JP 4369783 B2 2009.11.25(57)【特許請求の範囲】【請求項１】
所定のハードウエアから構成され、シミュレーション対象物間の反応によるシミュレー
ション対象物の変化量をシミュレーションするハードウエアシミュレータであって、シミュレーション対象物に関する値を演算する複数の演算素子と、前記シミュレーション対象物間の反応に応じて前記演算素子の値を変化させる複数の反応回路と、前記シミュレーション対象物間の反応に応じて前記反応回路と前記演算素子との接続を切り替える切り替え回路と、
前記演算素子の値を基に所定の修正条件を満たしているか否かを判定し、前記修正条件10を満たしていると判定した場合、装置の動作を停止させて前記反応回路と前記演算素子との接続状態を変更するように前記切り替え回路を制御して前記反応回路と前記演算素子との接続状態を修正した後、装置の動作を再開させる修正手段とを備えることを特徴とする
ハードウエアシミュレータ。
【請求項２】
前記演算素子は、第１のシミュレーション対象物に対して割り当てられ且つ前記第１のシミュレーション対象物と反応する複数の第２のシミュレーション対象物をグループ分けしたグループごとに設けられ、前記第１のシミュレーション対象物に関する値をカウント
する複数のカウント回路を含み、前記反応回路は、反応の進行状態に応じて、反応前の各シミュレーション対象物の量を

20

(2)

JP 4369783 B2 2009.11.25

表すカウント回路のカウント値を減少させるとともに、反応後の各シミュレーション対象物の量を表すカウント回路のカウント値を増加させることを特徴とする請求項１記載のハードウエアシミュレータ。
【請求項３】
前記修正手段は、前記修正条件として前記複数のカウント回路のうち一のカウント回路のカウント値が所定の下限値に達したか否かを判定し、前記一のカウント回路のカウント
値が下限値に達したと判定した場合、装置の動作を停止させ、前記一のカウント回路を増加させる反応回路と前記一のカウント回路との接続数が他のカウント回路を増加させる反応回路と前記他のカウント回路との接続数より増加するように前記切り替え回路を制御して前記反応回路と前記カウント回路との接続状態を修正した後、装置の動作を再開させる

10

修正回路を含むことを特徴とする請求項２記載のハードウエアシミュレータ。
【請求項４】
前記修正手段は、前記修正条件として前記複数のカウント回路のうち一のカウント回路のカウント値が所定の上限値に達したか否かを判定し、前記一のカウント回路のカウント
値が上限値に達したと判定した場合、装置の動作を停止させ、前記一のカウント回路を減少させる反応回路と前記一のカウント回路との接続数が他のカウント回路を減少させる反応回路と前記他のカウント回路との接続数より増加するように前記切り替え回路を制御して前記反応回路と前記カウント回路との接続状態を修正した後、装置の動作を再開させる
修正回路を含むことを特徴とする請求項２又は３記載のハードウエアシミュレータ。
【請求項５】

20

前記修正手段は、ホストコンピュータから構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のハードウエアシミュレータ。
【発明の詳細な説明】【技術分野】【０００１】
本発明は、所定のハードウエアから構成され、シミュレーション対象物間の反応によるシミュレーション対象物の変化量をシミュレーションするハードウエアシミュレータに関するものである。
【背景技術】【０００２】

30

従来の化学反応シミュレーション方法としては、例えば、シミュレーションプログラム
を計算機で実行することにより、有限温度及び有限時間を設定し、これら有限温度及び有限時間における分子動力学計算を行い、分子動力学計算により求められた励起状態を含む構造のすべてを用いて物質の全原子に働く力がすべて緩和される安定構造を複数求める処理等を行うものがある（特許文献１参照）。
【０００３】
一方、上記のような化学反応シミュレーションにおいて多数の物質を容易に取り扱うことができるように、本願発明者は、化学反応シミュレーションを所定のハードウエアを用いて行うことを提案しており、この場合、化学反応ごとに反応実行回路が設けられ、この反応実行回路により各物質カウンタの値を増減させてシミュレーションが行われる（特許40

文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−２６０９７５号公報【特許文献２】特開２００２−１２６４９７号公報【発明の開示】【発明が解決しようとする課題】【０００４】
しかしながら、すべての事象に対処可能なように各回路を構成したのでは、回路構成が複雑になりすぎるとともに、シミュレーション時間も増加する。特に、稀にしか発生しない事象にも対処可能なように各回路を構成した場合、上記の傾向が顕著になり、装置コストが莫大なものとなる。また、稀にしか発生しない事象に対して人手で対処していたので

50

(3)

JP 4369783 B2 2009.11.25

は、シミュレーションが長時間中断され、シミュレーション時間がさらに増加する。
【０００５】
本発明の目的は、回路構成を複雑化することなく、稀にしか発生しないような事象にも自動的に対処することができるように装置構成を修正することができるハードウエアシミ
ュレータを提供することである。
【課題を解決するための手段】【０００６】
本発明に係るハードウエアシミュレータは、所定のハードウエアから構成され、シミュレーション対象物間の反応によるシミュレーション対象物の変化量をシミュレーションするハードウエアシミュレータであって、シミュレーション対象物に関する値を演算する複10数の演算素子と、前記シミュレーション対象物間の反応に応じて前記演算素子の値を変化させる複数の反応回路と、前記シミュレーション対象物間の反応に応じて前記反応回路と前記演算素子との接続を切り替える切り替え回路と、前記演算素子の値を基に所定の修正条件を満たしているか否かを判定し、前記修正条件を満たしていると判定した場合、装置の動作を停止させて前記反応回路と前記演算素子との接続状態を変更するように前記切り替え回路を制御して前記反応回路と前記演算素子との接続状態を修正した後、装置の動作を再開させる修正手段とを備えるものである。
【０００７】
本発明に係るハードウエアシミュレータでは、シミュレーション対象物間の反応に応じてシミュレーション対象物に関する値を演算する複数の演算素子の値が反応回路によって20

変更されることにより、シミュレーション対象物間の反応によるシミュレーション対象物の変化量がシミュレーションされる。このとき、演算素子の値を基に所定の修正条件を満たしているか否かを判定し、修正条件を満たしていると判定した場合、反応回路と演算素子との接続状態を変更するように切り替え回路を制御して反応回路と演算素子との接続状態を修正した後、装置の動作を再開させているので、稀にしか発生しないような事象を修正条件として検出し、この事象の結果生じる新たな反応を処理できるように反応回路と演
算素子との接続状態を修正することができ、回路構成を複雑化することなく、稀にしか発生しないような事象にも自動的に対処することができるように装置構成を修正することができる。
【０００８】

30

前記演算素子は、第１のシミュレーション対象物に対して割り当てられ且つ前記第１のシミュレーション対象物と反応する複数の第２のシミュレーション対象物をグループ分けしたグループごとに設けられ、前記第１のシミュレーション対象物に関する値をカウント
する複数のカウント回路を含み、前記反応回路は、反応の進行状態に応じて、反応前の各シミュレーション対象物の量を表すカウント回路のカウント値を減少させるとともに、反応後の各シミュレーション対象物の量を表すカウント回路のカウント値を増加させることが好ましい。
【０００９】
この場合、第１のシミュレーション対象物と反応する第２のシミュレーション対象物が多数ある場合でも、第２のシミュレーション対象物がグループ分けされ、このグループご40とに第１のシミュレーション対象物のカウント回路が個別に設けられているので、第１のシミュレーション対象物のカウント回路に接続されるべき第２のシミュレーション対象物のカウント回路の数を低減することができ、カウント回路及び反応回路間の配線を容易にすることができる。
【００１０】
前記修正手段は、前記修正条件として前記複数のカウント回路のうち一のカウント回路のカウント値が所定の下限値に達したか否かを判定し、前記一のカウント回路のカウント
値が下限値に達したと判定した場合、装置の動作を停止させ、前記一のカウント回路を増加させる反応回路と前記一のカウント回路との接続数が他のカウント回路を増加させる反応回路と前記他のカウント回路との接続数より増加するように前記切り替え回路を制御し

50

(4)

JP 4369783 B2 2009.11.25て前記反応回路と前記カウント回路との接続状態を修正した後、装置の動作を再開させる
修正回路を含むことが好ましい。
【００１１】
この場合、修正回路により、複数のカウント回路のうち一のカウント回路のカウント値
が所定の下限値に達して他のカウント回路のカウント値より小さくなった場合、装置の動作を停止させ、一のカウント回路を増加させる反応回路と一のカウント回路との接続数が他のカウント回路を増加させる反応回路と他のカウント回路との接続数より増加するように切り替え回路を制御して反応回路とカウント回路との接続状態を修正した後、装置の動作を再開させているので、カウント値が小さくなったカウント回路のカウント値が他のカウント回路より増加するように反応回路とカウント回路との接続状態を自動的に修正する

10

ことができる。
【００１２】
前記修正手段は、前記修正条件として前記複数のカウント回路のうち一のカウント回路のカウント値が所定の上限値に達したか否かを判定し、前記一のカウント回路のカウント
値が上限値に達したと判定した場合、装置の動作を停止させ、前記一のカウント回路を減少させる反応回路と前記一のカウント回路との接続数が他のカウント回路を減少させる反応回路と前記他のカウント回路との接続数より増加するように前記切り替え回路を制御して前記反応回路と前記カウント回路との接続状態を修正した後、装置の動作を再開させる
修正回路を含むことが好ましい。
【００１３】

20

この場合、修正回路により、複数のカウント回路のうち一のカウント回路のカウント値
が上限値に達して他のカウント回路のカウント値より大きくなった場合、装置の動作を停止させ、一のカウント回路を減少させる反応回路と一のカウント回路との接続数が他のカウント回路を減少させる反応回路と他のカウント回路との接続数より増加するように切り替え回路を制御して反応回路とカウント回路との接続状態を修正した後、装置の動作を再開させているので、カウント値が大きくなったカウント回路のカウント値が他のカウント
回路より減少するように反応回路とカウント回路との接続状態を自動的に修正することができる。
【００１４】
前記修正手段は、ホストコンピュータから構成されてもよい。この場合、汎用のホスト

30

コンピュータを用いて上記の修正処理を行うことができる。
【発明の効果】【００１５】
本発明によれば、演算素子の値を基に所定の修正条件を満たしているか否かを判定し、修正条件を満たしていると判定した場合、反応回路と演算素子との接続状態を変更するように切り替え回路を制御して反応回路と演算素子との接続状態を修正した後、装置の動作を再開させているので、稀にしか発生しないような事象を修正条件として検出し、この事象の結果生じる新たな反応を処理できるように反応回路と演算素子との接続状態を修正することができ、回路構成を複雑化することなく、稀にしか発生しないような事象にも自動的に対処することができるように装置構成を修正することができる。

40【発明を実施するための最良の形態】【００１６】
以下、本発明によるハードウエアシミュレータの一例として、生化学反応をシミュレー
ションし、シグナル伝達ネットワーク、遺伝子ネットワーク等の解明に好適に用いられる
化学反応シミュレーション装置について図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施の形態によるハードウエアシミュレータの構成を示すブロック図である。図１に示すハードウエアシミュレータは、複数の乱数発生器Ｒ１〜Ｒｎ（ｎは任意の正数）、複数の酵素カウンタＫ１〜Ｋｎ、複数の絞り回路Ｖ１〜Ｖｎ、複数の反応実行回路Ｈ１〜Ｈｎ、複数の物質カウンタＢ１〜Ｂｍ（ｍは任意の正数）、接続切り換え

50

(5)

JP 4369783 B2 2009.11.25

回路ＳＷ及び接続変更制御部ＣＣを備える。
【００１８】
酵素カウンタＫ１〜Ｋｎ、絞り回路Ｖ１〜Ｖｎ及び反応実行回路Ｈ１〜Ｈｎは、シミュレーションに使用される生化学反応ごとに設けられ、例えば、物質カウンタＢ１〜Ｂ３は、シミュレーションに使用される一の物質に対して設けられ、物質カウンタＢ４〜Ｂｍは、シミュレーションに使用される他の物質ごとに設けられる。このとき、一の物質と反応する複数の物質がグループ分けされ、物質カウンタＢ１〜Ｂ３は、このグループごとに設けられる。なお、物質カウンタＢ１〜Ｂｍに対する各物質の割り当て方法は、上記の例に特に限定されず、一の物質を分割して２個以下又は４個以上の物質カウンタに割り当てたり、複数の物質の各々を分割して複数の物質カウンタに割り当てる等の種々の変更が可能

10

である。
【００１９】
乱数発生器Ｒ１は、絞り回路Ｖ１の入力側に接続され、反応実行回路Ｈ１は、絞り回路
Ｖ１の出力側に接続され、酵素カウンタＫ１は、絞り回路Ｖ１に接続される。他の乱数発
生器、酵素カウンタ、絞り回路及び反応実行回路も上記と同様に接続される。
【００２０】
接続切り換え回路ＳＷは、例えば、空間スイッチ等から構成され、複数の増加指令用の入力配線Ｉ１〜Ｉｎ及び減少指令用の入力配線Ｄ１〜Ｄｎと、複数の増加指令用の出力配線ｉ１〜ｉｍ及び減少指令用の出力配線ｄ１〜ｄｍを含み、各配線がマトリックス状に配置されている。

20【００２１】
反応実行回路Ｈ１は、接続切り換え回路ＳＷの増加指令用の入力配線Ｉ１及び減少指令用の入力配線Ｄ１に接続され、他の反応実行回路も同様に接続される。物質カウンタＢ１
は、接続切り換え回路ＳＷの増加指令用の出力配線ｉ１及び減少指令用の出力配線ｄ１に接続され、他の物質カウンタも同様に接続される。また、接続切り換え回路ＳＷにおいて
図中に黒丸で示す各配線の交点ＮＤには、時分割ゲート及び時分割ゲートのオン／オフを制御する保持メモリ等から構成されるスイッチ（図示省略）が配置されている。
【００２２】
接続切り換え回路ＳＷは、各スイッチをオン／オフすることにより、増加指令用の入力
配線Ｉ１〜Ｉｎと増加指令用の出力配線ｉ１〜ｉｍとの接続状態及び減少指令用の入力配30

線Ｄ１〜Ｄｎと減少指令用の出力配線ｄ１〜ｄｍとの接続状態を制御し、各反応実行回路
Ｈ１〜Ｈｎが表す生化学反応の反応前の物質を表す物質カウンタ及び反応後の物質を表す
物質カウンタと対応する反応実行回路とを接続する。なお、接続切り換え回路ＳＷは、上記の空間スイッチに特に限定されず、反応実行回路と物質カウンタとの接続状態を切り換えることができるものであれば、他の接続切り換え回路を用いてもよい。
【００２３】
物質カウンタＢ１〜Ｂｍは、バイナリカウンタ等から構成され、例えば、物質カウンタ
Ｂ１〜Ｂ３は、反応前又は反応後の一の物質の数、すなわち分子数又は原子数のうち所定数をそれぞれを初期カウント値として設定され、物質カウンタＢ４〜Ｂｍは、反応前又は反応後の他の物質の数、すなわち分子数又は原子数を初期カウント値としてそれぞれ設定

40される。物質カウンタＢ１〜Ｂｍは、反応実行回路Ｈ１〜Ｈｎの減少指令及び増加指令に応じて、そのカウント値を減少及び増加させる。また、物質カウンタＢ１〜Ｂｍは、自身のカウント値を接続変更制御部ＣＣへ出力する。
【００２４】
なお、物質カウンタは、上記のバイナリカウンタに特に限定されず、シミュレーション
対象物に対して設けられ、当該シミュレーション対象物に関する値を演算する演算素子であれば、他のカウンタ等を用いてもよい。例えば、代謝経路におけるクエン酸回路のような生化学反応を状態遷移と捉え、状態遷移機械（有限状態オートマトン）を組み合わせて使用する場合、物質カウンタとしてジョンソンカウンタを用いることにより、コンパクトな回路により高速にシミュレーションすることができる。

50

(6)

JP 4369783 B2 2009.11.25【００２５】
乱数発生器Ｒ１は、生化学反応の反応速度を制御するための所定の乱数を、絞り回路Ｖ
１を介して反応実行回路Ｈ１に出力する。乱数発生器としては、擬似乱数を発生させる擬
似乱数発生回路、カオス的な乱数を発生させるカオス発生回路、熱雑音に基づく乱数を発生させる熱雑音発生回路等を用いることができる。
【００２６】
例えば、擬似乱数発生回路としては、線形フィードバックシフトレジスタを用いることによって、線形フィードバックシフトレジスタがＬ個のレジスタから構成されると、２L−１の長周期を有するが、ほぼランダムな乱数を発生させることができる。カオス発生回
路としては、コンデンサと可変抵抗回路とで構成される閉ループにより不規則な信号を発10生させる回路等を用いることによって、カオス的な振る舞いを行う不規則な乱数を発生させることができる。熱雑音発生回路としては、短周期のパルスを長周期のパルスによりラ
ッチし、ラッチされた短周期のパルスのレベルを乱数として出力する回路等を用いることによって、ホワイトノイズによる周期性のない乱数を発生させることができる。
【００２７】
酵素カウンタＫ１は、反応実行回路Ｈ１が表す生化学反応に使用される酵素物質の数、すなわち酵素物質の分子数をそのカウント値として設定され、設定されたカウント値に応じて絞り回路Ｖ１の絞り量が調整される。なお、一般の化学反応の場合は、酵素カウンタ
が触媒カウンタに変更され、生細胞内で作られる蛋白性の生体触媒である酵素の代わりに、触媒物質の数がそのカウント値として設定される。また、触媒（酵素）を使用しない化

20

学反応の場合、触媒（酵素）カウンタ及び絞り回路は不要となる。
【００２８】
具体的には、乱数発生器Ｒ１が乱数として

１

又はし、酵素カウンタＫ１がそのカウント値に応じて
１

又は

０

０

０

のデータをランダムに発生

に対する

１

の頻度を調整してのデータを出力する。このとき、絞り回路Ｖ１は両データの論理積を取り、その結果を反応実行回路Ｈ１へ出力する。したがって、酵素カウンタＫ１のカウント
値に応じて反応実行回路Ｈ１へ入力される

１の頻度が調整される。

【００２９】
反応実行回路Ｈ１は、データとして１が入力された場合、反応を実行させるため、増加指令用の入力配線Ｉ１にカウント値を１だけ増加させるための増加指令を出力すると30

ともに、減少指令用の入力配線Ｄ１にカウント値を１だけ減少させるための減少指令を出力する。一方、反応実行回路Ｈ１は、データとして０が入力された場合、反応を行わないようにするため（不実行の状態）、増加指令及び減少指令を出力しない。
【００３０】
このとき、接続切り換え回路ＳＷは、減少指令用の入力配線Ｄ１と、反応実行回路Ｈ１が表す生化学反応における反応前の物質の数、すなわち分子数又は原子数を表す物質カウンタに接続されている減少指令用の出力配線とを接続している。したがって、反応実行回
路Ｈ１から出力される減少指令が反応前の物質に対して設けられた物質カウンタへ入力され、当該物質カウンタが自身のカウント値を１だけ減少させる。また、接続切り換え回路
ＳＷは、増加指令用の入力配線Ｉ１と、反応実行回路Ｈ１が表す生化学反応における反応

40

後の物質の数、すなわち分子数又は原子数を表す物質カウンタに接続されている増加指令用の出力配線とを接続している。したがって、反応実行回路Ｈ１から出力される増加指令が反応後の物質に対して設けられた物質カウンタへ入力され、当該物質カウンタが自身のカウント値を１だけ増加させる。
【００３１】
他の乱数発生器、酵素カウンタ、絞り回路及び反応実行回路も、上記と同様に構成され、生化学反応に応じて上記と同様に動作する。なお、酵素カウンタに割り当てられる酵素の数が生化学反応等により増減する場合は、酵素カウンタも物質カウンタと同様に構成されて接続切り換え回路に接続され、対応する反応実行回路によりそのカウント値が増減さ
れる。

50

(7)

JP 4369783 B2 2009.11.25【００３２】
接続変更制御部ＣＣは、所定の論理回路等から構成され、接続切り換え回路ＳＷの各ス
イッチのオン／オフを制御することにより、増加指令用の入力配線Ｉ１〜Ｉｎと増加指令用の出力配線ｉ１〜ｉｍとの接続状態及び減少指令用の入力配線Ｄ１〜Ｄｎと減少指令用の出力配線ｄ１〜ｄｍとの接続状態を変更する。接続変更制御部ＣＣは、物質カウンタＢ
１〜Ｂｍのカウント値を基に所定の修正条件を満たしているか否かを判定し、修正条件を満たしていると判定した場合、装置の動作を停止させて反応実行回路Ｈ１〜Ｈｎと物質カ
ウンタＢ１〜Ｂｍとの接続状態を変更するように接続切り換え回路ＳＷを制御して反応実行回路Ｈ１〜Ｈｎと物質カウンタＢ１〜Ｂｍとの接続状態を修正した後、装置の動作を再
開させる。

10

【００３３】
例えば、接続変更制御部ＣＣは、一の物質に対して割り当てられている物質カウンタＢ
１〜Ｂ３のカウント値を取得し、修正条件として物質カウンタＢ１〜Ｂ３のうち一の物質
カウンタのカウント値が下限値に達したか否かを判定する。一の物質カウンタのカウント
値が下限値に達したと判定した場合、接続変更制御部ＣＣは、装置の動作を停止させるための停止信号ＳＳを各部へ出力して装置の動作を停止させた後、一の物質カウンタのカウ
ント値を増加させる反応実行回路と当該一の物質カウンタとの接続数が他の物質カウンタを増加させる反応実行回路と当該他の物質カウンタとの接続数より増加するように接続切り換え回路ＳＷの接続状態を切り替え、その後、装置の動作を再開させるための再開信号
ＲＳを各部へ出力して装置の動作を再開させてシミュレーション動作を継続させる。

20【００３４】
また、接続変更制御部ＣＣは、修正条件として物質カウンタＢ１〜Ｂ３のうち一の物質
カウンタのカウント値が上限値に達したか否かを判定する。一の物質カウンタのカウント
値が上限値に達したと判定した場合、接続変更制御部ＣＣは、装置の動作を停止させるための停止信号ＳＳを各部へ出力して装置の動作を停止させた後、一の物質カウンタのカウ
ント値を減少させる反応実行回路と当該一の物質カウンタとの接続数が他の物質カウンタを減少させる反応実行回路と当該他の物質カウンタとの接続数より増加するように接続切り換え回路ＳＷの接続状態を切り替え、その後、装置の動作を再開させるための再開信号
ＲＳを各部へ出力して装置の動作を再開させてシミュレーション動作を継続させる。
【００３５】

30

例えば、物質カウンタＢ１〜Ｂ３が６ビットカウントから構成され、そのカウント範囲
が０〜６３の場合、５が下限値となり、５８が上限値となり、物質カウンタＢ１〜Ｂ３のカウント値が下限値又は上限値に達することが修正条件となる。なお、物質カウンタのビット数等は、上記の例に特に限定されず、種々の変更が可能である。また、修正条件も上記の例に特に限定されず、稀にしか発生しない種々の事象等の予め決定された条件であれ
ば種々の条件を修正条件として用いることができる。さらに、接続変更制御部ＣＣが管理する物質カウンタも、上記の例に特に限定されず、他の物質カウンタのカウント値を管理して他の物質カウンタと反応実行回路との接続状態を変更してもよい。例えば、一の物質に割り当てられた一の物質カウンタのカウント値が上限値に達したときに、当該物質カウンタを２以上に分割して反応実行回路との接続状態を変更する等の種々の変更が可能であ40る。
【００３６】
本実施の形態において、物質カウンタＢ１〜Ｂｍが演算素子及びカウント回路の一例に相当し、反応実行回路Ｈ１〜Ｈｎ、乱数発生器Ｒ１〜Ｒｎ、酵素カウンタＫ１〜Ｋｎ及び絞り回路Ｖ１〜Ｖｎが反応回路の一例に相当し、接続切り換え回路ＳＷが切り替え回路の一例に相当し、接続変更制御部ＣＣが修正手段及び修正回路の一例に相当する。
【００３７】
次に、上記のように構成されたハードウエアシミュレータの動作について説明する。まず、シミュレーションの対象となる物質、生化学反応及び酵素等に関する必要なデータを用いて、物質カウンタＢ１〜Ｂ３にこれらの初期値の合計が一の物質の数を表すように分

50

(8)

JP 4369783 B2 2009.11.25

配して設定され、物質カウンタＢ４〜Ｂｍに各物質の数を表すカウンタの初期値が設定されるとともに、酵素カウンタＫ１〜Ｋｎに各酵素の数を表すカウンタの初期値が設定される。次に、乱数発生器Ｒ１〜Ｒｎは上記の乱数を発生させ、絞り回路Ｖ１〜Ｖｎは、酵素カウンタＫ１〜Ｋｎの酵素の数に応じて乱数を補正する。反応実行回路Ｈ１〜Ｈｎは、酵素数により補正された乱数の値に応じて反応が実行されるように、反応前の物質の分子数
又は原子数を表す物質カウンタＢ１〜Ｂｍのカウント値を１だけ減少させるとともに、反応後の物質の分子数又は原子数を表す物質カウンタＢ１〜Ｂｍのカウント値を１だけ増加させる。
【００３８】
このようにして、各反応実行回路Ｈ１〜Ｈｎが表す生化学反応の反応速度が反応実行回

10

路Ｈ１〜Ｈｎごとに調整され、各反応実行回路Ｈ１〜Ｈｎが表す生化学反応の反応前後の物質に対応する物質カウンタＢ１〜Ｂｍが対応する反応実行回路Ｈ１〜Ｈｎに接続されるとともに、各反応実行回路Ｈ１〜Ｈｎが表す生化学反応に応じて反応前後の物質に対応す
る物質カウンタＢ１〜Ｂｍのカウント値が減少又は増加され、複数の生化学反応が並列的にシミュレーションされる。
【００３９】
このように、反応前後の各物質の量をカウント値、すなわち数（整数）として捉え、生化学反応による物質の変化量をシミュレーションしているので、物質カウンタＢ１〜Ｂｍの数を増加するだけでシミュレーションに使用する物質の種類を増加させることができる。また、未知の生化学反応が新たにわかった場合、病体等によりある生化学反応が欠損し20ている場合及び野生種のために生化学反応が通常と異なる場合でも、新たな生化学反応、欠損した生化学反応及び通常と異なる生化学反応に応じて接続切り換え回路ＳＷにより反応実行回路Ｈ１〜Ｈｎと物質カウンタＢ１〜Ｂｍとの接続状態を変更等することにより容易に対処することができる。
【００４０】
ここで、物質カウンタＢ１〜Ｂ３は、一の物質に対して設けられるとともに、当該一の物質と反応する複数の物質がグループ分けされ、このグループごとに設けられている。図２は、物質カウンタのカウント値に応じた接続状態の修正方法を説明するための模式図である。なお、図中の矢印の方向は反応方向を示しており、反応に応じて矢印の始点側の物
30

質カウンタの値が減少し、矢印の終点側の物質カウンタの値が増加する。
【００４１】
例えば、ある一の物質ｂ０が、７個の物質ｘ１〜ｘ７、３個の物質ｙ１〜ｙ３及び５個の物質ｚ１〜ｚ５の１５個の物質と反応する場合、図２の（ａ）に示すように、１５個の物質ｘ１〜ｘ７，ｙ１〜ｙ３，ｚ１〜ｚ５を７個の物質ｘ１〜ｘ７のグループ、３個の物
質ｙ１〜ｙ３のグループ及び５個の物質ｚ１〜ｚ５のグループの３グループにグループ分
けし、各グループに対して物質ｂ０の物質カウンタＢ１〜Ｂ３が設けられる。物質カウン
タＢ１は、７個の物質カウンタＸ１〜Ｘ７（図１に示す物質カウンタＢ４〜Ｂｍのうち７個の物質カウンタ）と接続され、物質カウンタＢ２は、３個の物質カウンタＹ１〜Ｙ３（
図１に示す物質カウンタＢ４〜Ｂｍのうち３個の物質カウンタ）と接続され、物質カウン
タＢ３は、５個の物質カウンタＺ１〜Ｚ５（図１に示す物質カウンタＢ４〜Ｂｍのうち５40

個の物質カウンタ）と接続される。
【００４２】
上記のシミュレーション中に、物質カウンタＢ３のカウント値が下限値である

５に達し、物質カウンタＢ１，Ｂ２のカウント値が４４，４９に達している場合、接続変更制
御部ＣＣは、物質カウンタＢ３のカウント値が下限値に達したと判定し、装置の動作を停止させるための停止信号ＳＳを各部へ出力した後、物質カウンタＢ３へ入力する矢印が増加するとともに、カウント値の大きい物質カウンタＢ２から出力される矢印が増加するよ
うに接続切り換え回路ＳＷの接続状態を切り替える。この結果、図２の（ｂ）に示すように、物質カウンタＹ３からの矢印が物質カウンタＢ３に入力され、物質カウンタＢ２からの矢印が物質カウンタＺ２に入力されるように接続切り換え回路ＳＷの接続状態が切り替

50

(9)

JP 4369783 B2 2009.11.25

えられ、その後、接続変更制御部ＣＣは、装置の動作を再開させるための再開信号ＲＳを各部へ出力して装置の動作を再開させてシミュレーション動作を継続させる。
【００４３】
なお、上記の接続変更制御部ＣＣによる接続状態の修正処理は、ホストコンピュータが所定の修正プログラムを実行することによっても実現することができ、この場合、汎用のホストコンピュータを用いて上記の修正処理を自動的に行うことができる。
【００４４】
上記のように、本実施の形態では、修正条件として物質カウンタＢ１〜Ｂ３のうち一の物質カウンタのカウント値が下限値又は上限値に達したか否かが判定され、一の物質カウ
ンタのカウント値が下限値又は上限値に達したと判定した場合、装置の動作が停止された

10

後、下限値又は上限値に達した物質カウンタのカウント値が中間値に戻るように物質カウンタと反応実行回路との接続状態を修正した後、装置の動作を再開させているので、回路構成を複雑化することなく、一の物質に対する全体的な反応ネットワークを維持しながら、当該物質に割り当てられている物質カウンタのカウント値が適正な範囲になるように装置構成を自動的に修正することができる。また、一の物質と反応する他の物質が多数ある
場合でも、他の物質がグループ分けされ、このグループごとに一の物質の物質カウンタＢ
１〜Ｂ３が設けられているので、各物質カウンタＢ１〜Ｂ３に接続されるべき物質カウン
タの数を低減することができ、物質カウンタＢ１〜Ｂ３及び反応実行回路間の配線を容易に行うことができる。
20【００４５】
次に、細胞内の各物質の濃度勾配を考慮して細胞内の生化学反応をシミュレーションする場合について説明する。図３は、細胞内の各物質の濃度勾配を考慮して細胞内の生化学反応をシミュレーションする方法を説明するための模式図である。
【００４６】
図３に示すように、細胞内の生化学反応をシミュレーションする場合、一つの細胞を複数のセルＣＥに空間分割し、セルＣＥごとに物質の量を保持させ、セルラーオートマトン
により各物質の濃度勾配をシミュレーションする。すなわち、対象とするセル内の各物質の濃度（量）と近傍の６個のセル内の物質の濃度（量）とからセル間での各物質の拡散をシミュレーションする。

30【００４７】
例えば、隣接する２つのセルＣ１，Ｃ２に、濃度の異なる物質１、物質２及び物質３がそれぞれ含まれている場合、セルＣ１，Ｃ２間では、濃度の高い方から低い方へ各物質が拡散し、このセル間での拡散を以下のようにしてシミュレーションすることができる。
【００４８】
図４は、図３に示す２つのセルにおける物質の拡散をシミュレーションする場合のハードウエアシミュレータの構成を示すブロック図である。図４に示すハードウエアシミュレータは、セルＣ１用のハードウエアシミュレータＣＢ１、セルＣ２用のハードウエアシミ
ュレータＣＢ２及び拡散回路ＫＣを備える。
【００４９】
図４に示すハードウエアシミュレータＣＢ１内の物質カウンタＢ１ａ〜Ｂ１ｃのカウン

40

ト値の合計値は、セルＣ１内の物質１の分子数又は原子数を表し、物質カウンタＢ２，Ｂ３の各カウント値は、セルＣ１内の物質２，３の分子数又は原子数を表し、ハードウエア
シミュレータＣＢ２内の物質カウンタＢ１ａ〜Ｂ１ｃのカウント値の合計値は、セルＣ２内の物質１の分子数又は原子数を表し、物質カウンタＢ２，Ｂ３の各カウント値

は、セルＣ２内の物質２，３の分子数又は原子数を表し、各物質カウンタＢ１ａ〜Ｂ３，
Ｂ１ａ

〜Ｂ３

は、拡散回路ＫＣを介して接続されている。接続変更制御部ＣＣは、物

質カウンタＢ１ａ〜Ｂ１ｃのカウント値に応じて接続切り換え回路（図示省略）の接続状
態を変更し、接続変更制御部ＣＣは、物質カウンタＢ１ａ〜Ｂ１ｃのカウント値に応じて接続切り換え回路（図示省略）の接続状態を変更する。
【００５０】50(10)拡散回路ＫＣは、物質カウンタＢ１ａ〜Ｂ３，Ｂ１ａ

JP 4369783 B2 2009.11.25〜Ｂ３のカウント値、すなわ

ち各物質の分子数又は原子数に応じて各物質が拡散するように、物質カウンタＢ１ａ〜Ｂ
３，Ｂ１ａ

〜Ｂ３

のカウント値を制御する。例えば、物質カウンタＢ１ａ〜Ｂ１ｃのカウント値の合計値が物質カウンタＢ１ａ〜Ｂ１ｃのカウント値の合計値より大きい

場合、平衡状態になるまで、所定の拡散速度に従い、物質カウンタＢ１ａ〜Ｂ１ｃのカウ
ント値を順次減少させるとともに、これに対応させて物質カウンタＢ１ａ

〜Ｂ１ｃ

の

カウント値を順次増加させる。
【００５１】
なお、図４では、セルＣ１，Ｃ２用のハードウエアシミュレータＣＢ１，ＣＢ２において接続変更制御部ＣＣ，ＣＣ

及び物質カウンタＢ１ａ〜Ｂ３，Ｂ１ａ

〜Ｂ３

のみを

10

図示しているが、各ハードウエアシミュレータＣＢ１，ＣＢ２も、図１に示すハードウエ
アシミュレータと同様に構成され、乱数発生器、酵素カウンタ、絞り回路、反応実行回路
及び接続切り換え回路（図示省略）を有している。したがって、ハードウエアシミュレー
タＣＢ１，ＣＢ２も、図１に示すハードウエアシミュレータと同様に動作し、各セルＣ１，Ｃ２ごとに内部の生化学反応がシミュレーションされ、物質カウンタＢ１ａ〜Ｂ１ｃ，
Ｂ１ａ

〜Ｂ１ｃ

のうち一の物質カウンタのカウント値が下限値又は上限値に達した場

合、接続変更制御部ＣＣは、装置全体の動作を停止させ、下限値又は上限値に達した物質
カウンタのカウント値が中間値に戻るように物質カウンタと反応実行回路との接続状態を修正した後、装置の動作を再開させる。
20【００５２】
上記のように、細胞を複数のセルに分割し、セルごとに生化学反応による物質の変化量をシミュレーションするとともに、隣接するセル間での各物質の拡散をシミュレーション
することにより、細胞内の各物質の濃度勾配を考慮して細胞内の物質の変化量をシミュレ
ーションすることができる。同時に、物質カウンタＢ１ａ〜Ｂ１ｃ，Ｂ１ａ〜Ｂ１ｃのうち一の物質カウンタのカウント値が下限値又は上限値となったことを修正条件として判定し、この場合に装置の動作を停止させ、一の物質に対する全体的な反応ネットワークを維持しながら、当該物質に割り当てられている物質カウンタのカウント値が適正な範囲になるように装置構成を自動的に修正し、装置の動作を再開させてシミュレーション動作を継続することができる。
【００５３】

30

次に、多細胞の生化学反応をシミュレーションする場合について説明する。図５は、多細胞の生化学反応をシミュレーションする方法を説明するための概略図である。図５に示すように、図３と同様に各細胞を複数のセルＣＥ（図中のハッチングのないセル）に分割
するとともに、細胞間に存在する細胞壁を複数の細胞壁セルＷＣ（図中のハッチングを施したセル）に分割する。この場合、各細胞内では、図３及び図４を用いて説明した細胞内のシミュレーションと同様に生化学反応がシミュレーションされる。
【００５４】
また、細胞壁を表す細胞壁セルＷＣの部分は、例えば、拡散が起こらない、すなわち細胞間で物質が拡散しないものとしてシミュレーションを行ってもよく、また、細胞壁でもある程度の拡散が行われるとして、細胞内の細胞セルと同様に拡散回路を用いて拡散をシ

40

ミュレーションしてもよい。
【００５５】
上記のように、各細胞を複数のセルに分割するとともに、細胞壁を複数の細胞壁セルに分割し、セルごとに生化学反応による物質の変化量をシミュレーションしながら、細胞内で隣接するセル間の各物質の拡散等をシミュレーションすることにより、多細胞についても、その生化学反応を同様にシミュレーションできる。同時に、稀にしか発生しないような事象を修正条件として検出し、この結果生じる主要な反応を処理できるように装置構成を自動的に修正することができる。
【００５６】
なお、本発明が適用可能なハードウエアシミュレータは、上記の例に特に限定されず、

50

(11)

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所定のハードウエアから構成され、シミュレーション対象物間の反応によるシミュレーシ
ョン対象物の変化量をシミュレーションするハードウエアシミュレータであれば、種々の分野に適用可能である。例えば、脳細胞及び神経回路網等の生物シミュレーション、遺伝
子進化及び生物の個体進化シミュレーション、渡り鳥の移動等に関する生態系シミュレー
ション、移動物に関する交通システムシミュレーション、避難シミュレーション、数値流
体シミュレーション、気象シミュレーション、ロジスティクスシミュレーション、電力供給シミュレーション、都市計画等に関する都市シミュレーション、企業間取引及び株式・先物取引等に関する経済システムシミュレーション、経営シミュレーション、電気回路及び集積回路等の電磁シミュレーション、半導体及び材料の電子レベルシミュレーションに適用することができる。

10【図面の簡単な説明】【００５７】【図１】本発明の一実施の形態によるハードウエアシミュレータの構成を示すブロック図である。
【図２】物質カウンタのカウント値に応じた接続状態の修正方法を説明するための模式図である。
【図３】細胞内の各物質の濃度勾配を考慮して細胞内の生化学反応をシミュレーションする方法を説明するための模式図である。
【図４】図３に示す２つのセルにおける物質の拡散をシミュレーションする場合のハード
ウエアシミュレータの構成を示すブロック図である。

20【図５】多細胞の生化学反応をシミュレーションする方法を説明するための概略図である。
【符号の説明】【００５８】
Ｒ１〜Ｒｎ

乱数発生器

Ｋ１〜Ｋｎ

酵素カウンタ

Ｖ１〜Ｖｎ

絞り回路

Ｈ１〜Ｈｎ

反応実行回路

Ｂ１〜Ｂｍ

物質カウンタＳＷ

接続切り換え回路ＣＣ

接続変更制御部

30

(12)
【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

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(13)
【図５】

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(14)JP 4369783 B2 2009.11.25

フロントページの続き(72)発明者 下原 勝憲
京都府相楽郡精華町光台二丁目２番地２ 株式会社国際電気通信基礎技術研究所内審査官 田中 友章(56)参考文献 特開２００２−１２６４９７（ＪＰ，Ａ）
特開平０７−３０２２５９（ＪＰ，Ａ）
特開昭６３−２５７８４１（ＪＰ，Ａ）(58)調査した分野(Int.Cl.，ＤＢ名)
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