hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
JT-60SA用CSにおける熱的安定性評価

平成29年度はCSモジュールを常温から運転時の極低温へとヘリウムを用いて予冷する際に生じる流体入口と流体出口の温度差を調査するためCIC導体の入口から出口までを流体、素線、ジャケットに分けて一次元シミュレーションモデル化し、それぞれの熱交換を解析することで導体内の温度調査を行った。平成29年度に予定していた(1)CSモジュール試験は平成28年度に実施することができた。(2)CSモジュールのの安定性評価に関しては耐電圧解析モデル及び冷却系統モデルの構築をすることができたため,おおむめ順調に進展している考える。核融合炉内の超伝導コイルには隣接するコイルから様々な磁界が印加され,この磁界が時間変化し超伝導コイルに交流損失が発生する。この交流損失により冷媒(超臨界圧ヘリウム)の温度上昇,圧力上昇及び流量変化が発生し,ヘリウム冷凍機の運転に影響するため評価する必要がある。また,JT-60SA用中心ソレノイド(CS)モジュールの試験結果から,冷媒入口,出口とも外周側に位置するCSは,クールダウン時にコイル内部で熱交換するため出口温度がコイル内部の最高温度を示さないことが判明している。そこで,今まで評価してきた交流損失を基にプラズマ運転時の冷媒挙動を解析し,かつCSモジュールの試験結果を基にクールダウン時のCSの温度分布を解析し,ヘリウム冷凍機の運転に資することを目的とする。また,同時に,CSの電源電圧変動を考慮したコイル内共振特性解析も行う。平成30年度研究実績の概要を以下に示す。(1)CS内共振特性解析:JT-60SA用超伝導コイルのCSは電源のノイズの影響により周波数成分を含む電圧が印加される。そのため,共振現象により導体間電圧が上昇してしまい,導体間絶縁が損傷してしまう可能性がある。平成30年度はCSモジュールに接地抵抗を考慮にいれ,共振現象及び電圧分布を評価した。その結果,共振現象がCSの運転に対し影響を及ぼすことはないことが示された。(2)CSモジュールの冷却安定性評価:JT-60SA用超伝導コイルのCSは運転時ヘリウムで冷却される。常温から冷却を行う場合,熱応力が発生するため,急速な冷却は導体の損傷をまねく。そのため,CSのクールダウン時の温度分布を把握することは重要である。平成30年度はクールダウン時のCSモジュール導体内温度分布解析を行った。その結果,実験値と解析値が一致する結果となった。今後は,平成28年度に取得したCSモジュールにおける共振特性評価(試験・解析)及びCSモジュール試験結果(励磁試験・交流損失測定)をもとに,解析モデル(CSモジュールの詳細な共振特性評価・交流損失)を作成する。超伝導導体部及び導体間接続部のモデル化を行うことで、超伝導コイル内の電磁現象を詳細に解析し、絶縁破壊及び交流損失の発生メカニズムを検証する予定である。また,上記の熱負荷をもとにCSモジュールの熱負荷変動を考慮した冷却系統をモデル化し最適な冷媒供給を平成29年度後半以降に調査する。今後は,平成28,29年度の結果をもとに,CSモジュールの耐電圧解析モデルでは,JT-60SA複数CSモジュールでの評価を行い電気的安定性を評価する。冷却系統モデルではCSモジュールの熱負荷変動を考慮した最適な冷媒供給を提案する。当初購入予定としていた解析ソフトを同等の機能を有する別の解析ソフトに変更したところ,予定金額よりも安く購入することができたため。
有機導体における異常な低次元揺らぎ

有機導体の相互作用に起因する電子相関と揺らぎの果たす役割を理論的に解明するため、ボソン化法を用いた以下の研究を行った。(1)擬1次元有機導体ベッチガード塩では、低温の正常相で電荷ギャップが存在し、圧力変化に伴う絶縁体-金属相転移を生じることが知られている。このギャップと鎖間電荷移動の比が大きい場合は絶縁体となり電子が鎖内に閉じ込められ、小さい場合は金属になるということを、1次元的な揺らぎを考慮して、繰り込み理論を用いて研究してきた。さらに絶縁体から金属への相転移を調べるため充填率が整合な値からずれる効果の定量的研究を行なった。この結果、化学ポテンシャルの変化が電子相関により生成される電荷ギャップより大きくなると金属状態が出現することを明かにした。(2)この塩のスピン密度波(SDW)状態では臨界温度の約1/3の温度で別のSDW状態が出現する。これを理論的に調べるため1次元模型を取り扱いさらに、整合エネルギーと鎖間結合をもつ2鎖系をSDWの位相で記述し、鎖間の位相差の効果を転送積分法を用いて調べた。低温でこのような新しい状態が出現するのは電子充填率が1/4の整合エネルギーと鎖間に不整合になる相互作用との競合のためであることを示した。(3)低次元系における不純物効果を調べるため2鎖スピンレスフェルミオン模型をくりこみ群を用いて調べた。不純物による局在に対する鎖間電荷移動および相互作用の効果を調べた。1鎖内での不純物ピンどめのエネルギーが相互作用により生じる鎖間揺らぎのギャップのエネルギーより大きい場合は1次元的局在が生じ、逆の場合、斥力では局在が強められ、引力では非局在になることを明らかにした。これに関連して、SDWの集団励起、1次元電子系の電子状態等を調べた。有機導体の揺らぎの性質を調べるため、次の様な研究を行った。(1)電子数充満が1/4の1次元ハバ-ド模型を用いて、整合SDW状態の揺らぎに対するアニオンポテンシャルの効果について、さらに2量体化及び最近接斥力を考慮したスピン密度波状態における揺らぎについてを調べた。RPAの取り扱いの範囲で、縦波及び横波の集団励起モードを計算し、励起ギャップの振る舞いから整合エネルギーとこれらの競合を明らかにした。基底状態として、2量体化が大きいと2KFr-SDWのみが生じ、最近接斥力が大きい場合は2K_F-SDWと4K_F-CDWが共存することを得た。特に最近接斥力によるギャップへの効果は、パイエル転移におけるフォノンのソフト化と類似していることを示した。(2)擬1次元有機導体における鎖間電荷移動の役割について調べるため、2鎖電子系に繰り込み群の方法を適用し、様々な秩序状態にたいする相関関数を計算し、量子揺らぎを研究した。ボソン化法に基づいた位相ハミルトニアンを用いて、鎖間電荷移動が前方散乱の相互作用により減少すること、エネルギーを減少されると1次元的な状態から2鎖の状態へのクロスオーバーが生じることを示した。(3)有機導体における1次元的な揺らぎの研究として、朝永-ラッティンジャー液体の1電子スペクトル関数を計算し、温度上昇とともにスピンと電荷の分離がどの様に変化していくかを明らかにした。(4)反強磁性のスピン系が格子と結合して生じるスピン-パイエルス状態に対する非磁性不純物効果調べた。ボソン化を用いた電子系から出発し、スピン欠陥のまわりでスピンが回復し、反強磁性状態が出現することを明らかにした。有機導体の1次元揺らぎと次元性の性質を調べるため、ボソン化法を用いた以下の研究を行った。

(1)2鎖朝永-ラッティンジャー模型における動的な電荷及びスピン応答関数を計算し、2鎖間で逆位相をもつスピン揺らぎが最も増大する事が分かった。この結果は、有機導体で発見されている鎖間電子対による異方的超伝導の引力の原因を示唆している。(2)電子間相互作用が斥力の2鎖系ではスピン揺らぎの励起にギャップをもたないことが知られている。ここでは、擬1次元有機物質で指摘されている相互作用にスピンの異方性がある場合にどのようなスピン励起が生じるか調べた。この結果、スピンギャップが生じることがわかり、鎖間電荷移動の効果とスピンの異方性の効果の競合により、超伝導とスピン密度波の相図が得られた。(3)ベッチガード塩では、低温・正常相における交流電気伝導度の実験から電荷ギャップを持つことが知られている。そこで報告されたギャップが大きいと絶縁体となりギャップが小さいと金属になるという興味深い事実を、1次元的な揺らぎが重要であると考え、繰り込み理論を用いて調べた。その結果、電子の鎖間移動による得と電子相関により生成される電荷ギャップの得との競合がこの金属-絶縁体転移の原因であり、後者の得の場合電子が鎖内に閉じこめられることを明らかにした。(4)有機導体における1次元的な揺らぎの基礎研究として、朝永-ラッティンジャー液体におけるスピン密度波の動的応答関数を調べた。その強度の異常が従来予測されていた繰り込まれた電荷励起及びスピン励起スペクトラムの位置以外に自由電子のスペクトラムの位置にも出現することを発見した。有機導体の斥力に起因する電子相関と揺らぎの果たす役割を理論的に解明するため、ボソン化法を用いた以下の研究を行った。(1)擬1次元有機導体ベッチガード塩では、低温の正常相で電荷ギャップが存在し、圧力変化に伴う絶縁体-金属相転移を生じることが知られている。このギャップと鎖間電荷移動の比が大きい場合は絶縁体となり、小さい場合は金属になるという実験事実を、1次元的な揺らぎが重要であると考え、繰り込み理論を用いて調べてきた。今回の定量的研究の結果、電子の鎖間移動による得と電子相関により生成される電荷ギャップの得との競合がこの振る舞いの原因であること及びその際の電子移動のエネルギーは電子間相互作用により繰り込まれることが本質的であることを明らかにした。(2)この塩の低温でのスピン密度波(SDW)状態では臨界温度の約1/3の温度で別のSDW状態が出現する。これを理論的に調べるため系をSDWの位相で記述し、転送積分法を用いてSDWの相関関数を計算し、低温でこのような新しい状態が出現するのは電子充填率が1/4の整合エネルギーと2量体化の存在のためであることを示した。さらに整合-不整合相転移を臨界温度の計算により示し、この原因として2量体化の存在化での整合エネルギーと電子数の1/4充填からの変化の競合を明らかにした。(3)充填率1/4の系の電荷ギャップを調べるため、2量体化及び交替ポテンシャルを考慮した1次元模型に繰り込み群を適用して計算し、両者の競合によるギャップの非単調な振る舞いを見つけた。さらに1/2の充填率でのモット絶縁体とバンド絶縁体の競合を1次元模型を用いて調べ斥力の変化に伴う両者の移り変わりを電荷ギャップの計算により示しその際のスピン揺らぎを調べた。有機導体の相互作用に起因する電子相関と揺らぎの果たす役割を理論的に解明するため、ボソン化法を用いた以下の研究を行った。(1)擬
ノルゾアンタミンの物性と作用機序に関する研究

スナギンチャク(Zoanthus sp.)は刺胞動物の一種で、コレステロールに匹敵する量のノルゾアンタミンを含み、そしてそれは細胞毒性をほとんど示さない。一つの可能性として共生微生物が生産し、それをスナギンチャクが貯蔵することで自らの生存に役立てているとの作業仮説を立て、質量分析を用いたスクリーニングによりスナギンチャクに共生しているカビAspergillus fumigatusが産生していることを明らかにした。スナギンチャクの組織を直接レーザーで照射してノルゾアンタミンをイオン化する(MALDI-MS)ことでその分布を調べたところ、ノルゾアンタミンは主に白色の表皮組織に分布していた。よってノルゾアンタミンはカビが産生し、それをスナギンチャクの表皮組織に貯蔵していると考察した。一方、ノルゾアンタミンはマウス由来I型コラーゲンを基質として、コラゲナーゼによる酵素反応を行ったところ、その酵素活性を抑制した。さらに石灰化のモデル実験を行ったところ、溶液中でハイドロキシアパタイトの析出を増大させており、ノルゾアンタミンはコラーゲンを核としたハイドロキシアパタイトの形成を促進することがわかった。よって、ノルゾアンタミンの骨強度および骨密度増大作用はコラーゲンの分解抑制にその生物活性の根拠の一つを与えた結果となった。コラーゲンとノルゾアンタミンを共存させた状態で一定時間紫外線照射による外的刺激を与え、SDS-PAGEによってタンパク質の状態を調べたところ、ノルゾアンタミンの添加がコラーゲンの分解を抑制した。潮間帯に生息しているスナギンチャクは直射日光にさらされており、紫外線照射によって生じる様々な活性酸素種から身を守るためにノルゾアンタミンを鎧のように身にまとっていると考えた。そしてこの知見は報告されている骨強度および骨密度増大作用の作用機序にひとつの答えを与えている。奄美大島産未同定スナギンチャク(Zoanthus sp.)由来アルカイド、ノルゾアンタミンの塩酸塩を閉経後骨粗鬆症モデルである卵巣摘出マウスへ投与すると、骨重量、骨強度の低下を強力に抑制する。これまでの予備的実験から骨吸収より骨形成の方に作用している可能性が示唆されたので、多分化能をもつマウス由来間葉系幹細胞C3H/10T1/2を目的に応じて分化誘導を行い、作用機序についての情報を取得する方針で研究を進めた。C3H/10T1/2は骨芽細胞や軟骨細胞に分化する能力があり、そこヘノルゾアンタミンを添加し、分化の様子を調べた。はじめに細胞形態および増殖速度を観察したが、どちらもノルゾアンタミンの添加で変化した様子は見られなかった。次に、脂肪細胞への分化については有意な差が見られなかったことより、骨芽細胞への分化をより促進する作用を示した。また細胞内の総タンパク量を定量したところノルゾアンタミンの投与濃度に比例して増大していた。ノルゾアンタミン投与の有無によって細胞の増殖に変化は見られなかったことより、この結果は細胞一個あたりのタンパク量が増大していることを意味している。骨は約70%のミネラルと約20%のタンパク質によって構成され、そのうちの約90%がコラーゲンである。コラーゲンの定量実験より低濃度のノルゾアンタミン投与でコラーゲン量の増大が観察されたため、ノルゾアンタミンはコラーゲンの分泌促進もしくは内在性プロテアーゼによる分解を抑制している可能性が考えられる。コラーゲンにノルゾアンタミンを共存させると紫外線照射による酸化的分解に耐性を示すことからノルゾアンタミンはコラーゲン表面を広く覆うような形でゆるく相互作用することで外的刺激による分解を防ぐ一種の保護材のような働きをすると考えられる。そして報告されている骨強度および骨密度増大作用はコラーゲンの補強にその根拠の一つを与えた結果となった。

潮間帯に生息しているスナギンチャクは直射日光にさらされており、紫外線照射によって生じる様々な活性酸素種から身を守るためにノルゾアンタミンを鎧のように身にまとっていると考えた。そしてこの知見は報告されている骨強度および骨密度増大作用の作用機序にひとつの答えを与えている。
積層芳香族化合物の固相合成とその結晶場における分子認識

リチウムに最も高い錯形成能を示す単純なクラウンエーテルとして、14-クラウン-4が知られている。しかし、このクラウンエーテルもサイズの大きい他のアルカリ金属イオンと2:1(ホスト:ゲスト)サンドイッチ型錯体を形成するため、他のイオンとの共存下では、高選択的にリチウムイオンと錯形成することはできない。サンドイッチ型の錯形成を抑制し、高選択的リチウム配位子を得る対策として、14-クラウン-4に嵩い置換基を付与する方法がいくつか報告されているが、その環化による調整に際しては、ポリマーの副生により、一般に収率は高くなく、またこれに置換基を導入することにより、さらにその低下を招いている。スチレン誘導体の分子内[2+2]光環化付加反応により、高効率にクラウンエーテル類似体(クラウノファンと呼ぶ)を合成することに成功しており、これが、高いリチウム抽出能及び輸送能を示すことを明らかにしてきた。今年度は、この合成法をさらに発展させ、2個のシクロブタン環で架橋したクラウノファン(クラウノバドランと呼ぶ)を上記光反応を用いて高効率で合成することができた。その高いリチウム親和性を固-液抽出実験で検討したところ、独占的にリチウムイオンを抽出できた。ナトリウム及びカリウムイオンに対する選択性は、各々140倍及び1900倍であった。この選択性発現の詳細を検討するためホスト分子の単結晶の構造解析を行った。この分子の空孔径は、約1.22Aであり、リチウムのイオン径に最適であることが確認された。さらにホストに結合してたシクロブタン環が、もう一分子のホストの接近を妨げ、2個のポリエーテル環の分子間相互作用によるサンドイッチ型の錯形成を困難にしていることが示唆された。このように、ホスト分子の2個のシクロブタン環は、配位部の構造を強固にするだけでなく、2:1錯形成を制御することにより、独占的リチウムイオン選択性の発現をもたらしていると結論した。
糸状菌III型ポリケタイド合成酵素の機能および構造解析

III型ポリケタイド合成酵素(PKS)は、これまで、植物及び一部原核微生物に分布することが既に知られていた。今回、真核微生物について解析を進め、麹菌Aspergillus oryzaeのIII型PKS遺伝子csyA発現株が3,5-dihydroxybenzoic acid(DHBA)を主生成物として与えることを明らかにした。さらに、csyB発現株は、germicidin様新規化合物を主生成物として与えることを明らかにした。ポリケタイド合成酵素(PKS)は、アシルCoAの縮合により様々な炭素骨格を構築する。PKSは構造的・生化学的性質によりI型、II型、III型に分類されており、このうちIII型PKSは、アシルキャリアープロテインを使わずにアシルCoAを直接の基質として反応する、1つの活性中心のみで一連の反応(脱炭酸、縮合、閉環、芳香化など)を触媒する、という性質を持つ。また、III型PKSは、植物フラボノイドの基本骨格を構築するカルコン合成酵素(CHS)を始めとするスーパーファミリーを形成しており、近年、原核微生物にもIII型PKSが見出されるなど注目を集めている。これまでに、真核微生物のうち、糸状菌の数種にIII型PKS遺伝子が存在することを見出し、新たなスーパーファミリーの存在を明らかにした。更にAspergillus oryzeのIII型PKS遺伝子csyA、csyB、csyC、csyDのうち、csyAが、主生成物として3、5-dihydroxybenzoic acid(DHBA)を与えることを明らかにした。各種^<13>C-標識酢酸の取り込み実験の結果、4つの酢酸単位から生成するポリケトエステルがアルドール反応により閉環することが判明し、orsellinic acid様化合物を中間体として酸化や脱炭酸反応を経てDHBAを与えることを確認した。更に今回、csyBをA.oryzaeで高発現させ、主生成物をカラムクロマトにより単離し、各種機器分析から、germicidin様新規化合物であると同定した。III型PKS遺伝子のうちcsyA、csyBは、A.oryzae標準株RIB40において発現が認められていることから、本成果は、有用物質の高生産、または有害物質非生産株の育種に貢献できるものと考える。ポリケクイド合成酵素(PKS)は、acyl-CoAの縮合により様々な炭素骨格を構築する二次代謝産物生合成酵素であり、I型、II型、III型に分類される。このうちIII型PKSは、縮合反応にアシルキャリアープロテインを使わず、一連の反応(脱炭酸、縮合、閉環、芳香化など)を1つの活性中心のみで触媒するという性質を持つ。これまで、植物及び一部原核微生物に分布することが既に知られていたが、真核微生物について解析を進め、糸状菌の数種にIII型PKS遺伝子が存在することを初めて見出し、新たなスーパーファミリーの存在を明らかにした。このうち、麹菌AspergillusoryzaeのIII型PKS遺伝子(csyA,csyB,csyC,csyD)について検討し、csyA発現株が3,5-dihydroxybenzoic acid(DHBA)を主生成物として与えることを明らかにした。また、^<13>C-標識酢酸を用いた生化学的実験とNMRによる機器分析により、4つの酢酸単位から生成するポリケトエステルがアルドール反応により閉環し、酸化や脱炭酸反応を経て生成すると結論付けた。更に今回、大腸菌異種発現系において、acetyl-CoA及びmalonyl-CoAを基質としorsellinic acid(OA)を与えることを確認した。しかし、csyA発現株においてOAの生産が認められないこと、OAを添加しても速やかにDHBAへと変換されないことなどから、別の物質が中間体であると考えられた。一方、csyB発現株は、分子式C_<10>H_<10>O_6のgermicidin様新規化合物を主生成物として与えることを明らかにし、その構造から、succinyl-CoA及びmalonyl-CoAを基質とすると予想した。III型PKSは、新規化合物を創出するためのツールとして期待されており、本研究の遂行は、学術面だけでなく産業へも貢献すると考えている。
個体レベルでの大腸癌幹細胞の同定と解析

本研究は、固形癌での個体レベルにおける癌幹細胞の性質解明を目指し、癌幹細胞を標的とした癌治療法の可能性を示すことを目標とた。安定型β-catenin inducibleマウスを作製し、成体マウスにβ-cateninを強制発現させた。β-catenin強制発現後早期にde novocrypt formationが誘導されることが分かった。β-catenin強制発現によりcryptを維持する幹細胞が増生することが示唆された。実際にβ-catenin inducibleマウスを大腸上皮幹細胞マーカーであるLgr5レポーターマウスと交配することで、Lgr5陽性細胞数が増加することが確認された。一方で成体マウス腸管にdominant negative TCF4を強制発現させると、腸管crypt数が減少することが分かった。腸管幹細胞の維持にはcanonical Wnt pathwayの活性化が必須であることが確認された。β-cateninを強制発現させた腸管上皮には、β-catenin蛋白蓄積のheterogeneityが観察された。核にβ-cateninが蓄積した腸管上皮細胞は、細胞増殖活性が低く、正常腸管幹細胞の性質に類似することが分かった。さらにNotch pathwayの阻害によりslow cyclingな幹細胞様細胞に強い細胞増殖活性が誘導されることを見いだした。ヒト大腸癌においても癌細胞でのβ-catenin蛋白蓄積のheterogeneityが観察され、この安定型β-catenin inducibleマウスは人工癌幹細胞モデルとなりうることが示唆された。本研究により、腸管上皮の分化/増殖には、Wnt pathwayとNotch pathwayの協調的な制御が関与していることが明らかとなり、それらが癌幹細胞に対する治療法開発の標的となりうることが示された。24年度が最終年度であるため、記入しない。治療抵抗性が示唆されている癌幹細胞の性質解明により、有効な癌治療方法の開発が期待されている。血液系腫瘍においては、癌幹細胞に関する知見が蓄積されているものの、固形癌では、未だその実態は大部分が不明である。本研究は、固形癌での個体レベルにおける癌幹細胞の性質解明を目指し、癌幹細胞を標的とした癌治療法の可能性を示すことを目標としている。本年度は、安定型β-catenin inducibleマウスを作製し、成体マウスにβ-cateninを強制発現させた。興味深いことに、β-cateninを強制発現させた腸管上皮には、β-catenin蛋白蓄積のheterogeneityが観察された。ヒト大腸癌においても癌細胞間でのβ-catenin蛋白蓄積のheterogeneityが観察されることが知られており、この安定型β-catenin inducibleマウスは人工癌幹細胞モデルとなりうることが示唆された。安定型β-catenin inducibleマウスの解析が順調に進んでいる、Canonical Wnt pathwayの腸管幹細胞の維持、増生に関わる役割が明らかになりつつある。
走査トンネル顕微鏡による希薄磁性半導体の磁性発現機構解明と強磁性ナノ構造作製

本研究では、半導体スピントロニクスへの応用が期待される希薄磁性半導体の強磁性メカニズムを明らかにするという目的で、走査トンネル顕微鏡(STM)を用いてZnTeに添加されたCr周りの局所電子状態の観察を行った。STM観察の結果、添加されたCrはZnTeのZnサイトを置換して存在し、フェルミ準位近傍のエネルギー領域において隣接するTeとの間にスピン偏極した不純物状態を形成していることがわかった。また、隣接Cr間に強磁性相互作用が働くことによってその不純物準位がブロード化することを明らかにした。本課題では、半導体スピントロニクスにおけるスピン流注入源等への応用が期待される希薄磁性半導体、特にII-VI族半導体ZnTeにCr, Mn等の磁性元素をドープした系を対象とし、走査トンネル顕微鏡(STM)を用いて磁性ドーパント周りの局所電子状態を調べることで、それらの間に働く磁性相互作用の起源を明らかにすることを目的として研究を行っている。今年度は分子線エピタキシーで作製した(Zn,Cr)Teを対象に断面STM観察を行い、孤立、および、複数隣接して存在しているCr原子周りの電子状態を詳細に測定し、Cr間に働く強磁性相互作用によってCrの状態がどの様に変化するかを明らかにした。まず、(Zn,Cr)Te中のCr原子の高分解能STM観察に成功した。その結果を、密度汎関数法(DFT)に基づく理論計算と比較することで、添加されたCrは、母体半導体ZnTeのZnサイトを置換して存在し、フェルミ準位近傍のエネルギー領域において隣接するTeとta状態を形成していることを示唆する知見が得られた。さらに、その輝点の広がり方の違いから、STM観察によって表面第一層および第二層中に存在するCrを検出および識別できることがわかった。次に、孤立および複数が隣接する状態で存在するCrを対象に走査トンネル分光測定を行い、それぞれの状態で局所状態密度に対応する微分コンダクタンス曲線形状が異なることを明らかにした。さらに。微分コンダクタンス曲線の形状は、Crの隣接方向・距離に依存して変化することも分かった。DFT計算との対応から、この形状変化は隣接Cr原子間に働く強磁性的な相互作用によるものであることが示唆された。さらに、その形状変化の隣接方向依存性も計算とよく一致ており、この強磁性相互作用の強さがta状態の空間的重なりときわめて密接が関係があるという知見が得られた。本課題では、半導体スピントロニクスのスピン注入源材料として期待される希薄磁性半導体中の磁性添加物間に働く磁性相互作用を明らかにし、将来的にはそれらの人為的な制御を実現することを目標とし、磁性元素をドープしたII-VI族半導体ZnTeを対象に、走査トンネル顕微鏡(STM)を用いて磁性元素周りの局所電子状態を詳細に調べることを目的として研究を行っている。2年目に当たる平成26年度は、半導体表面に吸着した磁性原子による低次元強磁性ナノ構造の作製と電荷ドープによる電子物性制御に向けた研究に着手した。特にZnTe表面を舞台に、Cr単原子の真空蒸着およびSTM原子操作による原子スケールの欠陥の作製を行い、それらの電子状態を明らかにすることを行った。まず、ZnTe(110)劈開表面上に電子ビーム蒸着法でCr原子の真空蒸着を行い、その高分解能STM観察に成功した。平成25年度に行ったMBE作製(Zn,Cr)Teに対する断面STM観察結果との比較から、蒸着されたCrの多くは最表面のZn原子を置換して存在し、母体半導体ZnTeのエネルギーギャップ中に不純物準位を形成していることを明らかにした。それと平行し、STMによる原子操作によってZnTe(110)表面上に単原子スケールの原子欠損を作製することに成功した。その欠陥周りのSTM観察から、欠陥の中心は正の電荷をもつことを示唆する結果が得られた。これらの結果は、表面への磁性原子蒸着およびSTM原子操作によって、本表面上に単原子レベルの磁性ナノ構造を作製し、その磁性を表面欠陥によって誘起されるポテンシャルの変調によって人為的に制御できる可能性を示していると考えられる。本課題では、半導体スピントロニクスのスピン注入源材料として期待される希薄磁性半導体中の磁性添加物が形成する不純物状態を明らかにし、将来的にはそれらの人為的な制御を実現することを目標とし、磁性元素をドープしたII-VI族半導体ZnTeを対象に、走査トンネル顕微鏡(STM)を用いて磁性元素周りの局所電子状態を詳細に調べることを目的として研究を行っている。平成27年度は、主に、(Zn,Cr)Te中のCrの不純物状態が、電荷ドープの影響によってどのように変化するかを、STMを用いて調べた。試料として、p型ZnTe(001)基板上にMBE成長した(Zn,Cr)Te薄膜をを用い、Cr不純物状態のp-ZnTe/ZnCrTe界面からの距離依存性を調べた。その結果、Cr不純物準位の状態密度は、p-ZnTeとの界面に近づくにつれて連続的に小さくなる傾向がみられた。これは、p-ZnTeからのホールの注入によって界面付近のCrでは、そのd電子が中性のCr2+状態よりも減少し、Cr3+状態なっていることを示唆している。

このような磁性不純物の価数変化は希薄磁性半導体の磁化特性と強い関連があると言われており、今後ヘテロ界面構造もしくは外部電界印加による電荷ドープによって希薄磁性半導体中の磁性を人為的に制御できる可能性を示していると考えられる。さらに前年度に開始したCrを蒸着したZnTe(110)表面に対しSTM研究をすすめ、隣接Cr原子は、孤立原子に比べて明るい輝点として観察されることを明らかにした。DFT計算との比較から、これは隣接Cr間にはたらく強磁性相互作用による不純物状態の変化を反映したものであることが示唆された。さらに、STM観察中にCr原子が表面上を移動することも観察されたことから、今後、STM原子操作により人為的に新規な低次元強磁性ナノ構造を作製しその物性を制御できると考えられる。本研究では、半導体スピントロニクスへの応用が期待される希薄磁性半導体の強磁性メカニズムを明らかにするという目的で、走査トンネル顕微鏡(STM)を用いてZnTeに添加されたCr周りの局所電子状態の観察を行った。STM観察の結果、添加されたCrはZnTeのZnサイトを置換して存在し、フェルミ準位近傍のエネルギー領域において隣接するTeとの間にスピン偏極した不純物状態を形成していることがわかった。また、隣接Cr間に強磁性相互作用が働くことによってその不純物準位がブロード化することを明らかにした。2年目に当たる平成26年度は、半導体表面に吸着した磁性原子による低次元強磁性ナノ構造の作製と電荷ドープによる電子物性制御に向けた研究に着手した。特にZnTe表面を舞台に、Cr単原子の真空蒸着およびSTM原子操作によって原子スケールの欠陥を作製し、それらの電子状態を明らかにすることを行った。本年度は、本補助金で購入した電子ビーム蒸着装置(AVC社製AEV-3)を稼働させ、蒸着時間等の最適化を行うことでZnTe(110)劈開表面に単一Cr原子が蒸着できる実験条件を確立し、その高分解能STM観察に成功した。また走査トンネル分光(STS)測定によって吸着Cr周辺の電子状態を原子スケールで解析することに成功した。さらに、STM探針からの電子注入によってZnTe(110)表面上に原子スケールの欠陥を作製することに成功し、そのSTM観察から欠陥の影響によってその周囲のポテンシャルが変調されることを明らかにした。これらの結果は、表面への磁性原子蒸着およびSTM原子操作によって、本表面上に単原子レベルの磁性ナノ構造を作製し、その磁性を表面欠陥によって誘起されるポテンシャルの変調によって人為的に制御できる可能性を示していると考えられる。このことから当初の目的をほぼ達成できており当課題は概ね順調に進展していると判断した。スピントロニクス本課題の目的は、走査トンネル顕微鏡(STM)によって希薄磁性半導体(DMS)中の磁性ドーパント周りの電子状態を詳細に測定することで未だ明らかになっていないII-VI属DMSの磁性発現のメカニズムを解明し強磁性ナノ構造作製へと応用することである。これまでの研究で行った、分子線エピタキシー法で作製した(Zn,Cr)Teの断面STM観察およびZnTe(110)劈開表面に真空蒸着した単一Cr原子のSTM観察によって、Crが形成する不純物準位およびそれらの間に働く強磁性相互作用について多くのことが明らかになってきた。これを踏まえ、今後はキャリアドープした(Zn,Cr)Teを対象としてそので不純物状態がどのように変化するかを単一原子スケールで明らかにする。具体的にはアクセプタードープで引き起こされるといわれるCr2+→Cr3+価数変化による不純物準位のエネルギー位置や軌道形状の変化をSTM観察によって調べる。
生物多様性維持・利用のための保全地域理論の探究

本研究では、生物多様性の維持・利用にかかる保全地域理論の基礎とするためにフィールドでの実証的研究としてのパイロット研究を2つ行い、これらと並行して理論的研究を行った。屋久島におけるパイロット研究では、林冠上端まで抜ける足場アクセスシステムを計画し、葉やシュートモジュールの動態の観測を行い、森林の垂直および水平構造が構成樹種の多様性維持に果たす役割などについてと実証的研究を行った。一方、琵琶湖におけるパイロット研究では、沖合帯や沿岸帯における生物群集を扱い、沈水・抽水植物などの構造体や微小生物による排泄物の動態も含めた生物的環境の微細構造が、その場の生物群集の多様性に大きな役割を果たしている一方で、水という粘性のある媒体の特質によって作り出される異質な場、あるいは降雨等によって引き起こされる水際での変動環境における、異なった位相をもつ連鎖的生態現象について実証的な研究を行った。このように、時間スケール、あるいは陸上、水界、また温帯、熱帯を問わず、それぞれの地域特有の地球物理的環境に加えて、生物自身が作り出す場の環境の多様性により、その生物群集の一層の多様性が維持されていることが検証がさらに進められた。これら本研究のパイロット研究成果をもとに、生物多様性の維持機構を客観的に記述・測定する方法や保全のための方法論と今後の課題のまとめを行った。平成5年度の本研究では、生物多様性の維持・利用にかかる保全地域理論の基礎とするためにフィールドでの実証的研究としてのパイロット研究を2つ行ない、これらと並行して理論的研究を行った。屋久島におけるパイロット研究では、時間スケールの大きな森林についてH5年9月からH6年3月にかけて数次の現地調査と研究会を開き、森林の垂直および水平構造が構成樹種の多様性維持に重要な役割を果たすことが実証されつつある。一方、琵琶湖におけるパイロット研究では時間スケールの比較的小さな生物群集を扱い、同期間に行われた数次の現地調査と研究会により、沖合や沿岸における物理・化学的環境のみならず、沈水・抽水植物などの構造体や微小生物による排泄物の動態も含めた生物的環境の微細構造が、その場の生物群集の多様性に大きな役割を果たしていることが実証されつつある。このように、時間スケール、あるいは陸上、水界、また温帯、熱帯を問わず、それぞれの地域特有の地球物理的環境に加えて、生物自身が作り出す場の環境の多様性により、その生物群集の一層の多様性が維持されていることが検証されつつある。これら本研究のパイロット研究成果をもとに各分野の研究者とともに研究会をもち、生物多様性の維持機構を客観的に記述・測定する方法や保全のための方法論と今後の課題の検討を行い、生態学的、分子遺伝学的手法を同時に取り入れて現行のパイロット研究を推進することになった。平成6年度の本研究では、生物多様性の維持・利用にかかる保全地域理論の基礎とするためにフィールドでの実証的研究としてのパイロット研究を2つ行ない、これらと並行して理論的研究を行った。屋久島におけるパイロット研究では、底辺4×8メートル、高さ15メートルと、林冠上端まで抜ける足場アクセスシステムを計画し、葉やシュートモジュールの動態の観測を行い、森林の垂直および水平構造が構成樹種の多様性維持に果たす役割についてと実証的研究がすすめられている。一方、琵琶湖におけるパイロット研究では、沖合帯や沿岸帯における生物群集を扱い、沈水・抽水植物などの構造体や微小生物による排泄物の動態も含めた生物的環境の微細構造が、その場の生物群集の多様性に大きな役割を果たしている一方で、水という粘性のある媒体の特質によって作り出される異質な場、あるいは降雨等によって引き起こされる水際での変動環境における、異なった位相をもつ連鎖的生態現象について実証的な研究がすすめられている。これら本研究のパイロット研究成果をもとに各分野の研究者とともに研究討議の場をもち、生物多様性の維持機構を客観的に記述・測定する方法や保全のための方法論と今後の課題の検討を行った。

平成7年度の本研究では、生物多様性の維持・利用にかかる保全地域理論の基礎とするためにフイールドでの実証的研究としてのパイロット研究を2つ行ない、これらと並行して理論的研究を行った。屋久島におけるパイロット研究では、林冠上端まで抜ける足場アクセスシステムを計画し、葉やシュートモジュールの動態の観測を行い、森林の垂直および水平構造が構成樹種の多様性維持に果たす役割などについてと実証的研究を行った。一方、琵琶湖におけるパイロット研究では、沖合帯や沿岸帯における生物群集を扱い、沈水・抽水植物などの構造体や微小生物による排泄物の動態も含めた生物的環境の微細構造が、その場の生物群集の多様性に大きな役割を果たしている一方で、水という粘性のある媒体の特質によって作り出される異質な場、あるいは降雨等によって引き起こされる水際での変動環境における、異なった位相をもつ連鎖的生態現象について実証的な研究を行った。このように、時間スケール、あるいは陸上、水界、また温帯、熱帯を問わず、それぞれの地域特有の地球物理的環境に加えて、生物自身が作り出す場の環境の多様性により、その生物群集の一層の多様性が維持されていることが検証がさらに進められた。これら本研究のパイロット研究成果をもとに、生物多様性の維持機構を客観的に記述・測定する方法や保全のための方法論と今後の課題のまとめを行った。
光照射構造をした新しいタイプの覚醒レベル計測装置の開発

本研究では、約2cmの距離から、面光源を用いて目に照射する新しいタイプのフリッカー試験器の開発を行っている。従来品と比べ、かなりコンパクトな構造をしており、ほとんどメガネに近いサイズであることから、我々は「メガネ型フリッカー試験器」と称している。この試験器を従来のOG技研製などのフリッカー試験器と比較し、性能を検査した。約70人ほどの被験者に対してこの測定を行ったところ、フリッカー値の変動率において両者はR=0.9程度の強い相関が得られた。この結果は、現在開発しているメガネ型試験器は従来型試験器と同様な脳の覚醒状態を測定している、ということを意味している。従来のフリッカー試験器では、目から数10cmの距離にある「点光源に焦点を合わせ、見るという意識があること」が重要視されていた。しかしメガネ型の場合は目に光を照射しているので、光源に焦点があっているわけではない。これは新しい観点として「見るという意識」さえあれば同様な結果をもたらすことができることを意味していると思われる。ところで今回、特に視力が弱い被験者にも測定を行い、目に光を照射できるメガネ型は視力に関係なく脳の覚醒状態の測定に有効であるという結果を得た。これは既存の試験器には無かった特徴である。ところで、我々の装置は従来のように大型ではなくメガネ型の様なコンパクトなフリッカー試験器を構成することができたことで、汎用性も高まるのではないかと期待している。特に今回は発振回路に、プログラムを書き込むことができるPICという集積回路を用い、コンパクトな試験器を製作することが可能になったのである。本研究を基に、今後さらにこのメガネ型フリッカー試験器の開発を行っていきたいと考えている。大脳の覚醒水準を計測する測定器として従来よりフリッカー試験器が用いられているが、本研究ではより精度が高く、よりコンパクトな試験器の開発を行うことを目的として開発研究を進めた。構造上で従来のものと大きく異なる点として、これまでのものは、点光源であったのに対して開発したものは、点滅させた発光ダイオード(LED)をミラー板で乱反射させ、その光をフレネルレンズで拡散させることにより、レンズ全体を光らせるとした面光源を採用した。構成回路は点滅光を作り出すためにRC発信回路を使用し、発信させる周波数はf=1/(2.2・R・C)[Hz]で求められるが、試験器内のRC発信回路は抵抗部に可変抵抗R1[0100kΩ]を用い、その値を変化させることによって約099[Hz]の周波数を作り出している。その発信されたパルスをPICで測定し、セグメント発光ダイオードに周波数を表示させる。発信されたパルスにより点光源を作り出し、直流電源(DC)により周辺光を作り出している。これにより従来のものよりはるかにコンパクト化を実現した。一方で光源に焦点が合った状態で光源を見ることの計測者すなわち人間側の生理的状態変化が生じてしまうため、これまでのフリッカー試験器の測定結果と整合性を確認する必要性もある。実験の結果、両者の測定値間に一致を得ることができた(R=0.8539)。さらには面光源の面積を変化させることにより一致度合いが変化することが明らかとなった。今後は眼鏡型のフェイスマウントディスプレイと呼ばれるめがね型ブラウン管を利用し面光源の一様性を高めることを考える。また、測定時の測定者側の生理的メカニズムについても検証実験を進めたうえでよりコンパクトで精度の高い試験器の開発を継続していく。フリッカー測定器は大脳知覚皮質の興奮性、活動水準を判断する装置として古くから活用されており、その構造はセクター方式から発光ダイオード<LED)と移り代わっている。現在、様々なメーカで製造市販されているが、基本となる原理と測定方法は日本産業衛生協会産業疲労委員会で規定されてきた定義にのっとった物が作られている。これに対して我々は全く新しい構造原理により研究開発を試みた。具体的には約2cm程度の距離から周辺光や点滅光を、しかも面光源を用いて目に対して照射する方法である。今年度の研究では面光源を確実にするために、E1板(Electro Luminescence Sheet)を用いた。この素子はLEDのような点状の発米素子ではなく、初めから面状態で発光を行うことが出来る電子素子である。また我々の目的としてはこの機器をできるだけコンパクトに構成したいということも考えている。ここでEL板に印加する発振電圧をPICという書き換え可能なICを用いる試みを行い、回路部分に関してもコンパクト化、軽量化に成功している。ところで、このような面光源を用いた機器の性能が問題であるが、既存のフリッカー試験器とかなり良好な相関関係を得ることが出来ている。従来は点滅光を見る、ということが重要な観点であると思われてきたが実は目に対して照射する、つまり「見る」という観点無しでも脳の覚醒を計測することが可能ではないのか、という新しい見解をもたらす結果である。ただし現在はプレリミナリーな結果であり、来年度においてはその是非を考え、より多くのデータを収集する実験を行い、この観点を実験的に確かめて行きたいと考えている。

約70人ほどの被験者に対してこの測定を行ったところ、フリッカー値の変動率において両者はR=0.9程度の強い相関が得られた。この結果は、現在開発しているメガネ型試験器は従来型試験器と同様な脳の覚醒状態を測定している、ということを意味している。従来のフリッカー試験器では、目から数10cmの距離にある「点光源に焦点を合わせ、見るという意識があること」が重要視されていた。しかしメガネ型の場合は目に光を照射しているので、光源に焦点があっているわけではない。これは新しい観点として「見るという意識」さえあれば同様な結果をもたらすことができることを意味していると思われる。ところで今回、特に視力が弱い被験者にも測定を行い、目に光を照射できるメガネ型は視力に関係なく脳の覚醒状態の測定に有効であるという結果を得た。これは既存の試験器には無かった特徴である。ところで、我々の装置は従来のように大型ではなくメガネ型の様なコンパクトなフリッカー試験器を構成することができたことで、汎用性も高まるのではないかと期待している。特に今回は発振回路に、プログラムを書き込むことができるPICという集積回路を用い、コンパクトな試験器を製作することが可能になったのである。本研究を基に、今後さらにこのメガネ型フリッカー試験器の開発を行っていきたいと考えている。
高純度アルミニウム中の転位のトンネル物性に関する研究

平成4年度迄に、低温超高真空STM/STSの開発を進め、グラファイト標準試料で本システムの低温STM測定の有効性を明らかにしていた。平成5年度には、低温での原子的尺度の格子欠陥像観察、並びに金属の原子像観察に向け、安定性・操作性に優れたSTMコントローラの設計製作をオリンパス光学工業(株)に依頼した。この導入を待って、自作のSTMソフト、並びにトンネル電流に含まれる雑音を取り除く新しい方式のトンネル分光測定のためのSTSソフトと電子回路系を組み込んだ。これと並んで、特に低温で試料表面に吸着するであろう水・ガス分子等を除去するためのパルスレーザーによる試料クリーニング機構の開発と、試料視野選択のための光学顕微機構を取り付けたトンネルユニットの開発を行った。これにより現在までに得られた成果は、(1)微結晶グラファイトの格子欠陥を原子的尺度で観察-数種類の微細欠陥を約30Kの低温においても観察することに成功した。これら欠陥の構造に関しては現在解析を進めているが、層間の原子面の部分的な滑りを考慮することによって、観察されている幾つかの欠陥像が説明可能である。(2)5-NINEの高純度バルク状Au、並びに6-NINE以上のバルク状超高純度AIの原子像を観察(室温)-金属での原子像観察は、自由電子の影響でトンネル電流のコラゲーションが小さく、表面の汚れ除去と、特にバルク状金属では平坦表面の生成が不可欠である。ここで用いたAIは、帯精製した超高純度AIを歪み焼鈍法で結晶成長させた。また両金属とも、最終的に約2muのダイヤモンドペーストで機械研磨した後、化学研磨することによって平坦面生成を行った。試料作成面で予定に可なりの遅れを生じた。今後は、上記AI試料での格子欠陥観察と、この近傍での個々の欠陥特有のトンネル現象の解明に向けた研究の進展を目指している。
FPGAを対象とした動的再構成可能システムとその設計環境に関する研究

FPGA (Field-Programmable Gate Array)とは,設計者が手元で電気的に回路機能を書き込むことができるLSI(大規模集積回路)デバイスの総称であり,1980年代半ばに実用的なFPGAデバイスが発表されて以来,デバイスそのものならびにその応用環境に関する研究が注目されてきた.本研究では,FPGAによって実現される回路機能がFPGA動作中に変化可能とした動的再構成可能FPGAに焦点を当て,まず,複数個の動的再構成可能FPGA,メモリおよびこれらをとりまく周辺回路から構成される動的再構成可能システムを考案・構築することを目的としている.続いて,動的再構成可能FPGAおよびシステムを対象に,動作レベルアルゴリズムから,動的再構成可能FPGAおよびシステム上で実現されるハードウェアを,計算機によって自動的に合成する環境(ハードウェア高位合成環境)を考案・構築することを目的としている.これらの研究を達成するため,平成13年度において,昨年度に引き続き,(1)動的再構成可能システムの構成法に関する調査・研究を実施したのと同時に,(2)動的再構成可能システムを対象としたハードウェア合成環境に関する研究を行った.(1)制御処理用FPGAおよび演算処理用FPGA,メモリならびに周辺回路から構成される動的再構成可能システムを想定し,ネットワークプロトコル処理,特にネットワーク暗号化処理・プロトコルブースタを始めとする実アプリケーションを実現し,動作および性能を検証した.実機による実験の結果,ソフトウェアシミュレーションと同等な出力結果を,FPGAハードウェアによって得られることを確認した.これは,本研究で提案・構築した動的再構成可能システムの正当性を示している.(2)続いて,動的再構成可能システムのためのハードウェア合成環境を構築した.構築された環境は,コンパイラ系,面積/時間/消費電力最適化系,ハードウェア生成系から構成される.C言語によるハードウェアの動作記述ならびに面積/時間制約のもとに,これらの制約を満足しかつ消費電力ならびにアプリケーションプログラムで消費される総エネルギーを小さく抑えた複数個のハードウェアを合成する.計算機上にこれらの環境を構築し,評価実験を行った結果,面積および時間制約とがトレードオフの関係にあり,かつ消費電力/総消費エネルギーを抑えた複数個のハードウェアが列挙されることを確認した.これら(1)および(2)の研究成果ならび前年度までの研究の結果,アルゴリズムの動作記述から,ほぼ自動で動的再構成可能ハードウェアを得ることができる.これはアルゴリズム評価のプロトタイプ化を極めて高速に実現できることを意味し,結果,情報技術の躍進に寄与すると考える.FPGA(Field-Programmable Gate Array)とは,設計者が手元で電気的に回路機能を書き込むことができるLSI(大規模集積回路)デバイスの総称であり,1980年代半ばに実用的なFPGAデバイスが発表されて以来,デバイスそのものならびにその応用環境に関する研究が注目されてきた.本研究では,FPGAによって実現される回路機能がFPGA動作中に変化可能とした動的再構成可能FPGAに焦点を当て,まず,複数個の動的再構成可能FPGA,メモリおよびこれらをとりまく周辺回路から構成される動的再構成可能システムを考案・構築することを目的としている.続いて,動的再構成可能FPGAおよびシステムを対象に,動作レベルアルゴリズムから,動的再構成可能FPGAおよびシステム上で実現されるハードウェアを,計算機によって自動的に合成する環境(ハードウェア高位合成環境)を考案・構築することを目的としている.これらの研究を達成するため,本年度において,パラメータ付けされた動的再構成可能システムの設計に取り組んだ.一般に,動的再構成可能システムはそのハードウェア構成が固定されており,そのため特定のアプリケーションを動的再構成可能システムに適用した場合,システム上の構成要素において機能が冗長あるいは不足するといったことが生じる.これらの問題を解消するため,本年度の研究において,パラメータ付けされた動的再構成可能システムのためのシステムモデルならびにシステムモデルを対象としたシステム設計手法を提案した.提案したシステムモデルは,ホストコンピュータとのインターフェース部,演算処理を実行する機能部,これらを制御する制御部から構成される.機能部は複数個のFPGAおよびメモリによって実現され,その処理速度,回路規模,再構成時間,ピン数などのデバイス構成やデバイス間の接続方式は,アプリケーションに依存して決定される.提案したシステム設計手法は,(1)タスクスケジューリング,ならびに(2)機能部を実現するFPGA構成およびFPGA接続方式の決定,から構成される.タスクスケジューリングでは,FPGAの再構成時間を陽に考慮することで,タスク実行時間を小さく抑えることを可能としている.FPGA構成およびFPGA接続方式の決定では,FPGAのコスト,再構成の並列性,ピン数を考慮することで,システム全体としてコストを制約範囲内に抑えた上で,タスク実行時間を小さく抑えることを可能としている.アプリケーションとして画像符号化器ならびにパケット処理器を取り上げ提案したシステム設計手法に適用した結果,両アプリケーションに対して,既存設計に比較して少なくとも同等な性能を得ることができた.現在,システム設計手法のうち,(1)タスクスケジューリングの計算機による自動化は実現されているが,(2)FPGA構成およびFPGA接続方式の計算機による自動化は達成されていない.今後,(2)を含め,システム設計全体の計算機による自動化を進めていく.FPGA (Field-Programmable Gate Array)とは,設計者が手元で電気的に回路機能を書き込むことができるLSI(大規模集積回路)デバイスの総称であり,1980年代半ばに実用的なFPGAデバイスが発表されて以来,デバイスそのものならびにその応用環境に関する研究が注目されてきた.

本研究では,FPGAによって実現される回路機能がFPGA動作中に変化可能とした動的再構成可能FPGAに焦点を当て,まず,複数個の動的再構成可能FPGA,メモリおよびこれらをとりまく周辺回路から構成される動的再構成可能システムを考案・構築することを目的としている.続いて,動的再構成可能FPGAおよびシステムを対象に,動作レベルアルゴリズムから,動的再構成可能FPGAおよびシステム上で実現されるハードウェアを,計算機によって自動的に合成する環境(ハードウェア高位合成環境)を考案・構築することを目的としている.これらの研究を達成するため,平成13年度において,昨年度に引き続き,(1)動的再構成可能システムの構成法に関する調査・研究を実施したのと同時に,(2)動的再構成可能システムを対象としたハードウェア合成環境に関する研究を行った.(1)制御処理用FPGAおよび演算処理用FPGA,メモリならびに周辺回路から構成される動的再構成可能システムを想定し,ネットワークプロトコル処理,特にネットワーク暗号化処理・プロトコルブースタを始めとする実アプリケーションを実現し,動作および性能を検証した.実機による実験の結果,ソフトウェアシミュレーションと同等な出力結果を,FPGAハードウェアによって得られることを確認した.これは,本研究で提案・構築した動的再構成可能システムの正当性を示している.(2)続いて,動的再構成可能システムのためのハードウェア合成環境を構築した.構築された環境は,コンパイラ系,面積/時間/消費電力最適化系,ハードウェア生成系から構成される.C言語によるハードウェアの動作記述ならびに面積/時間制約のもとに,これらの制約を満足しかつ消費電力ならびにアプリケーションプログラムで消費される総エネルギーを小さく抑えた複数個のハードウェアを合成する.計算機上にこれらの環境を構築し,評価実験を行った結果,面積および時間制約とがトレードオフの関係にあり,かつ消費電力/総消費エネルギーを抑えた複数個のハードウェアが列挙されることを確認した.これら(1)および(2)の研究成果ならび前年度までの研究の結果,アルゴリズムの動作記述から,ほぼ自動で動的再構成可能ハードウェアを得ることができる.これはアルゴリズム評価のプロトタイプ化を極めて高速に実現できることを意味し,結果,情報技術の躍進に寄与すると考える.