通信量が増加し，ヒトだけではなくモノもいて研究を行っています．実際に5G（ 第5世代移動通信システ

通信を行うようなIoT（Internet of Things），そしてIOWNム）の電波に対するインテリジェント反射板の効果について（Innovative Optical and Wireless Network）の時代になる

NTTドコモと共同で実験を行っており，2021年11月に報道発表と，通信の重要性はますます高まります．そこで，通信環境が変を行いました（1）．

わっても高品質で「つながる」世の中をめざし，インテリジェン

現在は，さらなる通信品質の改善を目的として，複数のイント空間形成技術の確立をメインミッションとしたグループを立ちテリジェント反射板の協調制御技術に注力して研究開発を行って上げました．

います．

2022.267

ではないかと期待しています．

◆無線センシングについて教えてください．
インテリジェント空間の形成には，実空間がどういう形状で，どういう電波環境にあるかを把握する，つまり「センシング」する技術が不可欠となります．センシングで得られた情報や過去に「インテリジェント空間形成技術」により，パラダイムシフトが起こる

収集したビッグデータを可視化し，機械学習で解析したうえで，空間を変えるインテリジェント反射板などにフィードバックする
わけです．

インテリジェント反射板制御については，現在は1つの環境と私は2020年度からNTT未来ねっと研究所を兼任しており，そして，室内のみで評価しています．今後は屋外に展開し，実際のちらではカメラなどのさまざまな媒体を融合させたセンシングに環境においてどのような効果があるのかを検証したいと考えていよる空間把握についての研究を行っています．その中でも，無線ます．移動物が少ない室内に比べ，屋外では車両などの電波に影センシングは特殊な装置や専用の装置を使用することで比較的容響を与える移動物が多く，環境変動も多いため，制御は難しいも易に実現できますが，私たちの研究では低コストでの実現と，既のになると想定しています．

存の無線装置を使ってさまざまな情報を得ることをめざしましまた，現在は1枚の反射板についての実験を行っていますが，た．無線を通信ではなく，非通信に利用するところがポイントで複数枚の反射板を使った場合についても検証したいと考えています．無線の電波の状態から，例えば端末の位置情報，人の有無やす．複数の反射板からそれぞれ情報を取得し，個別に制御するた

その密度，そしてドアが開いているか閉まっているかなどの情報

めには制御信号をどうするかというところから考えなくてはいけを収集することができます．

ません．課題は山ほどありますが，通信品質などにおいてより大実際に会議室内にWi-Fiルータを配置し，事前に人のいる状態

きな効果は必ず得られると考えています．

を学習したうえで測定を行ったところ，約₉5%という高精度でさらに，実際の基地局に実装するなど，開発面にも着手した

検知することができました．IOWN時代に向けて，無線システム

いですね．将来的には，インテリジェント反射板を各所に配置しを通信以外の分野にも展開することで新たな市場を開拓できるの協調制御を行うことで，高品質で通信が途切れない環境を提供で

図6₈◆今後の研究の方向性について教えてください．

2022.2

インテリジェント反射板の働ききるのではないかと期待しています．
無線センシングについては実装への道筋ができていて，既存◆若手研究者，および将来のビジネスパートナーに向けてメッ
セージをお願いいたします．

の基地局にセンシングの機能を入れるところまで検討が進んでいNTTアクセスサービスシステム研究所は，新しい技術を創出

ます．新たなものをつくると，その導入障壁がありますが，既存することはもちろんですが，その後，それを具体的な製品やサーのものを利用する場合にはそれがないため，比較的早期に検証がビスとして世の中に提供していくという事業化の部分もかなり重可能です．数年以内にユースケースを確保してアピールすること要視しています．自分の子どもに，「これはお父さんがつくったにより，近い将来，「センシング機能はあって当たり前だよね」

んだよ」と紹介できればうれしいですし，
やりがいもありますね．

といわれる世界にしていきたいと思っています．
◆「インテリジェント空間形成技術」により，どのようなことが外部との連携に関していえば，無線センシングの技術を共同研究できたという点が大きかったと思います．当初，私たちには可能となるのでしょうか．

無線通信の技術はありましたが，センシングに関しての知識やノIOWN時代には，ますますサービスやアプリケーションの多様

ウハウは不十分でした．
そこで異分野の方とコラボレーションし，化が進み，無線ネットワークに対する要求条件も，高速化だけで私たちの開発した無線センシングの装置を使っていただいて，いなく高信頼性，低遅延など多岐にわたることでしょう．インテリ

ろいろな技術を同時並行で研究開発していただくという取り組み

ジェント空間形成技術が実現すれば，データ転送速度の向上，通を進めました．市販の機器をベースとして測定できる仕組みをつ

信エリアの拡大，遅延の軽減，パケットロスの減少など，さまざくったため，多くの共同研究先とコラボレーションでき，結果とまな効果が表れてくるでしょう．まさに「与えられた無線伝送空して本技術領域を大幅に拡大させることができました．

間」から「つくる無線伝送空間」へのパラダイムシフトです．発
展性は非常に広いのではないかと思います．

私たちと同じ通信系ではなく，異なる分野の方と共同研究を行ったほうが新たなものが生まれる可能性や効果は高いと考えて

現在，環境によっては回線がつながりにくい，タイムラグがいます．情報処理や農業といった分野，素材メーカーや重工業

生じるなどの不満を感じることがありますが，将来的にはそうしメーカーなど，これまでの共同研究先は多岐にわたります．今後た不満はなくなり，空間やアプリケーションに縛られずに自由にもさまざまなところとコラボレーションしていきたいですね．例

無線通信を活用できる時代になると思います．すべてのお客さま

えば玩具の場合，無線を簡易的に使ったラジコンカーなどはありに良いものを提供できる土台のような技術になっていくのではな

ますが，最新の無線技術を活用した製品はそれほどないのではないでしょうか．

いでしょうか．コスト面で課題はあるかもしれませんが，もっと面白いモノがつくれるのではないかと思います．
これから企業で研究に従事する方々には，企業ならではの研究開発を意識してほしいと思います．大学ではある特定の分野に「尖った」研究をアカデミックに突き詰めていることと思いますが，企業では実際にモノを提供し，社会にどう貢献していくか，ということを重視する必要がありますね．
将来のビジネスパートナーとなる企業の方には，一緒に研究 ・開発を行うことで，私たちのIOWNに向けた基礎技術を活用していただきたいと考えています．新しい製品やサービスをつくり出すために私たちも汗をかきますので，ぜひご協力をお願いいたし
ます．
■参考文献

（1） https://group.ntt/jp/newsrelease/2021/11/12/211112b.html（今回はリモートにてインタビューを実施しました）

2022.269242

ドコモ ・ テクノロジ株式会社

https://www.docomo-tech.co.jp

移動通信関連の研究開発を通じて培った強みを活かし
お客さまの期待にこたえる
ドコモ ・ テクノロジは，移動通信のネットワークから端末，アプリ
ケーション ・ ソリューションまで，NTTドコモと一体となって研究開発を行っている．2021年 8 月に会社設立20周年を迎え，オープンでインテリジェントなRAN（O-RAN）の実現に向けた取り組み，そして
モバイル系と固定系が融合していく中でIOWN（Innovative Opticaland Wireless Network）を視野に入れ，お客さまへ対応していく

ドコモ ・ テクノロジ

ためのNTTグループ内の連携への思いを中村寛社長に伺った．

NTTドコモと一体となって，移動通信のネットワーク ・ オペレー
ションシステム ・ 端末 ・ アプリケーション ・ ソリューションを開発◆設立の背景と目的，事業概要について教えてください．
ドコモ ・ テクノロジは，2001年 8 月 1 日に NTT アドバ
ンステクノロジとドコモエンジニアリングの 2 社を母体と通信情報を転送する IP 転送ネットワーク，これらのネッ
トワークを運用するためのオペレーションシステム，さらにはスマートフォンのアプリケーションやソリューショ
ンなど，移動通信に関するほとんどすべての分野に及んでいます．
移動通信分野では，2020年にサービスを開始した 5 G（第して設立され，2021年に20周年を迎えました．当時は，

5 世代移動通信システム）において， 5 G 用基地局と 4 G

NTT ドコモが1999年に i モードをサービス開始し，2001年（第 4 世代移動通信システム）用基地局を同時に利用するに 3 G（第 3 世代移動通信システム）をサービス開始する

NSA（Non Stand Alone）と呼ばれる方式を開発し，ユー

ころでした． 3 G では新方式のネットワークやグローバル

ザが 4 G/ 5 G をシームレスに利用することを可能としま化に向けた新たな展開，i モードをきっかけとしたアプリケー

した．さらに，多様なニーズに対応していくために 5 G にション分野の強化等，研究開発における将来的な拡大 ・特化した SA（Stand Alone）方式を開発し，NTT ドコ

強化の必要性が増してきており，これに対応していくため

モは2021年にサービス開始しました．

に，NTT ドコモの開発力を強化することを目的としてドコモ ・ テクノロジが設立されました．

一方アプリケーションやソリューション分野では，ター
ミナル駅や繁華街の人出の状況を把握する「モバイル空間

当社は社名にある通りテクノロジの会社です．NTT ド統計」の開発を手掛け，コロナ禍においてテレビニュース

コモと当社は，移動通信システムを一体として開発してい等で広く利用されています．また，ドローンを用いた基地

ます．具体例としては，一部の通信装置では NTT ドコモ

局点検ソリューションにおける操縦者向けアプリの開発，が要求条件や仕様の検討を行い当社が試験を実施するなど，

農業 IoT ソリューション「畑アシスト」の開発（図 １ ），開発工程を分担しています．また端末アプリケーションのそして，XR 向けコンテンツ作成技術の実証実験等を行っ

一部やネットワークのオペレーションシステム，各種ツーています（図 2 ）．

ル類は開発工程の大部分を当社が担当しています．
◆実際にどのような分野の開発を行っているのでしょうか．
NTT ドコモと一体で開発を行っているので，NTT ドコ

70

中村寛社長

移動通信技術の強みを軸に，NTT グループ
連携により幅広い価値を生み出す

モが扱う分野とほとんど同じです．具体的には，移動通◆開発の動向や注力している技術について教えてください．

信用基地局等の無線ネットワーク，移動するモバイル端移動通信は2000年からの20年間で i モードやスマートフォ

末の位置情報管理や通信制御を行うコアネットワーク，ンに代表されるコンシューマ利用が進み，今や生活になく

2022.2

撮影の例

3 Dコンテンツの例

図2

XR 向けコンテンツ作成技術

世界に先駆けて NTT ドコモの 4 G では異なる装置ベンダの基地局装置間の相互接続を実現し， 5 G ではサービス開
図₁

畑アシストの概要

始当初からオープンな RAN を実現しています．NTT ドコ
モはその実力を買われて O-RAN Alliance の発足にあたてはならない「生活基盤」となりました．今後は，コンり設立メンバーの 1 社になり O-RAN を推進しています．

シューマ利用に加えてさまざまな業界が DX（デジタルト

現在，当社は O-RAN 仕様に基づく基地局装置の相互接続

ランスフォーメーション）を進めるために通信は「社会基性試験などにおいて技術力を発揮しています．

盤」に進化すると考えています．当社は，設立以来 NTT

また，技術領域を広げる方向としては，オープンクラウ

ドコモとともに蓄積してきた移動通信の技術力をさらに深ド，モバイル空間統計，XR 等の拡大に取り組んでいきま化させつつ，NTT グループ各社と連携して移動固定融合

す． 5 G のサービス開始とともにスマートライフ領域の重など新たな価値を創造し，IOWN（Innovative Optical

要性が高まっていますが，拡大した技術領域を強みとして，and Wireless Network）構想の実現に貢献していきま

新たな生活価値 ・ ライフスタイルの創出を実現するためす．また，サービスやソリューションにおいて，当社が備のサービス開発，アプリケーション開発，さらには法人向える技術領域を広げる方向にも進化していきます．

けのソリューション開発に貢献していきます．

技術を深化させる方向として，ネットワーク設備投資◆今後の展望についてお聞かせください．

の比率がもっとも大きな無線基地局のオープン化とイン

お客さまは移動と固定を融合したさまざまなソリューショ

テ リ ジ ェ ン ト 化 を 進 め る O-RAN（Open Radio

ンを期待されています．当社が持つ移動通信の強みと，Access Network）は注力している分野の 1 つです．無NTT グループのさまざまな会社が持つそれぞれの得意分

線基地局のオープン化は，世界のオペレータが設備投資

野を連携 ・ 融合させることにより，これまで以上に多くの効率化や柔軟なネットワーク構築のために注目していの分野，ソリューションにおいて，多様化 ・ 高度化するます．

お客さまのご期待にこたえていくことができると考えてい異なる装置ベンダの基地局装置を自由に組み合わせるにます．

は，装置間の相互接続性を実現しなければなりません．ベ

当社はドコモグループで研究開発を担っている会社です

ンダは自社製品の囲い込みを志向するため基地局のオープが，すでにいくつかこうしたグループ連携も進めており，ン化には消極的です．オペレータのオープン化への強い意

その中でも連携の重要性を共通認識として持つことができ

志 と そ れ を 実 現 す る 技 術 力 が な け れ ば 実 現 し ま せ ん．

ました．こうした経験をベースに，今後さらに「連携」「協NTT ドコモと当社は一体となってこの困難に立ち向かい，業」を拡大していきたいと考えています．

2022.27₁

担当者に聞く

O-RANによるオープン化にマルチベンダシス
テムの相互接続実績をベースに貢献

たっています．
◆ご苦労されている点を伺えますか．
大 き く 2 点 あ り ま す． 1 点 目 は 3 GPP や O-RAN
Alliance 等では，例えば 4 G や 5 G といったメジャーな仕様はある程度の期間をもって検討 ・ リリースされるので，開発期間の中でフォローしていくことになるのですが，その間のマイナーな変更は逐次行われているので，それをフォローしていかなければなりません．内容を解釈することも難しいのですが，これについては，会合に参加しているメ

無線ネットワーク事業部
無線装置開発部 担当部長
太多 勇二 さん

トワークに反映しています．
もう 1 つは，相互接続に関するものです．標準仕様に準拠している同じベンダの装置どうしでも相互接続試験を行◆担当されている業務について教えてください．

うと，メインストリームの接続手順のところはそれなりに無線装置開発部では，NTT ドコモの RAN を構成する基正しく動作していることが確認できるのですが，メインス

地局子局（RU），分散ノード（DU），集約ノード（CU）

トリームから少しでも外れると装置相互間でなかなか正し等の各装置の評価を行っています．

い動作をしません．仕様に明記されていない部分や仕様の移 動 通 信 シ ス テ ム で は， 3 GPP（Third Generation

解釈の相違による部分等，その原因は非常に多岐にわたりPartnership Project）や O-RAN Alliance といった国

ます．同じベンダの装置どうしであってもなかなか正しく

際標準化団体により標準仕様が作成されており，その仕つながらないので，マルチベンダとなるとさらに難しくな様に準拠した装置類でネットワークを構成することで，ることは容易に想像できると思います．相互接続でネット

グローバルにエンド ・ ツー ・ エンドの通信が可能となりワークを構築してもトラブルの発生があってはならないのます．NTT ドコモのネットワークを構築するにあたり，で，試験を 1 つずつ慎重に進めながら結果を装置仕様に導入される装置類の機能緒元，性能等が標準仕様およびフィードバックしていくとともに，ノウハウを蓄積して試NTT ドコモの要求条件に準拠しているか，ネットワーク

験の効率化，品質の向上に活かしています．

を構成する装置として正常に動作するかという点の検証 ・◆今後の展望について教えてください．

評価を行っています．実際の評価においては，装置単体

O-RAN に準拠した装置間の相互接続については，世界の検証のほか，装置どうしを接続してネットワークを構

各国の通信事業者 ・ ベンダ等の当事者ばかりではなく，成することでシステム全体としての検証，さらにはお客政府も注目しています．日本においても総務省を中心に，さまにサービスを提供するネットワークであることから，

国家プロジェクトとして「基地局用機器間の相互運用性の

大容量に対する性能や長期間安定といった検証も行って確保 ・ 検証技術」の研究を通じて，将来の OTIC（Openいます．

Test and Integration Center）設立の可能性を視野にNTT ドコモの RAN は世界に先駆けて 4 G から異なるベンダ間の相互接続を実現していました．相互接続性を担72

ンバから情報を逐次入手 ・ フォローし，必要なものをネッ

研究を進めており，当社も NTT ドコモとともにそのプロジェクトに参画しています．

保するために，異なるベンダ装置間の数多い組合せの検NTT ドコモの RAN では，テストベッドにおけるマルチ証を行っています．また，こうした RAN の周辺分野であベンダ間の相互接続試験や，10年以上にわたる実フィール

る，エリア設計，ネットワークから得られる大量のデー

ドにおけるマルチベンダシステムの利用実績があり，オー

タの解析ツールの開発等も行っています．

プン化でめざす RAN の相互接続に関する多くの知見が蓄こうした検証は，NTT ドコモがお客さまに安心 ・ 安全 ・積されています．これを活かして OTIC 設立後は相互接続安定したサービスを提供するために入念に行う必要があり，試験の実施担当として，オープン化の推進に貢献していき

私たちはその最後の砦としての使命感をもって業務にあたいと思います．

2022.2

ドコモ・テクノロジ ア・ラ・カルト■得体の知れないウイルスへ立ち向かう
1 時間前のある地点の人口を10分単位で提示できるモバイル空間統計のリアルタイム版を2020年 1 月にリリースしました．商
業施設の商圏分析等へ展開しようとした矢先にコロナ禍になり，新型コロナウイルス感染症拡大防止策の検討 ・ 検証のため，急遽ターミナル駅や繁華街の人出の状況の把握に活用いただくことになりました．ウイルスの特徴に関する情報が少ないという行政の課題に対して，私たちの統計がどのように役立てられるか試行錯誤し，改善を重ね，現在のレポートのかたちに収束しました ( 図3)．得体の知れないウイルスとその患者への対応に奔走している医療関係者はヒーロー的な存在であり，それと時々刻々と発生する要求条件の変更に対応している自身の姿を重ね合わせ，社会貢献している実感をモチベーションとして，たび重なる変更にもこたえることができました．

図3

新型コロナウイルス感染症対策特設サイト■技術者の使命「モバイル空間統計」は新型コロナウイルス関連ばかりではなく，イベント等における来訪者数推計や，高速道路の渋滞予
測等，さまざまな分野で利用されるようになってきました．このため，システム障害等によりサービス停止することによる社会への影響が大きくなってきました．障害復旧は，サービス運用の技術者の能力が大きく発揮される局面です．技術者にとっては活躍の場ではあるのですが，そもそも障害は発生してはならないものです．今後はより安定的にサービス提供できるよう，システム障害を未然に防ぐことに取り組んでいきたいと考えています．

2022.273

from NTTコミュニケーションズ

データ流通とDXにて実現する「日本版Smart Society」――未来の可能性と選択肢が開かれた社会をめざして
私たちが取り組む社会課題は，「分かってはいるが，どのように解いたら良いかが分からない “ 社会課題解決力がない ” という課題」です．デジタルツインコンピューティング（DTC）技術なども用いた民意の可視化・シミュレーションを用い，「リス
ク評価から合意形成に至るプロセス確立」「人々の行動変容を促す新たな仕掛け」「センター B（企業）・G（国，自治体）を巻き込んだ新たな課題解決サービス創出」への道筋をつけ，より良い社会の実現をめざしています．

取り組む社会課題とめざす世界

うに，いろいろな方々が，このプラットフォーム上に集まり，この①～⑤のループを共に考え回すことで，社会課題

日本は，人口減・高齢化などの社会課題先進国であり，解決を実現することをめざしています（図 1 ）．実空間でこのままのなりゆきでは “ 変われず立ちすくむ社会 ” となっも理論上は実現不可能ですが，昨今のコロナ禍による感染てしまう未来も多分にあるかと想像されます．そこで，社

リスクや，また日々多忙な現状をかんがみますと，実空間

会課題解決，なりゆきの未来回避には，経済価値と社会価における大規模シミュレーションなどの実施はコスト的に値を両立する CSV（Creating Shared Value）が必須でも非現実的であり，サイバー空間上のほうが，より実現性あると改めて考え，日本における10年後の未来を見据えた，が高いと考えています．

「日本版スマートソサエティ」を構想しました．SDGs（持気象災害を例にとると，気象災害による損失の現状・原続可能な開発目標）達成にも貢献する “ 未来の可能性と選因・課題は，具体的な備えがなく有事に対応不能，災害の択肢が開かれた社会 ” を導出すべく，DTC 技術なども利

恐怖体験がなく危機感が低い，サイレントマジョリティを活用し，個人のデータ主権を保護しながらもサイレントマ

含む一般市民の声が埋没，などが挙げられます．それらのジョリティを含む市民の声を引き出し，民意を反映した意解決などをめざし，まずは，DTC 技術を利活用した想定

思決定をするための信頼ある「課題解決を支えるプラット

被災エリア（避難対象エリア）の再現，当該エリアにおけフォーム」の構築，センター B とともに最適解・平衡解，る被災シミュレーション（体験・行動），ワークショップ（振ビジネスモデルを見出すことをめざしています．

返り・気付き）などを通じた本プラットフォームの有効性＊

現在はその第一歩として，甚大な経済損失，改善余地がPoC（Proof of Concept）を実施中であり，目標としてある「気象災害」をまず取り組むべきテーマ・ユースケー

掲げています．最適解・平衡解を導出し，社会・経済損失

スとし，DTC 技術を利活用したシミュレーション基盤のを減らすことに寄与できるかを検証中です．

開発構築，防災減災につながる行動変容を促す仕組みの検討を進めています．

課題解決を支えるプラットフォーム

本プラットフォームの成功要因
本プラットフォームの KSF（Key Success Factor）は，
図 2 に示すように，①生活者を集め惹きつける，②シミュ

前述にて課題解決力という言葉をお伝えしましたが，社

レーションによる民意の収集と可視化，③アクチュエーショ

会課題解決力とは，①情報やリテラシーの獲得，②意見のンによる最適・平衡化および行動変容，④価値の循環，の発信と議論の発生，③リスクの評価，④倫理観に基づく意

ポジティブスパイラルです．特に重要な内容，センターピ

思決定，⑤アクションと包括的な連携 , のループと考えてンは，②の民意の収集と可視化です．集まった生活者があおり，市民，自治体，企業，NGO など，実世界と同じよる状況下（例：大規模な気象災害シナリオ）にてどのように判断し行動するか，刻々と変わる状況変化の中でのシミュ＊ センターB ・ G：当社提供のプラットフォームを利活用し，サービスを展開する企業 ・ 事業者（センターB）や，国 ・ 自治体（センターG）などを指
します．

74

2022.2

レーションが主眼です．どちらを選ぶかという選択肢だけ
でなく，中庸的な判断や行動なども含め，これまであまり把握することができなかったサイレントマジョリティも含想いNTTコミュニケーションズ

人と世界の可能性をひらくコミュニケーションを創造する
社会課題の解決

社会課題
領域

平和・
幸せ

データ
ルール形成

平等

世論形成

生活

産業

資源

提携・連携

アクションに結びつくコネクション

社会課題解決エコシステム/Platform
課題解決を
支える
プラット
フォーム

3

not only
フィジカル空間
but also
サイバー空間

2
1

意見の発信と議論の発生

情報やリテラシーの獲得

4

社会課題
解決力
5

センター B（行政/企業など）リスクを評価倫理観に基づく意思決定アクションと包括的な連携

市民
NGO

etc

NTTコミュニケーションズ

データ集積

データ基盤

市民が信頼してデータを預けるデータ基盤・ネットワーク，セキュリティ

図1

課題解決を支えるプラットフォーム① 生活者を集め惹きつける
プラットフォーム（バーチャル空間上）に（多くの）生活者を集める② シミュレーションによる民意の収集と可視化
集まった生活者がある状況下にてどのように判断し行動するか・刻々と変わる状況変化の中でのシミュレーションが主眼
・どちらを選ぶかという選択肢だけでなく，その中庸なども含めこれまで表に出てこなかった
サイレントマジョリティを含めた内なる本音④ 価値の循環（短期的なマネタイズに焦点をおくのではなく，
あくまでもエコシステム）
多数のステークホルダーを集め，ルールづくりと秩序づくりで
ヒト・モノ・カネがプラットフォーム上に流通，その結果，多数のビジネスが生じて相互繁栄につながる③ アクチュエーションによる最適・平衡化および行動変容
バーチャルおよびフィジカル空間
シミュレーションを重ね，最適・平衡化を見出し，行動変容（＝ex.被害の最小化）につなげる
そして行動データから根本的な課題の発見にまでつなげる

市民・企業にとっての価値センター G（国/自治体），
センター B（企業）にとっての価値

図2本プラットフォームがめざすポジティブスパイラル

めた（すべての）人々の内なる本音に迫りたいと検討を進

見える領域（本プラットフォームにおける水面上・水面下

めています．

など）における仕掛けが重要であり，一般市民 / 参加者・

前述しました 4 つの KSF のポジティブスパイラル実現

センター B・センター G など各ステークホルダーから見えにおいては，図 3 に示すような，各ステークホルダーからる部分や魅力も異なる点に留意が必要です．参加者におい2022.275

from

NTTコミュニケーションズ

水面上

参加者

① 生活者を集め
惹きつける

水面下

PF全体

センター B
センター G③ 最適・平衡化
および行動変容
多くの民意，
本音が集まる④ 価値の循環

どのようなフックで行動変容が起こるか把握

本音や行動が可視化

個人の意見，集団の意見形成のメカニズムを把握※濃い青い部分② シミュレーションによる民意の収集と可視化

図3

ポジティブスパイラルを実現する仕掛け

図4

7₆

画面イメージては，本プラットフォーム水面下の情報は見えないが，心能なことが利活用判断のポイントとなります．また，民意

理的安全性が保護，意見も反映され匿名性担保が重要であの可視化をさらに分解・深掘りすると，人間心理・行動原

り，センター B・センター G においては，マーケティング・

理と，行動変容を促すフックなどになるかと考えています．

政策評価・リソースアロケーションなどに必要な判断材料

人間心理・行動原理とは，「人間はこのように動く」といを，本プラットフォーム水面下からの統計情報にて把握可うファクト情報を導出し，人間心理を押さえることで，意2022.2図5

現地調査・ワークショップの模様

識変容や行動変容を促すフックにつなげることであり，行ものになります．

動変容を促すフックとは，人間心理を基に，意識変容や行今後の本格開発においては，前述ワークショップも包含

動変容につながるフックを把握することです．これら仕掛するかたちにて，サイバー空間上における参加者どうしのけや・要素を押さえ利活用することで，本プラットフォー

連絡・検討・協調作業や，さらにセンター B や G も参加し

ムの求心力を維持し高めたいと考えています．

ての防災減災の取り組みなども反映できるものにしていき

本プラットフォームの開発状況
本プラットフォームの開発については，まずは，選定したいと考えています．

本構想のさらなる具現化に向けてたエリアならびに気象災害（大規模な気象災害シナリオ）

今後も本構想実現・事業化に向けて，デジタルツインコ

を DTC 技術などの利活用にて再現し，参加している個々

ンピューティング技術を利活用したシミュレーション基盤

人が実世界と同様に，モノを手に取り，情報を確認し，自の本格開発 , 行動把握・行動変容を促す PoC，同志・パー由に動き回ることができる仕組み（DTC 技術を利活用しトナー企業の方々がチャレンジしたいと共感できる CSV

たシミュレーション基盤）の実現と，そこでの被災体験

ビジネスモデルの具体化 , 民意が反映される仕組み・ルー（DTC 技術を活用した避難訓練を通じて実感したこと）なル形成などの機運醸成・アドボカシーに向けた発信などをどの共有や課題解決に向けたディスカッションを行うワー

引き続き行っていく予定です．

クショップの実施など，一歩ずつ具現化を始めています．

特に，ビジョン・構想などに共感いただく同志方々とのまたこれら取り組みを通じて得られた，DTC 技術を利活

協業による具現化は是非とも進めたく考えています．ご賛

用したシミュレーション基盤上での活動履歴（判断・行動

同いただける方がいましたら，本プロジェクトまでお気軽の履歴）や，ワークショップにおけるディスカッション内にお声掛けください．

容，参加者への個別インタビューやアンケート結果などを，前述の成功要因・ポジティブスパイラルの要素などに基づき分析検証し，次の開発へのフィードバックや本構想における仮説のさらなる具体化（ピボット含む）を進めています．
参考までに，本プラットフォームの画面イメージを図 4に，また，現地調査やワークショップの模様を図 5 に示し◆問い合わせ先NTT コミュニケーションズ
イノベーションセンター プロデュース部門
日本版 Smart Society プロジェクト
E-mail
ic-csv ntt.com

ます．図 4 は，実際の参加者が操作する，DTC 技術を利活用したシミュレーション基盤の画面（シナリオ視聴含む
動きのある画面）より，その一瞬（一コマ）を切り取った

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