ニューロモルフィックコンピューティングチップにmicroLEDs

December, 18, 2024, Braunschweig--NTC研究者が明日の人工知能のためのマイクロLED技術のテストに成功した。
エネルギー効率に優れた発光ダイオード(LEDs)は、照明以外のアプリケーションにも全く新しい可能性を切り開いている。ブラウンシュヴァイク工科大学(TU Braunschweig)のNitride Technology Centre(NTC)の研究グループは、微細なLEDsのニューロンネットワークを明日の人工知能(AI)に活用することで、 未来のコンピュータをより強力でエネルギー効率の高いものにすることを目指している。

小型化、スケーラビリティ、エネルギー効率は、AIアプリケーション向けのより強力なハードウェアの開発に不可欠である。ブラウンシュヴァイク工科大学のNTC研究グループは、micro-LED技術を使用したコンピュータの構築にまったく新しいアプローチを採用している。研究グループは、ニューロモルフィックコンピュータを可能にする方法で、エネルギー効率の高いmicro-LEDsを小型化およびスケーリングしている。Journal of Physics Photonicsに掲載された研究で、ブラウンシュヴァイク工科大学、オストファリア応用科学大学、ams OSRAMのチームは、このようなコンピュータがAIアプリケーションをより高いレベルに引き上げる方法を説明している。

「われわれの光ニューロモルフィックコンピューティングは、電子回路やフォトニックコンポーネントを使用して、人間の脳などの生物学的ニューラルネットワークの機能を模倣している」と、TU Braunschweig半導体技術研究所のAndreas Waag教授は話している。同氏は、窒化物技術センタのスポークスパーソンでもある。「これにより、AIアプリケーションの超並列情報処理に膨大なエネルギー需要をもたらす従来のデジタルコンピュータ技術の弱点を回避できる」と、オストファリア応用科学大学のChristian Werner教授は付け加えている。10年後には、世界の電気エネルギーの約3分の1がスーパーコンピュータとその冷却に使用されると予想されている。

窒化ガリウム(GaN)は、micro-LED技術に最適な半導体である。この半導体は、従来のシリコン半導体よりも高い電力密度と優れた効率を提供するため、パワーエレクトロニクスでの使用が増加している。ただし、シリコンとは異なり、GaNは光学的に活性であるため、青色LEDsの基本的な構成要素となっている。TU Braunschweigの窒化物技術センタ(NTC)は、マイクロエレクトロニクスの第2の柱として窒化物半導体技術の開発を推進している。

研究グループは、GaNコンポーネントと従来のシリコンマイクロエレクトロニクスを組み合わせて、数十万個のmicro-LEDsを備えた高度に統合されたアレイなど、まったく新しいアプリケーション分野を切り開いている。これらは、QuantumFrontiersの卓越性クラスタやクォンタムバレーニーダーザクセン州(QVLS)でも使用されている。「GaNの特殊な特性は、寸法が1µm以下のmicro-LEDsに最適である」(Waag)。

テクノロジーはエネルギー消費を削減する
また、GaNベースのmicro-LED技術には、AIシステムの「エネルギーへの渇望」を1万倍も削減する大きな可能性を見出している。micro-LEDsは、シリコントランジスタが実行するタスクを実行する。並列インメモリ処理と効率的な光子生成および検出を組み合わせることで、様々なレベルのニューラルネットワークを物理的にマッピングし、並列情報フローを可能にするハードウェアが作成される。

この技術をベースにした「人工脳」が実現するまでには、多くの研究が必要だが、大幅なエネルギー節約が約束されている。NTC研究グループは、すでに1,000個のニューロンを持つ巨視的な光学micro-LEDデモンストレータを開発している。デモンストレータは、0から9までの数字が雑然と書かれており、その中には人間が解読するのが難しいものもあるという、標準的なAIパターン認識テストに合格している。