脳を半導体に「コピー＆ペースト」するテクノロジーが発表される

Samsungとハーバード大学の研究者らが2021年9月23日に、脳神経の構造を3次元的にマッピングして半導体上で再現する技術を発表しました。これにより、機械学習や半導体技術、神経科学の分野が大きく発展すると見込まれています。

Neuromorphic electronics based on copying and pasting the brain | Nature Electronics
https://www.nature.com/articles/s41928-021-00646-1

Samsung Electronics Puts Forward a Vision To ‘Copy and Paste’ the Brain on Neuromorphic Chips – Samsung Global Newsroom
https://news.samsung.com/global/samsung-electronics-puts-forward-a-vision-to-copy-and-paste-the-brain-on-neuromorphic-chips

Samsung presents vision for brain-like neuromorphic chips
https://www.koreatimes.co.kr/www/tech/2021/09/133_316022.html

1980年代後半にアメリカの計算機科学者であるカーバー・ミード氏が提唱した「ニューロモルフィック・エンジニアリング」は、神経細胞のネットワークの構造と機能をシリコンチップ上に再現することを目指す研究分野です。しかし、大量の神経細胞がどのようにつながって脳の高次機能を生み出しているかは、現代の科学技術でもほとんど分かっていません。

そこで、ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学応用科学部の教授でSamsungの研究者でもあるDonhee Ham氏らの研究チームは、脳神経の中に差し込めるナノサイズの電極アレイを用いて、細胞同士の電気信号を高精度で記録することができる技術を開発しました。この電極アレイを使うと、ニューロン同士がどのように接続しているのかを示すニューロンマップを作成できるため、脳のニューロンの構造を「コピー」することが可能とのこと。

コピーされたニューロンの構造は、不揮発性メモリで再現することで半導体上に「ペースト」することができます。例えば、PCのストレージなどで身近なSSDのフラッシュメモリや、電極に挟まれた金属酸化膜の抵抗値の違いによってデータを記憶する抵抗変化型メモリ(ReRAM)を使って、脳からコピーしたニューロンマップ内にある各ニューロンのつながりの強さを半導体にプログラミングできるとのことです。

Ham氏はさらに、特別に設計された専用の不揮発性メモリのネットワークを使えば、脳神経の構造を従来より直接的かつ迅速にコピーできることも明らかにしました。この研究により、脳を厳密に模倣するのではなく脳に「インスパイア」された半導体チップを作ることに終始していたニューロモルフィック・エンジニアリングの分野が、大きく発展するとされています。

人間の脳には約1000億個の神経細胞と、さらにその1000倍以上の数のシナプス結合があると推定されているため、完全に脳を模した「ニューロモルフィックチップ」を開発するには、「当社の主導する3次元メモリー統合技術が不可欠だ」とSamsungは指摘しています。

ハム氏は今回の研究について「私たちが提唱するビジョンは非常に野心的ですが、このような英雄的な目標に向かって努力することで、機械知能や神経科学、半導体技術の限界を押し広げることができるでしょう」と話しました。