深大チーム、光計算と表示を一体化した新アーキテクチャ開発　边缘AI感知システムへの応用期待

深圳大学との共同研究チーム、光計算一体化プラットフォームを開発 深圳大学物理学・光電子工学部の張晗教授および魏松瑞助教を中心とする研究チームが、香港大学や南方科技大学などと協力し、新しい光神経計算アーキテクチャを開発しました。このアーキテクチャは、蛍光行列ベクトル乗算（FMVM）技術に基づいており、光変色材料のプログラミング可能性と蛍光効果の表示能力を組み合わせることで、計算と表示を完全に統合しています。 従来の計算システムは、感覚、記憶、処理、表示機能が分離されており、データ転送の頻繁さやエネルギー消費量が高いという問題がありました。しかし、FMVMアーキュテクチャは、電気信号変換器や伝統的な表示デバイスを使わず、純粋な光ドメインでの高速並列処理と低遅延性を実現します。これは、可逆光変色分子ペアであるスピロピラン（SP）／メラオシアニン（MC）を用いて、紫外線と可視光線の照射によって制御可能な光重みプログラミング材料を作成することで可能になりました。 研究では、SP分子をメタクリル酸メチル（MMA）基板中に均一に分散させて、精密な蛍光応答膜を作製しました。デジタル光処理（DLP）技術を活用して、特定の紫外パターンを膜に照射し、空間プログラム可能な蛍光強度制御を行うことで、重みの書き込みと再構築を達成しました。入力光信号として紫外線パターンを使用し、その輝度が入力ベクトルを表し、既に重みが書き込まれたSP-MC膜で蛍光が放出されます。これにより、入力と重みの乗法演算が行われ、出力される蛍光パターンが直接行列ベクトル乗算の結果を示します。 FMVMの特徴として、以下の点が挙げられます： - ゼロADC/DAC: 電気信号の変換が必要ない。 - 低エネルギー消費: 重みの記憶状態を維持するための持続的なエネルギー供給が不要。 - 平行表示出力: 1つの蛍光パターンが複数の出力結果を同時に表示。 - 非揮発性の記憶能力: 書き込みや消去後に長期間保持。 - 素材の拡張性: 量子ドット、MOF、カーボンドットなどの異なる蛍光材料への応用が可能。 このアーキテクチャは、指紋認識システムや人名表示といった複雑なパターンの出力を実現し、可視化品質が高く、ディスプレイの柔軟性も兼ね備えています。特に、边缘AI感知システムや自然光信号処理、セキュリティ認証などの分野において、着用デバイスや省エネルギーの要求に対応できます。 研究の成果は、国際的な光学権威誌 Optica に掲載され、「Fluorescence matrix–vector multiplication: realization of in-memory-display computing」というタイトルで発表されました。この研究はNational Natural Science Foundation of China、深圳市孔雀計画、深圳市科技創新委員会などの支援を受けて行われました。 論文情報: - Songrui Wei, Shangcheng Yang, Dingchen Wang, など；「Fluorescence matrix–vector multiplication: realization of in-memory-display computing」; Optica 12(7), 968-977 (2025)；https://doi.org/10.1364/OPTICA.555491