JP2024066709A - リザバー計算用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の課題は多くの相異なるリザバー状態が得られる計算精度の高いリザバー計算用装置を提供することである。【解決手段】 光源、光源からの光と相互作用する活性層を有するリザバー計算用素子、および光源の光を調光する調光手段を具備し、リザバー計算用素子は光源からの光が活性層の少なくとも一部の領域に届く光透過部を有する装置とする。【選択図】図２

Description

本発明は、リザバー計算用装置に関する。

近年、脳神経ネットワークを模倣したニューラルネットワークおよび人工知能が盛んに研究されており、例えば、深層学習などを含む多層型ニューラルネットワークを利用する人工知能技術が知られている。
この技術は、一般に、高い性能を有するものであるが、非常に多くの計算リソースを必要とし、消費電力が大きく、設備サイズなども大掛かりになるという問題がある。このため、特に電力やボリューム（サイズ）が限られる小型携帯端末への用途には高い障壁がある。

ニューラルネットワークの別の取り組みとして、リザバー計算（リザバーコンピューティング、Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）というものがあり、例えば特許文献１から３に開示がある。
リザバー計算は、物理現象の非線形性を利用して計算するもので、原理上は少ないリソースで計算を行うことが可能である。
しかしながら、従来は、リザバー部の非線形性（表現力）が低く、計算精度を確保しようとすると、十分計算リソースを低減できなかった。このため、リザバー部のサイズを大きくする必要があるなど、リザバーが本来目指した特徴を活かしにくいという問題があった。

特開２０２０－２０４８８８号公報 特開２０１９－１０１６３５号公報 特開２０２１－６０８３０号公報

Ｅｄｇｅ－Ｏｆ－Ｃｈａｏｓ Ｌｅａｒｎｉｎｇ Ａｃｈｉｅｖｅｄ ｂｙ Ｉｏｎ－Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ ｉｎ ａｎ Ｉｏｎ－Ｇａｔｉｎｇ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ， Ｄａｉｋｉ Ｎｉｓｈｉｏｋａ， ｅｔ ａｌ．，ａｒＸｉｖ：２２０７．０２５７３． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ－Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｒｅｄ Ｓｐｉｎ Ｗａｖｅ Ｍｕｌｔｉ－Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ， Ｗａｔａｒｕ Ｎａｍｉｋｉ， ｅｔ ａｌ．，ａｒＸｉｖ：２２０７．０３２１６ リザバーコンピューティング、田中剛平、中根了昌、廣瀬明（森北出版）ｐ．ｐ．９１－９２．

本発明の課題は、多くの相異なるリザバー状態が得られる計算精度の高いリザバー計算用装置を提供することである。

課題を解決するための本発明の構成を以下に示す。
（構成１）
光源、前記光源の光と相互作用する活性層を有するリザバー計算用素子、および前記光源の光を調光する調光手段を具備し、
前記リザバー計算用素子は、前記光源からの光が前記活性層の少なくとも一部の領域に届く光透過部を有する、リザバー計算用装置。
（構成２）
前記調光手段は、前記光源をオン・オフするスイッチング手段である、構成１記載のリザバー計算用装置。
（構成３）
前記リザバー計算用素子は、強磁性体からなる活性層、スピン波励起電極、および検出用電極を具備し、
かつ、前記リザバー計算用素子に磁場を印加する磁場印加手段を有する、構成１または２記載のリザバー計算用装置。
（構成４）
前記強磁性体は、イットリウム・鉄・ガーネット（ＹＩＧ）、純鉄、ニッケル・鉄(パーマロイ)、コバルト・鉄・ホウ素（ＣｏＦｅＢ）、およびコバルト・マンガン・鉄・シリコン（ホイスラー合金）からなる群より選ばれる１以上である、構成３記載のリザバー計算用装置。
（構成５）
前記強磁性体は、イットリウム・鉄・ガーネット（ＹＩＧ）である、構成４記載のリザバー計算用装置。
（構成６）
前記光源の波長は、３１０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下である、構成５記載のリザバー計算用装置。
（構成７）
前記スピン波励起電極と前記検出用電極との間隔は、１μｍ以上１０ｍｍ以下である、構成３から６の何れか一に記載のリザバー計算用装置。
（構成８）
前記スピン波励起電極と前記検出用電極との間隔は、３μｍ以上１０ｍｍ以下である、構成５記載のリザバー計算用装置。
（構成９）
前記スピン波励起電極および前記検出用電極は、前記強磁性体からなる活性層に接している、構成３から８の何れか一に記載のリザバー計算用装置。
（構成１０）
前記スピン波励起電極および前記検出用電極は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、錫（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、およびニッケル（Ｎｉ）からなる群より選ばれる１以上の元素を含む、構成３から９の何れか一に記載のリザバー計算用装置。
（構成１１）
前記磁場印加手段は、永久磁石による、構成３から１０の何れか一に記載のリザバー計算用装置。
（構成１２）
前記磁場印加手段は、電磁石による、構成３から１０の何れか一に記載のリザバー計算用装置。

本発明によれば、多くの相異なるリザバー状態が得られる計算精度の高いリザバー計算用装置が提供される。

実施の形態１のリザバー計算用装置の構成を示す説明図である。 実施の形態２のリザバー計算用装置の構成を示す説明図である。 スピン波利用のリザバー計算の信号処理の手順を示す説明図である。 情報処理装置の構成を示す構成図である。 試作した素子（スピン波利用リザバー計算用素子）の光学顕微鏡写真である。 スピン波利用リザバー計算用装置の出力信号を示す特性図である。 （ａ）は光照射オン・オフの信号差分を示す特性図であり、（ｂ）はその差分信号を規格化面積に置き換えてマップ化して条件依存性を可視化した特性図である。 試作した素子の消灯時（光ｏｆｆ）、点灯時（光ｏｎ）、その差分の出力信号を表す特性図である。 試作した素子において、消灯時における自己回帰移動平均タスク（ＮＡＲＭＡ）を実施したときの実測と予想とそのずれを示す特性図である。 試作した素子において、点灯時における自己回帰移動平均タスク（ＮＡＲＭＡ）を実施したときの実測と予想とそのずれを示す特性図である。 試作した素子において、点灯と消灯を混合して自己回帰移動平均タスク（ＮＡＲＭＡ）を実施したときの実測と予想とそのずれを示す特性図である。 試作した素子において、点灯、消灯、および点灯と消灯の混合を比較してＮＡＲＭＡを実施したときの誤差指標ＮＭＳＥを求めた特性比較図である。

以下本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。なお、文中に出てくるＡ～Ｂという表現は、Ａ以上Ｂ以下を示す。

（実施の形態１）
リザバー計算では、時系列データなどの信号をリザバー部に入力し、そこから得られる複数の出力をリザバー状態として用いることで学習・予測などの計算を行う。この際、リザバー状態は互いに異なる複数の時系列データ（ノード）として得られるが、それらがより多い方が計算の精度を高める上で有利である。そこでより多くのリザバー状態を得ようと試みられるが、多くのリザバー状態を得ようとするとリザバー状態同士が似通ってしまうという、リザバー状態の数と相違性の間のトレードオフの関係があり、限界があった。

本発明は、オン・オフにより光の照射状態を切り替えることによって、多くの異なるリザバー状態を簡便に得ることを可能にするものであり、計算精度が向上する。

本発明のリザバー計算用装置は、光源、前記光源の光と相互作用する活性層を有するリザバー計算用素子、および前記光源の光を調光する調光手段を具備し、前記リザバー計算用素子は、前記光源からの光が前記活性層の少なくとも一部の領域に届く光透過部を有する構造を有する。ここで、前記活性層としては、この後説明する電気二重層トランジスタの半導体層、実施の形態２で説明するスピン波利用磁性素子の強磁性体層、酸化・還元トランジスタの半導体層、およびＭＯＳトランジスタの半導体層を挙げることができる。また、前記調光手段としては、前記光源をオン・オフするスイッチング手段、光強度も調整できる可変光量手段、パルス幅の調整が可能なパルス状の光に調光する可変パルス幅調光手段、光波長も制御できる可変波長手段などを挙げることができる。

以下、実施の形態１では、イオン伝導体と半導体を用いた電気二重層トランジスタを例に挙げて、その構造と特徴を説明する。なお、電気二重層トランジスタがリザバー計算用素子として機能することは、非特許文献１に開示がある。

＜装置の構造＞
本発明のリザバー計算用装置１は、主要構成を表す図１に示されるように、イオン伝導体１６と、チャネル層１５を有する半導体層１１をコアにして、それにゲート電極１４、ソース電極１２およびドレイン電極１３を備えた電気二重層トランジスタ（ＥＤＬＴ；Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｏｕｂｌｅ－Ｌａｙｅｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であり、そのＥＤＬＴのドレイン電流をリザバーとして利用するものである。リザバー計算を高集積化が可能なハードで行うことにより、計算リソースを抑制することが可能になる。
ここで、ソース電極１２およびドレイン電極１３は半導体層１１に電気的に接する。特に、オーミック接触で接するのが好ましい。

イオン伝導体１６は、イオンを伝導する物質からなり、固体状、ゲル状、液体状の何れの形態でもよい。イオン伝導体１６が固体の場合は、半導体プロセスを利用して作製することができて集積化しやすく、取り扱いが容易で液漏れの心配がないという利点がある。ゲルの場合は、液漏れのリスクを抑制できて、取り扱いも比較的容易という利点がある。液体の場合は、イオン伝導体１６と半導体層１１を密着させるのが容易という利点がある。なお、液体は有機でも無機でも構わない。イオン伝導体１６の厚さは１ｎｍ以上１ｃｍ以下がリザバー特性を得る上で好ましい。
イオン伝導体１６の具体例としては、Ｌｉ－ＳｉＯ_２－ＺｒＯ_２（ＬＺＳＯ）、ＰＥＯ（ポリエチレンオキシド）／ＬｉＣｌＯ_４、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムービス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＥＭＩ－ＴＦＳＩ）を挙げることができる。この中でもＬＺＳＯは金属Ｌｉなどの還元性の電極との接触に対して比較的安定という特徴があり、好んで用いることができる。

イオン伝導体１６の伝導体イオンは特に限定はないが、Ｌｉ^＋イオン、Ｈ^＋イオン、Ｎａ^＋イオン、Ａｇ^＋イオン、Ｃｕ^＋イオン、Ｃｌ^－イオン、Ｂｒ^－イオン、Ｉ^－イオン、ＳＯ_４ ^－イオン、ＦｅＣｌ_４ ^－イオン、ＯＨ^－イオン、ＢＦ_４ ^－イオン、ＰＦ_６ ^－イオン、ＣＦ_３ＳＯ^－イオン、（ＦＳＯ_２）_２Ｎ^－イオン、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ^－イオン、Ｃ_６Ｈ_１１Ｎ_２ ^＋イオン、Ｃ_１０Ｈ_２０Ｆ_６Ｎ_２Ｏ_５Ｓ_２ ^＋イオンからなる群より選ばれる１以上を挙げることができる。この中でも、汎用に用いられていて使用ノウハウの蓄積が大きく、また、固体材料中でも比較的高いイオン伝導度を示すという長所も有するＬｉ^＋イオン（Ｌｉイオン）を好んで用いることができる。

半導体層１１としては、水素終端されたダイヤモンド半導体、シリコン、ＧａＡｓ、Ｇａ_２Ｏ_５、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＧａＮ、ＳｉＧｅ、ＣｕＩｎＳｅ_２、グラフェン、単層ＭｏＳ_２、またはＺｎＯを挙げることができる。
この中でも水素終端されたダイヤモンド半導体は、イオン注入による劣化への耐性（化学的安定性）という特徴があり、好んで用いることができる。ここで、ダイヤモンドとしては単結晶が好ましい。（１１１）ダイヤモンドや（１００）ダイヤモンドを好んで用いることができる。
また、半導体層１１としては、汎用に使用されていて高品質でありながらコストが低く、集積化にも適するシリコンも好んで用いることができる。

チャネル層１５は、半導体層１１の表層部に形成される。具体的には、水素終端されたダイヤモンド半導体の表層部（水素終端部）やシリコンなどの半導体の表層部に不純物がドーピングされた層を挙げることができる。
ここで、チャネル層１５は１つのチャネル幅のチャネルが配置されていても、チャネル幅の異なる複数のチャネルが配置されていてもよい。前者の１つのチャネルが配置されている場合は複数のリザバー状態を得るために時系列データを複数の異なる入力パルス電圧信号に変換して繰り返し入力する必要があるという特徴があり、複数のチャネル幅のチャネルが配置されている場合は一つの入力パルス電圧信号から同時に複数のリザバー状態を得られるという特徴がある。
チャネル幅としては、代表的には、１００μｍ以上８００μｍ以下を挙げることができる。
なお、チャネル層１５は、図１ではイオン伝導体１６に接しているが、必ずしも直接接触する必要はなく、イオン伝導体１６との間にＳｉＯ_２等の薄膜の絶縁膜が形成されていてもよい。薄膜の絶縁膜が形成されているとチャネル層１５とイオン伝導体１６との化学反応を抑制することができ、経時安定性を向上させることが可能となる。

ゲート電極１４、ソース電極１２およびドレイン電極１３の材料としては、電気抵抗が低く、イオン伝導体１６と腐食などの反応を起こさないものであれば使用することができ、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）からなる群より選ばれる金属、前記群から選ばれる金属を１以上含む合金、ドープドポリシリコン、カーボン、グラフェンまたはグラファイトからなる群より選ばれる１以上を挙げることができる。また、上記材料からなる単層膜でも上記材料を組み合わせた積層膜とすることもできる。
なお、ゲート電極１４、ソース電極１２およびドレイン電極１３は、図１ではイオン伝導体１６に接しているが、必ずしも直接接触する必要はなく、イオン伝導体１６との間にＳｉＯ_２等の薄膜の絶縁膜が形成されていてもよい。薄膜の絶縁膜が形成されているとゲート電極１４、ソース電極１２およびドレイン電極１３とイオン伝導体１６との間の化学反応を抑制することができ、経時安定性を向上させることが可能となる。

チャネル層１５形成側の上面には光照射装置（光源）１８が配置されており、調光器１９を介して、活性層であるチャネル層１５のキャリアと相互作用を起こす波長の光２１をチャネル層１５に制御性をもって点灯（照射）、消灯できるようになっている。調光器１９は、電源２０から供給される電力を用いて、光照射装置１８の消灯、点灯（オン・オフ）、光量の調整を行う。また、場合によっては、光照射装置１８が発する光をパルス光とし、必要に応じてパルス幅や周波数の調整を行う。

リザバー計算用装置１のチャネル層１５の上面は、光相互作用活性層であるチャネル層１５に光２１が照射されるように、光透過部１７を設ける。一般に、ゲート電極１４は遮光性の高い金属が用いられることが多いので、ゲート電極１４に開口部を設けておくことが好ましいが、ゲート電極材料がＩＴＯやＦＴＯなどの光透過性の材料である場合は、ゲート電極１４のチャネル層１５の上面にゲート電極１４の開口部１７を必ずしも設ける必要はない。また、ゲート電極材料としてポリシリコンを用いる場合で光２１として赤外光を用いる場合も、ゲート電極１４のチャネル層１５の上面にゲート電極１４の開口部１７を必ずしも設ける必要はない。

リザバー計算用装置１では、パルス電圧印加に対してイオン伝導体／半導体の界面の電気二重層によって誘起される半導体の電子キャリア密度変化と、電気二重層の充放電挙動の両方が関わることによって生じる半導体チャネルを流れるドレイン電流の複雑な応答から、高い非線形特性が得られる。これに、光照射装置１８の点灯、消灯、調光によるフォトンとチャネル層１５に存在するキャリアとが相互作用するため、多くの異なるリザバー状態を簡便に得ることが可能になり、計算精度が向上する。
リザバー計算用装置１は、電気二重層という非常に薄い領域で起こる現象を利用するために、高集積化に適する方式である。

＜製造方法＞
リザバー計算用装置１は下記の工程によって製造することができる。
最初に、半導体層１１を準備し、その上にソース電極１２およびドレイン電極１３を形成する。ソース電極１２およびドレイン電極１３の形成方法としては、リフトオフ法や、ソース電極１２およびドレイン電極１３を構成する導電材料をスパッタリング法や蒸着法などで堆積し、リソグラフィとエッチングにより電極に加工する方法などを挙げることができる。
その後、イオン伝導体１６をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、パルスレーザー堆積法、スパッタリング法、塗布法などで形成する。
しかる後、ゲート電極１４を形成する。ゲート電極１４の形成方法としては、リフトオフ法や、ゲート電極１４を構成する導電材料をスパッタリング法や蒸着法などで堆積し、リソグラフィとエッチングにより電極に加工する方法などを挙げることができる。
その後、ＬＥＤなどを用いた光照射装置１８、調光器１９を配置し、電源２０からの電力を供給できるようにして、リザバー計算用装置１を製造することができる。
製造されたリザバー計算用装置１は、（ａ）非線形特性（ｂ）短期記憶および（ｃ）高次元性というリザバー計算に必須な機能をもち、かつ計算精度が高いものになる。

（実施の形態２）
実施の形態２では、オン・オフを含む光を調光して強磁性体面に照射する機能を有する非線形干渉型スピン波利用リザバー計算用装置（ＳＷＲＣ、リザバー計算用装置）２について説明する。

ＳＷＲＣ（２）の主要部構造を図２に示す。
ＳＷＲＣ（２）のデバイスコア部（リザバー計算用素子）は、活性層となる強磁性体層３１、検出用電極３２およびスピン波励起用電極３３から構成される。
ＳＷＲＣ（２）は、デバイスコア部に加え、光照射装置（光源）１８と磁場印加手段である磁力線発生装置３４が具備され、光照射装置１８からの光２１が強磁性体層３１の少なくとも一部の領域に届く光透過部１７を有する。

強磁性体層３１は薄膜でもよいし、自立する剛性をもつ基板であってもよい。
強磁性体層３１としては、イットリウム・鉄・ガーネット（ＹＩＧ）、純鉄、ニッケル・鉄(パーマロイ)、コバルト・鉄・ホウ素（ＣｏＦｅＢ）、およびコバルト・マンガン・鉄・シリコン（ホイスラー合金）からなる群より選ばれる１以上を好んで用いることができる。特に、バンドギャップから減衰長が長く、取り扱いも容易なＹＩＧを好んで用いることができる。なお、スピン波干渉を安定なものとするために、強磁性体層３１の表面は平坦かつ平滑なものが好ましい。

検出用電極３２およびスピン波励起用電極３３は、強磁性体層３１から離してその上に配置されてもよいが、感度および安定性を高めるためには、強磁性体層３１に接して形成されていることが好ましい。

スピン波励起用電極３３は、スピン波干渉を起こすように２本以上の電極からなる。スピン波励起用電極３３の電極間の間隔は、可干渉距離以上、言い換えれば減衰長以下とする。具体的に言うと、強磁性体層３１にＹＩＧ（イットリウム・鉄・ガーネット）単結晶を用いた場合のスピン波励起用電極３３の電極間の間隔は、１μｍ以上３００μｍ以下が好ましい。
スピン波励起電極３３には、高周波信号発生装置が電気的に接続されて所定のパルス信号が送られるようになっている。
スピン波励起電極３３の幅、高さ、長さは特に制限はないが、それぞれ３μｍ以上７０μｍ以下、５０ｎｍ以上１０μｍ以下、および３μｍ以上１ｍｍ以下を挙げることができる。

検出用電極３２は、１本以上からなり、出力信号を得る。
検出用電極３２の幅、高さ、長さは特に制限はないが、それぞれ３μｍ以上７０μｍ以下、５０ｎｍ以上１００μｍ以下、および３μｍ以上１ｍｍ以下を挙げることができる。
検出用電極３２とスピン波励起電極３３の配置関係は、その間隔ｄが減衰距離以下であれば特に制限はないが、検出感度と安定性を高めるために、同一平面上に配置されていることが好ましい。
検出用電極３２とスピン波励起電極３３との間隔ｄは、減衰距離以下とすることが好ましく、１０ｍｍ以下、好ましくは３００μｍ以下、さらに好ましくは１００μｍ以下とするのがよい。また、検出用電極３２とスピン波励起電極３３との間隔の下限は、検出感度と安定性の観点から、１μｍ以上、好ましくは２μｍ以上、さらに好ましくは３μｍ以上とするのがよい。
また、スピン波干渉を安定なものとするために、検出用電極３２はスピン波励起用電極３３に挟まれる形で形成されていることが好ましい。

スピン波励起電極３３および検出用電極３２としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、錫（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、およびニッケル（Ｎｉ）からなる群より選ばれる１以上の元素を含む材料を挙げることができる。ここで、スピン波励起電極３３と検出用電極３２は、同じ材料で構成されていても、異なる材料から構成されていてもよい。なお、スピン波励起および検出を安定なものとするために、スピン波励起電極３３および検出用電極３２の表面は平坦かつ平滑なもの、さらには、検出器端子、および励起源端子との接触抵抗が限りなく小さくなるように選択することが好ましい。これらの電極の成膜法としては、スパッタリング法、ＭＯＣＶＤ法、蒸着法、およびメッキ法などを用いることができる。

強磁性体層３１の上面には光照射装置（光源）１８が配置されており、調光器１９を介して、活性層である強磁性体層３１のキャリアと相互作用を起こす波長の光２１を強磁性体層３１に制御性をもって点灯（照射）、消灯できるようになっている。強磁性体層３１としてＹＩＧを用いたときの光２１の波長は３１０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下が好ましい。なお、光２１の波長帯は、強磁性体層３１のバンドギャップに依存して変わる。
調光器１９は、電源２０から供給される電力を用いて、光照射装置１８の消灯、点灯（オン・オフ）、光量の調整を行う。また、場合によっては、光照射装置１８が発する光をパルス光とし、必要に応じてパルス幅や周波数の調整を行う。

ＳＷＲＣ（２）は、強磁性体層３１をその厚み方向に沿って貫く磁力線３５を発生する磁力線発生装置３４を有する。磁石としては、電磁石でも永久磁石を用いてもよい。電磁石を用いた場合は、所定の磁場条件を磁石の位置を変えずに応答性良く変えることができるという特徴があり、永久磁石を用いた場合は、磁場発生のためのエネルギー消費を抑えることができて、省エネルギー対応になるという特徴がある。

ＳＷＲＣ（２）は、スピン波励起電極３３にパルス波を印加するとスピン波干渉が誘起され、それが非線形特性を有するためリザバー用計算を行うことができる。図３は、リザバー計算を行うときの手順の一例を示したものであるが、検出用電極３２で測定したスピン波波形からリザバー状態を取得できる。この際、単一の入力パルスに対するスピン波波形の各点（１～ｎ）からｎ個のリザバー状態を取得し、それらを時系列で並べた仮想ノードＸ_１～Ｘ_ｎを得ることができる。これらを利用してリザバー計算を行うことができる。
その上で、光照射装置１８の点灯、消灯、調光を組み合わせると、照射光とキャリアの相互作用が検出されるスピン波信号の多様化に寄与するため、多くの異なるリザバー状態を簡便に得ることが可能になり、計算精度が向上する。

＜製造方法＞
ＳＷＲＣ（２）は下記の工程によって製造することができる。
最初に、強磁性体層３１を準備し、その上にスピン波励起電極３３および検出用電極３２を形成する。スピン波励起電極３３および検出用電極３２の形成方法としては、リフトオフ法や、スピン波励起電極３３および検出用電極３２を構成する導電材料をスパッタリング法や蒸着法などで堆積し、リソグラフィとエッチングにより電極に加工する方法などを挙げることができる。
その後、ＬＥＤ、またはランプなどを用いた光照射装置１８、調光器１９を配置し、電源２０からの電力を供給できるようにし、磁力線発生装置３４を配置して、ＳＷＲＣ（２）は製造される。
製造されたリザバー計算用装置１は、（ａ）非線形特性（ｂ）短期記憶および（ｃ）高次元性というリザバー計算に必須な機能をもち、かつ計算精度が高いものになる。

また、図４に示すように、入力情報を処理する入力装置３０１からの入力信号を本発明のリザバー計算用装置３０２（前述の構成１から１２の何れか一に記載のリザバー計算用装置）にて処理し、その出力信号を出力装置３０３に伝達して、出力装置３０３で処理して出力する情報処理装置３としてもよい。情報処理装置３は、少ない計算リソースで、消費電力も少なく、装置的にも小型の情報処理装置になる。

（実施例１）
実施例１では、光照射オン・オフ機能を有する非線形干渉型スピン波利用リザバー計算用装置（ＳＷＲＣ）を試作して、その特性を評価した。

＜装置とその構造＞
ＳＷＲＣ（２）の主要部構造を図２に、また、試作したチップの電極部を中心とした光学顕微鏡写真を図５に示す。
強磁性体層３１としては、フローティングゾーン法で形成された（１１１）配向単結晶の片面研磨ＹＩＧ基板（ＭＴＩ社製）を用いた。
強磁性体層３１上には、検出用電極３２とスピン波励起用電極３３が、検出用電極３２がスピン波励起用電極３３に挟まれる形で形成されている。ここで、検出用電極３２の線幅は１０μｍ（信号線）～２０μｍ（グラウンド線）、スピン波励起用電極３３の線幅は１０μｍ（信号線）～２０μｍ（グラウンド線）、検出用電極３２とスピン波励起用電極３３の間隔ｄは３０μｍ、そして長さは８００μｍである。検出用電極３２もスピン波励起用電極３３も、強磁性体層３１と接する面に厚さ１０ｎｍのチタン（Ｔｉ）が密着強化層として形成され、そのＴｉ膜の上に電極材として厚さ９０ｎｍの金（Ａｕ）が形成されている。なお、Ｔｉ／Ａｕからなる電極の形成方法は、電子ビーム蒸着法である。

検出用電極３２およびスピン波励起用電極３３が形成されている上面側には、光照射装置１８が配置されており、オン・オフを制御する調光器１９を介して、ＹＩＧのキャリアと相互作用を起こす波長３１０ｎｍ～１１００ｎｍの光２１をＹＩＧ基板３１に制御性をもって点灯（照射）、消灯できるようになっている。光照射装置１８はＡＬ－３２０（朝日分光株式会社製）で、その出力は３００Ｗである。
強磁性体層３１をその厚み方向に沿って貫く、すなわちＹＩＧ単結晶の（１１１）方向に沿って磁力線３５を発生する電磁石からなる磁力線発生装置３４は、漏れ磁界方式単軸特殊形状電磁石（東栄科学産業製）で、５００ｍＴまでの磁場を発生することができる。

＜特性評価＞
スピン波励起用電極３３への特性評価用パルス信号を送る設備としては、東栄科学産業（株）製のＲＦプローブと任意波形発生器（ＡＷＧ５２０２、Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ社製）からなる高周波信号発生装置が用いられた。また、検出用電極３２からの出力をモニターする装置としては混合信号デジタルオシロスコープ（ＭＳ０６８Ｂ、Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ社製）が用いられた。ここで、入力信号と出力信号は、それぞれ３０ｄＢと３８ｄＢに増幅され、５００の信号を取得して積算平均化処理をしてＳ／Ｎ比を改善した。また、前の測定の影響が残らないように、次の測定を行うまで４μｓの間隔をあけた。
なお、測定は室温（２５℃）で行った。

最初に、ＳＷＲＣ（２）がスピン波干渉を起こすことを下記の条件で確認した。光照射装置１８からの光２１をオフにした消灯条件で、１７２ｍＴから２５０ｍＴまでの５条件の磁場を印加した。ここで、スピン波励起用の入力信号は、２．５Ｖのパルス状信号とした。
その結果を図６に示す。スピン波が干渉した信号波形になっており、また、磁場の大きさによって干渉が変わり信号波形が変わることがわかる。
なお、ＳＷＲＣ（２）が光照射のない、すなわち消灯条件で、リザバー計算素子として機能することは、非特許文献２に開示されている。

次に、光照射装置１８からの光２１をオンにした状態とオフにした状態でそれぞれ測定し、オン時とオフ時の信号波形の差をプロットした。その一例を図７（ａ）に示す。この図は、磁場として１７２ｍＴを印加し、入力パルス３００ｍＶで５００回積算計測した結果である。この波形を下記式（１）にしたがって規格化した面積（ＮＡ）として指標化し、磁場５水準（１７２、１８０、１８６、２００、および２５０ｍＴ）、スピン波励起入力信号強度７水準（２５ｍＶ刻みで３００から４５０ｍＶ）下で測定した。その結果を、マップの形で図７（ｂ）に示す。
ここで、ＮＡは、（オン時の波形）－（オフ時の波形）のグラフの面積をＡ_１、オフ波形の値に絶対値を取り２乗した値をＡ_２としたとき、
ＮＡ＝Ａ_１／Ａ_２ ・・・（式１）
で与えられる。
１７２ｍＴの磁場を印加したときが、スピン波励起入力信号強度の変化に対して最も光オン・オフ出力信号差の変化が大きく、２５０ｍＴの磁場を印加したときが最も小さかった。
なお、参考までに、出力変化量の大きい１７２ｍＴと小さな２５０ｍＴの２水準の磁場印加条件で、光ｏｆｆと光ｏｎ、すなわち消灯時と点灯時の出力信号とその差分の波形を求めた結果を図８に示す。

次に、出力変化量の大きい１７２ｍＴの磁場を印加した条件で、リザバー評価のベンチマークテストであるＮＡＲＭＡ ＴＡＳＫ（非線形自己回帰移動平均タスク）を光ｏｆｆ、光ｏｎ、および光ｏｆｆ＆ｏｎ Ｍｉｘｅｄの３方式で解かせて、３方式の比較を行った。
ここで、光ｏｆｆは、光ｏｆｆの出力信号波形から５０ノードを抽出して利用した。光ｏｎは光ｏｎの出力信号波形から５０ノードを抽出利用したものであり、光ｏｎ＆ｏｆｆ Ｍｉｘｅｄは光ｏｆｆの波形から２５ノード、光ｏｎの波形から２５ノードの計５０ノードを抽出して利用したものである。
なお、ＮＡＲＭＡ ＴＡＳＫは、その概要を述べると、過去の値と非線形の関係にある近い未来の値の予測を行ったものであり、例えば非特許文献３に開示がある。
訓練での（ａ）実測、（ｂ）予測、（ｃ）実測と予測のずれ、テストでの（ｄ）実測、（ｅ）予測、および（ｆ）実測と予測のずれを、光ｏｆｆ、光ｏｎ、光ｏｎ＆ｏｆｆ Ｍｉｘｅｄで測定あるいは求めた結果を、それぞれ図９、１０、および１１に示す。
図１１（ｃ）および（ｆ）に示されるように、光ｏｎ＆ｏｆｆ Ｍｉｘｅｄは、光ｏｆｆおよび光ｏｎよりずれが小さく、精度が高いことがわかる。

次に、光ｏｎ＆ｏｆｆ Ｍｉｘｅｄによる測定精度（誤差）の定量化をＮＭＳＥ（正規化平均二乗誤差）を用いて行った。
その結果を図１２に示す。光ｏｎ＆ｏｆｆ Ｍｉｘｅｄにより、誤差は大幅に減少し、例えば光ｏｆｆの場合に比べて７８％以上の減少になった。このことから、光照射のオン・オフを伴う本発明の装置および方法により、測定精度を大幅に高めることが可能になることが実証された。

なお、ＮＭＳＥは下記（式２）によって求められる。ここで、Ｔ、ｄ（ｋ）、およびｙｐ（ｋ）は、トレーニングフェーズ（Ｔ＝３５００）またはテストフェーズ（Ｔ＝５００）、離散時間ｋのときのターゲット信号、および離散時間ｋのときの予測信号である。

本発明により、多くの相異なるリザバー状態が得られる計算精度の高いリザバー計算用装置が提供される。このため、本発明は、産業の発展に大いに寄与するものと考える。

１：リザバー計算用装置
２：リザバー計算用装置、ＳＷＲＣ
３：リザバー計算システム
１１：半導体層（水素終端ダイヤモンド）
１２：ソース電極（ソース）
１３：ドレイン電極（ドレイン）
１４：ゲート電極（ゲート）
１５：チャネル層
１６：イオン伝導体（ＬＳＺＯ）
１７：光透過部（開口部）
１８：光源（光照射装置）
１９：調光器（スイッチ）
２０：電源
２１：光
３１：強磁性体層（ＹＩＧ）
３２：検出用電極
３３：スピン波励起用電極
３４：磁力線発生装置
３５：磁力線
３６：電気抵抗測定端子（予備）
４１：検出器端子Ａ
４２：検出器端子Ｂ
４３：励起源端子Ａ
４４：励起源端子Ｂ
４５：検出用電極（予備）
３０１：入力装置
３０２：リザバー計算用装置
３０３：出力装置

Claims (12)

1. 光源、前記光源の光と相互作用する活性層を有するリザバー計算用素子、および前記光源の光を調光する調光手段を具備し、
   前記リザバー計算用素子は、前記光源からの光が前記活性層の少なくとも一部の領域に届く光透過部を有する、リザバー計算用装置。
2. 前記調光手段は、前記光源をオン・オフするスイッチング手段である、請求項１記載のリザバー計算用装置。
3. 前記リザバー計算用素子は、強磁性体からなる活性層、スピン波励起電極、および検出用電極を具備し、
   かつ、前記リザバー計算用素子に磁場を印加する磁場印加手段を有する、請求項１または２記載のリザバー計算用装置。
4. 前記強磁性体は、イットリウム・鉄・ガーネット（ＹＩＧ）、純鉄、ニッケル・鉄(パーマロイ)、コバルト・鉄・ホウ素（ＣｏＦｅＢ）、およびコバルト・マンガン・鉄・シリコン（ホイスラー合金）からなる群より選ばれる１以上である、請求項３記載のリザバー計算用装置。
5. 前記強磁性体は、イットリウム・鉄・ガーネット（ＹＩＧ）である、請求項４記載のリザバー計算用装置。
6. 前記光源の波長は、３１０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下である、請求項５記載のリザバー計算用装置。
7. 前記スピン波励起電極と前記検出用電極との間隔は、１μｍ以上１０ｍｍ以下である、請求項３から６の何れか一に記載のリザバー計算用装置。
8. 前記スピン波励起電極と前記検出用電極との間隔は、３μｍ以上１０ｍｍ以下である、請求項５記載のリザバー計算用装置。
9. 前記スピン波励起電極および前記検出用電極は、前記強磁性体からなる活性層に接している、請求項３から８の何れか一に記載のリザバー計算用装置。
10. 前記スピン波励起電極および前記検出用電極は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、錫（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、およびニッケル（Ｎｉ）からなる群より選ばれる１以上の元素を含む、請求項３から９の何れか一に記載のリザバー計算用装置。
11. 前記磁場印加手段は、永久磁石による、請求項３から１０の何れか一に記載のリザバー計算用装置。
12. 前記磁場印加手段は、電磁石による、請求項３から１０の何れか一に記載のリザバー計算用装置。