ウェアラブル、未来の着用可能電子機器用メモリ(TRAM)

ウェアラブルエレクトロニクスが将来的に主流になるのはまず間違いありません。着用可能な電子機器以外に、ハンカチみたいに折り畳めるパソコンやスマホが数十年後には誕生しているはずです。そのためには、伸び縮みや折り曲げなどに十分対応できる新素材が必要で、TRAMもそんな素材の1つのようです。TRAM、two-terminal tunnelling random access memory(2端子トンネリングメモリ)が、wearable deviceの未来を担うメモリになるそうです。RAMと言っているので、CPUやGPU用のメモリのようです。

人工知能アルファ碁

Memory for future wearable electronics

Last March, the artificial intelligence (AI) program AlphaGo beat Korean Go champion LEE Se-Dol at the Asian board game. “The game was quite tight, but AlphaGo used 1200 CPUs and 56,000 watts per hour, while Lee used only 20 watts. If a hardware that mimics the human brain structure is developed, we can operate artificial intelligence with less power,”

「今年3月、人工知能プログラムのアルファ碁が、韓国人囲碁チャンピオン李世ドルを、アジアのボードゲーム(囲碁)で破りました。”対局は接戦でしたが、アルファ碁が1200個のCPUと56Kw/hの電力を使っていたその一方で、李はたったの20ワットしか使いませんでした。もし人の脳構造を模倣するハードウェアが開発されれば、我々は人工知能をより少ないパワーで操作することが可能になります。”」

アルファ碁には、1202個のCPUと176枚のGPUユニットが搭載されていたそうですが、消費電力だけを考慮した場合、人間の脳の効率性は驚愕に値します。

脳を模倣したメモリ

…have devised a new memory device inspired by the neuron connections of the human brain. The research, published in Nature Communications, highlights the devise’s highly reliable performance, long retention time and endurance. Moreover, its stretchability and flexibility makes it a promising tool for the next-generation soft electronics attached to clothes or body.

「人間の脳の神経接続にヒントを得ている新しい記憶デバイスを考案しました。Nature Communications誌に掲載されている研究は、デバイスの高信頼性のパフォーマンス、長い保持期間、耐久性を強調しています。さらに、そのデバイスの伸縮性と柔軟性が、それを服や体に取り付け可能な次世代ソフトエレクトロニクス用の期待のツールにしています。」

TRAMは、人間の脳のニューラルネットワークを模したメモリのようです。

The brain is able to learn and memorize thanks to a huge number of connections between neurons. The information you memorize is transmitted through synapses from one neuron to the next as an electro-chemical signal. Inspired by these connections, IBS scientists constructed a memory called two-terminal tunnelling random access memory (TRAM), where two electrodes, referred to as drain and source, resemble the two communicating neurons of the synapse.

「脳は、莫大な数のニューロン間のつながりのおかげで学習して記憶することができます。あなたが記憶する情報は、電気化学信号として、ニューロンからニューロンへ次から次へとシナプスを経由して伝達されていきます。これらのつながりからアイデアを得て、IBSの科学者達は、ドレインとソースと称される2電極が、交信中の2ニューロンのシナプスに似た、2端子トンネリングメモリ(TRAM)と呼ばれるメモリを構築しました。」

TRAMは、ニューロンを介した神経細胞間の交信を模したメモリのようです。

TRAMはスケーラブル

While mainstream mobile electronics, like digital cameras and mobile phones use the so-called three-terminal flash memory, the advantage of two-terminal memories like TRAM is that two-terminal memories do not need a thick and rigid oxide layer. “Flash memory is still more reliable and has better performance, but TRAM is more flexible and can be scalable,”

「デジカメやスマホのような携帯電子機器の主流が、いわゆる3端子フラッシュメモリを使っている一方で、TRAMのような2端子メモリの利点は、2端子メモリは、分厚い硬い酸化皮膜を必要としない事です。”フラッシュメモリは,まだまだ信頼性があり、パフォーマンスも上ですが、TRAMはそれ以上の柔軟性と拡張性があります。」

TRAMの売りは、伸縮性・柔軟性(屈曲性)とスケーラビリティのようです。信頼性と性能が既存のフラッシュメモリより劣るは、現段階では仕方ないとして、今後研究が進み、さらに技術が洗練されていけば、信頼性は上がり、性能の大幅な向上もあり得ます。

TRAMの仕組み

TRAM is made up of a stack of one-atom-thick or a few atom-thick 2D crystal layers: One layer of the semiconductor molybdenum disulfide (MoS2) with two electrodes (drain and source), an insulating layer of hexagonal boron nitride (h-BN) and a graphene layer. In simple terms, memory is created (logical-0), read and erased (logical-1) by the flowing of charges through these layers.

「TRAMは大量の1原子厚、または少量の原子厚2D結晶層で構成されています。2電極(ドレインとソース)を持った半導体二硫化モリブデン(MoS2)層、六方晶窒化ホウ素(h-BN)絶縁層、グラフェン層構成です。簡単に表現すれば、記憶は、これらのレイヤーを通過する電荷の流れ(電流)によって作られ(logical-0)、読み込み・消去されます(logical-1)。」

TRAM stores data by keeping electrons on its graphene layer. By applying different voltages between the electrodes, electrons flow from the drain to the graphene layer tunnelling through the insulating h-BN layer. The graphene layer becomes negatively charged and memory is written and stored and vice versa, when positive charges are introduced in the graphene layer, memory is erased.

「TRAMはグラフェン層に電子を保持することでデータを保存しています。電極間に異なる電圧を印加することで、電子はドレインから、h-BN絶縁層を通るトンネリングでグラフェン層へ流れています。グラフェン層がマイナスに帯電すると、メモリが書き込まれて保存され、プラスに帯電するとメモリが消去されます。」

IBS scientists carefully selected the thickness of the insulating h-BN layer as they found that a thickness of 7.5 nanometers allows the electrons to tunnel from the drain electrode to the graphene layer without leakages and without losing flexibility.

「IBSの科学者たちは、7.5ナノメートルの厚さが、(電子の)漏出と屈曲性を失うこと無しに、ドレイン電極からグラフェン層へ電子がトンネルするのを可能にする事を発見したように、注意深く慎重に、絶縁h-BN層の厚さを精選しました。」

TRAMの売り

Flexibility and stretchability are indeed two key features of TRAM. When TRAM was fabricated on flexible plastic (PET) and stretachable silicone materials (PDMS), it could be strained up to 0.5% and 20%, respectively. In the future, TRAM can be useful to save data from flexible or wearable smartphones, eye cameras, smart surgical gloves, and body-attachable biomedical devices.

「屈曲性と伸縮性がTRAMの二大特性です。TRAMが軟質プラスティックと伸縮可能なシリコン素材(PDMS)上に作られた時、最大でそれぞれ0.5%と20%まで伸ばす事ができました。将来的に、TRAMは弾力的か着用可能なスマホ、アイカメラ、スマート手術用手袋、体に装着可能な生物医学用デバイスからのデータを保存するのに役立つようになります。」

カメラ機能付きのコンタクトレンズなんかができると面白いかもしれません。TRAMの売りはその柔らかさと拡張性にあります。何でにも搭載可能なメモリみたいです。

Last but not least, TRAM has better performance than other types of two-terminal memories known as phase-change random-access memory (PRAM) and resistive random-access memory (RRAM).

「大事な事を1つ言い忘れていましたが、TRAMは、相変化メモリ(PRAM)と抵抗変化型メモリ(RRAM)と呼ばれている他のタイプの2端子メモリよりも高性能です。」

抵抗変化メモリ(ReRAM)や相変化メモリ(PRAM)も期待されている技術ですが、TRAMに圧倒的に分があるような気がしますが、先に完成した方が市場を独占するのではないでしょうか。実用性があるかどうかは全くの別問題なので、製品化できなければ、どんなに技術的にすぐれていたとしても、机上の空論でしかなく、時代の中に埋没されていくだけです。