WO2019131141A1 - 積和演算器、ニューロモーフィックデバイスおよび積和演算器の使用方法 - Google Patents

積和演算器、ニューロモーフィックデバイスおよび積和演算器の使用方法 Download PDF

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竜雄 柴田
智生 佐々木
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Definitions

  • the present invention relates to a product-sum calculator, a neuromorphic device, and a method of using the product-sum calculator.
  • Priority is claimed on Japanese Patent Application No. 2017-254702, filed Dec. 28, 2017, the content of which is incorporated herein by reference.
  • Non-Patent Document 1 an optimized learning scheme for grayscale image recognition in RRAM-based analog neuromorphic systems is known (see, for example, Non-Patent Document 1).
  • This document states that an analog neuromorphic system is developed on the basis of an assembled resistive switching memory array.
  • a novel training scheme is proposed to optimize the performance of analog systems by exploiting segmented synapse behavior.
  • this scheme is applied to grayscale image recognition.
  • research is underway to realize a neural network that mimics the nervous system using an array of resistance change elements.
  • the neuromorphic device performs a product-sum operation of adding weights from the previous stage to the next stage.
  • Non-Patent Document 1 does not study how to cope with a failure of an element that constitutes a system. Therefore, there is a possibility that the performance of the neural network may be greatly reduced when the elements constituting the system fail. In addition, it is very difficult to manufacture the device without causing 100% failure in manufacturing. Therefore, it is economically necessary to replace the failed element with a normal element to function as a whole device, but such a compensating element in the neural network has not been discussed up to now.
  • the present invention when applied to a neural network, is a product-sum calculator capable of suppressing deterioration in performance of the neural network at the time of failure of an element constituting the product-sum calculator. It is an object of the present invention to provide a method of using a fix device and a product-sum operation unit.
  • the product-sum operation unit includes a product operation unit and a sum operation unit, and the product operation unit is configured to operate when a plurality of product operation elements and any of the plurality of product operation elements fail. And at least one alternative element used instead of the failed product operation element, each of the plurality of product operation elements and the alternative element being a resistance change element, and the sum operation unit being an output detector The output detector detects a total value of outputs from the plurality of product operation elements when the alternative element is not used.
  • One embodiment of the present invention is a method of using the product-sum operation unit, the product-sum operation unit further comprising a test unit for testing whether each of the plurality of product operation elements has a failure.
  • a product including an inspection step in which the inspection unit determines whether or not each of the plurality of product operation elements has failed based on the outputs from the plurality of product operation elements detected by the output detector. It is a usage method of the summing operator.
  • the product-sum operation unit further includes a function replacement unit, and the inspection unit detects that any one of the plurality of product operation elements is broken.
  • the function replacement unit may further include a function replacement step of causing the alternative element to perform a product operation that the failed product operation element performed before the failure.
  • the resistance value of the alternative element that performs the product operation performed by the failed product operation element before the failure is the resistance value fluctuation range of the alternative element. It may be preset to an intermediate value which is larger than the minimum value of and smaller than the maximum value of the resistance value variation range.
  • the at least one alternative element is a plurality of product operation alternative elements
  • the sum operation unit is a sum value of outputs from the plurality of product operation alternative elements.
  • One embodiment of the present invention is a method of using the product-sum operation unit, wherein the product-sum operation unit further includes a test unit and a function replacement unit, and any one of the plurality of product operation elements fail.
  • a resistance value setting step of setting the resistance value of the plurality of alternative elements for product calculation to a value equal to the resistance value of the plurality of product calculation elements before failure It is a usage method.
  • the alternative element may be disposed on the opposite side of the output detector across the plurality of product operation elements.
  • the output detector may be disposed on the opposite side of the plurality of product operation elements with the alternative element interposed therebetween.
  • the plurality of product operation elements include a first product operation element and a second product operation element, and the alternative element is the first product operation element and the first product operation element. It may be disposed between the second product operation element.
  • One embodiment of the present invention is a method of using the product-sum operation unit, wherein the plurality of product operation elements include a plurality of variable input product operation elements and at least one fixed input product operation element.
  • the alternative element is an alternative element for fixed input
  • the product-sum operation unit is a variable input unit for inputting variable signals to the plurality of variable input product operation elements; and the product operation for fixed input
  • a fixed input section for inputting a signal determined for the element and the alternative element for fixed input in synchronization with the variable signal, and an inspection section for inspecting whether or not the fixed input product arithmetic element is broken
  • the function replacement unit wherein the inspection unit determines whether the fixed input product operation element is broken based on the output from the fixed input product operation element detected by the output detector. Inspection process to determine When the inspection unit detects that the product computing element for load is broken, the function replacing unit performs the product operation performed before the product computing element for fixed input is broken, the alternative element for fixed input And a function replacement step to be performed by the unit.
  • the fixed input alternative element may be disposed adjacent to the fixed input product operation element.
  • variable resistance element may have a write terminal, a common terminal, and a read terminal.
  • variable resistance element is a magnetoresistive element exhibiting a magnetoresistive effect
  • the magnetoresistive element has a magnetization free layer having a domain wall and a fixed magnetization direction. And the nonmagnetic layer sandwiched between the magnetization free layer and the magnetization fixed layer.
  • One aspect of the present invention is a neuromorphic device comprising the product-sum operation unit.
  • a product-sum calculator when applied to a neural network, a product-sum calculator, a neuromorphic device, and a product-sum that can suppress the performance degradation of the neural network at the time of failure of the element constituting the product-sum calculator. It is possible to provide a method of using a computing unit.
  • FIG. 1 is a diagram showing a first configuration of a part of the product-sum operation unit 1 of the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the entire configuration of the product-sum operation unit 1 according to the first embodiment.
  • the product-sum operation unit 1 according to the first embodiment includes the product operation unit 10, the sum operation unit 11, the input units 12A, 12B, 12C, and 12X, and the inspection unit 13. And a function replacing unit 14.
  • the product calculation unit 10 includes a column 10A and a column 10B. In the example shown in FIG. 1, the product calculation unit 10 includes two columns 10A and 10B, but in another example, the product calculation unit 10 includes three or more arbitrary number of columns 10A, 10B,. You may have.
  • the column 10A includes a product calculation element 10AA, a product calculation element 10AB, a product calculation element 10AC, and an alternative element 10AX.
  • the product calculation elements 10AA, 10AB, and 10AC perform product calculation.
  • the alternative element 10AX is used in place of the failed product operation element if any one of the product operation elements 10AA, 10AB, and 10AC fails.
  • the column 10B includes a product calculation element 10BA, a product calculation element 10BB, a product calculation element 10BC, and an alternative element 10BX.
  • the product calculation elements 10BA, 10BB, 10BC perform the product calculation in the same manner as the product calculation elements 10AA, 10AB, 10AC.
  • the alternative element 10BX is used in place of the failed product operation element when any one of the product operation elements 10BA, 10BB, and 10BC fails.
  • the column 10A includes three product operation elements 10AA, 10AB, and 10AC, and the column 10B includes three product operation elements 10BA, 10BB, and 10BC.
  • the column 10A includes , And 3 may be provided with an arbitrary number (more specifically, plural) of product operation elements, and the column 10B may be provided with an arbitrary number (more than plural, in detail) product operation elements other than three.
  • the column 10A comprises one alternative element 10AX and the column 10B comprises one alternative element 10BX, while in another example the column 10A comprises two or more alternative elements; 10B may comprise more than one alternative element.
  • each of the plurality of product calculation elements 10AA to 10AC, 10BA to 10BC, and the alternative elements 10AX and 10BX is a variable resistance element including a read terminal, a write terminal, and a common terminal.
  • the read terminals of the product calculation elements 10AA and 10BA are connected to the line L11.
  • the line L11 is connected to an input unit 12A which inputs signals to the product calculation elements 10AA and 10BA.
  • the write terminals of the product calculation elements 10AA and 10BA are connected to the line L12.
  • the read terminals of the product calculation elements 10AB and 10BB are connected to the line L21.
  • the line L21 is connected to the input unit 12B which inputs signals to the product calculation elements 10AB and 10BB.
  • the write terminals of the product calculation elements 10AB and 10BB are connected to the line L22.
  • the read terminals of the product calculation elements 10AC and 10BC are connected to the line L31.
  • the line L31 is connected to an input unit 12C that inputs signals to the product calculation elements 10AC and 10BC.
  • the write terminals of the product calculation elements 10AC and 10BC are connected to the line L32.
  • the read terminals of the alternative elements 10AX, 10BX are connected to the line LX1.
  • the line LX1 is connected to the input unit 12X that inputs signals to the alternative elements 10AX and 10BX.
  • the write terminals of the alternative elements 10AX, 10BX are connected to the line LX2.
  • the common terminals of the product calculation elements 10AA, 10AB, 10AC and the alternative element 10AX are connected to the line M1.
  • the common terminals of the product calculation elements 10BA, 10BB, 10BC and the alternative element 10BX are connected to the line M2.
  • the sum operation unit 11 includes an output detector 11A and an output detector 11B.
  • the output detector 11A detects the total value of the outputs from the plurality of product calculation elements 10AA, 10AB, 10AC.
  • output detector 11A performs product operation elements 10AB and 10AC (that is, a plurality of product operations). The total value of the output from the non-failed product calculation element 10AB, 10AC) of the elements 10AA, 10AB, 10AC and the output from the alternative element 10AX is detected.
  • the output detector 11B detects the total value of the outputs from the plurality of product calculation elements 10BA, 10BB, and 10BC.
  • output detector 11B performs product operation elements 10BA and 10BC (that is, a plurality of product operations).
  • the total value of the output from the non-failed product calculation element 10BA, 10BC) of the elements 10BA, 10BB, 10BC and the output from the alternative element 10BX is detected.
  • the output detector 11A is disposed on the line M1.
  • the output detector 11B is disposed on the line M2. In the example shown in FIG.
  • the output detector 11A detects the output current value from the product operation elements 10AA, 10AB, 10AC or, for example, the output current value from the product operation elements 10AB, 10AC and the alternative element 10AX, and outputs
  • the detector 11B detects output current values from the product calculation elements 10BA, 10BB, 10BC, or output current values from, for example, the product calculation elements 10BA, 10BC and the alternative element 10BX.
  • the output detector 11A detects the outputs of the product operation elements 10AA, 10AB, 10AC as charges, or, for example, detects the outputs of the product operation elements 10AB, 10AC and the alternative element 10AX as charges, and outputs the output detector 11B.
  • the outputs of the product calculation elements 10BA, 10BB, 10BC may be detected as charges, or the outputs of the product calculation elements 10BA, 10BC and the alternative element 10BX may be detected as charges.
  • the inspection unit 13 detects the plurality of product operation elements 10AA to 10AC included in the column 10A when the total value of the outputs from the plurality of product operation elements 10AA, 10AB, and 10AC detected by the output detector 11A exceeds a specified value. It is determined that a fault in which the output current becomes large has occurred in at least one of the above. Further, the inspection unit 13 detects the plurality of product operation elements 10BA included in the column 10B when the total value of the outputs from the plurality of product operation elements 10BA, 10BB, and 10BC detected by the output detector 11B exceeds the specified value. It is determined that a failure in which the output current is large has occurred in at least one of 10 BC.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the total value and the specified value detected by the output detector 11A.
  • the vertical axis indicates the total value, the specified value, and the like of the output currents of the plurality of product calculation elements 10AA to 10AC detected by the output detector 11A.
  • the horizontal axis indicates the state (the magnitude of the resistance value) of the product calculation elements 10AA to 10AC.
  • the total value of the output currents of the plurality of product calculation elements 10AA to 10AC detected by the output detector 11A decreases as the resistance value of the product calculation elements 10AA to 10AC decreases. growing.
  • the output currents of the plurality of product calculation elements 10AA to 10AC detected by the output detector 11A The total value is the maximum value Max.
  • the prescribed value is set to a value greater than or equal to the maximum value Max. That is, the prescribed value is a value equal to or larger than the maximum value Max of the total value that can be detected by the output detector 11A when all of the plurality of product calculation elements 10AA to 10AC operate normally.
  • the inspection unit 13 determines that there is a high possibility that a failure in which the output current is large has not occurred in any of the plurality of product calculation elements 10AA to 10AC included in the column 10A.
  • the inspection unit 13 determines that a failure in which the output current is large has occurred in at least one of the plurality of product calculation elements 10AA to 10AC included in the column 10A.
  • the inspection unit 13 inspects whether or not each of the plurality of product calculation elements 10AA, 10AB, and 10AC has a failure. For example, in a state where input unit 12B does not input a signal to product operation element 10AB in order to check whether product operation element 10AA is defective or not, input unit 12C outputs a signal to product operation element 10AC. And the input unit 12X does not input a signal to the alternative element 10AX, and the input detector 12A inputs a signal to the product calculation element 10AA, the output detector 11A outputs the product The output from the arithmetic element 10AA is detected.
  • the inspection unit 13 determines whether or not the product calculation element 10AA is broken based on the detection value of the output detector 11A. Similarly, the inspection unit 13 inspects whether the product calculation element 10AB is broken or not and whether the product calculation element 10AC is broken.
  • the inspection unit 13 inspects whether or not each of the plurality of product calculation elements 10BA, 10BB, and 10BC is out of order. For example, in a state where input unit 12A does not input a signal to product operation element 10BA in order to check whether product operation element 10BB is defective or not, input unit 12C outputs a signal to product operation element 10BC. And the input unit 12X does not input a signal to the alternative element 10BX, and the input detector 12B inputs a signal to the product calculation element 10BB, the output detector 11B outputs the product An output from computing element 10BB is detected.
  • the inspection unit 13 determines whether or not the product calculation element 10BB is broken based on the detection value of the output detector 11B. Similarly, the inspection unit 13 checks whether the product calculation element 10BA is broken or not and whether the product calculation element 10BC is broken.
  • the function replacement unit 14 determines that the product calculation element (for example, the product calculation element 10AA) is broken.
  • the substitute element 10 AX performs the product operation performed before the failure.
  • the resistance value of the alternative element 10AX for performing the product operation performed before the breakdown by the product computing element (for example, the product computing element 10AA) which has failed is larger in resistance value variation than the minimum value of the resistance value variation range of the alternative element 10AX. It is preset to an intermediate value smaller than the maximum value of the range.
  • the function replacement unit 14 has a product calculation element (for example, the product calculation element 10BB) that is broken. ) causes the alternative element 10BX to perform the product operation performed before the failure.
  • the resistance value of the alternative element 10BX which performs the product operation performed before the breakdown, is larger than the minimum value of the resistance value fluctuation range of the alternative element 10BX. It is preset to an intermediate value smaller than the maximum value of the range.
  • the alternative element 10AX is disposed on the opposite side (upper side of FIG. 1) of the output detector 11A with the plurality of product calculation elements 10AA, 10AB, 10AC separated.
  • the alternative element 10BX is disposed on the opposite side (upper side in FIG. 1) of the output detector 11B with the plurality of product calculation elements 10BA, 10BB, 10BC separated. That is, FIG. 1 shows that when the alternative elements 10AX and 10BX are disposed at the upper side of FIG. 1, the wiring resistance of the product-sum operation unit 1 is higher than when the alternative elements 10AX and 10BX are disposed at the lower side of FIG.
  • An example preferable from the viewpoint of for example, the power consumption of the product-sum operation unit 1 is suppressed) is shown.
  • the variable resistance element used as the product calculation element in the present invention is an element that changes its electrical resistance reversibly with respect to external stimuli (current, voltage, magnetic field, etc.).
  • a resistance change element for example, a resistance change memory (RRAM) element, a phase change memory (PCRAM) element, an anisotropic magnetoresistance effect (AMR) element, a tunnel magnetoresistance effect (TMR) element, a giant magnetoresistance effect ( GMR) elements and the like.
  • each of the product calculation elements 10AA to 10AC and 10BA to 10BC and the alternative elements 10AX and 10BX is a magnetoresistance effect element exhibiting a magnetoresistance effect.
  • the resistance value of V.sub.2 can differ by three or more digits.
  • FIG. 4 is a perspective view showing an example of the magnetoresistance effect element A constituting each of the product calculation elements 10AA to 10AC and 10BA to 10BC and the alternative elements 10AX and 10BX of the product-sum calculation unit 1 of the first embodiment.
  • the magnetoresistance effect element A has a magnetization free layer A1 having a domain wall DW, a magnetization fixed layer A2 in which the magnetization direction is fixed, and a nonmagnetic layer A3.
  • the nonmagnetic layer A3 is sandwiched between the magnetization free layer A1 and the magnetization fixed layer A2.
  • the magnetization free layer A1 has a first region A11 on one side of the domain wall DW and a second region A12 on the other side of the domain wall DW.
  • a write terminal AA is provided in the first area A11.
  • a common terminal AB is provided in the second area A12.
  • the magnetization fixed layer A2 is provided with a read terminal AC.
  • the moving amount (moving distance) of the domain wall DW can be variably controlled by adjusting the magnitude and time of the write current flowing between the write terminal AA and the common terminal AB.
  • the magnitude and time of the write current can also be set, for example, by the number of pulses or the pulse width to determine the amount of movement (moving distance) of the domain wall DW.
  • the magnetization fixed layer A2 is a layer in which the magnetization is oriented and fixed in a first direction (for example, leftward in FIG. 4).
  • that the magnetization is fixed means that the magnetization direction does not change (the magnetization is fixed) before and after the writing using the write current.
  • the magnetization fixed layer A2 is an in-plane magnetization film whose magnetization has in-plane magnetic anisotropy (in-plane magnetization easy axis).
  • the magnetization fixed layer A2 is not limited to the in-plane magnetization film, and may be a perpendicular magnetization film having perpendicular magnetic anisotropy (perpendicular magnetization easy axis).
  • the magnetization fixed layer A2 When the magnetization fixed layer A2 is an in-plane magnetization film, the magnetization fixed layer A2 has a high MR ratio (the rate of change in magnetoresistance), is less susceptible to spin transfer torque (STT) at the time of reading, and can increase the reading voltage.
  • STT spin transfer torque
  • a known material can be used for the magnetization fixed layer A2.
  • a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni, and an alloy exhibiting one or more of these metals and exhibiting ferromagnetism can be used.
  • an alloy containing these metals and one or more elements of B, C, and N can also be used.
  • Co-Fe and Co-Fe-B can be mentioned.
  • a Heusler alloy such as Co 2 FeSi can also be used for the magnetization fixed layer A2.
  • the Heusler alloy contains an intermetallic compound having a chemical composition of X 2 YZ, X is a transition metal element or noble metal element of Co, Fe, Ni, or Cu group on the periodic table, and Y is Mn, V , A transition metal of Cr or Ti group and can also take an element species of X, and Z is a typical element of Group III to V.
  • Co 2 FeSi, Co 2 MnSi, Co 2 Mn 1-a Fe a Al b Si 1-b and the like can be mentioned.
  • the magnetization fixed layer A2 may be a synthetic structure comprising a ferromagnetic layer or a nonmagnetic layer, or a synthetic structure comprising an antiferromagnetic layer, a ferromagnetic layer or a nonmagnetic layer. In the latter, the magnetization direction of the magnetization fixed layer A2 is strongly held by the antiferromagnetic layer in the synthetic structure. Therefore, the magnetization of the magnetization fixed layer A2 is less likely to be affected by the outside.
  • the magnetization fixed layer A2 In order to orient the magnetization of the magnetization fixed layer A2 in the XY plane (make the magnetization fixed layer A2 an in-plane magnetization film), it is preferable to use, for example, NiFe. On the other hand, in the case of orienting the magnetization of the magnetization fixed layer A2 in the Z direction (making the magnetization fixed layer A2 a perpendicular magnetization film), it is preferable to use, for example, a Co / Ni laminated film, a Co / Pt laminated film or the like.
  • the magnetization fixed layer A2 may be [Co (0.24 nm) / Pt (0.16 nm)] 6 / Ru (0.9 nm) / [Pt (0.16 nm) / Co (0.16 nm)] 4 / Ta If 0.2 nm) / FeB (1.0 nm), then it becomes a perpendicular magnetization film.
  • the nonmagnetic layer A3 is provided on the lower surface of the magnetization fixed layer A2.
  • the magnetoresistive element A reads out a change in the magnetization state of the magnetization free layer A1 with respect to the magnetization fixed layer A2 as a change in resistance value via the nonmagnetic layer A3. That is, the magnetization fixed layer A2, the nonmagnetic layer A3 and the magnetization free layer A1 function as the magnetoresistance effect element A, and when the nonmagnetic layer A3 is made of an insulator, it has a configuration similar to a tunnel magnetoresistance (TMR) element. When the nonmagnetic layer 2 is made of metal, the structure is similar to a giant magnetoresistive (GMR) element.
  • GMR giant magnetoresistive
  • the nonmagnetic layer A3 As a material of the nonmagnetic layer A3, a known material that can be used for the nonmagnetic layer of the magnetoresistive element A can be used.
  • the nonmagnetic layer A3 is made of an insulator (in the case of a tunnel barrier layer)
  • the material is Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, MgAl 2 O 4 , ZnAl 2 O 4 , MgGa 2 O 4 , ZnGa 2 O 4 , MgIn 2 O 4 , ZnIn 2 O 4 , and multilayer films or mixed composition films of these materials can be used.
  • materials in which a part of Al, Si and Mg is substituted by Zn, Be and the like can also be used.
  • MgO and MgAl 2 O 4 are materials that can realize coherent tunneling, and therefore, the magnetoresistance ratio (MR ratio) can be made large.
  • the nonmagnetic layer 2 is made of metal, Cu, Al, Ag or the like can be used as the material.
  • the nonmagnetic layer A3 is an insulator (in the case of a tunnel barrier layer)
  • its thickness is, for example, 2.5 nm or more.
  • the magnetization free layer A1 corresponds to the domain wall drive layer of the domain wall drive (moving) MRAM.
  • the magnetization free layer A1 is made of a ferromagnetic material, and the direction of magnetization in the inside is reversible.
  • the magnetization free layer A1 has a first region A11 in which the magnetization is oriented in a second direction opposite to the magnetization fixed layer A2, a second region A12 in which the magnetization is oriented in the same direction as the first direction, and these regions And a domain wall DW forming an interface of The magnetization directions of the first area A11 and the second area A12 are opposite to each other across the domain wall DW.
  • the domain wall DW moves by changing the composition ratio of the first area A11 and the second area A12 in the magnetization free layer A1.
  • a known material can be used as the material of the magnetization free layer A1, and in particular, a soft magnetic material can be applied.
  • a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni, an alloy containing one or more of these metals, these metals and one or more elements of B, C, and N An alloy etc. contained can be used.
  • Co--Fe, Co--Fe--B, and Ni--Fe are listed as the material of the magnetization free layer A1.
  • a material having a small saturation magnetization can also be used as the material of the magnetization free layer A1.
  • a material with small saturation magnetization such as (MnGa) As, (InFe) As, or a Co / Tb multilayer film or GdFeCo is used
  • the domain wall DW of the magnetization free layer A1 can be driven with a small current density.
  • these materials are used, the driving speed of the domain wall DW is reduced.
  • the driving speed of the domain wall DW is high, and the domain wall DW operates at a speed of 100 m / sec or more. That is, the domain wall DW moves a distance of 1 ⁇ m with a pulse of 10 nsec. Therefore, when moving the magnetization free layer A1 in the device in an analog manner, measures such as applying a minute pulse using an expensive semiconductor circuit or making the magnetization free layer sufficiently long at the expense of integration are necessary. It will be necessary. On the other hand, in the case of a material having a slow driving speed of the domain wall DW, an analog memory can be formed even when a sufficiently long pulse current is applied or the length of the magnetization free layer A1 is short.
  • the magnetization free layer A1 is a perpendicular magnetization film
  • a perpendicular magnetization film selected from the group consisting of a Co / Pt multilayer film, a Co / Pd multilayer film, and a CoCrPt alloy film is preferable.
  • the length of the magnetization free layer A1 extending in the longitudinal direction is preferably 60 nm or more. If it is less than 60 nm, it is likely to be a single magnetic domain, and the domain wall DW is not easily formed in the magnetization free layer A1.
  • the thickness of the magnetization free layer A1 is not particularly limited as long as it functions as a domain wall driving layer, but can be, for example, 2 nm to 60 nm.
  • the thickness of the magnetization free layer A1 is 60 nm or more, the possibility of forming a domain wall in the stacking direction increases. However, whether or not the domain wall is formed in the stacking direction depends on the balance with the shape anisotropy of the magnetization free layer A1. If the thickness of the magnetization free layer A1 is less than 60 nm, it is unlikely that the domain wall DW can be produced.
  • the magnetization free layer A1 may have a domain wall pinning portion for stopping the movement of the domain wall DW on the side surface of the layer. For example, when the unevenness, groove, swelling, constriction, notch or the like is provided at the position where the movement of the domain wall DW of the magnetization free layer A1 is to be stopped, the movement of the domain wall can be stopped (pinned). If the domain wall pinning portion is provided, the domain wall can not be moved further if a current equal to or higher than the threshold is supplied, and the output signal is not analog but is easily converted into multiple values.
  • the domain wall DW can be held more stably by forming the domain wall pinning portions at predetermined distances, enabling stable multi-level recording, and more stable multi-leveled output Allows to read out the signal.
  • the first direction same as the magnetization of the first region A11
  • a second magnetization supply layer A5 having a magnetization in the second direction that is the same as the magnetization of the second region A12.
  • materials of the first magnetization supply layer A4 and the second magnetization supply layer A5 the same materials as the ferromagnetic materials usable for the magnetization fixed layer A2 can be used.
  • the first magnetization supply layer A4 and the second magnetization supply layer A5 are used as layers in which the magnetization is fixed to both ends of the magnetization free layer A1.
  • a spin-orbit torque (SOT) wire may be used which contacts the magnetization free layer A1 and extends in a direction intersecting with the longitudinal direction of the magnetization free layer A1 for one or both of them.
  • the spin orbit torque wiring is made of a material in which a pure spin current is generated by the spin Hall effect when current flows.
  • the first magnetization supply layer A4 and the second magnetization supply layer A5 are used as layers in which the magnetization is fixed to both ends of the magnetization free layer A1.
  • a magnetic field application wire which is electrically insulated from the magnetization free layer A1 and extends in a direction intersecting with the magnetization free layer A1 in one or both of them.
  • the end portions of the magnetization free layer A1 are opposite to each other in the in-plane magnetization direction according to the direction of the current supplied to the magnetic field application wiring.
  • the magnetization of one of the in-plane magnetization directions can be supplied.
  • one of the perpendicular magnetization directions opposite to each other is applied to the end portion of the magnetization free layer A1 according to the direction of the current supplied to the magnetic field application wiring.
  • the magnetization in one perpendicular magnetization direction can be supplied.
  • the first magnetization supply layer A4 and the second magnetization supply layer A5 are used as layers in which the magnetization is fixed to both ends of the magnetization free layer A1.
  • a voltage application terminal connected to the magnetization free layer A1 via the insulating layer may be used for either or both.
  • part of the magnetization is oriented in a direction perpendicular to the magnetization direction of the magnetization free layer A1 when the voltage is applied, and when the voltage application stops, the magnetization free layer A1 Magnetization is oriented in a first direction or in a second direction opposite thereto. Whether magnetization oriented in this orthogonal direction falls in the first direction or in the second direction opposite to it is equal probability, and the timing, frequency, and period of applying the pulse voltage are adjusted to adjust the magnetization. A portion can be oriented from the first direction to the second direction.
  • a magnetic coupling layer may be provided between the magnetization free layer A1 and the nonmagnetic layer A3.
  • the magnetic coupling layer is a layer to which the magnetization state of the magnetization free layer A1 is transferred.
  • the main function of the magnetization free layer A1 is to drive the domain wall, and it is not always possible to select a material suitable for the magnetoresistive effect generated through the magnetization fixed layer A1 and the nonmagnetic layer A2.
  • a ferromagnetic material having a BCC structure is preferable for the magnetization fixed layer A1 and the magnetic coupling layer in order to cause a coherent tunneling effect using the nonmagnetic layer A2.
  • a large output can be obtained when a material having a composition of Co—Fe—B is prepared by sputtering as the material of the magnetization fixed layer A1 and the magnetic coupling layer.
  • FIG. 5 is a flowchart showing an example of processing executed by the product-sum operation unit 1 of the first embodiment.
  • the product-sum operation unit 1 operates in the normal mode in which the normal product-sum operation is performed by the product operation unit 10 and the sum operation unit 11, and the product operation elements 10 AA to 10 AC and 10 BA to 10 BC by the inspection unit 13.
  • an inspection mode in which the inspection of
  • step S10 it is determined whether the product-sum operation unit 1 is in the normal mode or in the inspection mode. If the product-sum operation unit 1 is in the normal mode, the process proceeds to step S11. If the product-sum operation unit 1 is in the inspection mode, the process proceeds to step S12. In step S11, the product calculation unit 10 and the sum calculation unit 11 perform normal product-sum calculation.
  • step S12 the inspection unit 13 inspects the product calculation elements 10AA to 10AC and 10BA to 10BC.
  • the inspection unit 13 checks whether the product calculation element 10AA is broken, whether the product calculation element 10AB is broken, and the product calculation element 10AC is broken.
  • the function replacement unit 14 determines whether any one of the product calculation elements 10AA to 10AC and 10BA to 10BC is broken based on the inspection result of the inspection unit 13. If any one of the product operation elements 10AA to 10AC and 10BA to 10BC is broken, the process proceeds to step S14, and if all the product operation elements 10AA to 10AC and 10BA to 10BC are normal, the process shown in FIG. End the routine
  • step S14 the function replacement unit 14 performs function replacement from the failed product calculation element to the alternative elements 10AX and 10BX. That is, the function replacing unit 14 causes the alternative elements 10 ⁇ / b> AX and 10 ⁇ / b> BX to perform the product operation performed before the failed product operation element fails. For example, when the inspection unit 13 determines that the product calculation element 10AA is broken, the function replacing unit 14 performs the product calculation performed by the broken product calculation element 10AA before the failure to the alternative element 10AX. Let Specifically, for example, the function replacement unit 14 changes the resistance value of the alternative element 10AX from the above-described intermediate value to the resistance value of the product calculation element 10AA before failure.
  • the resistance value of the product calculation element 10AA before failure is stored in a storage unit (not shown).
  • the function replacing unit 14 reads the resistance value from the storage unit and changes the resistance value of the alternative element 10AX to the resistance value.
  • the inspection unit 13 determines that the product operation element 10AB is faulty
  • the function replacement unit 14 performs the product operation performed by the failed product operation element 10AB before the failure to the alternative element 10AX. Let it go.
  • the function replacing unit 14 performs the product calculation performed by the broken product calculation element 10AC before the failure to the alternative element 10AX.
  • the function replacement unit 14 performs the product calculation performed by the broken product calculation element 10BA before the failure to the alternative element 10BX. Let Specifically, for example, the function replacement unit 14 changes the resistance value of the alternative element 10BX from the above-described intermediate value to the resistance value of the product calculation element 10BA before failure. Similarly, when the inspection unit 13 determines that the product calculation element 10BB is broken, the function replacement unit 14 performs the product calculation performed by the broken product calculation element 10BB before the failure into the alternative element 10BX. Let it go. In addition, when the inspection unit 13 determines that the product calculation element 10BC is broken, the function replacement unit 14 performs the product calculation performed by the broken product calculation element 10BC before the failure to the alternative element 10BX. Let
  • FIG. 6 is a diagram showing a second example of the configuration of part of the product-sum operation unit 1 of the first embodiment.
  • the alternative element 10AX is disposed on the opposite side (upper side of FIG. 1) of the output detector 11A across the plurality of product calculation elements 10AA, 10AB and 10AC.
  • the output detector 11A is disposed on the opposite side (the lower side of FIG.
  • the plurality of product calculation elements 10BA, 10BB, and 10BC are disposed on the opposite side (the lower side in FIG. 6) with the alternative element 10BX interposed therebetween. That is, in FIG. 6, when the alternative elements 10AX and 10BX are disposed at the lower side of FIG. 6, the wiring resistance of the product-sum operation unit 1 is higher than when the alternative elements 10AX and 10BX are disposed at the upper side of FIG. An example preferable from the viewpoint of (for example, the power consumption of the product-sum operation unit 1 is suppressed) is shown.
  • FIG. 7 is a diagram showing a third example of the configuration of a part of the product-sum operation unit 1 of the first embodiment.
  • the alternative element 10AX is disposed between the product operation element 10AA and the product operation element 10AC among the plurality of product operation elements 10AA, 10AB, and 10AC
  • the alternative element 10BX is a plurality of product operations. It is disposed between the product operation element 10BA and the product operation element 10BC among the elements 10BA, 10BB and 10BC. That is, FIG. 7 shows the alternative elements 10AX and 10BX when the alternative element 10AX is disposed between the plurality of product calculation elements 10AA-10AC and the alternative element 10BX is disposed between the plurality of product calculation elements 10BA-10BC.
  • FIG. 8 is a view showing an application example of the product-sum operation unit 1 of the first embodiment.
  • the product-sum operation unit 1 of the first embodiment is applied to the neuromorphic device 100.
  • the neuromorphic device 100 includes an input layer 101, a hidden layer 102, an output layer 103, the product-sum calculator 1 of the first embodiment, and the product-sum calculator 2.
  • the product-sum operation unit 2 has a plurality of product operation elements as in the product-sum operation unit 1 of the first embodiment shown in FIG. 1, FIG. 6 or FIG.
  • the input layer 101 includes, for example, four nodes 101A, 101B, 101C, and 101D.
  • the hidden layer 102 comprises, for example, three nodes 102A, 102B, 102C.
  • the output layer 103 includes, for example, three nodes 103A, 103B, and 103C.
  • the product-sum operation unit 1 is disposed between the input layer 101 and the hidden layer 102, and includes four nodes 101A, 101B, 101C, and 101D of the input layer 101, and three nodes 102A, 102B, and 102C of the hidden layer 102, and Connect
  • the product-sum operation unit 1 changes the weight by changing the resistance values of the product operation elements 10AA to 10AC and 10BA to 10BC shown in FIG. 1, FIG. 6 or FIG.
  • the product-sum operation unit 2 is disposed between the hidden layer 102 and the output layer 103.
  • the product-sum operation unit 2 connects the three nodes 102 A, 102 B and 102 C of the hidden layer 102 and the three nodes 103 A, 103 B and 103 C of the output layer 103.
  • the product-sum operation unit 2 changes the weight by changing the resistance values of the plurality of product operation elements.
  • the hidden layer 102 uses an activation function (eg, a sigmoid function).
  • the inventor of the present invention has found that the characteristics of the product operation elements 10AA to 10AC and 10BA to 10BC constituting the product-sum operation unit 1 change due to some factor (in detail, product operation elements 10AA to 10AC, 10BA to 10BC) ) Has been found to reduce the functionality of the neuromorphic device 100.
  • an alternative is used instead of the failed product operation element when any one of the plurality of product operation elements 10AA to 10AC and 10BA to 10BC fails.
  • Elements 10AX, 10BX are provided. Therefore, in the product-sum operation unit 1 of the first embodiment, when any one of the plurality of product operation elements 10AA to 10AC and 10BA to 10BC fails, the product operation element that has failed is performed before the failure. By causing the alternative elements 10AX and 10BX to perform the calculation, the functional deterioration of the neuromorphic device 100 can be suppressed more than when the alternative elements 10AX and 10BX are not provided.
  • the inspection unit 13 performs the product operation based on the outputs from the product operation elements 10AA to 10AC detected by the output detector 11A. It is determined whether or not each of arithmetic elements 10AA-10AC is broken, and each of product arithmetic elements 10BA-10BC is broken based on the outputs from product arithmetic elements 10BA-10BC detected by output detector 11B. It is determined whether the Therefore, according to the product-sum operation unit 1 of the first embodiment, the product operation elements 10AA to 10AC and 10BA to 10BC are used not only at the manufacturing stage of the product-sum operation unit 1 but also when the product-sum operation unit 1 is used. Failure can be detected.
  • the function replacement The unit 14 causes the alternative elements 10 ⁇ / b> AX and 10 ⁇ / b> BX to perform the product operation performed by the failed product operation element before the failure. Therefore, according to the product-sum operation unit 1 of the first embodiment, the product-sum operation unit 1 is kept operating normally even when any one of the product operation elements 10AA to 10AC and 10BA to 10BC fails.
  • the product-sum calculator 1 of the first embodiment is applied to a neural network, the performance of the neural network can be maintained.
  • the resistance values of the alternative elements 10AX and 10BX for performing the product operation performed by the failed product operation element before the failure are the alternative elements 10AX.
  • 10BX is preset to an intermediate value smaller than the minimum value of the resistance value variation range and smaller than the maximum value of the resistance value variation range. Therefore, according to the product-sum operation unit 1 of the first embodiment, the resistance value is changed when the resistance values of the alternative elements 10AX and 10BX are changed from the above-described intermediate value to the resistance value of the product operation element before failure. The required time can be shortened on average.
  • each of the product operation elements 10AA to 10AC, 10BA to 10BC and the alternative elements 10AX, 10BX reads the write terminal AA, the common terminal AB, and A magnetoresistive effect element A having a terminal AC and exhibiting a magnetoresistive effect.
  • the magnetoresistive element A includes a magnetization free layer A1 having a domain wall DW, a magnetization fixed layer A2 in which the magnetization direction is fixed, and a nonmagnetic layer A3 sandwiched between the magnetization free layer A1 and the magnetization fixed layer A2.
  • the product operation elements 10AA to 10AC and 10BA to 10BC are resistance values during normal operation and failure (in detail, failure at which the output current increases). An element having a large difference from the resistance value is used. Therefore, according to the product-sum operation unit 1 of the first embodiment, an element having a small difference between the resistance value at the time of normal operation and the resistance value at the time of failure (specifically, failure at which the output current becomes large) is used. It is possible to more accurately detect failures that may significantly reduce the performance of the neural network than in the case of
  • the alternative element 10AX is used instead of the broken product calculation element.
  • the substitute element 10BX is used instead of the broken product calculation element.
  • a defective (failed) product operation element instead of using the alternative element 10AX, if one of the product operation elements 10BA, 10BB, and 10BC is found to be defective (defective) at the time of manufacture of the product-sum operation unit 1, the defective (failed) product operation element is substituted.
  • the alternative element 10BX may be used.
  • Second Embodiment (Variable resistance element is a general variable resistance)
  • a second embodiment of the product-sum operation unit of the present invention will be described.
  • the product-sum operation unit 1 of the second embodiment is configured in the same manner as the product-sum operation unit 1 of the first embodiment described above except for the points described later. Therefore, according to the product-sum calculator 1 of the second embodiment, the same effects as those of the product-sum calculator 1 of the first embodiment described above can be obtained except for the points described later.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of a part of the product-sum operation unit 1 of the second embodiment.
  • the product operation elements 10AA to 10AC and 10BA to 10BC and the alternative elements 10AX and 10BX are constituted by magnetoresistance effect elements, but the product-sum operation unit 1 of the second embodiment
  • the product calculation elements 10AA to 10AC and 10BA to 10BC and the alternative elements 10AX and 10BX are configured by general resistance change elements (variable resistances).
  • each of the product calculation elements 10AA to 10AC, 10BA to 10BC and the alternative elements 10AX and 10BX has a read terminal, a write terminal, and a common terminal.
  • each of the product calculation elements 10AA to 10AC, 10BA to 10BC and the alternative elements 10AX, 10BX has a first terminal and a second terminal.
  • the first terminals of the product calculation elements 10AA and 10BA are connected to the line L11.
  • the first terminals of the product calculation elements 10AB and 10BB are connected to the line L21.
  • the first terminals of the product calculation elements 10AC and 10BC are connected to the line L31.
  • the first terminals of the alternative elements 10AX, 10BX are connected to the line LX1.
  • the second terminals of the product calculation elements 10AA to 10AC and the alternative element 10AX are connected to the line M1.
  • the second terminals of the product calculation elements 10BA to 10BC and the alternative element 10BX are connected to the line M2.
  • the sum operation unit 11 outputs a product when the alternative element 10BX is not used and an output detector 11A that detects the total value of the outputs from the second terminals of the product arithmetic elements 10AA to 10AC when the alternative element 10AX is not used.
  • an output detector 11B for detecting the total value of the outputs from the second terminals of the computing elements 10BA to 10BC.
  • the product-sum calculator 1 of the third embodiment is configured in the same manner as the product-sum calculator 1 of the first embodiment described above, except for the points described later. Therefore, according to the product-sum calculator 1 of the third embodiment, the same effects as those of the product-sum calculator 1 of the first embodiment can be obtained except for the points described later.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of a part of the product-sum operation unit 1 of the third embodiment.
  • the product operation unit 10 does not have a spare column, but in the example shown in FIG. 10, the product operation unit 10 has a spare column 10X.
  • the spare column 10X is provided with a product calculation alternative element 10XA, a product calculation alternative element 10XB, and a product calculation alternative element 10XC.
  • the spare column 10X is used instead of the column 10A when any one of the product operation elements 10AA to 10AC of the column 10A fails.
  • the spare column 10X is used instead of the column 10B when one of the product operation elements 10BA to 10BC in the column 10B fails.
  • each of the plurality of product operation alternative elements 10XA to 10XC has a resistance change including a read terminal, a write terminal, and a common terminal, similarly to the product operation elements 10AA to 10AC and 10BA to 10BC. It is an element.
  • the read terminal of the product calculation alternative element 10XA is connected to the line L11.
  • the line L11 is connected to an input unit 12A which inputs signals to the product calculation elements 10AA and 10BA and the product calculation alternative element 10XA.
  • the write terminal of the product calculation alternative element 10XA is connected to the line L12.
  • the read terminal of the product calculation alternative element 10XB is connected to the line L21.
  • the line L21 is connected to the input unit 12B which inputs signals to the product calculation elements 10AB and 10BB and the product calculation alternative element 10XB.
  • the write terminal of the product calculation alternative element 10XB is connected to the line L22.
  • the read terminal of the product calculation alternative element 10XC is connected to the line L31.
  • the line L31 is connected to an input unit 12C that inputs signals to the product calculation elements 10AC and 10BC and the product calculation alternative element 10XC.
  • the write terminal of the product calculation alternative element 10XC is connected to the line L32.
  • the common terminals of the product calculation alternative elements 10XA, 10XB, 10XC are connected to the line MX. That is, although the input unit 12X and the lines LX1 and LX2 are provided in the example illustrated in FIG. 1, the input unit 12X and the lines LX1 and LX2 are not provided in the example illustrated in FIG.
  • the sum calculation unit 11 includes an output detector 11A, an output detector 11B, and an alternative output detector 11X.
  • the alternative output detector 11X is disposed on the line MX.
  • the alternative output detector 11X detects the sum of outputs from the product calculation alternative elements 10XA, 10XB, 10XC.
  • the product calculation alternative elements 10XA to 10XC of the spare column 10X are used. Absent. For example, when one of the product calculation elements 10AA to 10AC of the column 10A fails, the spare column 10X is used instead of the column 10A.
  • the function replacement unit 14 causes the plurality of product operation alternative elements 10XA, 10XB, 10XC to perform the product operation performed by the plurality of product operation elements 10AA, 10AB, 10AC before the failure.
  • the function replacement unit 14 sets the resistance values of the plurality of product operation alternative elements 10XA, 10XB, 10XC to values equal to the resistance values of the plurality of product operation elements 10AA, 10AB, 10AC before the failure.
  • the function replacement unit 14 detects the plurality of product calculation elements 10BA, 10BB, and 10BC before the failure.
  • the plurality of product operation alternative elements 10XA, 10XB, and 10XC perform the product operation performed in the above.
  • the function replacement unit 14 sets resistance values of the plurality of product operation alternative elements 10XA, 10XB, 10XC to values equal to the resistance values of the plurality of product operation elements 10BA, 10BB, 10BC before the failure.
  • the product operation unit 10 includes one spare column 10X in the example illustrated in FIG. 10, the product operation unit 10 may include an arbitrary number of two or more spare columns in another example. .
  • FIG. 11 is a flow chart showing an example of processing executed by the product-sum operation unit 1 of the third embodiment.
  • the product-sum operation unit 1 operates in the normal mode in which normal product-sum operations are performed by the product operation unit 10 and the sum operation unit 11, and product operation elements 10 AA to 10 AC and 10 BA to 10 BC by the inspection unit 13 And an inspection mode in which the inspection of
  • the product-sum operation unit 1 executes the same process as step S10 in FIG.
  • the product calculation unit 10 and the sum calculation unit 11 execute the same processing as step S11 in FIG.
  • step S12 the inspection unit 13 executes the same process as step S12 in FIG.
  • step S13 for example, the function replacement unit 14 executes the same process as step S13 in FIG. If any one of the product calculation elements 10AA to 10AC and 10BA to 10BC is broken, the process proceeds to step S20, and if all the product calculation elements 10AA to 10AC and 10BA to 10BC are normal, FIG. End the routine
  • step S20 if any one of the product operation elements 10AA to 10AC is broken, the function replacement unit 14 performs a plurality of product operations performed by the plurality of product operation elements 10AA, 10AB, and 10AC before the failure.
  • the operation substitute elements 10XA, 10XB and 10XC are operated.
  • the function replacement unit 14 is for a plurality of product operations for the product operation performed by the plurality of product operation elements 10BA, 10BB, and 10BC before the failure.
  • the alternative elements 10XA, 10XB and 10XC are operated.
  • the function replacement unit 14 causes the plurality of product operation alternative elements 10XA, 10XB, and 10XC to perform the product operations performed by the plurality of product operation elements 10AA, 10AB, and 10AC before the failure.
  • the resistance values of the plurality of product operation alternative elements 10XA, 10XB, 10XC are set to values equal to the resistance values of the plurality of product operation elements 10AA, 10AB, 10AC before the failure.
  • the resistance values of the product calculation elements 10AA, 10AB, and 10AC before the failure are stored in a storage unit (not shown).
  • the function replacing unit 14 reads the resistance values from the storage unit and changes the resistance values of the plurality of product operation alternative elements 10XA, 10XB, and 10XC into their resistance values.
  • the function replacing unit 14 performs a plurality of product operations when the plurality of product operation substitutes 10XA, 10XB, 10XC perform the product operations performed by the plurality of product operation elements 10BA, 10BB, 10BC before the failure.
  • the resistance values of the substitute elements 10XA, 10XB, and 10XC are set to values equal to the resistance values of the plurality of product calculation elements 10BA, 10BB, and 10BC before the failure.
  • the product-sum operation unit 1 of the fourth embodiment is configured in the same manner as the product-sum operation unit 1 of the third embodiment described above, except for the points described later. Therefore, according to the product-sum calculator 1 of the fourth embodiment, the same effects as those of the product-sum calculator 1 of the third embodiment described above can be obtained except for the points described later.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of a part of the product-sum operation unit 1 of the fourth embodiment.
  • the product operation elements 10AA to 10AC and 10BA to 10BC and the alternative elements for product operation 10XA to 10XC are constituted by magnetoresistance effect elements, but the product-sum according to the fourth embodiment
  • product computing elements 10AA to 10AC, 10BA to 10BC and alternative elements for product computing 10XA to 10XC are configured by general resistance change elements (variable resistors).
  • each of the product operation elements 10AA to 10AC, 10BA to 10BC and the alternative elements for product operation 10XA to 10XC has a read terminal, a write terminal, and a common terminal.
  • each of the product calculation elements 10AA to 10AC, 10BA to 10BC and the product calculation alternative elements 10XA to 10XC has a first terminal and a second terminal.
  • the first terminals of the product calculation elements 10AA and 10BA and the product calculation alternative element 10XA are connected to the line L11.
  • the first terminal of the product operation element 10AB and the 10BB product operation alternative element 10XB is connected to the line L21.
  • the first terminal of the product operation element 10AC, the 10BC product operation alternative element 10XC is connected to the line L31.
  • the second terminals of the product calculation elements 10AA to 10AC are connected to the line M1.
  • the second terminals of the product calculation elements 10BA to 10BC are connected to the line M2.
  • Second terminals of the product calculation alternative elements 10XA to 10XC are connected to the line MX.
  • the sum operation unit 11 detects the total value of the outputs from the second terminals of the product operation elements 10BA to 10BC and the output detector 11A that detects the total value of the outputs from the second terminals of the product operation elements 10AA to 10AC.
  • An output detector 11B and an alternative output detector 11X for detecting the sum of outputs from the second terminals of the product calculation alternative elements 10XA to 10XC.
  • the product-sum operation unit 1 of the fifth embodiment is configured in the same manner as the product-sum operation unit 1 of the first embodiment described above, except for the points described later. Therefore, according to the product-sum calculator 1 of the fifth embodiment, the same effects as those of the product-sum calculator 1 of the first embodiment can be obtained except for the points described later.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of a part of the product-sum operation unit 1 of the fifth embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram showing an example of the entire configuration of the product-sum operation unit 1 of the fifth embodiment.
  • the product-sum operation unit 1 of the fifth embodiment includes the product operation unit 10, the sum operation unit 11, the input unit 12, the inspection unit 13, and the function replacement unit 14.
  • the product calculation unit 10 includes a column 10A and a column 10B.
  • the input unit 12 includes variable input units 121A and 121B and fixed input units 122A and 122X.
  • the column 10A includes variable input product operation elements 10A1A and 10A1B, fixed input product operation elements 10A2A, and fixed input alternative elements 10A2X.
  • the fixed input alternative element 10A2X is used instead of the fixed input product operation element 10A2A when the fixed input product operation element 10A2A fails.
  • the column 10B includes variable input product operation elements 10B1A and 10B1B, a fixed input product operation element 10B2A, and a fixed input alternative element 10B2X.
  • the fixed input alternative element 10B2X is used instead of the fixed input product operation element 10B2A when the fixed input product operation element 10B2A fails.
  • FIG. 13 the example shown in FIG.
  • the column 10A includes two variable input product operation elements 10A1A and 10A1B, one fixed input product operation element 10A2A, one fixed input alternative element 10A2X, and two columns 10B.
  • variable input product operation elements 10B1A and 10B1B, one fixed input product operation element 10B2A, and one fixed input alternative element 10B2X are provided, in another example, column 10A is any other than 2
  • the column 10B includes a number (specifically, a plurality of) variable input product operation elements, an arbitrary number of fixed input product operation elements other than 1 and an arbitrary number of fixed input alternative elements other than 1 , And any number (specifically, a plurality) of variable input product operation elements other than 2 and any number of fixed input product operation elements other than 1 and any number of fixed input alternative elements other than 1 and May be provided
  • each of a plurality of variable input product operation elements 10A1A, 10A1B, 10B1A, 10B1B, a plurality of fixed input product operation elements 10A2A, 10B2A and a plurality of fixed input alternative elements 10A2X, 10B2X are read out.
  • This is a variable resistance element including a terminal, a write terminal, and a common terminal.
  • the read terminals of the variable input product arithmetic elements 10A1A and 10B1A are connected to the line L11.
  • the line L11 is connected to a variable input unit 121A that inputs variable signals to the variable input product operation elements 10A1A and 10B1A.
  • the write terminals of the variable input product arithmetic elements 10A1A and 10B1A are connected to the line L12.
  • the read terminals of the variable input product arithmetic elements 10A1B and 10B1B are connected to the line L21.
  • the line L21 is connected to a variable input unit 121B that inputs variable signals to the variable input product arithmetic elements 10A1B and 10B1B.
  • the write terminals of the variable input product arithmetic elements 10A1B and 10B1B are connected to the line L22.
  • the read terminals of the fixed input product arithmetic elements 10A2A and 10B2A are connected to the line L31.
  • the line L31 is connected to a fixed input unit 122A which inputs a fixed signal which is a signal determined for the fixed input product arithmetic elements 10A2A and 10B2A.
  • the write terminals of the fixed input product arithmetic elements 10A2A and 10B2A are connected to the line L32.
  • the read terminals of the fixed input alternative elements 10A2X and 10B2X are connected to the line L41.
  • the line L41 is connected to a fixed input unit 122X which inputs a fixed signal which is a signal determined for the fixed input alternative elements 10A2X and 10B2X.
  • the write terminals of the fixed input alternative elements 10A2X and 10B2X are connected to the line L42.
  • Fixed signals input to the fixed input product operation elements 10A2A and 10B2A and fixed input alternative elements 10A2X and 10B2X are variable signals input to the variable input product operation elements 10A1A, 10A1B, 10B1A and 10B1B. Synchronized.
  • the common terminals of the variable input product operation elements 10A1A and 10A1B, the fixed input product operation elements 10A2A, and the fixed input alternative element 10A2X are connected to the line M1.
  • the common terminals of variable input product operation elements 10B1A and 10B1B, fixed input product operation element 10B2A, and fixed input alternative element 10B2X are connected to line M2.
  • the sum calculation unit 11 includes output detectors 11A and 11B. When the fixed input alternative element 10A2X is not used, the output detector 11A detects the total value of the outputs from the variable input product operation elements 10A1A and 10A1B and the fixed input product operation element 10A2A.
  • the output detector 11A outputs the variable input product A total value of outputs from the arithmetic elements 10A1A, 10A1B and the fixed input alternative element 10A2X is detected.
  • the output detector 11B detects the total value of the outputs from the variable input product operation elements 10B1A and 10B1B and the fixed input product operation element 10B2A.
  • the output detector 11B generates the variable input product The total value of the outputs from the arithmetic elements 10B1A and 10B1B and the fixed input alternative element 10B2X is detected.
  • the output detector 11A is disposed on the line M1.
  • the output detector 11B is disposed on the line M2.
  • the inspection unit 13 inspects whether or not the fixed input product arithmetic operation element 10A2A is out of order.
  • the variable input portion 121A does not input a signal to the variable input product operation element 10A1A
  • the variable input portion 121B is A state in which no signal is input to variable input product operation element 10A1B, a state in which fixed input portion 122X does not input a signal to fixed input alternative element 10A2X
  • fixed input portion 122A is a product operation for fixed input
  • the output detector 11A detects the output from the fixed input product arithmetic element 10A2A.
  • the inspection unit 13 determines, based on the detection value of the output detector 11A, whether or not the fixed input product arithmetic element 10A2A is broken.
  • the inspection unit 13 inspects whether or not the fixed input product arithmetic element 10B2A is broken.
  • the variable input portion 121A does not input a signal to the variable input product operation element 10B1A
  • the variable input portion 121B is A state in which no signal is input to variable input product operation element 10B1B, a state in which fixed input portion 122X does not input a signal to fixed input alternative element 10B2X
  • fixed input portion 122A is a product operation for fixed input
  • the output detector 11B detects the output from the fixed input product arithmetic element 10B2A.
  • the inspection unit 13 determines, based on the detection value of the output detector 11B, whether or not the fixed input product arithmetic element 10B2A is broken.
  • the function replacement unit 14 performs the product calculation performed before the failure of the fixed input product element 10A2A.
  • the fixed input alternative element 10A2X is caused to perform.
  • the resistance value of the fixed input alternative element 10A2X that performs the product calculation performed before the failure of the fixed input product operation element 10A2A that is out of order is larger than the minimum value of the resistance value fluctuation range of the fixed input alternative element 10A2X It is preset to an intermediate value smaller than the maximum value of the resistance value variation range.
  • the function replacement unit 14 performs the product performed before the failure of the fixed input product operation element 10B2A.
  • the operation is performed by the fixed input alternative element 10B2X.
  • the resistance value of the fixed input alternative element 10B2X that performs the product calculation performed before the failure of the fixed input product operation element 10B2A that is out of order is larger than the minimum value of the resistance value fluctuation range of the fixed input alternative element 10B2X. It is preset to an intermediate value smaller than the maximum value of the resistance value variation range.
  • the fixed input alternative element 10A2X is disposed adjacent to the fixed input product operation element 10A2A.
  • the fixed input alternative element 10B2X is disposed adjacent to the fixed input product operation element 10B2A.
  • the product-sum operation unit 1 of the fifth embodiment executes the same process as the example shown in FIG.
  • the inspection unit 13 inspects the fixed input product operation elements 10A2A and 10B2A in step S12 of FIG. Specifically, as described above, the inspection unit 13 checks whether the fixed input product arithmetic element 10A2A is broken or not and whether the fixed input product arithmetic element 10B2A is broken or not. Do.
  • the function replacement unit 14 fails one of the fixed input product operation elements 10A2A and 10B2A based on the inspection result of the inspection unit 13.
  • step S14 It is determined whether the If one of the fixed input product operation elements 10A2A and 10B2A is broken, the process proceeds to step S14, and if all of the fixed input product operation elements 10A2A and 10B2A are normal, the routine shown in FIG. finish.
  • the function replacing unit 14 functions from the faulty fixed input product computing elements 10A2A and 10B2A to the alternate elements for fixed input 10A2X and 10B2X. Make a substitution. That is, the function replacing unit 14 causes the fixed input alternative elements 10A2X and 10B2X to perform the product operation performed before the failure of the fixed input alternative elements 10A2X and 10B2X. For example, when the inspection unit 13 determines that the fixed input product operation element 10A2A is broken, the function replacement unit 14 performs the product operation performed before the failure of the fixed input product operation element 10A2A is broken To the fixed input alternative element 10A2X.
  • the function replacement unit 14 changes the resistance value of the fixed input alternative element 10A2X from the above-described intermediate value to the resistance value of the fixed input product arithmetic element 10A2A before failure.
  • the resistance value of the product processor 10A2A for fixed input before failure is stored in the storage unit.
  • the function replacing unit 14 reads the resistance value from the storage unit and changes the resistance value of the fixed input alternative element 10A2X to the resistance value.
  • the inspection unit 13 determines that the fixed input product operation element 10B2A is broken
  • the function replacement unit 14 performs the product that the fixed input product operation element 10B2A is broken before failure.
  • the operation is performed by the fixed input alternative element 10B2X.
  • the function replacement unit 14 changes the resistance value of the fixed input alternative element 10B2X from the above-described intermediate value to the resistance value of the fixed input product arithmetic element 10B2A before failure.
  • the product-sum calculator 1 of the sixth embodiment is configured in the same manner as the product-sum calculator 1 of the fifth embodiment described above, except for the points described later. Therefore, according to the product-sum calculator 1 of the sixth embodiment, the same effects as those of the product-sum calculator 1 of the fifth embodiment described above can be obtained except for the points described later.
  • FIG. 15 is a diagram showing an example of a part of the product-sum calculator 1 of the sixth embodiment.
  • variable input product operation elements 10A1A, 10A1B, 10B1A, 10B1B, fixed input product operation elements 10A2A, 10B2A and fixed input alternative elements 10A2X, 10B2X are based on magnetoresistive effect elements.
  • variable input product operation elements 10A1A, 10A1B, 10B1A, 10B1B, fixed input product operation elements 10A2A, 10B2A and fixed input alternative elements 10A2X, 10B2X Is constituted by a general resistance change element (variable resistance).
  • each of variable input product operation elements 10A1A, 10A1B, 10B1A, 10B1B, fixed input product operation elements 10A2A, 10B2A and fixed input alternative elements 10A2X, 10B2X are read terminals and
  • Each of 10A2X and 10B2X includes a first terminal and a second terminal.
  • the first terminals of the variable input product arithmetic elements 10A1A and 10B1A are connected to the line L11.
  • First terminals of variable input product arithmetic elements 10A1B and 10B1B are connected to line L21.
  • the first terminals of the fixed input product arithmetic elements 10A2A and 10B2A are connected to the line L31.
  • the first terminals of the fixed input alternative elements 10A2X and 10B2X are connected to the line LX1.
  • Second terminals of variable input product operation elements 10A1A and 10A1B, fixed input product operation element 10A2A, and fixed input alternative element 10A2X are connected to line M1.
  • Second terminals of variable input product operation elements 10B1A and 10B1B, fixed input product operation element 10B2A, and fixed input alternative element 10B2X are connected to line M2.
  • the sum operation unit 11 detects the sum of outputs from the second terminals of the variable input product operation elements 10A1A and 10A1B and the fixed input product operation element 10A2A when the fixed input alternative element 10A2X is not used.
  • Detector 11B for detecting the total value of outputs from the variable input product operation elements 10B1A and 10B1B and the fixed input product operation element 10B2A when the fixed input alternative element 10A2X is not used And have.
  • a program for realizing the function of each device (for example, the product-sum operation unit 1) according to the embodiment described above is recorded in a computer-readable recording medium (storage medium) and recorded in the recording medium.
  • the processing may be performed by loading the executed program into a computer system and executing it.
  • the “computer system” may include hardware such as an operating system (OS: Operating System) or a peripheral device.
  • the “computer readable recording medium” is a flexible disk, a magneto-optical disk, a ROM (Read Only Memory), a writable nonvolatile memory such as a flash memory, a portable medium such as a DVD (Digital Versatile Disc), A storage device such as a hard disk built into a computer system.
  • the recording medium may be, for example, a recording medium for temporarily recording data.
  • the “computer-readable recording medium” is a volatile memory (for example, DRAM (for example, DRAM (for example) (DRAM) in a server or client when a program is transmitted via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line).
  • Dynamic Random Access Memory includes those that hold a program for a certain period of time.
  • the above program may be transmitted from a computer system in which the program is stored in a storage device or the like to another computer system via a transmission medium or by transmission waves in the transmission medium.
  • the "transmission medium” for transmitting the program is a medium having a function of transmitting information, such as a network (communication network) such as the Internet or a communication line (communication line) such as a telephone line.
  • the above program may be for realizing a part of the functions described above.
  • the above program may be a so-called difference file (difference program) that can realize the above-described functions in combination with a program already recorded in the computer system.
  • a processor such as a CPU (Central Processing Unit) reads and executes a program stored in a memory.
  • CPU Central Processing Unit

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Abstract

ニューラルネットワークに適用される場合に、積和演算器を構成する素子の故障時のニューラルネットワークの性能低下を抑制することができる積和演算器を提供する。　積和演算器（１）は、積演算部（１０）と、和演算部（１１）とを備える。積演算部（１０）は、複数の積演算素子（１０ＡＡ）～（１０ＡＣ）と、複数の積演算素子（１０ＡＡ）～（１０ＡＣ）のいずれかが故障した場合に故障した積演算素子の代わりに用いられる代替素子（１０ＡＸ）とを備える。複数の積演算素子（１０ＡＡ）～（１０ＡＣ）のそれぞれと、代替素子（１０ＡＸ）とは、抵抗変化素子である。和演算部（１１）は出力検出器（１１Ａ）を備え、出力検出器（１１）は、代替素子（１０ＡＸ）が用いられない場合に、複数の積演算素子（１０ＡＡ）～（１０ＡＣ）からの出力の合計値を検出する。

Description

積和演算器、ニューロモーフィックデバイスおよび積和演算器の使用方法
　本発明は、積和演算器、ニューロモーフィックデバイスおよび積和演算器の使用方法に関する。本願は、２０１７年１２月２８日に、日本に出願された特願２０１７－２５４７０２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　従来から、ＲＲＡＭ（登録商標）ベースアナログニューロモーフィックシステムにおけるグレースケール画像認識のための最適化された学習スキームが知られている（例えば非特許文献１参照）。この文献には、アナログニューロモーフィックシステムが、組み立てられた抵抗スイッチングメモリアレイを基礎として開発される旨が記載されている。この文献では、新規なトレーニングスキームが、セグメント化されたシナプスの挙動を利用することによって、アナログシステムの性能を最適化するために提案される。また、この文献では、このスキームが、グレースケール画像認識に対して適用される。
　また、神経系を模倣したニューラルネットワークを抵抗変化素子のアレイを用いて実現する研究が進められている。ニューロモーフィックデバイス（ＮＭＤ）では、前段から次の段へとウエイトをかけて足し合わせる積和演算を行う。そこで、連続的に抵抗が変化する抵抗変化素子を複数組み合わせ、それぞれの抵抗値を重みとして入力信号に対する積演算を行い、そこから出力される電流の総和をとることで和演算を行う様々なタイプの積和演算器、およびそれを利用したＮＭＤの開発がすすめられている。
国際公開第２０１７／１８３５７３号
Zhe Chen他著、「ＲＲＡＭベースアナログニューロモーフィックシステムにおけるグレースケール画像認識のための最適化された学習スキーム（OptimizedLearning Scheme for Grayscale Image Recognition in a RRAM Based Analog Neuromorphic System）」、２０１５年、ＩＥＥＥ、ｐ．１７．７．１－ｐ．１７．７．４
　ところで、非特許文献１では、システムを構成する素子の故障時の対応について検討されていない。そのため、システムを構成する素子の故障時に、ニューラルネットワークの性能が大きく低下してしまうおそれがある。また、製造上素子を１００％故障することなく作製することは非常に困難である。したがって、故障した素子を正常素子で置き換えて、デバイス全体として機能させることが経済上必要となるが、これまでニューラルネットワークにおけるこのような補償素子の議論はされていなかった。
　上述した問題点に鑑み、本発明は、ニューラルネットワークに適用される場合に、積和演算器を構成する素子の故障時のニューラルネットワークの性能低下を抑制することができる積和演算器、ニューロモーフィックデバイスおよび積和演算器の使用方法を提供することを目的とする。
　本発明の一態様の積和演算器は、積演算部と、和演算部とを備え、前記積演算部は、複数の積演算素子と、前記複数の積演算素子のいずれかが故障した場合に故障した積演算素子の代わりに用いられる少なくとも１つの代替素子とを備え、前記複数の積演算素子のそれぞれと、前記代替素子とは、抵抗変化素子であり、前記和演算部は出力検出器を備え、前記出力検出器は、前記代替素子が用いられない場合に、前記複数の積演算素子からの出力の合計値を検出する。
　本発明の一態様は、前記積和演算器の使用方法であって、前記積和演算器は、前記複数の積演算素子のそれぞれが故障しているか否かを検査する検査部をさらに備え、前記検査部が、前記出力検出器によって検出される前記複数の積演算素子からの出力に基づいて、前記複数の積演算素子のそれぞれが故障しているか否かを判定する検査工程を含む、積和演算器の使用方法である。
　本発明の一態様の積和演算器の使用方法では、前記積和演算器は、機能置換部をさらに備え、前記複数の積演算素子のいずれかが故障していることを前記検査部が検知した場合に、前記機能置換部が、故障している積演算素子が故障前に行っていた積演算を前記代替素子に行わせる機能置換工程をさらに含んでもよい。
　本発明の一態様の積和演算器の使用方法では、前記故障している積演算素子が故障前に行っていた積演算を行う前記代替素子の抵抗値は、前記代替素子の抵抗値変動範囲の最小値よりも大きく前記抵抗値変動範囲の最大値よりも小さい中間値に予め設定されていてもよい。
　本発明の一態様の積和演算器では、前記少なくとも１つの代替素子は、複数の積演算用代替素子であり、前記和演算部は、前記複数の積演算用代替素子からの出力の合計値を検出する代替用出力検出器をさらに備えてもよい。
　本発明の一態様は、前記積和演算器の使用方法であって、前記積和演算器は、検査部と機能置換部とをさらに備え、前記複数の積演算素子のいずれかが故障していることを前記検査部が検知した場合に、前記機能置換部が、前記複数の積演算素子が故障前に行っていた積演算を前記複数の積演算用代替素子に行わせる機能置換工程と、前記機能置換部が、前記複数の積演算用代替素子の抵抗値を、故障前の前記複数の積演算素子の抵抗値と等しい値に設定する抵抗値設定工程とを含む、積和演算器の使用方法である。
　本発明の一態様の積和演算器では、前記代替素子は、前記複数の積演算素子を隔てて前記出力検出器の反対側に配置されていてもよい。
　本発明の一態様の積和演算器では、前記出力検出器は、前記代替素子を隔てて前記複数の積演算素子の反対側に配置されていてもよい。
　本発明の一態様の積和演算器では、前記複数の積演算素子には、第１積演算素子と第２積演算素子とが含まれ、前記代替素子は、前記第１積演算素子と前記第２積演算素子との間に配置されていてもよい。
　本発明の一態様は、前記積和演算器の使用方法であって、前記複数の積演算素子には、複数の可変入力用積演算素子と、少なくとも１つの固定入力用積演算素子とが含まれ、前記代替素子は、固定入力用代替素子であり、前記積和演算器は、前記複数の可変入力用積演算素子に対して可変信号を入力する可変入力部と、前記固定入力用積演算素子および前記固定入力用代替素子に対して定められた信号を前記可変信号に同期させて入力する固定入力部と、前記固定入力用積演算素子が故障しているか否かを検査する検査部と、機能置換部とをさらに備え、前記検査部が、前記出力検出器によって検出される前記固定入力用積演算素子からの出力に基づいて、前記固定入力用積演算素子が故障しているか否かを判定する検査工程と、前記固定入力用積演算素子が故障していることを前記検査部が検知した場合に、前記機能置換部が、前記固定入力用積演算素子が故障前に行っていた積演算を前記固定入力用代替素子に行わせる機能置換工程とを含む、積和演算器の使用方法である。
　本発明の一態様の積和演算器の使用方法では、前記固定入力用代替素子は、前記固定入力用積演算素子に隣接して配置されていてもよい。
　本発明の一態様の積和演算器では、前記抵抗変化素子は、書き込み端子と、共通端子と、読み出し端子とを有してもよい。
　本発明の一態様の積和演算器では、前記抵抗変化素子は、磁気抵抗効果を示す磁気抵抗効果素子であり、前記磁気抵抗効果素子は、磁壁を有する磁化自由層と、磁化方向が固定された磁化固定層と、前記磁化自由層と前記磁化固定層とに挟まれた非磁性層とを有してもよい。
　本発明の一態様は、前記積和演算器を備えるニューロモーフィックデバイスである。
　本発明によれば、ニューラルネットワークに適用される場合に、積和演算器を構成する素子の故障時のニューラルネットワークの性能低下を抑制することができる積和演算器、ニューロモーフィックデバイスおよび積和演算器の使用方法を提供することができる。
第１実施形態の積和演算器の一部の構成の第１例を示す図である。 第１実施形態の積和演算器の全体構成の一例を示す図である。 出力検出器が検出した合計値および規定値を説明するための図である。 第１実施形態の積和演算器の積演算素子および代替素子のそれぞれを構成する磁気抵抗効果素子の一例を示す斜視図である。 第１実施形態の積和演算器によって実行される処理の一例を示すフローチャートである。 第１実施形態の積和演算器の一部の構成の第２例を示す図である。 第１実施形態の積和演算器の一部の構成の第３例を示す図である。 第１実施形態の積和演算器の適用例を示す図である。 第２実施形態の積和演算器の一部の構成の一例を示す図である。 第３実施形態の積和演算器の一部の構成の一例を示す図である。 第３実施形態の積和演算器によって実行される処理の一例を示すフローチャートである。 第４実施形態の積和演算器の一部の構成の一例を示す図である。 第５実施形態の積和演算器の一部の構成の一例を示す図である。 第５実施形態の積和演算器の全体構成の一例を示す図である。 第６実施形態の積和演算器の一部の構成の一例を示す図である。
　以下、図面を参照し、本発明の積和演算器、ニューロモーフィックデバイスおよび積和演算器の使用方法の実施形態について説明する。
＜第１実施形態＞（抵抗変化素子が磁気抵抗効果素子）
　図１は第１実施形態の積和演算器１の一部の構成の第１を示す図である。図２は第１実施形態の積和演算器１の全体構成の一例を示す図である。
　図１および図２に示す例では、第１実施形態の積和演算器１が、積演算部１０と、和演算部１１と、入力部１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｘと、検査部１３と、機能置換部１４とを備えている。積演算部１０は、カラム１０Ａと、カラム１０Ｂとを備えている。
　図１に示す例では、積演算部１０が、２つのカラム１０Ａ、１０Ｂを備えているが、他の例では、積演算部１０が、３以上の任意の数のカラム１０Ａ、１０Ｂ、…を備えていてもよい。
　図１に示す例では、カラム１０Ａが、積演算素子１０ＡＡと、積演算素子１０ＡＢと、積演算素子１０ＡＣと、代替素子１０ＡＸとを備えている。積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣは、積演算を行う。代替素子１０ＡＸは、積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣのいずれかが故障した場合に故障した積演算素子の代わりに用いられる。
　カラム１０Ｂは、積演算素子１０ＢＡと、積演算素子１０ＢＢと、積演算素子１０ＢＣと、代替素子１０ＢＸとを備えている。積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＢ、１０ＢＣは、積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣと同様に積演算を行う。代替素子１０ＢＸは、積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＢ、１０ＢＣのいずれかが故障した場合に故障した積演算素子の代わりに用いられる。
　図１に示す例では、カラム１０Ａが３つの積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣを備え、カラム１０Ｂが３つの積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＢ、１０ＢＣを備えているが、他の例では、カラム１０Ａが、３以外の任意の数（詳細には、複数）の積演算素子を備え、カラム１０Ｂが、３以外の任意の数（詳細には、複数）の積演算素子を備えてもよい。
　図１に示す例では、カラム１０Ａが１つの代替素子１０ＡＸを備え、カラム１０Ｂが１つの代替素子１０ＢＸを備えているが、他の例では、カラム１０Ａが、２以上の代替素子を備え、カラム１０Ｂが、２以上の代替素子を備えてもよい。
　図１に示す例では、複数の積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣ、代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸのそれぞれは、読み出し端子と、書き込み端子と、共通端子とを備える抵抗変化素子である。
　積演算素子１０ＡＡ、１０ＢＡの読み出し端子は、ラインＬ１１に接続されている。ラインＬ１１は、積演算素子１０ＡＡ、１０ＢＡに対して信号を入力する入力部１２Ａに接続されている。積演算素子１０ＡＡ、１０ＢＡの書き込み端子は、ラインＬ１２に接続されている。
　積演算素子１０ＡＢ、１０ＢＢの読み出し端子は、ラインＬ２１に接続されている。ラインＬ２１は、積演算素子１０ＡＢ、１０ＢＢに対して信号を入力する入力部１２Ｂに接続されている。積演算素子１０ＡＢ、１０ＢＢの書き込み端子は、ラインＬ２２に接続されている。
　積演算素子１０ＡＣ、１０ＢＣの読み出し端子は、ラインＬ３１に接続されている。ラインＬ３１は、積演算素子１０ＡＣ、１０ＢＣに対して信号を入力する入力部１２Ｃに接続されている。積演算素子１０ＡＣ、１０ＢＣの書き込み端子は、ラインＬ３２に接続されている。
　代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸの読み出し端子は、ラインＬＸ１に接続されている。ラインＬＸ１は、代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸに対して信号を入力する入力部１２Ｘに接続されている。代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸの書き込み端子は、ラインＬＸ２に接続されている。
　積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣおよび代替素子１０ＡＸの共通端子は、ラインＭ１に接続されている。積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＢ、１０ＢＣおよび代替素子１０ＢＸの共通端子は、ラインＭ２に接続されている。
　図１に示す例では、和演算部１１が、出力検出器１１Ａと出力検出器１１Ｂとを備えている。
　代替素子１０ＡＸが用いられない場合に、出力検出器１１Ａは、複数の積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣからの出力の合計値を検出する。例えば積演算素子１０ＡＡが故障した場合であって、故障した積演算素子１０ＡＡの代わりに代替素子１０ＡＸが用いられる場合に、出力検出器１１Ａは、積演算素子１０ＡＢ、１０ＡＣ（つまり、複数の積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣのうちの故障していない積演算素子１０ＡＢ、１０ＡＣ）からの出力および代替素子１０ＡＸからの出力の合計値を検出する。
　代替素子１０ＢＸが用いられない場合に、出力検出器１１Ｂは、複数の積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＢ、１０ＢＣからの出力の合計値を検出する。例えば積演算素子１０ＢＢが故障した場合であって、故障した積演算素子１０ＢＢの代わりに代替素子１０ＢＸが用いられる場合に、出力検出器１１Ｂは、積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＣ（つまり、複数の積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＢ、１０ＢＣのうちの故障していない積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＣ）からの出力および代替素子１０ＢＸからの出力の合計値を検出する。
　出力検出器１１ＡはラインＭ１に配置されている。出力検出器１１ＢはラインＭ２に配置されている。
　図１に示す例では、出力検出器１１Ａが、積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣからの出力電流値、または、例えば積演算素子１０ＡＢ、１０ＡＣおよび代替素子１０ＡＸからの出力電流値を検出し、出力検出器１１Ｂが、積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＢ、１０ＢＣからの出力電流値、または、例えば積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＣおよび代替素子１０ＢＸからの出力電流値を検出する。他の例では、出力検出器１１Ａが、積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣの出力を電荷として、または、例えば積演算素子１０ＡＢ、１０ＡＣおよび代替素子１０ＡＸの出力を電荷として検出し、出力検出器１１Ｂが、積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＢ、１０ＢＣの出力を電荷として、または、例えば積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＣおよび代替素子１０ＢＸの出力を電荷として検出してもよい。
　検査部１３は、出力検出器１１Ａが検出した複数の積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣからの出力の合計値が規定値を超えた場合に、カラム１０Ａに含まれる複数の積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣの少なくとも１つに、出力電流が大きくなる故障が発生したと判断する。また、検査部１３は、出力検出器１１Ｂが検出した複数の積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＢ、１０ＢＣからの出力の合計値が規定値を超えた場合に、カラム１０Ｂに含まれる複数の積演算素子１０ＢＡ～１０ＢＣの少なくとも１つに、出力電流が大きくなる故障が発生したと判断する。
　図３は出力検出器１１Ａが検出した合計値および規定値を説明するための図である。図３において、縦軸は、出力検出器１１Ａによって検出される複数の積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣの出力電流の合計値、規定値などを示す。横軸は、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣの状態（抵抗値の大きさ）を示す。
　複数の積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣの正常動作時であって、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣの抵抗値が最も高い時には、出力検出器１１Ａによって検出される複数の積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣの出力電流の合計値が最小値Ｍｉｎになる。
　複数の積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣの正常動作時には、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣの抵抗値が低くなるに従って、出力検出器１１Ａによって検出される複数の積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣの出力電流の合計値が大きくなる。
　複数の積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣの正常動作時であって、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣの抵抗値が最も低い時には、出力検出器１１Ａによって検出される複数の積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣの出力電流の合計値が最大値Ｍａｘになる。
　規定値は、最大値Ｍａｘ以上の値に設定されている。つまり、規定値は、複数の積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣのすべてが正常に動作する場合に出力検出器１１Ａが検出し得る合計値の最大値Ｍａｘ以上の値である。
　図３に示す例において、点Ｐ１の状態では、出力検出器１１Ａが検出した積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣの出力電流の合計値が、規定値を超えない。そのため、検査部１３は、カラム１０Ａに含まれる複数の積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣのいずれにも、出力電流が大きくなる故障が発生していない可能性が高いと判断する。
　一方、点Ｐ２の状態では、出力検出器１１Ａが検出した積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣの出力電流の合計値が、規定値を超える。そのため、検査部１３は、カラム１０Ａに含まれる複数の積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣの少なくとも１つに、出力電流が大きくなる故障が発生したと判断する。
　また、図１および図２に示す例では、検査部１３は、複数の積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣのそれぞれが故障しているか否かを検査する。
　例えば、積演算素子１０ＡＡが故障しているか否かを検査するために、入力部１２Ｂが積演算素子１０ＡＢに対して信号を入力しない状態、かつ、入力部１２Ｃが積演算素子１０ＡＣに対して信号を入力しない状態、かつ、入力部１２Ｘが代替素子１０ＡＸに対して信号を入力しない状態、かつ、入力部１２Ａが積演算素子１０ＡＡに対して信号を入力する状態で、出力検出器１１Ａが、積演算素子１０ＡＡからの出力を検出する。この状態では、積演算素子１０ＡＢからの出力がゼロであり、積演算素子１０ＡＣからの出力がゼロであり、代替素子１０ＡＸからの出力がゼロである。また、検査部１３は、出力検出器１１Ａの検出値に基づいて、積演算素子１０ＡＡが故障しているか否かを判定する。
　同様に、検査部１３は、積演算素子１０ＡＢが故障しているか否か、および、積演算素子１０ＡＣが故障しているか否かを検査する。
　また、図１および図２に示す例では、検査部１３は、複数の積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＢ、１０ＢＣのそれぞれが故障しているか否かを検査する。
　例えば、積演算素子１０ＢＢが故障しているか否かを検査するために、入力部１２Ａが積演算素子１０ＢＡに対して信号を入力しない状態、かつ、入力部１２Ｃが積演算素子１０ＢＣに対して信号を入力しない状態、かつ、入力部１２Ｘが代替素子１０ＢＸに対して信号を入力しない状態、かつ、入力部１２Ｂが積演算素子１０ＢＢに対して信号を入力する状態で、出力検出器１１Ｂが、積演算素子１０ＢＢからの出力を検出する。この状態では、積演算素子１０ＢＡからの出力がゼロであり、積演算素子１０ＢＣからの出力がゼロであり、代替素子１０ＢＸからの出力がゼロである。また、検査部１３は、出力検出器１１Ｂの検出値に基づいて、積演算素子１０ＢＢが故障しているか否かを判定する。
　同様に、検査部１３は、積演算素子１０ＢＡが故障しているか否か、および、積演算素子１０ＢＣが故障しているか否かを検査する。
　機能置換部１４は、複数の積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣのいずれかが故障していることを検査部１３が検知した場合に、故障している積演算素子（例えば積演算素子１０ＡＡ）が故障前に行っていた積演算を代替素子１０ＡＸに行わせる。
　故障している積演算素子（例えば積演算素子１０ＡＡ）が故障前に行っていた積演算を行う代替素子１０ＡＸの抵抗値は、代替素子１０ＡＸの抵抗値変動範囲の最小値よりも大きく抵抗値変動範囲の最大値よりも小さい中間値に予め設定されている。
　また、機能置換部１４は、複数の積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＢ、１０ＢＣのいずれかが故障していることを検査部１３が検知した場合に、故障している積演算素子（例えば積演算素子１０ＢＢ）が故障前に行っていた積演算を代替素子１０ＢＸに行わせる。
　故障している積演算素子（例えば積演算素子１０ＢＢ）が故障前に行っていた積演算を行う代替素子１０ＢＸの抵抗値は、代替素子１０ＢＸの抵抗値変動範囲の最小値よりも大きく抵抗値変動範囲の最大値よりも小さい中間値に予め設定されている。
　図１に示す例では、代替素子１０ＡＸが、複数の積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣを隔てて出力検出器１１Ａの反対側（図１の上側）に配置されている。また、代替素子１０ＢＸは、複数の積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＢ、１０ＢＣを隔てて出力検出器１１Ｂの反対側（図１の上側）に配置されている。
　つまり、図１は、代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸが図１の上側に配置される場合に、代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸが図１の下側に配置される場合よりも、積和演算器１の配線抵抗の観点から好ましい（例えば、積和演算器１の消費電力が抑制される）例を示している。
　本発明において積演算素子として用いられる抵抗変化素子は、外部からの刺激（電流、電圧、磁場など）に対して可逆的に電気抵抗が変化する素子である。かかる抵抗変化素子としては例えば、抵抗変化型メモリ（ＲＲＡＭ）素子、相変化メモリ（ＰＣＲＡＭ）素子、異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）素子、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子などが挙げられる。
　詳細には、図１および図３に示す例では、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣおよび代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸのそれぞれは、磁気抵抗効果を示す磁気抵抗効果素子である。例えば、正常動作時における積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣおよび代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸのそれぞれの抵抗値と、故障時における積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣおよび代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸのそれぞれの抵抗値とが３桁以上異なるものとすることができる。
　図４は第１実施形態の積和演算器１の積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣおよび代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸのそれぞれを構成する磁気抵抗効果素子Ａの一例を示す斜視図である。
　図４に示す例では、磁気抵抗効果素子Ａは、磁壁ＤＷを有する磁化自由層Ａ１と、磁化方向が固定された磁化固定層Ａ２と、非磁性層Ａ３とを有する。非磁性層Ａ３は、磁化自由層Ａ１と磁化固定層Ａ２とに挟まれている。磁化自由層Ａ１は、磁壁ＤＷの一方の側に第１領域Ａ１１を有し、磁壁ＤＷの他方の側に第２領域Ａ１２を有する。第１領域Ａ１１には、書き込み端子ＡＡが設けられている。第２領域Ａ１２には、共通端子ＡＢが設けられている。磁化固定層Ａ２には、読み出し端子ＡＣが設けられている。
　磁壁ＤＷの移動量（移動距離）は、書き込み端子ＡＡと共通端子ＡＢとの間に流す書き込み電流の大きさ、時間を調整することによって可変に制御することができる。書き込み電流の大きさ、時間は例えば、パルス数あるいはパルス幅によって磁壁ＤＷの移動量（移動距離）を設定することもできる。磁壁ＤＷの駆動（移動）によって磁化固定層Ａ２と磁化自由層Ａ１のそれぞれの磁化方向が平行な（あるいは反平行な）部分の面積が連続的に変化すると、磁化方向が平行な部分の面積率と磁化方向が反平行な部分の面積率との比が連続的に変化し、磁気抵抗効果素子において線形に近い抵抗変化が得られる。
　また、データの読み出しは、読み出し端子ＡＣと共通端子ＡＢとの間に電流を流して、磁化方向が平行な部分の面積率と磁化方向が反平行な部分の面積率との比に応じた抵抗を検出することで行うことができる（例えば、特許文献１参照）。
［磁化固定層Ａ２］
　磁化固定層Ａ２は、磁化が第１の方向（例えば図４の左向き）に配向し、固定された層である。ここで、磁化が固定されるとは、書き込み電流を用いた書き込み前後において磁化方向が変化しない（磁化が固定されている）ことを意味する。
　図４に示す例では、磁化固定層Ａ２は磁化が面内磁気異方性（面内磁化容易軸）を有する面内磁化膜である。磁化固定層Ａ２は、面内磁化膜に限られず、垂直磁気異方性（垂直磁化容易軸）を有する垂直磁化膜であってもよい。
　磁化固定層Ａ２が面内磁化膜であると、高いＭＲ比（磁気抵抗変化率）を有し、読み込み時にスピントランスファートルク（ＳＴＴ）による影響を受けにくく、読み取り電圧を大きくできる。一方、素子を微小化したい場合には磁気異方性が大きく、反磁界が小さい、垂直磁化膜を用いることが好ましい。
　磁化固定層Ａ２には、公知の材料を用いることができる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮのうちの１種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Ｃｏ－ＦｅやＣｏ－Ｆｅ－Ｂが挙げられる。
　また磁化固定層Ａ２には、Ｃｏ２ＦｅＳｉなどのホイスラー合金を用いることもできる。ホイスラー合金は、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属でありＸの元素種をとることもでき、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１－ａＦｅａＡｌｂＳｉ１－ｂなどが挙げられる。
　また磁化固定層Ａ２は強磁性層、非磁性層から成るシンセティック構造、あるいは反強磁性層、強磁性層、非磁性層から成るシンセティック構造であってもよい。後者においてはシンセティック構造において磁化固定層Ａ２の磁化方向は反強磁性層によって強く保持される。そのため、磁化固定層Ａ２の磁化が外部からの影響を受けにくくなる。
　磁化固定層Ａ２の磁化をＸＹ面内に配向させる（磁化固定層Ａ２を面内磁化膜にする）場合は、例えば、ＮｉＦｅを用いることが好ましい。一方で磁化固定層Ａ２の磁化をＺ方向に配向させる（磁化固定層Ａ２を垂直磁化膜にする）場合は、例えば、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜等を用いることが好ましい。例えば、磁化固定層Ａ２を［Ｃｏ（０．２４ｎｍ）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）］６／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｐｔ（０．１６ｎｍ）／Ｃｏ（０．１６ｎｍ）］４／Ｔａ（０．２ｎｍ）／ＦｅＢ（１．０ｎｍ）とすると、垂直磁化膜となる。
［非磁性層Ａ３］
　非磁性層Ａ３は、磁化固定層Ａ２の下面に設けられている。磁気抵抗効果素子Ａは、非磁性層Ａ３を介して磁化固定層Ａ２に対する磁化自由層Ａ１の磁化状態の変化を抵抗値変化として読み出す。すなわち、磁化固定層Ａ２、非磁性層Ａ３及び磁化自由層Ａ１は磁気抵抗効果素子Ａとして機能し、非磁性層Ａ３が絶縁体からなる場合はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子と似た構成であり、非磁性層２が金属からなる場合は巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子と似た構成である。
　非磁性層Ａ３の材料としては、磁気抵抗効果素子Ａの非磁性層に用いることができる公知の材料を用いることができる。非磁性層Ａ３が絶縁体からなる場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としてＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４、ＭｇＧａ２Ｏ４、ＺｎＧａ２Ｏ４、ＭｇＩｎ２Ｏ４、ＺｎＩｎ２Ｏ４、及び、これらの材料の多層膜や混合組成膜等を用いることができる。またこれらの他にも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、磁気抵抗比（ＭＲ比）を大きくとることができる。一方で、非磁性層２が金属からなる場合は、その材料としてＣｕ、Ａｌ、Ａｇ等を用いることができる。
　非磁性層Ａ３が絶縁体からなる場合（トンネルバリア層である場合）、その厚みは、例えば２．５ｎｍ以上である。
［磁化自由層Ａ１］
　磁化自由層Ａ１は磁壁駆動型（移動型）ＭＲＡＭの磁壁駆動層に相当する。
　磁化自由層Ａ１は強磁性体材料からなり、その内部の磁化の向きは反転可能である。磁化自由層Ａ１は、磁化が磁化固定層Ａ２と逆向きの第２の方向に配向した第１領域Ａ１１と、磁化が第１の方向と同じ向きに配向した第２領域Ａ１２と、これらの領域の界面をなす磁壁ＤＷとを有する。磁壁ＤＷを挟んで第１領域Ａ１１と第２領域Ａ１２の磁化の向きは反対である。磁壁ＤＷは、磁化自由層Ａ１における第１領域Ａ１１と第２領域Ａ１２の構成比率が変化することで移動する。
　磁化自由層Ａ１の材料には、公知の材料を用いることができ、特に軟磁性材料を適用できる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮのうちの１種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｎｉ－Ｆｅが、磁化自由層Ａ１の材料として挙げられる。
　磁化自由層Ａ１の材料には、飽和磁化が小さい材料を用いることもできる。例えば、（ＭｎＧａ）Ａｓや（ＩｎＦｅ）Ａｓ、あるいはＣｏ／Ｔｂ多層膜やＧｄＦｅＣｏのように飽和磁化が小さい材料を用いると、小さい電流密度で磁化自由層Ａ１の磁壁ＤＷを駆動させることができる。また、これらの材料を用いると、磁壁ＤＷの駆動速度が遅くなる。
　ＮｉＦｅのような磁気異方性が弱い材料は、磁壁ＤＷの駆動速度が速く、１００ｍ／ｓｅｃ以上の速度で磁壁ＤＷが動作する。つまり、磁壁ＤＷは１０ｎｓｅｃのパルスで、１μｍの距離を移動する。したがって、磁化自由層Ａ１を素子内でアナログ的に動かす場合には、高価な半導体回路を用いて微小なパルスを印加するか、集積度を犠牲にして磁化自由層を十分長くするなどの対応が必要となる。これに対し、磁壁ＤＷの駆動速度が遅い材料の場合には、十分長いパルス電流を印加する場合や磁化自由層Ａ１の長さが短い場合でも、アナログメモリを形成することが可能である。
　磁化自由層Ａ１を垂直磁化膜とする場合、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜、及びＣｏＣｒＰｔ合金膜からなる群から選択された垂直磁化膜が好ましい。また、Ｍｎ３Ｘ（Ｘ＝Ｇａ，Ｇｅ）の垂直磁化膜やＣｏ／Ｎｉなどの多層膜による垂直磁化膜を用いることもできる。これらの材料は磁壁駆動のための電流密度が小さくても磁壁ＤＷを駆動させることが可能である。
　磁化自由層Ａ１が長手方向に延在する長さは６０ｎｍ以上であることが好ましい。６０ｎｍ未満では単磁区になりやすく、磁化自由層Ａ１内に磁壁ＤＷが形成されにくい。
　磁化自由層Ａ１の厚さは磁壁駆動層として機能する限り、特に制限はないが、例えば、２ｎｍ～６０ｎｍとすることができる。磁化自由層Ａ１の厚さが６０ｎｍ以上になると、積層方向に磁壁が形成される可能性が高まる。ただし、積層方向に磁壁が形成されるか否かは、磁化自由層Ａ１の形状異方性とのバランスによって生じる。磁化自由層Ａ１の厚さが６０ｎｍ未満であれば、磁壁ＤＷができることは考えにくい。
　磁化自由層Ａ１は、層の側面に磁壁ＤＷの移動を止める磁壁ピン止め部を有してもよい。例えば、磁化自由層Ａ１の磁壁ＤＷの移動を止めたい位置に、凹凸、溝、膨らみ、くびれ、切り欠きなどを設けると、磁壁の移動を止める（ピンする）ことができる。磁壁ピン止め部を有すると、閾値以上の電流を流さないとそれ以上磁壁が移動しない構成とすることができ、出力信号をアナログ的ではなく、多値化し易くなる。
　例えば、磁壁ピン止め部を所定の距離ごとに形成することにより、磁壁ＤＷをより安定的に保持することができ、安定的な多値記録を可能にし、より安定的に多値化された出力信号を読み出すことを可能にする。
　図４に示す例では、磁壁ＤＷを形成するために、磁化自由層Ａ１のうち、平面視において磁化固定層Ａ２に重ならない両端部のそれぞれに、第１領域Ａ１１の磁化と同じ第１の方向の磁化を有する第１磁化供給層Ａ４、及び、第２領域Ａ１２の磁化と同じ第２の方向の磁化を有する第２磁化供給層Ａ５を有する。
　第１磁化供給層Ａ４及び第２磁化供給層Ａ５の材料としては、磁化固定層Ａ２に使える強磁性材料と同じ材料を用いることができる。
　図４に示す例では、磁壁ＤＷを形成するために、磁化自由層Ａ１の両端部のいずれにも磁化が固定された層として第１磁化供給層Ａ４及び第２磁化供給層Ａ５を用いたが、いずれか一方又は両方に、磁化自由層Ａ１に接すると共に磁化自由層Ａ１の長手方向に対して交差する方向に延在するスピン軌道トルク（ＳＯＴ）配線を用いてもよい。スピン軌道トルク配線は、電流が流れるとスピンホール効果によって純スピン流が生成される材料からなるものである。
　かかる構成を有することにより、磁化が固定された層としての磁化供給層を設置することがなくても、スピン軌道トルク配線の両端に電流を流すことにより磁化自由層Ａ１に磁壁を導入することができ、また、スピン軌道トルク配線を介して磁化自由層Ａ１に電流を流すことで、磁壁を移動させることができる。
　また、図４に示す例では、磁壁ＤＷを形成するために、磁化自由層Ａ１の両端部のいずれにも磁化が固定された層として第１磁化供給層Ａ４及び第２磁化供給層Ａ５を用いたが、いずれか一方又は両方に、磁化自由層Ａ１と電気的に絶縁されていると共に、磁化自由層Ａ１に対して交差する方向に延在する磁場印加配線を用いてもよい。磁場印加配線に電流を流すことによりアンペールの法則により磁場が発生する。磁場印加配線に流す電流の向きによって、発生する磁場の向きを逆向きにすることができる。そのため、磁化自由層Ａ１の端部に面内磁化を供給可能に配置することによって、磁場印加配線に流す電流の向きに応じて磁化自由層Ａ１の端部に互いに逆向きの面内磁化方向のうちの一方の面内磁化方向の磁化を供給することができる。また、磁化自由層Ａ１の端部に垂直磁化を供給可能に配置することによって、磁場印加配線に流す電流の向きに応じて磁化自由層Ａ１の端部に互いに逆向きの垂直磁化方向のうちの一方の垂直磁化方向の磁化を供給することができる。
　また、図４に示す例では、磁壁ＤＷを形成するために、磁化自由層Ａ１の両端部のいずれにも磁化が固定された層として第１磁化供給層Ａ４及び第２磁化供給層Ａ５を用いたが、いずれか一方又は両方に、磁化自由層Ａ１に絶縁層を介して接続された電圧印加端子を用いてもよい。磁化固定層Ａ２と電圧印加端子との間に電圧を印加すると、磁化自由層Ａ１の磁化の一部が電圧の影響を受ける。例えば、電圧印加端子から電圧をパルスで印加すると磁化の一部は、電圧印加時には磁化自由層Ａ１の磁化の方向に対して直交する方向に配向し、電圧印加が止まったタイミングでは磁化自由層Ａ１の磁化は第１の方向か又はその逆方向の第２の方向に配向する。この直交する方向に配向した磁化が第１の方向か又はその逆方向の第２の方向に倒れるかは等確率であり、パルス電圧を印加するタイミング、回数、周期を調整することで、磁化の一部を第１の方向から第２の方向に配向させることができる。
　磁化自由層Ａ１と非磁性層Ａ３の間に磁気結合層を設置してもよい。磁気結合層とは、磁化自由層Ａ１の磁化状態を転写する層である。磁化自由層Ａ１の主たる機能は磁壁を駆動させるための層であり、磁化固定層Ａ１と非磁性層Ａ２を介して生じる磁気抵抗効果に適した材料を選択できるとは限らない。一般的に、非磁性層Ａ２を用いたコヒーレントトンネル効果を生じさせるためには、磁化固定層Ａ１や磁気結合層はＢＣＣ構造の強磁性材料が良いことが知られている。特に、磁化固定層Ａ１や磁気結合層の材料として、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂの組成の材料がスパッタによって作成した際に大きな出力が得られることが知られている。
　図５は第１実施形態の積和演算器１によって実行される処理の一例を示すフローチャートである。
　図５に示す例では、積和演算器１は、積演算部１０および和演算部１１によって通常の積和演算が行われる通常モードと、検査部１３による積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣの検査などが行われる検査モードとを備える。
　ステップＳ１０では、積和演算器１が通常モードであるか、あるいは、検査モードであるかを判定する。積和演算器１が通常モードである場合には、ステップＳ１１に進む。積和演算器１が検査モードである場合には、ステップＳ１２に進む。
　ステップＳ１１では、積演算部１０および和演算部１１が、通常の積和演算を行う。
　ステップＳ１２では、検査部１３が、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣの検査を行う。詳細には、上述したように、検査部１３は、積演算素子１０ＡＡが故障しているか否かの検査、積演算素子１０ＡＢが故障しているか否かの検査、積演算素子１０ＡＣが故障しているか否かの検査、積演算素子１０ＢＡが故障しているか否かの検査、積演算素子１０ＢＢが故障しているか否かの検査、および、積演算素子１０ＢＣが故障しているか否かの検査を行う。
　次いで、ステップＳ１３では、例えば機能置換部１４が、検査部１３の検査結果に基づいて、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣのいずれかが故障しているか否かを判定する。積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣのいずれかが故障している場合にはステップＳ１４に進み、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣのすべてが正常である場合には、図５に示すルーチンを終了する。
　ステップＳ１４では、機能置換部１４が、故障している積演算素子から代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸへの機能置換を行う。つまり、機能置換部１４は、故障している積演算素子が故障前に行っていた積演算を代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸに行わせる。
　例えば、積演算素子１０ＡＡが故障していると検査部１３が判定した場合に、機能置換部１４は、故障している積演算素子１０ＡＡが故障前に行っていた積演算を代替素子１０ＡＸに行わせる。具体的には、例えば、機能置換部１４は、代替素子１０ＡＸの抵抗値を、上述した中間値から、故障前の積演算素子１０ＡＡの抵抗値に変更する。
　例えば、故障前の積演算素子１０ＡＡの抵抗値は、記憶部（図示せず）に格納されている。機能置換部１４は、記憶部からその抵抗値を読み出すと共に、代替素子１０ＡＸの抵抗値をその抵抗値に変更する。
　同様に、積演算素子１０ＡＢが故障していると検査部１３が判定した場合に、機能置換部１４は、故障している積演算素子１０ＡＢが故障前に行っていた積演算を代替素子１０ＡＸに行わせる。また、積演算素子１０ＡＣが故障していると検査部１３が判定した場合に、機能置換部１４は、故障している積演算素子１０ＡＣが故障前に行っていた積演算を代替素子１０ＡＸに行わせる。
　また、積演算素子１０ＢＡが故障していると検査部１３が判定した場合に、機能置換部１４は、故障している積演算素子１０ＢＡが故障前に行っていた積演算を代替素子１０ＢＸに行わせる。具体的には、例えば、機能置換部１４は、代替素子１０ＢＸの抵抗値を、上述した中間値から、故障前の積演算素子１０ＢＡの抵抗値に変更する。
　同様に、積演算素子１０ＢＢが故障していると検査部１３が判定した場合に、機能置換部１４は、故障している積演算素子１０ＢＢが故障前に行っていた積演算を代替素子１０ＢＸに行わせる。また、積演算素子１０ＢＣが故障していると検査部１３が判定した場合に、機能置換部１４は、故障している積演算素子１０ＢＣが故障前に行っていた積演算を代替素子１０ＢＸに行わせる。
　図６は第１実施形態の積和演算器１の一部の構成の第２例を示す図である。
　図１に示す例では、上述したように、代替素子１０ＡＸが、複数の積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣを隔てて出力検出器１１Ａの反対側（図１の上側）に配置され、代替素子１０ＢＸが、複数の積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＢ、１０ＢＣを隔てて出力検出器１１Ｂの反対側（図１の上側）に配置されている。
　一方、図６に示す例では、出力検出器１１Ａが、代替素子１０ＡＸを隔てて複数の積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣの反対側（図６の下側）に配置され、出力検出器１１Ｂが、代替素子１０ＢＸを隔てて複数の積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＢ、１０ＢＣの反対側（図６の下側）に配置されている。
　つまり、図６は、代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸが図６の下側に配置される場合に、代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸが図６の上側に配置される場合よりも、積和演算器１の配線抵抗の観点から好ましい（例えば、積和演算器１の消費電力が抑制される）例を示している。
　図７は第１実施形態の積和演算器１の一部の構成の第３例を示す図である。
　図７に示す例では、代替素子１０ＡＸが、複数の積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣのうちの積演算素子１０ＡＡと積演算素子１０ＡＣとの間に配置され、代替素子１０ＢＸが、複数の積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＢ、１０ＢＣのうちの積演算素子１０ＢＡと積演算素子１０ＢＣとの間に配置されている。
　つまり、図７は、代替素子１０ＡＸが複数の積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣの間に配置され、代替素子１０ＢＸが複数の積演算素子１０ＢＡ～１０ＢＣの間に配置される場合に、代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸが図７の上端部または下端部（詳細には、積演算素子１０ＡＣ、１０ＢＣと出力検出器１１Ａ、１１Ｂとの間）に配置される場合よりも、積和演算器１の配線抵抗の観点から好ましい（例えば、積和演算器１の消費電力が抑制される）例を示している。
　図８は第１実施形態の積和演算器１の適用例を示す図である。
　図８に示す例では、第１実施形態の積和演算器１が、ニューロモーフィックデバイス１００に適用されている。ニューロモーフィックデバイス１００は、入力層１０１と、隠れ層１０２と、出力層１０３と、第１実施形態の積和演算器１と、積和演算器２とを備えている。積和演算器２は、図１、図６または図７に示す第１実施形態の積和演算器１と同様に複数の積演算素子を有する。
　入力層１０１は、例えば４つのノード１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ、１０１Ｄを備えている。隠れ層１０２は、例えば３つのノード１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃを備えている。出力層１０３は、例えば３つのノード１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃを備えている。
　積和演算器１は、入力層１０１と隠れ層１０２との間に配置され、入力層１０１の４つのノード１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ、１０１Ｄと、隠れ層１０２の３つのノード１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃとを接続する。積和演算器１は、図１、図６または図７に示す積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣの抵抗値を変更することによって、重みを変更する。
　隠れ層１０２と出力層１０３との間には、積和演算器２が配置されている。積和演算器２は、隠れ層１０２の３つのノード１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃと、出力層１０３の３つのノード１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃとを接続する。積和演算器２は、複数の積演算素子の抵抗値を変更することによって、重みを変更する。
　隠れ層１０２は、活性化関数（例えばシグモイド関数）を使用する。
　本発明者は、鋭意研究において、積和演算器１を構成する積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣの特性が何らかの要因で変化すると（詳細には、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣが故障すると）、ニューロモーフィックデバイス１００の機能が低下することを見い出した。
　そこで、第１実施形態の積和演算器１では、上述したように、複数の積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣのいずれかが故障した場合に故障した積演算素子の代わりに用いられる代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸが備えられている。
　そのため、第１実施形態の積和演算器１では、複数の積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣのいずれかが故障した場合に、故障している積演算素子が故障前に行っていた積演算を代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸに行わせることによって、代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸが備えられていない場合よりも、ニューロモーフィックデバイス１００の機能低下を抑制することができる。
　詳細には、第１実施形態の積和演算器１の使用時に、上述したように、検査部１３が、出力検出器１１Ａによって検出される積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣからの出力に基づいて、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣのそれぞれが故障しているか否かを判定し、出力検出器１１Ｂによって検出される積演算素子１０ＢＡ～１０ＢＣからの出力に基づいて、積演算素子１０ＢＡ～１０ＢＣのそれぞれが故障しているか否かを判定する。
　そのため、第１実施形態の積和演算器１によれば、積和演算器１の製造段階のみならず、積和演算器１の使用時においても、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣの故障を検知することができる。
　また、第１実施形態の積和演算器１では、上述したように、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣのいずれかが故障していることを検査部１３が検知した場合に、機能置換部１４が、故障している積演算素子が故障前に行っていた積演算を代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸに行わせる。
　そのため、第１実施形態の積和演算器１によれば、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣのいずれかが故障した場合であっても、積和演算器１を正常に動作させ続けることができ、第１実施形態の積和演算器１がニューラルネットワークに適用される場合にニューラルネットワークの性能を維持することができる。
　また、第１実施形態の積和演算器１では、上述したように、故障している積演算素子が故障前に行っていた積演算を行う代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸの抵抗値は、代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸの抵抗値変動範囲の最小値よりも大きく抵抗値変動範囲の最大値よりも小さい中間値に予め設定されている。
　そのため、第１実施形態の積和演算器１によれば、代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸの抵抗値が、上述した中間値から、故障前の積演算素子の抵抗値に変更される場合の抵抗値変更所要時間を、平均的に短くすることができる。
　また、第１実施形態の積和演算器１では、上述したように、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣおよび代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸのそれぞれは、書き込み端子ＡＡと、共通端子ＡＢと、読み出し端子ＡＣとを有し、磁気抵抗効果を示す磁気抵抗効果素子Ａである。また、磁気抵抗効果素子Ａは、磁壁ＤＷを有する磁化自由層Ａ１と、磁化方向が固定された磁化固定層Ａ２と、磁化自由層Ａ１と磁化固定層Ａ２とに挟まれた非磁性層Ａ３とを有する。
　つまり、第１実施形態の積和演算器１では、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣとして、正常動作時における抵抗値と、故障時（詳細には、出力電流が大きくなる故障時）における抵抗値との差が大きい素子が用いられる。
　そのため、第１実施形態の積和演算器１によれば、正常動作時における抵抗値と、故障時（詳細には、出力電流が大きくなる故障時）における抵抗値との差が小さい素子が用いられる場合よりも、ニューラルネットワークの性能を大きく損なうおそれがある故障を正確に検知することができる。
　上述した例では、第１実施形態の積和演算器１の使用中に積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣのいずれかが故障した場合に、故障した積演算素子の代わりに代替素子１０ＡＸが用いられ、積和演算器１の使用中に積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＢ、１０ＢＣのいずれかが故障した場合に、故障した積演算素子の代わりに代替素子１０ＢＸが用いられる。
　他の例では、第１実施形態の積和演算器１の製造時に積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣのいずれかの故障（不良）が判明した場合に、不良の（故障した）積演算素子の代わりに代替素子１０ＡＸを用い、積和演算器１の製造時に積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＢ、１０ＢＣのいずれかの故障（不良）が判明した場合に、不良の（故障した）積演算素子の代わりに代替素子１０ＢＸを用いてもよい。
＜第２実施形態＞（抵抗変化素子が一般的な可変抵抗）
　以下、本発明の積和演算器の第２実施形態について説明する。
　第２実施形態の積和演算器１は、後述する点を除き、上述した第１実施形態の積和演算器１と同様に構成されている。従って、第２実施形態の積和演算器１によれば、後述する点を除き、上述した第１実施形態の積和演算器１と同様の効果を奏することができる。
　図９は第２実施形態の積和演算器１の一部の構成の一例を示す図である。
　第１実施形態の積和演算器１では、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣおよび代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸが磁気抵抗効果素子によって構成されているが、第２実施形態の積和演算器１では、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣおよび代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸが一般的な抵抗変化素子（可変抵抗）によって構成されている。
　詳細には、図１に示す例では、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣおよび代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸのそれぞれが、読み出し端子と、書き込み端子と、共通端子とを備えているが、図９に示す例では、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣおよび代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸのそれぞれが、第１端子と、第２端子とを備えている。
　図９に示す例では、積演算素子１０ＡＡ、１０ＢＡの第１端子は、ラインＬ１１に接続されている。積演算素子１０ＡＢ、１０ＢＢの第１端子は、ラインＬ２１に接続されている。積演算素子１０ＡＣ、１０ＢＣの第１端子は、ラインＬ３１に接続されている。代替素子１０ＡＸ、１０ＢＸの第１端子は、ラインＬＸ１に接続されている。
　積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣおよび代替素子１０ＡＸの第２端子は、ラインＭ１に接続されている。積演算素子１０ＢＡ～１０ＢＣおよび代替素子１０ＢＸの第２端子は、ラインＭ２に接続されている。
　和演算部１１は、代替素子１０ＡＸが用いられない場合に積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣの第２端子からの出力の合計値を検出する出力検出器１１Ａと、代替素子１０ＢＸが用いられない場合に積演算素子１０ＢＡ～１０ＢＣの第２端子からの出力の合計値を検出する出力検出器１１Ｂとを備えている。
＜第３実施形態＞（予備カラム）
　以下、本発明の積和演算器の第３実施形態について説明する。
　第３実施形態の積和演算器１は、後述する点を除き、上述した第１実施形態の積和演算器１と同様に構成されている。従って、第３実施形態の積和演算器１によれば、後述する点を除き、上述した第１実施形態の積和演算器１と同様の効果を奏することができる。
　図１０は第３実施形態の積和演算器１の一部の構成の一例を示す図である。
　図１に示す例では、積演算部１０が予備カラムを備えていないが、図１０に示す例では、積演算部１０が予備カラム１０Ｘを備えている。
　また、図１０に示す例では、予備カラム１０Ｘが、積演算用代替素子１０ＸＡと、積演算用代替素子１０ＸＢと、積演算用代替素子１０ＸＣとを備えている。予備カラム１０Ｘは、カラム１０Ａの積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣのいずれかが故障した場合に、カラム１０Ａの代わりに用いられる。また、予備カラム１０Ｘは、カラム１０Ｂの積演算素子１０ＢＡ～１０ＢＣのいずれかが故障した場合に、カラム１０Ｂの代わりに用いられる。
　図１０に示す例では、複数の積演算用代替素子１０ＸＡ～１０ＸＣのそれぞれは、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣと同様に、読み出し端子と、書き込み端子と、共通端子とを備える抵抗変化素子である。
　積演算用代替素子１０ＸＡの読み出し端子は、ラインＬ１１に接続されている。ラインＬ１１は、積演算素子１０ＡＡ、１０ＢＡおよび積演算用代替素子１０ＸＡに対して信号を入力する入力部１２Ａに接続されている。積演算用代替素子１０ＸＡの書き込み端子は、ラインＬ１２に接続されている。
　積演算用代替素子１０ＸＢの読み出し端子は、ラインＬ２１に接続されている。ラインＬ２１は、積演算素子１０ＡＢ、１０ＢＢおよび積演算用代替素子１０ＸＢに対して信号を入力する入力部１２Ｂに接続されている。積演算用代替素子１０ＸＢの書き込み端子は、ラインＬ２２に接続されている。
　積演算用代替素子１０ＸＣの読み出し端子は、ラインＬ３１に接続されている。ラインＬ３１は、積演算素子１０ＡＣ、１０ＢＣおよび積演算用代替素子１０ＸＣに対して信号を入力する入力部１２Ｃに接続されている。積演算用代替素子１０ＸＣの書き込み端子は、ラインＬ３２に接続されている。
　積演算用代替素子１０ＸＡ、１０ＸＢ、１０ＸＣの共通端子は、ラインＭＸに接続されている。
　つまり、図１に示す例では、入力部１２ＸおよびラインＬＸ１、ＬＸ２が備えられているが、図１０に示す例では、入力部１２ＸおよびラインＬＸ１、ＬＸ２が備えられていない。
　図１０に示す例では、和演算部１１が、出力検出器１１Ａと出力検出器１１Ｂと代替用出力検出器１１Ｘとを備えている。代替用出力検出器１１ＸはラインＭＸに配置されている。代替用出力検出器１１Ｘは、積演算用代替素子１０ＸＡ、１０ＸＢ、１０ＸＣからの出力の合計値を検出する。
　カラム１０Ａの積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣのすべてが正常であって、カラム１０Ｂの積演算素子１０ＢＡ～１０ＢＣのすべてが正常である場合に、予備カラム１０Ｘの積演算用代替素子１０ＸＡ～１０ＸＣは用いられない。
　例えばカラム１０Ａの積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣのいずれかが故障した場合に、カラム１０Ａの代わりに予備カラム１０Ｘが用いられる。詳細には、カラム１０Ａの積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣの代わりに、予備カラム１０Ｘの積演算用代替素子１０ＸＡ～１０ＸＣが用いられる。
　また、カラム１０Ｂの積演算素子１０ＢＡ～１０ＢＣのいずれかが故障した場合に、カラム１０Ｂの代わりに予備カラム１０Ｘが用いられる。詳細には、カラム１０Ｂの積演算素子１０ＢＡ～１０ＢＣの代わりに、予備カラム１０Ｘの積演算用代替素子１０ＸＡ～１０ＸＣが用いられる。
　詳細には、第３実施形態の積和演算器１では、複数の積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣのいずれかが故障していることを検査部１３（図２参照）が検知した場合に、機能置換部１４（図２参照）は、複数の積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣが故障前に行っていた積演算を複数の積演算用代替素子１０ＸＡ、１０ＸＢ、１０ＸＣに行わせる。その場合に、機能置換部１４は、複数の積演算用代替素子１０ＸＡ、１０ＸＢ、１０ＸＣの抵抗値を、故障前の複数の積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣの抵抗値と等しい値に設定する。
　また、複数の積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＢ、１０ＢＣのいずれかが故障していることを検査部１３が検知した場合に、機能置換部１４は、複数の積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＢ、１０ＢＣが故障前に行っていた積演算を複数の積演算用代替素子１０ＸＡ、１０ＸＢ、１０ＸＣに行わせる。その場合に、機能置換部１４は、複数の積演算用代替素子１０ＸＡ、１０ＸＢ、１０ＸＣの抵抗値を、故障前の複数の積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＢ、１０ＢＣの抵抗値と等しい値に設定する。
　図１０に示す例では、積演算部１０が、１つの予備カラム１０Ｘを備えているが、他の例では、積演算部１０が、２以上の任意の数の予備カラムを備えていてもよい。
　図１１は第３実施形態の積和演算器１によって実行される処理の一例を示すフローチャートである。
　図１１に示す例では、積和演算器１は、積演算部１０および和演算部１１によって通常の積和演算が行われる通常モードと、検査部１３による積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣの検査などが行われる検査モードとを備える。
　ステップＳ１０では、積和演算器１が、図５のステップＳ１０と同様の処理を実行する。
　ステップＳ１１では、積演算部１０および和演算部１１が、図５のステップＳ１１と同様の処理を実行する。
　ステップＳ１２では、検査部１３が、図５のステップＳ１２と同様の処理を実行する。
　次いで、ステップＳ１３では、例えば機能置換部１４が、図５のステップＳ１３と同様の処理を実行する。積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣのいずれかが故障している場合にはステップＳ２０に進み、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣのすべてが正常である場合には、図１１に示すルーチンを終了する。
　ステップＳ２０では、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣのいずれかが故障している場合に、機能置換部１４は、複数の積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣが故障前に行っていた積演算を複数の積演算用代替素子１０ＸＡ、１０ＸＢ、１０ＸＣに行わせる。また、積演算素子１０ＢＡ～１０ＢＣのいずれかが故障している場合に、機能置換部１４は、複数の積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＢ、１０ＢＣが故障前に行っていた積演算を複数の積演算用代替素子１０ＸＡ、１０ＸＢ、１０ＸＣに行わせる。
　次いで、ステップＳ２１では、機能置換部１４は、複数の積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣが故障前に行っていた積演算を複数の積演算用代替素子１０ＸＡ、１０ＸＢ、１０ＸＣに行わせる場合に、複数の積演算用代替素子１０ＸＡ、１０ＸＢ、１０ＸＣの抵抗値を、故障前の複数の積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣの抵抗値と等しい値に設定する。例えば、故障前の積演算素子１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＡＣの抵抗値は、記憶部（図示せず）に格納されている。機能置換部１４は、記憶部からそれらの抵抗値を読み出すと共に、複数の積演算用代替素子１０ＸＡ、１０ＸＢ、１０ＸＣの抵抗値をそれらの抵抗値に変更する。
　また、機能置換部１４は、複数の積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＢ、１０ＢＣが故障前に行っていた積演算を複数の積演算用代替素子１０ＸＡ、１０ＸＢ、１０ＸＣに行わせる場合に、複数の積演算用代替素子１０ＸＡ、１０ＸＢ、１０ＸＣの抵抗値を、故障前の複数の積演算素子１０ＢＡ、１０ＢＢ、１０ＢＣの抵抗値と等しい値に設定する。
＜第４実施形態＞（抵抗変化素子が一般的な可変抵抗）
　以下、本発明の積和演算器の第４実施形態について説明する。
　第４実施形態の積和演算器１は、後述する点を除き、上述した第３実施形態の積和演算器１と同様に構成されている。従って、第４実施形態の積和演算器１によれば、後述する点を除き、上述した第３実施形態の積和演算器１と同様の効果を奏することができる。
　図１２は第４実施形態の積和演算器１の一部の構成の一例を示す図である。
　第３実施形態の積和演算器１では、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣおよび積演算用代替素子１０ＸＡ～１０ＸＣが磁気抵抗効果素子によって構成されているが、第４実施形態の積和演算器１では、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣおよび積演算用代替素子１０ＸＡ～１０ＸＣが一般的な抵抗変化素子（可変抵抗）によって構成されている。
　詳細には、図１０に示す例では、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣおよび積演算用代替素子１０ＸＡ～１０ＸＣのそれぞれが、読み出し端子と、書き込み端子と、共通端子とを備えているが、図１２に示す例では、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣ、１０ＢＡ～１０ＢＣおよび積演算用代替素子１０ＸＡ～１０ＸＣのそれぞれが、第１端子と、第２端子とを備えている。
　図１２に示す例では、積演算素子１０ＡＡ、１０ＢＡおよび積演算用代替素子１０ＸＡの第１端子は、ラインＬ１１に接続されている。積演算素子１０ＡＢ、１０ＢＢ積演算用代替素子１０ＸＢの第１端子は、ラインＬ２１に接続されている。積演算素子１０ＡＣ、１０ＢＣ積演算用代替素子１０ＸＣの第１端子は、ラインＬ３１に接続されている。
　積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣの第２端子は、ラインＭ１に接続されている。積演算素子１０ＢＡ～１０ＢＣの第２端子は、ラインＭ２に接続されている。積演算用代替素子１０ＸＡ～１０ＸＣの第２端子は、ラインＭＸに接続されている。
　和演算部１１は、積演算素子１０ＡＡ～１０ＡＣの第２端子からの出力の合計値を検出する出力検出器１１Ａと、積演算素子１０ＢＡ～１０ＢＣの第２端子からの出力の合計値を検出する出力検出器１１Ｂと、積演算用代替素子１０ＸＡ～１０ＸＣの第２端子からの出力の合計値を検出する代替用出力検出器１１Ｘとを備えている。
＜第５実施形態＞
　以下、本発明の積和演算器の第５実施形態について説明する。
　第５実施形態の積和演算器１は、後述する点を除き、上述した第１実施形態の積和演算器１と同様に構成されている。従って、第５実施形態の積和演算器１によれば、後述する点を除き、上述した第１実施形態の積和演算器１と同様の効果を奏することができる。
　図１３は第５実施形態の積和演算器１の一部の構成の一例を示す図である。図１４は第５実施形態の積和演算器１の全体構成の一例を示す図である。
　図１３および図１４に示す例では、第５実施形態の積和演算器１が、積演算部１０と、和演算部１１と、入力部１２と、検査部１３と、機能置換部１４とを備えている。積演算部１０は、カラム１０Ａと、カラム１０Ｂとを備えている。入力部１２は、可変入力部１２１Ａ、１２１Ｂと、固定入力部１２２Ａ、１２２Ｘとを備えている。
　図１３に示す例では、カラム１０Ａが、可変入力用積演算素子１０Ａ１Ａ、１０Ａ１Ｂと、固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａと、固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘとを備えている。固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘは、固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａが故障した場合に固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａの代わりに用いられる。カラム１０Ｂは、可変入力用積演算素子１０Ｂ１Ａ、１０Ｂ１Ｂと、固定入力用積演算素子１０Ｂ２Ａと、固定入力用代替素子１０Ｂ２Ｘとを備えている。固定入力用代替素子１０Ｂ２Ｘは、固定入力用積演算素子１０Ｂ２Ａが故障した場合に固定入力用積演算素子１０Ｂ２Ａの代わりに用いられる。
　図１３に示す例では、カラム１０Ａが２つの可変入力用積演算素子１０Ａ１Ａ、１０Ａ１Ｂと１つの固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａと、１つの固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘとを備え、カラム１０Ｂが２つの可変入力用積演算素子１０Ｂ１Ａ、１０Ｂ１Ｂと１つの固定入力用積演算素子１０Ｂ２Ａと、１つの固定入力用代替素子１０Ｂ２Ｘとを備えているが、他の例では、カラム１０Ａが、２以外の任意の数（詳細には、複数）の可変入力用積演算素子と１以外の任意の数の固定入力用積演算素子と、１以外の任意の数の固定入力用代替素子とを備え、カラム１０Ｂが、２以外の任意の数（詳細には、複数）の可変入力用積演算素子と１以外の任意の数の固定入力用積演算素子と、１以外の任意の数の固定入力用代替素子とを備えてもよい。
　図１３に示す例では、複数の可変入力用積演算素子１０Ａ１Ａ、１０Ａ１Ｂ、１０Ｂ１Ａ、１０Ｂ１Ｂ、複数の固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａ、１０Ｂ２Ａおよび複数の固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘ、１０Ｂ２Ｘのそれぞれは、読み出し端子と、書き込み端子と、共通端子とを備える抵抗変化素子である。
　可変入力用積演算素子１０Ａ１Ａ、１０Ｂ１Ａの読み出し端子は、ラインＬ１１に接続されている。ラインＬ１１は、可変入力用積演算素子１０Ａ１Ａ、１０Ｂ１Ａに対して可変信号を入力する可変入力部１２１Ａに接続されている。可変入力用積演算素子１０Ａ１Ａ、１０Ｂ１Ａの書き込み端子は、ラインＬ１２に接続されている。
　可変入力用積演算素子１０Ａ１Ｂ、１０Ｂ１Ｂの読み出し端子は、ラインＬ２１に接続されている。ラインＬ２１は、可変入力用積演算素子１０Ａ１Ｂ、１０Ｂ１Ｂに対して可変信号を入力する可変入力部１２１Ｂに接続されている。可変入力用積演算素子１０Ａ１Ｂ、１０Ｂ１Ｂの書き込み端子は、ラインＬ２２に接続されている。
　固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａ、１０Ｂ２Ａの読み出し端子は、ラインＬ３１に接続されている。ラインＬ３１は、固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａ、１０Ｂ２Ａに対して定められた信号である固定信号を入力する固定入力部１２２Ａに接続されている。固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａ、１０Ｂ２Ａの書き込み端子は、ラインＬ３２に接続されている。
　固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘ、１０Ｂ２Ｘの読み出し端子は、ラインＬ４１に接続されている。ラインＬ４１は、固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘ、１０Ｂ２Ｘに対して定められた信号である固定信号を入力する固定入力部１２２Ｘに接続されている。固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘ、１０Ｂ２Ｘの書き込み端子は、ラインＬ４２に接続されている。
　固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａ、１０Ｂ２Ａおよび固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘ、１０Ｂ２Ｘに対して入力される固定信号は、可変入力用積演算素子１０Ａ１Ａ、１０Ａ１Ｂ、１０Ｂ１Ａ、１０Ｂ１Ｂに対して入力される可変信号に同期させられる。
　可変入力用積演算素子１０Ａ１Ａ、１０Ａ１Ｂ、固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａおよび固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘの共通端子は、ラインＭ１に接続されている。可変入力用積演算素子１０Ｂ１Ａ、１０Ｂ１Ｂ、固定入力用積演算素子１０Ｂ２Ａおよび固定入力用代替素子１０Ｂ２Ｘの共通端子は、ラインＭ２に接続されている。
　和演算部１１は、出力検出器１１Ａ、１１Ｂを備えている。
　固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘが用いられない場合に、出力検出器１１Ａは、可変入力用積演算素子１０Ａ１Ａ、１０Ａ１Ｂおよび固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａからの出力の合計値を検出する。例えば固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａが故障した場合であって、故障した固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａの代わりに固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘが用いられる場合に、出力検出器１１Ａは、可変入力用積演算素子１０Ａ１Ａ、１０Ａ１Ｂおよび固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘからの出力の合計値を検出する。
　固定入力用代替素子１０Ｂ２Ｘが用いられない場合に、出力検出器１１Ｂは、可変入力用積演算素子１０Ｂ１Ａ、１０Ｂ１Ｂおよび固定入力用積演算素子１０Ｂ２Ａからの出力の合計値を検出する。例えば固定入力用積演算素子１０Ｂ２Ａが故障した場合であって、故障した固定入力用積演算素子１０Ｂ２Ａの代わりに固定入力用代替素子１０Ｂ２Ｘが用いられる場合に、出力検出器１１Ｂは、可変入力用積演算素子１０Ｂ１Ａ、１０Ｂ１Ｂおよび固定入力用代替素子１０Ｂ２Ｘからの出力の合計値を検出する。
　出力検出器１１ＡはラインＭ１に配置されている。出力検出器１１ＢはラインＭ２に配置されている。
　図１３および図１４に示す例では、検査部１３は、固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａが故障しているか否かを検査する。
　例えば、固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａが故障しているか否かを検査するために、可変入力部１２１Ａが可変入力用積演算素子１０Ａ１Ａに対して信号を入力しない状態、かつ、可変入力部１２１Ｂが可変入力用積演算素子１０Ａ１Ｂに対して信号を入力しない状態、かつ、固定入力部１２２Ｘが固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘに対して信号を入力しない状態、かつ、固定入力部１２２Ａが固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａに対して信号を入力する状態で、出力検出器１１Ａが、固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａからの出力を検出する。この状態では、可変入力用積演算素子１０Ａ１Ａからの出力がゼロであり、可変入力用積演算素子１０Ａ１Ｂからの出力がゼロであり、固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘからの出力がゼロである。また、検査部１３は、出力検出器１１Ａの検出値に基づいて、固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａが故障しているか否かを判定する。
　また、図１３および図１４に示す例では、検査部１３は、固定入力用積演算素子１０Ｂ２Ａが故障しているか否かを検査する。
　例えば、固定入力用積演算素子１０Ｂ２Ａが故障しているか否かを検査するために、可変入力部１２１Ａが可変入力用積演算素子１０Ｂ１Ａに対して信号を入力しない状態、かつ、可変入力部１２１Ｂが可変入力用積演算素子１０Ｂ１Ｂに対して信号を入力しない状態、かつ、固定入力部１２２Ｘが固定入力用代替素子１０Ｂ２Ｘに対して信号を入力しない状態、かつ、固定入力部１２２Ａが固定入力用積演算素子１０Ｂ２Ａに対して信号を入力する状態で、出力検出器１１Ｂが、固定入力用積演算素子１０Ｂ２Ａからの出力を検出する。この状態では、可変入力用積演算素子１０Ｂ１Ａからの出力がゼロであり、可変入力用積演算素子１０Ｂ１Ｂからの出力がゼロであり、固定入力用代替素子１０Ｂ２Ｘからの出力がゼロである。また、検査部１３は、出力検出器１１Ｂの検出値に基づいて、固定入力用積演算素子１０Ｂ２Ａが故障しているか否かを判定する。
　機能置換部１４は、固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａが故障していることを検査部１３が検知した場合に、故障している固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａが故障前に行っていた積演算を固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘに行わせる。
　故障している固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａが故障前に行っていた積演算を行う固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘの抵抗値は、固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘの抵抗値変動範囲の最小値よりも大きく抵抗値変動範囲の最大値よりも小さい中間値に予め設定されている。
　また、機能置換部１４は、固定入力用積演算素子１０Ｂ２Ａが故障していることを検査部１３が検知した場合に、故障している固定入力用積演算素子１０Ｂ２Ａが故障前に行っていた積演算を固定入力用代替素子１０Ｂ２Ｘに行わせる。
　故障している固定入力用積演算素子１０Ｂ２Ａが故障前に行っていた積演算を行う固定入力用代替素子１０Ｂ２Ｘの抵抗値は、固定入力用代替素子１０Ｂ２Ｘの抵抗値変動範囲の最小値よりも大きく抵抗値変動範囲の最大値よりも小さい中間値に予め設定されている。
　図１３に示す例では、固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘが、固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａに隣接して配置されている。また、固定入力用代替素子１０Ｂ２Ｘは、固定入力用積演算素子１０Ｂ２Ａに隣接して配置されている。
　第５実施形態の積和演算器１は、図５に示す例と同様の処理を実行する。
　第５実施形態の積和演算器１では、図５のステップＳ１２において、検査部１３が、固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａ、１０Ｂ２Ａの検査を行う。詳細には、上述したように、検査部１３は、固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａが故障しているか否かの検査、および、固定入力用積演算素子１０Ｂ２Ａが故障しているか否かの検査を行う。
　第５実施形態の積和演算器１では、図５のステップＳ１３において、例えば機能置換部１４が、検査部１３の検査結果に基づいて、固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａ、１０Ｂ２Ａのいずれかが故障しているか否かを判定する。固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａ、１０Ｂ２Ａのいずれかが故障している場合にはステップＳ１４に進み、固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａ、１０Ｂ２Ａのすべてが正常である場合には、図５に示すルーチンを終了する。
　第５実施形態の積和演算器１では、図５のステップＳ１４において、機能置換部１４が、故障している固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａ、１０Ｂ２Ａから固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘ、１０Ｂ２Ｘへの機能置換を行う。つまり、機能置換部１４は、故障している固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘ、１０Ｂ２Ｘが故障前に行っていた積演算を固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘ、１０Ｂ２Ｘに行わせる。
　例えば、固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａが故障していると検査部１３が判定した場合に、機能置換部１４は、故障している固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａが故障前に行っていた積演算を固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘに行わせる。具体的には、例えば、機能置換部１４は、固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘの抵抗値を、上述した中間値から、故障前の固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａの抵抗値に変更する。
　例えば、故障前の固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａの抵抗値は、記憶部に格納されている。機能置換部１４は、記憶部からその抵抗値を読み出すと共に、固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘの抵抗値をその抵抗値に変更する。
　同様に、固定入力用積演算素子１０Ｂ２Ａが故障していると検査部１３が判定した場合に、機能置換部１４は、故障している固定入力用積演算素子１０Ｂ２Ａが故障前に行っていた積演算を固定入力用代替素子１０Ｂ２Ｘに行わせる。具体的には、例えば、機能置換部１４は、固定入力用代替素子１０Ｂ２Ｘの抵抗値を、上述した中間値から、故障前の固定入力用積演算素子１０Ｂ２Ａの抵抗値に変更する。
＜第６実施形態＞（抵抗変化素子が一般的な可変抵抗）
　以下、本発明の積和演算器の第６実施形態について説明する。
　第６実施形態の積和演算器１は、後述する点を除き、上述した第５実施形態の積和演算器１と同様に構成されている。従って、第６実施形態の積和演算器１によれば、後述する点を除き、上述した第５実施形態の積和演算器１と同様の効果を奏することができる。
　図１５は第６実施形態の積和演算器１の一部の構成の一例を示す図である。
　第１実施形態の積和演算器１では、可変入力用積演算素子１０Ａ１Ａ、１０Ａ１Ｂ、１０Ｂ１Ａ、１０Ｂ１Ｂ、固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａ、１０Ｂ２Ａおよび固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘ、１０Ｂ２Ｘが磁気抵抗効果素子によって構成されているが、第６実施形態の積和演算器１では、可変入力用積演算素子１０Ａ１Ａ、１０Ａ１Ｂ、１０Ｂ１Ａ、１０Ｂ１Ｂ、固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａ、１０Ｂ２Ａおよび固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘ、１０Ｂ２Ｘが一般的な抵抗変化素子（可変抵抗）によって構成されている。
　詳細には、図１３に示す例では、可変入力用積演算素子１０Ａ１Ａ、１０Ａ１Ｂ、１０Ｂ１Ａ、１０Ｂ１Ｂ、固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａ、１０Ｂ２Ａおよび固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘ、１０Ｂ２Ｘのそれぞれが、読み出し端子と、書き込み端子と、共通端子とを備えているが、図１５に示す例では、可変入力用積演算素子１０Ａ１Ａ、１０Ａ１Ｂ、１０Ｂ１Ａ、１０Ｂ１Ｂ、固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａ、１０Ｂ２Ａおよび固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘ、１０Ｂ２Ｘのそれぞれが、第１端子と、第２端子とを備えている。
　図１５に示す例では、可変入力用積演算素子１０Ａ１Ａ、１０Ｂ１Ａの第１端子は、ラインＬ１１に接続されている。可変入力用積演算素子１０Ａ１Ｂ、１０Ｂ１Ｂの第１端子は、ラインＬ２１に接続されている。固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａ、１０Ｂ２Ａの第１端子は、ラインＬ３１に接続されている。固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘ、１０Ｂ２Ｘの第１端子は、ラインＬＸ１に接続されている。
　可変入力用積演算素子１０Ａ１Ａ、１０Ａ１Ｂ、固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａおよび固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘの第２端子は、ラインＭ１に接続されている。可変入力用積演算素子１０Ｂ１Ａ、１０Ｂ１Ｂ、固定入力用積演算素子１０Ｂ２Ａおよび固定入力用代替素子１０Ｂ２Ｘの第２端子は、ラインＭ２に接続されている。
　和演算部１１は、固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘが用いられない場合に可変入力用積演算素子１０Ａ１Ａ、１０Ａ１Ｂおよび固定入力用積演算素子１０Ａ２Ａの第２端子からの出力の合計値を検出する出力検出器１１Ａと、固定入力用代替素子１０Ａ２Ｘが用いられない場合に可変入力用積演算素子１０Ｂ１Ａ、１０Ｂ１Ｂおよび固定入力用積演算素子１０Ｂ２Ａの第２端子からの出力の合計値を検出する出力検出器１１Ｂとを備えている。
　以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。上述した各実施形態に記載の構成を組み合わせてもよい。
　なお、以上に示した実施形態に係る各装置（例えば、積和演算器１）の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体（記憶媒体）に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、処理を行ってもよい。
　なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、オペレーティング・システム（ＯＳ：Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）あるいは周辺機器等のハードウェアを含むものであってもよい。
　また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性メモリ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｃ）等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。また、記録媒体としては、例えば、一時的にデータを記録する記録媒体であってもよい。
　さらに、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークあるいは電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバあるいはクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（例えばＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ））のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
　また、上記のプログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）あるいは電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。
　また、上記のプログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、上記のプログラムは、前述した機能をコンピュータシステムに既に記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
　コンピュータでは、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）などのプロセッサがメモリに記憶されたプログラムを読み出して実行する。
１…積和演算器、２…積和演算器、１０…積演算部、１０Ａ…カラム、１０ＡＡ…積演算素子、１０ＡＢ…積演算素子、１０ＡＣ…積演算素子、１０ＡＸ…代替素子、１０Ａ１Ａ…可変入力用積演算素子、１０Ａ１Ｂ…可変入力用積演算素子、１０Ａ２Ａ…固定入力用積演算素子、１０Ａ２Ｘ…固定入力用代替素子、１０Ｂ…カラム、１０ＢＡ…積演算素子、１０ＢＢ…積演算素子、１０ＢＣ…積演算素子、１０ＢＸ…代替素子、１０Ｂ１Ａ…可変入力用積演算素子、１０Ｂ１Ｂ…可変入力用積演算素子、１０Ｂ２Ａ…固定入力用積演算素子、１０Ｂ２Ｘ…固定入力用代替素子、１０Ｘ…予備カラム、１０ＸＡ…積演算用代替素子、１０ＸＢ…積演算用代替素子、１０ＸＣ…積演算用代替素子、１１…和演算部、１１Ａ…出力検出器、１１Ｂ…出力検出器、１１Ｘ…代替用出力検出器、１２…入力部、１２Ａ…入力部、１２Ｂ…入力部、１２Ｃ…入力部、１２Ｘ…入力部、１２１Ａ…可変入力部、１２１Ｂ…可変入力部、１２２Ａ…固定入力部、１２２Ｘ…固定入力部、１３…検査部、１４…機能置換部、１００…ニューロモーフィックデバイス、１０１…入力層、１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ、１０１Ｄ…ノード、１０２…隠れ層、１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃ…ノード、１０３…出力層、１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃ…ノード、Ａ…磁気抵抗効果素子、ＡＡ…書き込み端子、ＡＢ…共通端子、ＡＣ…読み出し端子、Ａ１…磁化自由層、Ａ１１…第１領域、Ａ１２…第２領域、Ａ２…磁化固定層、Ａ３…非磁性層、ＤＷ…磁壁、Ｌ１１…ライン、Ｌ１２…ライン、Ｌ２１…ライン、Ｌ２２…ライン、Ｌ３１…ライン、Ｌ３２…ライン、ＬＸ１…ライン、ＬＸ２…ライン、Ｍ１…ライン、Ｍ２…ライン、ＭＸ…ライン

Claims (14)

  1. 　積演算部と、和演算部とを備え、
    　前記積演算部は、複数の積演算素子と、前記複数の積演算素子のいずれかが故障した場合に故障した積演算素子の代わりに用いられる少なくとも１つの代替素子とを備え、
    　前記複数の積演算素子のそれぞれと、前記代替素子とは、抵抗変化素子であり、
    　前記和演算部は出力検出器を備え、
    　前記出力検出器は、前記代替素子が用いられない場合に、前記複数の積演算素子からの出力の合計値を検出する、
    　積和演算器。
  2. 　請求項１に記載の積和演算器の使用方法であって、
    　前記積和演算器は、前記複数の積演算素子のそれぞれが故障しているか否かを検査する検査部をさらに備え、
    　前記検査部が、前記出力検出器によって検出される前記複数の積演算素子からの出力に基づいて、前記複数の積演算素子のそれぞれが故障しているか否かを判定する検査工程を含む、
    　積和演算器の使用方法。
  3. 　前記積和演算器は、機能置換部をさらに備え、
    　前記複数の積演算素子のいずれかが故障していることを前記検査部が検知した場合に、前記機能置換部が、故障している積演算素子が故障前に行っていた積演算を前記代替素子に行わせる機能置換工程をさらに含む、
    　請求項２に記載の積和演算器の使用方法。
  4. 　前記故障している積演算素子が故障前に行っていた積演算を行う前記代替素子の抵抗値は、
    　前記代替素子の抵抗値変動範囲の最小値よりも大きく前記抵抗値変動範囲の最大値よりも小さい中間値に予め設定されている、
    　請求項３に記載の積和演算器の使用方法。
  5. 　前記少なくとも１つの代替素子は、複数の積演算用代替素子であり、
    　前記和演算部は、前記複数の積演算用代替素子からの出力の合計値を検出する代替用出力検出器をさらに備える、
    　請求項１に記載の積和演算器。
  6. 　請求項５に記載の積和演算器の使用方法であって、
    　前記積和演算器は、検査部と機能置換部とをさらに備え、
    　前記複数の積演算素子のいずれかが故障していることを前記検査部が検知した場合に、前記機能置換部が、前記複数の積演算素子が故障前に行っていた積演算を前記複数の積演算用代替素子に行わせる機能置換工程と、
    　前記機能置換部が、前記複数の積演算用代替素子の抵抗値を、故障前の前記複数の積演算素子の抵抗値と等しい値に設定する抵抗値設定工程とを含む、
    　積和演算器の使用方法。
  7. 　前記代替素子は、前記複数の積演算素子を隔てて前記出力検出器の反対側に配置されている、
    　請求項１に記載の積和演算器。
  8. 　前記出力検出器は、前記代替素子を隔てて前記複数の積演算素子の反対側に配置されている、
    　請求項１に記載の積和演算器。
  9. 　前記複数の積演算素子には、第１積演算素子と第２積演算素子とが含まれ、
    　前記代替素子は、前記第１積演算素子と前記第２積演算素子との間に配置されている、
    　請求項１に記載の積和演算器。
  10. 　請求項１に記載の積和演算器の使用方法であって、
    　前記複数の積演算素子には、複数の可変入力用積演算素子と、少なくとも１つの固定入力用積演算素子とが含まれ、
    　前記代替素子は、固定入力用代替素子であり、
    　前記積和演算器は、
    　前記複数の可変入力用積演算素子に対して可変信号を入力する可変入力部と、
    　前記固定入力用積演算素子および前記固定入力用代替素子に対して定められた信号を前記可変信号に同期させて入力する固定入力部と、
    　前記固定入力用積演算素子が故障しているか否かを検査する検査部と、
    　機能置換部とをさらに備え、
    　前記検査部が、前記出力検出器によって検出される前記固定入力用積演算素子からの出力に基づいて、前記固定入力用積演算素子が故障しているか否かを判定する検査工程と、
    　前記固定入力用積演算素子が故障していることを前記検査部が検知した場合に、前記機能置換部が、前記固定入力用積演算素子が故障前に行っていた積演算を前記固定入力用代替素子に行わせる機能置換工程とを含む、
    　積和演算器の使用方法。
  11. 　前記固定入力用代替素子は、前記固定入力用積演算素子に隣接して配置されている、
    　請求項１０に記載の積和演算器の使用方法。
  12. 　前記抵抗変化素子は、書き込み端子と、共通端子と、読み出し端子とを有する、
    　請求項１、請求項５、および、請求項７から請求項９のいずれか一項に記載の積和演算器。
  13. 　前記抵抗変化素子は、磁気抵抗効果を示す磁気抵抗効果素子であり、
    　前記磁気抵抗効果素子は、
    　磁壁を有する磁化自由層と、
    　磁化方向が固定された磁化固定層と、
    　前記磁化自由層と前記磁化固定層とに挟まれた非磁性層とを有する、
    　請求項１、請求項５、請求項７から請求項９、および、請求項１２のいずれか一項に記載の積和演算器。
  14. 　請求項１、請求項５、請求項７から請求項９、請求項１２、および、請求項１３のいずれか一項に記載の積和演算器を備えるニューロモーフィックデバイス。
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