平成30年度 NEDO 『 TSC Foresight 』 セミナー （第2回）

人工知能を支えるハードウェア分野

平成30年10月31日

大窪 宏明

国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構 （NEDO）

技術戦略研究センター (TSC)

電子・情報・機械システムユニット

TSC Electronic, Information & Machinery Unit

目 次

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１．人工知能を支えるハードウェア分野の背景

２．人工知能を支えるハードウェア分野の動向と置かれた状況

３．人工知能を支えるハードウェア分野の方向性

TSC Electronic, Information & Machinery Unit

人工知能の活用による処理能力への要求増大

出典：NEDO技術戦略研究センター作成 （2018） 3

【第5期科学技術基本計画（H28-H32）】IoTやビッグデータ解析、高度なコミュニケーションを支えるAI技術を基盤技術として戦略的に強化。「超スマート社会(Society 5.0)」「人工知能技術戦略(H29.3)」「統合イノベーション戦略(H30.6)」

IoTによる膨大なデータ処理や高度な認識等に対応したAIコンピュータの所要量が100倍以上に拡大。ディープラーニングの学習負荷増の影響大（電力消費増）。

【ディープラーニング】・画像認識等で有効、学習の負荷大

【既存コンピュータ】ムーア則の限界、ノイマンボトルネック問題

【センサ、アクチュエータ】小型化、高性能化、五感情報

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人工知能活用の需要増に応えるスーパーコンピュータ

出典：公開情報を元にNEDO 技術戦略研究センター作成 （2018）

2016年6月 2017年6月 2018年6月

1神威･太湖之光, 中国（CPU)

神威･太湖之光, 中国（CPU)

Summit、米国（CPU, GPU）

2天河2号, 中国（CPU）

天河2号, 中国（CPU）

神威･太湖之光、中国（CPU）

3Titan, 米国（CPU）

Piz Daint、米国（CPU, GPU）

Sierra、米国（CPU, GPU）

4Sequoia, 米国（CPU）

Titan, 米国（CPU, GPU）

天河2号 、中国（CPU）

5京, 日本（CPU）

Sequoia, 米国（CPU）

ABCI、日本（CPU, GPU）

【スーパーコンピュータランキングのトップ５動向】

近年のスーパーコンピュータではGPU搭載が進み、ディープラーニングを包含する方向にある。

高度なAIを実現するアルゴリズムが進化しており、これを処理するハードウェアの能力向上と低消費電力化が課題となる。

今後、AIがエッジ領域へ浸透していくと、自動運転車、製造や輸送の自律的な最適制御、人と協働等、AI適用の多様化に対応したハードウェアの進展が求められる。

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未来の人工知能を支えるハードウェア研究の加速

出典：NEDO 技術戦略研究センター作成 （2018）

【語句定義】

ノイマン型コンピュータ：メモリにデータとプログラムを内蔵、メモリの命令を逐次取り出しプロセッサで実行非ノイマン型コンピュータ：ノイマン型以外AIコンピュータ：機械学習、組合せ最適化等の演算処理を行う（プロセッサ、メモリ等の集合体）脳型コンピュータ（ニューロモーフィック）：ニューロン･シナプスのような脳機能を模倣するデジタル素子や

アナログ素子で演算処理を行う量子コンピュータ（ゲート型）：ロジック演算を行う量子コンピュータ（イジングマシン型）：アニーリング等、組合せ最適化問題に特化した演算を行う

非ノイマン型コンピュータ

Intel CoreARMRenesas RX

AIコンピュータ

ノイマン型コンピュータ（従来）

脳型コンピュータ量子コンピュータ

ゲート型

イジングマシン型

FPGA

スパコン

GPUニューロモーフィック型

古典ニューラルネットワーク型（デジタル型素子）

（アナログ型素子）

AIを支えるハードウェアの展開方向

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脳型コンピュータの特徴比較

古典ニューラルネット 脳型コンピュータ

演算処理 デジタル デジタル型素子 アナログ型素子

演算素子 CMOS CMOSベースメモリスタ, ReRAM, 相変化メモリ, スピントロニクス, etc.

消費電力(相対比(例))

高（100000） 小（10） 極小（1）

問題記述 プログラム結合強度

（オフチップ学習）結合強度、しきい値など

（オンチップ学習）

開発フェーズ 商用チップ～システム開発 素子～システム開発 素子～チップ開発

原理イメージ

ニューロン-シナプス模倣 （アナログ素子例）論理回路

出典：公知資料を基にNEDO 技術戦略研究センター作成 （2018）

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脳型コンピュータ研究のフレームワーク

脳型（ニューロモーフィック）コンピュータの実現には、脳科学の進展を基にしたソフトウェアとハードウェアの最適化が求められる。

脳科学

脳シミュレーション ソフトウェア

デジタル型

不揮発メモリ2000~

GPU、スパコン

• 注意、意欲、行動選択など• 新概念の学習、意味理解• 1000億個の意味の解明• スパイク伝達と学習

• AIオペレーティングシステム。AI言語• ルール型とニューラル型AIの融合

学習の効率化

省電力化

技術課題コンピュータソフトウェアやデータ

10億規模の人工脳細胞組込みシステム

古典ニューロン アナログ型ニューロモーフィック

ニューロモーフィック古典ニューロン

複製精度

20252015 2020 2030

脳計算アーキテクチャの確定

百億規模の機械脳

現在

MRAM NEDOプロジェクト等

古典脳モデル• 神経伝達モデル• 神経細胞モデル• Hebb学習則 新しい脳モデル

出典：公知資料を基にNEDO 技術戦略研究センター作成 （2018）

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量子コンピュータの特徴比較

量子ゲート型アニーリング型

量子アニーリング シミュレーテッドアニーリング

目 的現行コンピュータの

上位互換となる高速処理組合せ最適化問題、サンプリング

（イジングモデルから最適値を与える組合せ解を導出）

デバイス超伝導量子ビット回路

スピン量子ビット（Si）超伝導量子ビット回路 Si半導体（CMOS）

動作温度 約 -273℃ 約 -273℃ 室温

開発機関 IBM、Google、東大D-WAVE(商用)、Google、AIST

日立、富士通

アニーリングとは、焼きなまし と言われる処理で、ある温度に加熱後にゆっくりと冷却することで、内部組織の均質化等を行う処理のこと。

組合せ最適化問題とは、離散的変数群のイジングモデルから目的関数の最小(大)値とその変数群を求める問題のこと。

イジングモデル

出典：公知資料を基にNEDO 技術戦略研究センター作成 （2018） 8

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技術の置かれた状況 論文

国別シェア（脳型コンピュータ） 国別シェア（量子ゲート型コンピュータ） 国別シェア（量子イジングマシン）

対象分野：脳型コンピュータ確率モデル量子ゲート型コンピュータ量子イジングマシン

対象期間：2007年～2016年

件数推移

米国、中国のシェアが高い。日本は、他の先進国とこれに続いている。

出典：調査資料を基にNEDO 技術戦略研究センター作成 （2018）

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技術の置かれた状況 特許（出願）

対象分野：脳型コンピュータ確率モデル量子ゲート型コンピュータ量子イジングマシン

対象期間：2007年～2016年

国別シェア（脳型コンピュータ） 国別シェア（量子ゲート型コンピュータ） 国別シェア（量子イジングマシン）

米国、中国、カナダのシェアが高い。脳型コンピュータで中国の出願が増加傾向にある。

出典：調査資料を基にNEDO 技術戦略研究センター作成 （2018）

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（ディープラーニング向けCPU、GPU、ストレージ等のチップを含む）

技術の置かれた状況 市場

AIハードウェア市場予測

出典：複数の予測情報を基にNEDO 技術戦略研究センター作成 （2018）

脳型コンピュータ、量子コンピュータの市場立ち上がりは2020年代後半以降と推察

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人工知能を支えるハードウェアの方向性

人工知能の社会への実装が進むに従い、自動運転車、製造や輸送の自律的な最適制御、人と協働等、人工知能の適用の多様化に対応したハードウェアの進展が不可欠になる。

現在のディープラーニングに加え、次世代コンピュータ研究開発が進行。・言語理解や意味理解等を行う脳型コンピュータ・スーパーコンピュータを凌駕する量子コンピュータ

⇒人工知能によるデータ処理のアクセラレータへ。⇒特定用途向けや汎用向け等、人工知能を支えるハードウェアが多様化

の時代を迎える。

人工知能を支える多様なハードウェア開発は、次世代コンピュータを始め、各企業での取組みに限界があり、国レベルの支援と戦略が必要である。

人工知能を支えるハードウェアは多様化の時代に突入

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未来の人工知能を支えるハードウェア研究の加速（再掲）

出典：NEDO 技術戦略研究センター作成 （2018）

【語句定義】

ノイマン型コンピュータ：メモリにデータとプログラムを内蔵、メモリの命令を逐次取り出しプロセッサで実行非ノイマン型コンピュータ：ノイマン型以外AIコンピュータ：機械学習、組合せ最適化等の演算処理を行う（プロセッサ、メモリ等の集合体）脳型コンピュータ（ニューロモーフィック）：ニューロン･シナプスのような脳機能を模倣するデジタル素子や

アナログ素子で演算処理を行う量子コンピュータ（ゲート型）：ロジック演算を行う量子コンピュータ（イジングマシン型）：アニーリング等、組合せ最適化問題に特化した演算を行う

非ノイマン型コンピュータ

Intel CoreARMRenesasRX

AIコンピュータ

ノイマン型コンピュータ（従来）

脳型コンピュータ量子コンピュータ

ゲート型

イジングマシン型

FPGA

スパコン

GPUニューロモーフィック型

古典ニューラルネットワーク型（デジタル型素子）

（アナログ型素子）

AIを支えるハードウェアの展開方向

TSC Electronic, Information & Machinery Unit

出典：NEDO資料 （2018）

NEDOプロジェクト（平成28年度～平成39年度）

高効率・高速処理を可能とするAIチップ・次世代コンピューティングの技術開発

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