JP7087252B2 - Arithmetic processing system and auxiliary equipment - Google Patents
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本発明は、演算処理システムおよび補助装置に関する。 The present invention relates to an arithmetic processing system and an auxiliary device.
ノイマン型計算機であるコンピュータ装置に、ニューラルネットワーク、ディープラーニング等を実行して、人間の脳判断過程で起きるダブルループやトリプルループといった反応を再現しようとする試みが行われている。 Attempts have been made to reproduce reactions such as double loops and triple loops that occur in the human brain judgment process by executing neural networks, deep learning, etc. on a computer device that is a Von Neumann computer.
一方、コンピュータ装置等のノイマン型計算機のように、膨大な数のスイッチを用いた計算手法(すなわち、二進法)を用いることなく、人間の情動や生理等の状態を推定する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。すなわち、特許文献1では、被験者の生理の状態を示す情報と、被験者の情動や脳等の器官の活動を示す情報とを用い、被験者における恒常性のずれ量を求め、求めたずれ量から被験者の情動や器官等の活動に作用するエネルギーを算出する。そして、特許文献1では、算出したエネルギーを用いて、被験者の情動や器官等の各々の活動を示す複数の歯車を仮想空間で回転させることで、各歯車の回転の状態から被験者の病態を推定する。
On the other hand, a technique for estimating the state of human emotions and physiology without using a calculation method (that is, a binary number) using a huge number of switches like a Neumann computer such as a computer device has been proposed. (See, for example, Patent Document 1). That is, in
しかしながら、コンピュータ装置等のノイマン型計算機では、二進法での計算手段における確率と微分とでしか対応することができず、無限に計算を繰り返してしまう。このため、ノイマン型計算機では、人間の脳の判断過程のように、繰り返し実行される計算(ダブルループ等の反応)を発散させることなく、計算量をメモリ等の記憶容量の範囲内に維持することが難しい。すなわち、ノイマン型計算機では、人間の脳の判断過程におけるダブルループ等の反応を再現し、かつ意思や判断等を決定するタイミング(ダブルループ等の反応(繰り返し実行される計算)を収束させるタイミング)を決定することが難しい。また、ノイマン型計算機では、自己の気分に応じた、あるいは状況や場面等に応じた多様な意思や判断等を決定することが難しい。これらは、人工知能のフレーム問題として知られている。 However, in a Von Neumann computer such as a computer device, only the probability and the derivative in the calculation means in the binary system can correspond, and the calculation is repeated infinitely. For this reason, the Von Neumann computer keeps the amount of calculation within the storage capacity of memory or the like without diverging the calculation (reaction such as double loop) that is repeatedly executed as in the judgment process of the human brain. It's difficult. That is, in the Von Neumann computer, the timing of reproducing the reaction such as double loop in the judgment process of the human brain and determining the intention and judgment (the timing of converging the reaction such as double loop (calculation executed repeatedly)). Is difficult to determine. In addition, it is difficult for a Von Neumann computer to determine various intentions and judgments according to one's mood, situation, situation, and the like. These are known as artificial intelligence frame problems.
本発明は、神経回路における情報の伝達を従来と比べて精度良く再現できる演算処理システムおよび補助装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an arithmetic processing system and an auxiliary device capable of accurately reproducing information transmission in a neural circuit as compared with the conventional one.
一つの観点による演算処理システムは、コンピュータ装置と、コンピュータ装置が実行する演算処理のうち補助する処理に応じて回転する複数のジャイロと、複数のジャイロが初期状態において平衡して配置されるフレームと、フレームに配置され複数のジャイロの各々の角度を調整する調整部と、フレームの動きを検出する検出部とを有する補助装置とを備え、検出部は、検出したフレームの動きを、補助する処理に対する結果としてコンピュータ装置に出力する。 An arithmetic processing system from one viewpoint includes a computer device, a plurality of gyros that rotate according to an auxiliary process among the arithmetic processes executed by the computer device, and a frame in which a plurality of gyros are arranged in a balanced manner in the initial state. , An auxiliary device having an adjusting unit arranged on the frame and adjusting the angle of each of the plurality of gyros and a detecting unit for detecting the movement of the frame, and the detecting unit assists the movement of the detected frame. Is output to the computer device as a result of.
別の観点による補助装置は、コンピュータ装置が実行する演算処理を補助する補助装置であって、補助する処理に応じて回転する複数のジャイロと、複数のジャイロが初期状態において平衡して配置されるフレームと、フレームに配置され複数のジャイロの各々の角度を調整する調整部と、フレームの動きを検出する検出部とを備え、検出部は、検出したフレームの動きを、補助する処理に対する結果としてコンピュータ装置に出力する。 The auxiliary device from another viewpoint is an auxiliary device that assists the arithmetic processing executed by the computer device, and a plurality of gyros that rotate according to the assisted processing and a plurality of gyros are arranged in a balanced manner in the initial state. It includes a frame, an adjustment unit that adjusts the angle of each of a plurality of gyros arranged in the frame, and a detection unit that detects the movement of the frame, and the detection unit is a result of processing that assists the movement of the detected frame. Output to a computer device.
なお、これらの概念を利用した天秤型の計算手法、および、トランジスタや量子コンピュータチップなどに応用し、電流など連続量信号入力からデジタルとアナログとの同時計算、関数出力を可能にする装置であってもよい。 It is a device that enables simultaneous calculation of digital and analog from continuous quantity signal input such as current, and function output by applying it to a balance type calculation method using these concepts and transistors and quantum computer chips. You may.
本発明は、神経回路における情報の伝達を、従来と比べて精度良く再現できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can reproduce the transmission of information in a neural circuit with higher accuracy than in the past.
以下、図面を用いて実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
<第1実施形態>
図1は、第1実施形態における演算処理システムの一例を示す。
<First Embodiment>
FIG. 1 shows an example of an arithmetic processing system according to the first embodiment.
図1に示した演算処理システムSYSは、コンピュータ装置100と補助装置200とを有する。
The arithmetic processing system SYS shown in FIG. 1 includes a
コンピュータ装置100は、CPU(Central Processing Unit)等の演算処理装置と、ハードディスク装置等の記憶装置とを有するノイマン型計算機である。コンピュータ装置100の演算処理装置は、例えば、コンピュータ装置100に含まれるキーボード等の入力装置を介して、ユーザによる演算処理の指示を受けることで、記憶装置に記憶されたプログラムを実行する。コンピュータ装置100の動作については、図5および図6で説明する。
The
補助装置200は、コンピュータ装置100が実行する演算処理を補助する装置である。
The
図2は、図1に示した補助装置200の一例を示す。図2(a)は、Y軸方向(横方向)から見た補助装置200を示す。図2(b)は、Z軸方向(上方向)から見た補助装置200を示す。
FIG. 2 shows an example of the
補助装置200は、フレームFR、支柱ST(ST(1)、ST(2))、軸受AX、モータM1(M1(1)、M1(2))、円盤E(E(1)、E(2))およびヒンジHG(HG(1)、HG(2))を有する。また、補助装置200は、モータM2(M2(1)、M2(2))、クランプCL(CL(1)、CL(2))、レーザポインタPTおよび光センサLSを有する。
The
フレームFRは、支柱STに配置されたY軸方向の軸受AXに、XZ平面内で回転可能に配置される。フレームFRには、蝶番等のヒンジHGを介してモータM1が両端に配置される。また、フレームFRには、モータM1の向きを変えるためのモータM2とクランプCLとが配置される。また、フレームFRには、レーザ光を射出するレーザポインタPTが配置される。なお、図2に示すように、補助装置200の初期状態として、フレームFRの均衡が保たれるように、モータM1、M2、円盤E、ヒンジHG、クランプCLおよびレーザポインタPTは、フレームFR上に配置される。
The frame FR is rotatably arranged in the XZ plane on the bearing AX in the Y-axis direction arranged on the support column ST. Motors M1 are arranged at both ends of the frame FR via hinges HG such as hinges. Further, a motor M2 for changing the direction of the motor M1 and a clamp CL are arranged on the frame FR. Further, a laser pointer PT that emits laser light is arranged on the frame FR. As shown in FIG. 2, as the initial state of the
モータM1は、金属等の円盤Eが配置され、コンピュータ装置100からの制御指示に基づいてジャイロとして動作する。また、モータM1は、金属等のクランプCLを介して、モータM2に接続される。
The motor M1 is arranged with a disk E made of metal or the like, and operates as a gyro based on a control instruction from the
モータM2は、コンピュータ装置100からの制御指示に応じて動作し、クランプCLを介して、モータM1(ジャイロ)それぞれの向きを変える。各モータM1の向きが変えられることで、各モータM1のモーメントが変化し、フレームFRは、均衡状態が崩れXZ平面内で動く。モータM2とクランプCLとは、調整部の一例である。
The motor M2 operates in response to a control instruction from the
レーザポインタPTは、レーザ光源であり、レーザ光を光センサLSに向けて射出する。これにより、レーザポインタPTは、モータM1、M2の動作に応じたフレームFRの動きを光センサLSに出力する。 The laser pointer PT is a laser light source and emits laser light toward the optical sensor LS. As a result, the laser pointer PT outputs the movement of the frame FR according to the operation of the motors M1 and M2 to the optical sensor LS.
光センサLSは、CCD(Charge-Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)のイメージセンサ、あるいはPSD(Position Sensitive Device)等であり、レーザポインタPTにより射出されたレーザ光の位置を検出する。光センサLSは、検出したレーザ光の位置、すなわちフレームFRの動きをコンピュータ装置100に出力する。光センサLSとレーザポインタPTとは、検出部の一例である。
The optical sensor LS is a CCD (Charge-Coupled Device), CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor, PSD (Position Sensitive Device), or the like, and detects the position of the laser beam emitted by the laser pointer PT. The optical sensor LS outputs the position of the detected laser beam, that is, the movement of the frame FR, to the
なお、図2に示した補助装置200は、フレームFRがモータM1と円盤Eとのジャイロがそれぞれ配置される2つの腕を有するシーソー(又は天秤)として動作するシーソー型又は天秤型の補助装置としている。しかしながら、補助装置200は、2以上の複数の腕を有するフレームを有し、複数の腕の各々にモータM1と円盤Eとのジャイロが配置されるシーソー型又は天秤型の補助装置としてもよい。この場合、軸受AXは、球面軸受であることが好ましい。この場合、フレームFRはXYZ空間の3次元で動作し、補助装置200は、レーザポインタPTのレーザ光の位置をXY平面の2次元平面で検出する。また、光センサLSは、2次元平面でレーザポインタPTのレーザ光の位置を検出するために、CCDやCMOSのイメージセンサが好ましい。
The
また、レーザポインタPTの代わりに、加速度センサや電子ジャイロ等がフレームFRに配置され、フレームFRの傾き角を直接測定してもよい。これにより、光センサLSを省略することができ、補助装置200の小型化ができる。
Further, instead of the laser pointer PT, an acceleration sensor, an electronic gyro, or the like may be arranged on the frame FR to directly measure the tilt angle of the frame FR. As a result, the optical sensor LS can be omitted, and the
図3は、ニューラルネットワークの一例を示す。図3に示したニューラルネットワークは、入力層、中間層および出力層を有する多層パーセプトロンである。入力層は3つのノード、中間層は4つのノード、および出力層は1つのノードをそれぞれ有する。なお、入力層、中間層および出力層におけるノードの数は、ニューラルネットワークを適用する分野や、求められる精度等に応じて適宜決定されることが好ましい。また、ニューラルネットワークは、複数の中間層を有してもよい。 FIG. 3 shows an example of a neural network. The neural network shown in FIG. 3 is a multi-layer perceptron having an input layer, an intermediate layer and an output layer. The input layer has three nodes, the middle layer has four nodes, and the output layer has one node. It is preferable that the number of nodes in the input layer, the intermediate layer, and the output layer is appropriately determined according to the field to which the neural network is applied, the required accuracy, and the like. Further, the neural network may have a plurality of intermediate layers.
図3に示したニューラルネットワークでは、入力層の3つのノードに入力された情報は、中間層の4つのノードおよび出力層の1つのノードを介して出力される。この場合、入力層の3つのノードの各々に入力された情報は、中間層の4つのノードの各々との間の関係性に応じた重み付けされ、中間層の4つのノードの各々において加算される。そして、中間層の4つのノードの各々で加算された情報は、出力層の1つのノードとの間の関係性に応じて重み付けされ、出力層の1つのノードで加算される。出力層のノードは、加算した情報を出力する。なお、従来では、各ノード間の重み付けは、ニューラルネットワークに入力される情報と、ニューラルネットワークから出力される情報との関係が予め明らかな教師データ等を用いて機械学習等により所定の値に決定される。あるいは、各ノード間の重み付けは、シグモイド関数等の微分可能な関数を用いて決定される。しかしながら、神経細胞におけるシナプス間の結合は、所定の値のように一定の状態でもなく、シグモイド関数等のように決まった所定の変動を示す状態でもない。 In the neural network shown in FIG. 3, the information input to the three nodes of the input layer is output via the four nodes of the intermediate layer and one node of the output layer. In this case, the information input to each of the three nodes of the input layer is weighted according to the relationship with each of the four nodes of the intermediate layer and added to each of the four nodes of the intermediate layer. .. Then, the information added by each of the four nodes in the intermediate layer is weighted according to the relationship with one node in the output layer, and is added by one node in the output layer. The node of the output layer outputs the added information. Conventionally, the weighting between each node is determined to a predetermined value by machine learning or the like using teacher data or the like in which the relationship between the information input to the neural network and the information output from the neural network is clear in advance. Will be done. Alternatively, the weighting between each node is determined using a differentiable function such as a sigmoid function. However, the connections between synapses in nerve cells are not in a constant state like a predetermined value, nor are they in a state showing a fixed predetermined fluctuation such as a sigmoid function.
図4は、神経細胞における膜電位の変化の一例を示す。図4の縦軸は膜電位を示し、図4の横軸は時間を示す。図4に示すように、神経細胞は、-70mV程度の膜電位の場合、他の神経細胞から情報を受けない状態の静止電位にある。そして、神経細胞は、興奮性の刺激電流が入力された場合、膜電位を上昇させ脱分極を開始する。神経細胞は、脱分極が進むことにより、膜電位が閾値(例えば、静止電位より15mV以上大きな電位)を超えた場合、活動電位の状態になり、活動電位は、負から正の電位に急激に変化し、30mV程度のピークに達する。その後、活動電位は、再分極により正から負の電位に変化し、静止電位よりもさらに低い電位まで揺り戻した過分極状態となる。そして、神経細胞は、静止電位に戻る。そして、図4に示した膜電位は、神経細胞の場合を示したが、シナプスや筋肉等を流れる電流についても同様の波形を示す。このことから、図4に示した膜電位の波形は、人体における情報伝達の基本的な形状であり、シグモイド関数等と異なる。 FIG. 4 shows an example of a change in membrane potential in a nerve cell. The vertical axis of FIG. 4 indicates the membrane potential, and the horizontal axis of FIG. 4 indicates time. As shown in FIG. 4, in the case of a membrane potential of about −70 mV, the nerve cell is at a resting potential in a state where it does not receive information from other nerve cells. Then, when an excitatory stimulus current is input, the nerve cell raises the membrane potential and starts depolarization. When the membrane potential exceeds the threshold (for example, a potential 15 mV or more higher than the resting potential) due to the progress of depolarization, the nerve cell becomes an action potential state, and the action potential rapidly changes from a negative potential to a positive potential. It changes and reaches a peak of about 30 mV. After that, the action potential changes from a positive potential to a negative potential due to repolarization, and becomes a hyperpolarized state in which the potential is swung back to a potential lower than the resting potential. Then, the nerve cell returns to the resting potential. The membrane potential shown in FIG. 4 shows the case of nerve cells, but the same waveform is also shown for the current flowing through synapses, muscles, and the like. From this, the waveform of the membrane potential shown in FIG. 4 is a basic shape of information transmission in the human body, and is different from the sigmoid function and the like.
すなわち、脳の本質は外界からインプットされる情報を処理し、それに応じて神経機能を可塑的に調整することにある。そして、脳の多くの部位においてシナプスの伝達効率は一定でなく、刺激に応じて変化する。この現象は、シナプス可塑性と称される。シナプス可塑性の1つには、シナプス前細胞とシナプス後細胞との発火時間差によって変化が見られるスパイク時刻依存シナプス可塑性(STDP:Spike-Timing Dependence Plasticity)がある。そして、STPDには、神経伝達効率が長期間に亘って増加する可塑的変化を示す長期増強(LTP:Long-term Potentiation)と、神経伝達効率が長期間に亘って減少する可塑的変化を示す長期抑圧(LTD:Long-term Depression)がある。シナプスの結合は、LTPとLTDとの関係に応じて変化し、脳における記憶や学習に影響を与える。 That is, the essence of the brain is to process information input from the outside world and to plastically adjust nerve function accordingly. The efficiency of synaptic transmission is not constant in many parts of the brain and changes in response to stimuli. This phenomenon is called synaptic plasticity. One of the synaptic plasticities is spike-timing dependence plasticity (STDP), which changes depending on the firing time difference between presynaptic cells and postsynaptic cells. The STPD shows long-term potentiation (LTP), which shows a plastic change in which the neurotransmission efficiency increases over a long period of time, and a plastic change, in which the neurotransmission efficiency decreases over a long period of time. There is long-term depression (LTD). Synaptic connections change in response to the relationship between LTP and LTD, affecting memory and learning in the brain.
発明者は、図4に示した膜電位の波形における揺り戻しが、回転が止まる時のコマの動きと似ていることに気がついた。そこで、補助装置200は、フレームFRの両端に、モータM1(1)および円盤E(1)のジャイロと、モータM1(2)および円盤E(2)のジャイロとを有することで、図4に示した膜電位の波形の揺り戻しを再現する。例えば、図3に示したニューラルネットワークの場合、モータM1(1)および円盤E(1)のジャイロは、入力層のノードまたは中間層のノードが対応し、モータM1(2)および円盤E(2)のジャイロは、中間層のノードまたは出力層のノードが対応する。また、神経回路の場合、モータM1(1)および円盤E(1)のジャイロは、シナプス前細胞が対応し、モータM1(2)および円盤E(2)のジャイロは、シナプス後細胞が対応する。
The inventor noticed that the swing back in the waveform of the membrane potential shown in FIG. 4 is similar to the movement of the top when the rotation stops. Therefore, the
補助装置200は、例えば、コンピュータ装置100からの制御指示に基づいて、各モータM1の回転速度を変化させることで、フレームFRの均衡状態からずれる。しかしながら、フレームFRには、均衡状態を保持しようとする作用により、補助装置200は、図4に示した膜電位の波形と同様の揺り戻しを再現する。補助装置200は、レーザポインタPTがレーザ光を光センサLSに射出することにより、フレームFRの動きをレーザポインタPTのレーザ光の位置として光センサLSに検出させる。そして、補助装置200は、検出された位置の情報を含む信号をコンピュータ装置100に出力する。コンピュータ装置100は、補助装置200から受信した信号を用いて、図3に示したニューラルネットワークの各ノード間における重み付けを決定する。コンピュータ装置100の動作については、図5および図6で説明する。
The
なお、フレームFRにモータM1が設けられることにより、モータM1の動作に伴うフレームFRの動作は、フレームFRの長さに応じた所定の範囲内に限定される。このため、均衡状態を保持しようとする作用は、人の恒常性(ホメオスタシス)に相当する。 By providing the motor M1 to the frame FR, the operation of the frame FR accompanying the operation of the motor M1 is limited to a predetermined range according to the length of the frame FR. Therefore, the action of maintaining an equilibrium state corresponds to human homeostasis.
また、コマは、歳差運動を示すことから、補助装置200は、フレームFRに配置された2つのジャイロの歳差運動によって、図4に示した波形に“ゆらぎ成分”(または“カオス”)が重畳した波形を出力する。そして、歳差運動は、ジャイロの回転速度に応じて制御可能であることから、ゆらぎ成分は、制御可能なカオスである。これにより、補助装置200は、シグモイド関数の場合と異なり、同一の波形を再現することが困難となる。このため、演算処理システムSYSは、ニューラルネットワーク等の神経回路における情報の伝達を、従来と比べて精度良く再現できる。
Further, since the coma shows the precession movement, the
また、人の健康状態に応じてホメオスタシスが変化することから、図4に示した膜電位の波形も変化すると考えられる。そこで、補助装置200は、ヒンジHGおよびクランプCLを用いて各モータM1がフレームFRの両端に設けられ、コンピュータ装置100からの制御指示に基づいて、各モータM1の回転速度とともに角度を変化させることにより、様々な人の状態における波形を再現できる。
In addition, since homeostasis changes according to the health condition of a person, it is considered that the waveform of the membrane potential shown in FIG. 4 also changes. Therefore, in the
また、演算処理システムSYSは、1つの補助装置200が出力する波形を用いて、図3に示したニューラルネットワークの全てのノード間における重み付けを決定してもよい。あるいは、演算処理システムSYSは、図3に示したニューラルネットワークのノード間の各々に対応して複数の補助装置200を有し、各補助装置200が出力する波形を用いて、対応するノード間の重み付けを決定してよい。
Further, the arithmetic processing system SYS may determine the weighting among all the nodes of the neural network shown in FIG. 3 by using the waveform output by one
図5は、図1に示したコンピュータ装置100における補助装置200から受信した信号の処理の一例を示す。図5は、図2に示した補助装置200のうち一部の要素を示し、他の要素を省略する。また、図5は、均衡状態にある時のフレームFRを破線で示す。なお、図5では、図3に示したニューラルネットワークの場合について説明するが、神経回路等の場合についても同様である。
FIG. 5 shows an example of processing of a signal received from the
コンピュータ装置100は、補助装置200から受信した信号に含まれるレーザポインタPTのレーザ光の位置の情報から、図4に示した波形のアナログ値とN進数のデジタル値とに変換する。例えば、コンピュータ装置100は、破線で示した均衡状態のフレームFRの位置を予め取得し、補助装置200から受信した信号のレーザポインタPTのレーザ光の位置と、均衡状態の位置との差からフレームFRの傾きの角度θを算出する。なお、角度θは、正のX軸方向を基準(0度)にした場合、正のZ軸方向にプラスの角度とし、負のZ軸方向にマイナスの角度とする。
The
例えば、図5に示すように、フレームFRが正のX軸側に傾き、角度θがマイナスの角度の場合で、デジタル値が2進数(N=2)とする場合、コンピュータ装置100は、“0”のデジタル値を得る。一方、フレームFRが負のX軸側に傾き、角度θがプラスの角度の場合、コンピュータ装置100は、“1”のデジタル値を得る。コンピュータ装置100は、デジタル値が“0”の場合、補助装置200が対応するニューラルネットワークのノード間は静止電位にあり、情報が伝達されない状態(OFF状態)と判定する。一方、デジタル値が“1”の場合、コンピュータ装置100は、ノード間は静止電位から活動電位に変化し、情報が伝達される状態(ON状態)と判定する。すなわち、補助装置200は、従来のノイマン型計算機と同様に、ノード間におけるスイッチとして動作する。
For example, as shown in FIG. 5, when the frame FR is tilted toward the positive X-axis side and the angle θ is a negative angle and the digital value is a binary number (N = 2), the
また、コンピュータ装置100は、図5に示すように、フレームFRの可動範囲、すなわちレーザポインタPTのレーザ光による光センサLS上の照射範囲RAと、レーザポインタPTのレーザ光の位置とに基づいて、比率x:yを示す連続量のアナログ値を得る。そして、得られたアナログ値x、yの時間変化は、フレームFRの動きの軌道を示し、図4に示した波形である。コンピュータ装置100は、取得したデジタル値およびアナログ値x、yを、コンピュータ装置100の記憶装置に記憶する。なお、比率x:yは、モータM1(1)と円盤E(1)とのジャイロと、モータM1(2)と円盤E(2)とのジャイロとの間の状態、例えば、ニューラルネットワークのノード間や、シナプス前細胞とシナプス後細胞との間における情報の伝達の状態を示す。すなわち、x>yの場合、シナプス前細胞からの情報がシナプス後細胞に強く出力され、x<yの場合、シナプス前細胞からの情報がシナプス後細胞に弱く出力されることを示す。
Further, as shown in FIG. 5, the
コンピュータ装置100は、得られたデジタル値とアナログ値x、yとを用いて、補助装置200が対応するノード間における情報伝達の状態および重み付けを決定する。例えば、コンピュータ装置100は、デジタル値が“0”の場合、ノード間で情報が伝達されないOFF状態であることから、補助装置200に対応するノード間の重み付けをしない、あるいは任意の値に決定する。
The
一方、コンピュータ装置100は、デジタル値が“1”の場合、ノード間で情報が伝達されるON状態であることから、アナログ値x、y(すなわち図4に示した膜電位の波形)が示すノード間の状態に応じた重み付けを決定する。例えば、コンピュータ装置100は、ノード間が脱分極の状態の場合、活動電位が負から正の電位に振れてピークに近づくに従いノード間の重み付けを増大させる。また、コンピュータ装置100は、活動電位がピークを過ぎて再分極の状態の場合、活動電位が正から負の電位に振れて静止電位に近づくに従いノード間の重み付けを減少させる。
On the other hand, when the digital value is "1", the
そして、コンピュータ装置100は、ノード間が過分極の状態で、活動電位が静止電位よりも負の電位に揺れ戻される場合、ノード間の重み付けを“0”や負の値等に決定する。この場合、ニューラルネットワークのノード間は情報が伝達される状態であるにも拘わらず、重み付けが“0”や負の値等であることから、ノード間において情報が伝達されないことを示す。これは、例えば、神経細胞におけるシナプス前細胞とシナプス後細胞とは、化学的な反応に応じて伝達の状態を変化させるため、シナプス前細胞に入力された情報が、必ずしもシナプス後細胞に伝達されない場合があることに相当する。
Then, when the action potential is swung back to a negative potential higher than the resting potential in a state of hyperpolarization between the nodes, the
また、シナプス前細胞とシナプス後細胞との間の状態は、化学的な反応に伴うゆらぎが発生する。このゆらぎは、アナログ値x、yに含まれるゆらぎ成分に相当する。このため、コンピュータ装置100は、アナログ値x、yに含まれるゆらぎ成分を用いることにより、ノード間における情報の伝達の状態(すなわち重み付け)のゆらぎを再現できる。そして、図1に示した演算処理システムSYSは、従来と比べてニューラルネットワークにおけるノード間の状態を実際の神経回路と同様に再現できる。
In addition, the state between presynaptic cells and postsynaptic cells undergo fluctuations associated with chemical reactions. This fluctuation corresponds to the fluctuation component contained in the analog values x and y. Therefore, the
なお、図5では、2進数のデジタル値“0”と“1”との境界は、破線で示したフレームFRが均衡状態の時にレーザポインタPTがレーザ光を照射する位置としたが、任意の位置に設定されてもよい。これにより、コンピュータ装置100は、ニューラルネットワークにおけるノード間の状態を様々な状態に設定でき、ニューラルネットワークに個性を持たせることができる。
In FIG. 5, the boundary between the binary digital values “0” and “1” is the position where the laser pointer PT irradiates the laser beam when the frame FR shown by the broken line is in the equilibrium state, but it is arbitrary. It may be set to a position. As a result, the
また、デジタル値は、2進数に限定されず、N進数でもよい。N進数の場合、フレームFRの可動範囲に応じた角度の範囲をN個に分割し、分割したN個の角度の範囲の各々に“0”から“N-1”の値を設定する。 Further, the digital value is not limited to a binary number and may be an N-ary number. In the case of an N-ary number, the range of angles corresponding to the movable range of the frame FR is divided into N pieces, and the values from "0" to "N-1" are set in each of the divided N-points range of angles.
図6は、図1に示した演算処理システムSYSにおける演算処理の一例を示す。図6に示した処理は、コンピュータ装置100の演算処理装置が、コンピュータ装置100の入力装置を介して、ユーザによる演算処理の実行指示を受け付け、記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより実現される。
FIG. 6 shows an example of arithmetic processing in the arithmetic processing system SYS shown in FIG. The process shown in FIG. 6 is realized by the arithmetic processing device of the
なお、図6に示した処理では、コンピュータ装置100は、図3に示したニューラルネットワークの場合について説明するが、神経回路等の場合についても同様である。
In the process shown in FIG. 6, the
ステップS100では、コンピュータ装置100は、補助装置200におけるモータM1毎の回転速度、回転方向および傾き角の動作条件を決定する。なお、コンピュータ装置100は、ユーザによるコンピュータ装置100の入力装置の操作により、補助装置200の動作条件を受け付けてもよい。そして、コンピュータ装置100は、決定した動作条件を補助装置200に出力する。
In step S100, the
ステップS110では、コンピュータ装置100は、ステップS100で決定された動作条件で動作した補助装置200において、レーザポインタPTが射出したレーザ光の位置の情報を含む信号を、補助装置200から受信する。
In step S110, the
ステップS120では、コンピュータ装置100は、ステップS110で受信した位置を用いて、図5に示すようにデジタル値およびアナログ値x、yを取得する。そして、コンピュータ装置100は、取得したデジタル値およびアナログ値x、yを用いて、ニューラルネットワークにおける各ノード間がON状態かOFF状態かを決定するとともに、各ノード間の重み付けを決定する。コンピュータ装置100は、決定した各ノード間における状態および重み付けを用いて、ニューラルネットワークの演算処理を実行する。
In step S120, the
ステップS130では、コンピュータ装置100は、ユーザによるコンピュータ装置100の入力装置の操作により、終了指示を受け付けたか否かを判定する。終了指示を受けた場合、コンピュータ装置100の処理は、ステップS140に移る。一方、終了指示を受け付けていない場合、コンピュータ装置100の処理は、ステップS100に移る。この場合、ステップS100において、コンピュータ装置100は、ステップS120で取得したアナログ値x、y、すなわち補助装置200の動作状態と、恒常性の維持とに基づいて、補助装置200におけるモータM1の回転速度、回転方向および傾き角の動作条件を変更してもよい。あるいは、コンピュータ装置100は、ユーザによるコンピュータ装置100の入力装置の操作により、補助装置200の動作条件の変更を受け付けてもよい。
In step S130, the
ステップS140では、コンピュータ装置100は、ステップS130で受け付けた終了指示を含む信号を、補助装置200に出力する。そして、コンピュータ装置100は、演算処理を終了する。
In step S140, the
ステップS200では、補助装置200は、ステップS100で決定された動作条件を含む信号をコンピュータ装置100から受信する。そして、補助装置200は、受信した動作条件でモータM1、M2を駆動させる。
In step S200, the
ステップS210では、補助装置200は、ステップS200で受信した動作条件によるフレームFRの動きに伴うレーザポインタPTのレーザ光の位置を、光センサLSに検出させる。補助装置200は、光センサLSにより検出された位置の情報を含む信号を、コンピュータ装置100に出力する。
In step S210, the
ステップS220では、補助装置200は、終了指示を含む信号をコンピュータ装置100から受信したか否かを判定する。終了指示を受けた場合、補助装置200は、モータM1を停止させ終了する。一方、終了指示を受け付けていない場合、補助装置200の処理は、ステップS200に移る。
In step S220, the
図1から図6に示した実施形態では、補助装置200は、フレームFRの端の各々に、モータM1と円盤Eとのジャイロを配置し、コンピュータ装置100からの制御指示に基づいて、ジャイロの各々を指示された回転速度、回転方向および傾き角で回転させる。そして、補助装置200は、フレームFRにおいて均衡状態が崩れるが、均衡状態を保持しようとする作用により、図4に示した膜電位の波形と同様の揺り戻しを再現できる。これにより、演算処理システムSYSは、ニューラルネットワーク等の神経回路における情報の伝達を、従来と比べて精度良く再現できる。
In the embodiment shown in FIGS. 1 to 6, the
<第2実施形態>
図7は、第2実施形態の演算処理システムの一例を示す。
<Second Embodiment>
FIG. 7 shows an example of the arithmetic processing system of the second embodiment.
図7に示した演算処理システムSYS1は、コンピュータ装置100Aと補助装置200とを有する。図1で説明した要素と同一または同様の機能を有する要素については、同一または同様の符号を付し、これらについては、詳細な説明を省略する。
The arithmetic processing system SYS1 shown in FIG. 7 has a
コンピュータ装置100Aは、図1に示したコンピュータ装置100と同様に、CPU等の演算処理装置と、ハードディスク装置等の記憶装置とを有するノイマン型計算機である。コンピュータ装置100Aの演算処理装置は、例えば、コンピュータ装置100Aに含まれるキーボード等の入力装置を介して、ユーザによる演算処理の指示を受けることで、記憶装置に記憶されたプログラムを実行する。
The
図8は、図7に示したコンピュータ装置100Aの一例を示す。すなわち、コンピュータ装置100Aは、プログラムを実行することにより、メモリ110a、110b、第1FFT部120、第2FFT部130、第3FFT部140、第4FFT部150、第1演算部160、第2演算部170および状態決定部180として機能する。なお、第1FFT部120、第2FFT部130、第3FFT部140、第4FFT部150、第1演算部160、第2演算部170および状態決定部180は、専用の回路により実現されてもよい。
FIG. 8 shows an example of the
メモリ110a、110bは、コンピュータ装置100Aの記憶装置に含まれる不揮発性メモリ等である。メモリ110a、110bの各々は、補助装置200から出力されるアナログ値x、yの各々を記憶する。
The
第1FFT部120は、補助装置200から受信したアナログ値xのうち、所定の時間間隔における最新のアナログ値xのデータをメモリ110aから読み込み、読み込んだ最新のアナログ値xのデータに対して高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)処理を実行する。第1FFT部120は、変換した最新のアナログ値xのスペクトルを、補助装置200のモータM1(1)と円盤E(1)とのジャイロにおける現在の状態として第1演算部160に出力する。なお、所定の時間間隔は、図3に示したニューラルネットワークや、神経細胞、シナプス等の演算対象に応じて適宜決定されることが好ましい。
The
第2FFT部130は、最新のアナログ値xのデータより前の過去のアナログ値xのデータをメモリ110aから読み込み、読み込んだ過去のアナログ値xのデータに対してFFT処理を実行する。第2FFT部130は、変換した過去のアナログ値xのスペクトルを第1演算部160に出力する。なお、第2FFT部130が処理する過去のアナログ値xのデータの時間間隔は、第1FFT部120が処理する最新のアナログ値xの所定の時間間隔より長い方が好ましい。これにより、補助装置200のモータM1(1)と円盤E(1)とのジャイロにおける過去のアナログ値xにおける平均的な状態、すなわち恒常性(ホメオスタシス)の基準が得られる。
The
第3FFT部140は、第1FFT部120と同様に、補助装置200から受信したアナログ値yのうち、所定の時間間隔の最新のアナログ値yのデータをメモリ110bから読み込み、読み込んだアナログ値yのデータに対してFFT処理を実行する。第3FFT部140は、変換した最新のアナログ値yのスペクトルを、補助装置200のモータM1(2)と円盤E(2)とのジャイロにおける現在の状態として第2演算部170に出力する。
Similar to the
第4FFT部150は、第2FFT部130と同様に、最新のアナログ値yのデータより前の過去のアナログ値yのデータをメモリ110bから読み込み、読み込んだ過去のアナログ値yのデータに対してFFT処理を実行する。第4FFT部150は、変換した過去のアナログ値yのスペクトルを、補助装置200のモータM1(2)と円盤E(2)とのジャイロにおける恒常性(ホメオスタシス)の基準として第2演算部170に出力する。
Like the
第1演算部160は、第1FFT部120から受信した最新のアナログ値xのスペクトルと、第2FFT部130から受信した過去のアナログ値xのスペクトルとの差分を、共通する周波数範囲内で求める。そして、第1演算部160は、補助装置200のモータM1(1)と円盤E(1)とのジャイロに対して設定した回転速度等と、補助装置200から受信したデジタル値とに応じて、アナログ値xのスペクトルの差分を補正する。第1演算部160は、補正したアナログ値xのスペクトルの差分を状態決定部180に出力する。なお、アナログ値xのスペクトルの差分は、補助装置200のモータM1(1)と円盤E(1)とのジャイロにおける恒常性の基準からのずれ量に相当する。
The
第2演算部170は、第3FFT部140から受信した最新のアナログ値yのスペクトルと、第4FFT部150から受信した過去のアナログ値yのスペクトルとの差分を、共通する周波数範囲内で求める。そして、第2演算部170は、補助装置200のモータM1(2)と円盤E(2)とのジャイロに対して設定した回転速度等と、補助装置200から受信したデジタル値とに応じて、アナログ値yのスペクトルの差分を補正する。第2演算部170は、補正したアナログ値yのスペクトルの差分を状態決定部180に出力する。なお、アナログ値yのスペクトルの差分は、補助装置200のモータM1(2)と円盤E(2)とのジャイロにおける恒常性の基準からのずれ量に相当する。
The
状態決定部180は、第1演算部160により補正されたアナログ値xのスペクトルの差分と、第2演算部170により補正されたアナログ値yのスペクトルの差分とに応じて、補助装置200に対応するノード間における状態の重み付けを決定する。そして、コンピュータ装置100Aは、状態決定部180により決定された各ノード間の重み付けを用いて、ニューラルネットワークの演算処理を実行する。
The
なお、図7に示した演算処理システムSYS1における演算処理は、図6に示した処理と同様であり、詳細な説明は省略する。 The arithmetic processing in the arithmetic processing system SYS1 shown in FIG. 7 is the same as the processing shown in FIG. 6, and detailed description thereof will be omitted.
図7および図8に示した実施形態では、補助装置200は、フレームFRの端の各々に、モータM1と円盤Eとのジャイロを配置し、コンピュータ装置100Aからの制御指示に基づいて、ジャイロの各々を指示された回転速度、回転方向および傾き角で回転させる。そして、補助装置200は、フレームFRにおいて均衡状態が崩れるが、均衡状態を保持しようとする作用により、図4に示した膜電位の波形と同様の揺り戻しを再現できる。これにより、演算処理システムSYS1は、ニューラルネットワーク等の神経回路における情報の伝達を、従来と比べて精度良く再現できる。
In the embodiment shown in FIGS. 7 and 8, the
ここで、第2実施形態においては、コンピュータ装置100Aは、各演算処理を行うことで、補助装置200に相当する装置をプログラム上で仮想的に実現している。なお、仮想的に実現する装置の構成は、補助装置200と同一の構成、言い換えればモータM1と円盤EとのジャイロがフレームFRの両端部に各々配置される2つの腕を有するシーソー型又は天秤型の構成を有する補助装置であってもよいし、例えば図9に示すスライダ装置240であってもよい。図9に示すように、スライダ装置240は、例えば直線上のレール軌道250と、レール軌道250に沿って(図9中左右方向に)移動するスライダ260とを有する。図9におけるスライダ装置240においては、一端部からスライダまでの距離が上述したアナログ値xに相当し、他端部からスライダまでの距離が、上述したアナログ値yに相当する。
Here, in the second embodiment, the
第1実施形態及び第2実施形態においては、コンピュータ装置100(又は100A)と補助装置200とを有するシステムSYS(又はSYS1)を例に挙げているが、補助装置200をプログラムにより仮想的に実現できるのであれば、補助装置200とコンピュータ装置100(又は100A)とを有するシステムを構築しなくとも、コンピュータ装置単体で実現することができる。この場合、図10(a)に示すように、コンピュータ装置100(又は100A)の記憶部(メモリやハードディスク等)310に、補助装置200を仮想的に実現するプログラム320を記憶させておけばよい。
In the first embodiment and the second embodiment, the system SYS (or SYS1) having the computer device 100 (or 100A) and the
また、図10(b)及び図10(c)に示すように、コンピュータ装置100Aに接続される他のコンピュータ装置(スーパーコンピュータなど)330の記憶部340や、サーバ装置350の記憶部360に上記プログラム320を記憶させることも可能である。これら場合には、他のコンピュータ装置330やサーバ装置350において、該プログラムを実行することで、これら装置において図1の補助装置を仮想的に実現することができる。
Further, as shown in FIGS. 10 (b) and 10 (c), the
なお、図1および図7に示した演算処理システムSYS、SYS1は、ニューラルネットワーク等の神経回路に適用した場合を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、演算処理システムSYS、SYS1は、ロボットや自動車へ適用、コールセンター、エンターテイメントやインターネットや携帯通信端末アプリケーションやサービス、検索システムへの応用、金融与信管理システムや行動予測、企業、学校、行政機関、警察や軍事、情報収集活動等での情報分析、虚偽発見に繋がる心理分析、組織グループ管理への応用、組織の構成員、研究者や従業員、管理者等の心の健康や行動予測を管理するシステムへの応用、住居やオフィス、飛行機や宇宙船といった環境を制御するシステムへの応用、家族や友人の心の状態や行動予測を知るための手段や、音楽や映画配信への応用、一般的な情報検索、情報分析管理、情報処理への応用、顧客感性嗜好マーケット分析等への応用、これらをネットワークやスタンドアローンで管理するシステムの応用、量子コンピュータにおける量子の振る舞いの解明等へ適用することも可能である。さらに、トランジスタや量子コンピュータチップなどに応用することも可能で、例えば電流など連続量信号入力からデジタルとアナログとの同時計算、関数出力を可能にする装置に応用することも可能である。 The arithmetic processing systems SYS and SYS1 shown in FIGS. 1 and 7 have been shown to be applied to a neural circuit such as a neural network, but the present invention is not limited thereto. For example, arithmetic processing systems SYS and SYS1 are applied to robots and automobiles, call centers, entertainment and Internet and mobile communication terminal applications and services, applications to search systems, financial credit management systems and behavior prediction, companies, schools, government agencies, etc. Information analysis in police, military, information gathering activities, psychological analysis leading to false detection, application to organizational group management, management of mental health and behavior prediction of organizational members, researchers, employees, managers, etc. Application to systems that control systems, applications to systems that control the environment such as homes and offices, airplanes and spacecraft, means for knowing the state of mind and behavior prediction of family and friends, application to music and movie distribution, general Information search, information analysis management, application to information processing, application to customer sensitivity preference market analysis, application of systems that manage these on a network or stand-alone, application to elucidation of quantum behavior in quantum computers, etc. It is also possible. Furthermore, it can be applied to transistors, quantum computer chips, etc., and can also be applied to devices that enable simultaneous calculation of digital and analog and function output from continuous quantity signal input such as current.
以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲がその精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずである。したがって、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物に拠ることも可能である。 The above detailed description will clarify the features and advantages of the embodiments. It is intended to extend the features and advantages of the embodiments as described above to the extent that the claims do not deviate from their spirit and scope of rights. Also, anyone with normal knowledge in the art should be able to easily come up with any improvements or changes. Therefore, there is no intention to limit the scope of the embodiments having the invention to the above-mentioned ones, and it is possible to rely on appropriate improvements and equivalents included in the scope disclosed in the embodiments.
100、100A…コンピュータ装置;110a、110b…メモリ;120…第1FFT部;130…第2FFT部;140…第3FFT部;150…第4FFT部;160…第1演算部;170…第2演算部;180…状態決定部;200…補助装置;AX…軸受;CL(1)、CL(2)…クランプ;E(1)、E(2)…円盤E;FR…フレーム;HG(1)、HG(2)…ヒンジ;LS…光センサ;M1(1)、M1(2)、M2(1)、M2(2)…モータ;ST(1)、ST(2)…支柱;PT…レーザポインタ;SYS、SYS1…演算処理システム
100, 100A ... Computer device; 110a, 110b ... Memory; 120 ... 1st FFT section; 130 ... 2nd FFT section; 140 ... 3rd FFT section; 150 ... 4th FFT section; 160 ... 1st calculation section; 170 ...
Claims (5)
前記コンピュータ装置が実行する演算処理のうち補助する処理に応じて回転する複数のジャイロと、前記複数のジャイロが初期状態において平衡して配置されるフレームと、前記フレームに配置され前記複数のジャイロの各々の角度を調整する調整部と、前記フレームの動きを検出する検出部とを有する補助装置とを備え、
前記検出部は、検出した前記フレームの動きを、前記補助する処理に対する結果として前記コンピュータ装置に出力する
ことを特徴とする演算処理システム。 Computer equipment and
A plurality of gyros that rotate according to an auxiliary process among the arithmetic processes executed by the computer device, a frame in which the plurality of gyros are arranged in equilibrium in an initial state, and a frame in which the plurality of gyros are arranged in the frame. An auxiliary device having an adjusting unit for adjusting each angle and a detecting unit for detecting the movement of the frame is provided.
The detection unit is an arithmetic processing system characterized in that the detected movement of the frame is output to the computer device as a result of the auxiliary processing.
前記検出部は、検出した前記フレームの動きに応じたデジタル値とゆらぎ成分を含むアナログ値とを、前記結果として前記コンピュータ装置に出力することを特徴とする演算処理システム。 In the arithmetic processing system according to claim 1,
The detection unit is an arithmetic processing system characterized in that a digital value corresponding to the movement of the detected frame and an analog value including a fluctuation component are output to the computer device as the result.
前記補助する処理は、前記複数のジャイロの各々が対応する複数の対象間の状態を算出することを特徴とする演算処理システム。 In the arithmetic processing system according to claim 1 or 2.
The assisting process is an arithmetic processing system characterized in that each of the plurality of gyros calculates a state between a plurality of corresponding objects.
複数の前記補助装置を備えることを特徴とする演算処理システム。 In the arithmetic processing system according to any one of claims 1 to 3.
An arithmetic processing system including a plurality of the auxiliary devices.
補助する処理に応じて回転する複数のジャイロと、
前記複数のジャイロが初期状態において平衡して配置されるフレームと、
前記フレームに配置され前記複数のジャイロの各々の角度を調整する調整部と、
前記フレームの動きを検出する検出部とを備え、
前記検出部は、検出した前記フレームの動きを、前記補助する処理に対する結果として前記コンピュータ装置に出力する
ことを特徴とする補助装置。 It is an auxiliary device that assists the arithmetic processing executed by the computer device.
Multiple gyros that rotate according to the auxiliary processing,
A frame in which the plurality of gyros are arranged in equilibrium in the initial state,
An adjustment unit arranged on the frame and adjusting the angle of each of the plurality of gyros,
It is equipped with a detection unit that detects the movement of the frame.
The detection unit is an auxiliary device characterized in that the detected movement of the frame is output to the computer device as a result of the auxiliary processing.
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