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image credit:techradar.com

半導体は現在の社会になくてはならないものですが、高速化が進めば進むほど発熱による性能低下が問題になっていきます。
東大が新たに開発した半導体素子は従来の様に電気の流れの有無でビットの0と1を表すのではなく、電子の持つ磁力の性質（スピン）を使ってビットを表しています。
この方法だと従来の方法よりも1000倍高速に処理をすることができ、更に熱が生じにくいので1000～100万回で熱による故障が発生していた従来の方法と違い、1000億回以上情報を処理しても安定していたとのこと。
東大の開発した半導体素子に対する海外の反応です。


引用元：reddit.com、２

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東京の研究者が発熱量を増やさずに処理速度を1000倍に向上させる半導体素子を開発した。
この技術は従来の様に電流の流れを使うのではなく電子スピンと磁気特性を利用していて将来的にエネルギー効率の高いコンピュータシステムに利用できる可能性を秘めている。

特に興味深いのは発熱の部分だろう。
みんな処理速度に注目しがちだけどコンピュータシステムの規模が大きくなればなるほど冷却のためのエネルギー消費が大きな問題になってくるからだ。
今の技術は既に物理的な限界に近付いている。
チップの高速化は発熱量の増大を生み、冷却設備の増加、電力消費量の大幅な増加へと繋がっていく。
だからこういう画期的な技術が商業的に実用可能になったらスマートフォンからスーパーコンピュータ、巨大なデータセンターに至るまであらゆるものに影響を与えることになるかもしれない。

今やコンピュータシステムの改善は単に処理速度を上げるだけでなくそれを支えるインフラが維持可能な方法を見つけることも含まれるという段階に来てると思う。

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↑今のプロセッサが消費するエネルギーの大部分は熱として失われているからな。
つまり発熱量を増やさすに処理速度を大幅に向上させるというのは、今の処理速度と同じであっても発熱量を大幅に抑えることが可能ということになる。
これは消費電力の大幅な削減に繋がる。
結果としてスマホなどモバイルデバイスのバッテリー駆動時間が長くなる。
正直なところほとんどの人は今より桁違いに高速なプロセッサは必要としてない。
それよりもバッテリーの持ちの方が望まれている。

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↑前々から気になってたんだけどスマホのバッテリー消費の内訳ってどうなってるんだろうか？
プロセッサの使用量が多いのか、それとも画面の点灯に使われる方が多いのか？
データ通信やWi-Fiの使用は影響あるんだろうか？
位置情報を切った方がバッテリーの持ちがよくなることは知ってる。
こういう内訳を円グラフで見せてくれると分かりやすいんだけど、誰か知らないか？

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↑Androidだったら設定→バッテリーから使用量の内訳を知ることができるぞ。

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↑マジだ！
これは知らなかった。
ありがとう！

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前に使っていたスマホは画面は通信に使われた電力量も表示されてたんだけど今使ってるスマホはアプリの情報しか表示されてない。
平均的に見て一番バッテリーを使用するのはプロセッサ、画面、Wi-Fiだな。
もちろん使用状況によって大きく変わってくる。
例えば画面だったら有機EL液晶と黒テーマのUIにすると通常の液晶と比べて大幅に省電力になる。

プロセッサの電力消費は負荷に左右される。
基本的にスマホでは裏で行われてるタスクは電力消費を抑えるように低速で効率的なプロセッサを採用してる。

Wi-Fiは接続状態が悪い時に一番電力を消費する。
接続を維持するために多くの電力が必要になるから。

GPSを使用すると電力消費量が多くなるのはGPS用のアンテナに電力を使うからではなく、GPSの処理に複雑な計算が含まれてるからCPU負荷が高くなるため。

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↑勉強になった。

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プロセッサは電子を移動させることで情報を処理、生成、削除している。
その全てに仕事（※外部とのエネルギーのやり取り）が必要となる。
情報理論は一般的にシャノンの情報理論とも呼ばれていて、これはシャノンエントロピー（※wikipedia）が中心となった理論だ。
これは熱力学で教えられているエントロピーと同じ。
つまり両者は同じと言っていい。
かつて”なぜコンピュータをもっと高速かつ低温にできないのか？それはより優れた蒸気動力を作れないのと同じだ”というジョークもあった。
全ては熱力学的な問題で、コンピューティングも結局は熱力学の仕事だからだ。

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高速なチップは必要ないんだよな。
これは計算処理の効率化でカバーできる。
最近のソフトウェアは中間層で不要な計算が多すぎる。

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この研究結果はかなり実用化される可能性が高い大きな成果だと思う。
この20年間、多くの発見や開発が結局実用化に至らなかった事例をたくさん見てきたからこそ、技術進歩に貢献するような結果に出会うのは嬉しい。

これがコスト的にも優れてることが証明できればまず大規模処理のための投資が行われるだろうな。
そこからさらにコスト削減のための投資が進めば最終的に色んな製品に使われるようになると思う。
乗り越えるべき障壁はまだまだたくさんあるけど最大の障壁は既に克服されている。
それは投資する価値のあるものかどうかという障壁だ。

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これが本当だったら相当凄いことになるぞ。
現在のプロセッサは平面基盤に構築されていて小型化の限界に達しつつある。
一定の面積内に搭載できるトランジスタの数には限界があってそれを超えると信号がスイッチに従わなくなって動作しなくなる。
トランジスタを積層出来ないのは熱の問題だ。
何らかの方法で放熱する必要があって、そのためにスペースが必要になるから。
でももしトランジスタが熱を発生しなかったら？
そうなったらプロセッサを3次元的に構築できるようになる。

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↑熱を発生しないのではなくて熱が増加しないと書かれてる。
おそらく今のレベルと比較してという話なのだろう。

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論文を読んだけどこれはどうやら高速で動作する磁気抵抗メモリ（※wikipedia）のことみたいだな。

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凄くワクワクする記事だけどあまり詳しく説明されてないからちゃんとして数値について調べてみた。
少しマニアックな話になるけど。

まとめ：
電気エネルギーは抵抗がある時に失われる。
そして電気機器は全て仕事をするために抵抗を利用していて、そこで電力が消費される。
場合によっては抵抗による熱が仕事の目的な場合もある（トースターなど）し、熱は意図しない副産物の場合（電球など）の場合もある。

コンピュータの場合、抵抗／仕事／熱の大部分はプロセッサ内のトランジスタの状態の変化によって発生する。
最新のプロセッサはトランジスタが0から1（あるいはその逆）に切り替わるのに約100～200ピコ秒かかり、その際に抵抗によって約1フェムトジュールの熱が発生する。
現代のプロセッサは約1000億個のトランジスタを搭載していてそれぞれが毎秒50億回（5GHz）のスイッチング動作を行うため、膨大な熱が発生する。
（各コアのCPU命令で使われる消費電力だけ切り出すと約250W）

プロセッサの高速化を阻む唯一の要因がビットのスイッチングで発生する熱。
5～6GHzをを超えると発生する熱を効率的に放散できる材料がなくなり、最終的にプロセッサが溶けてしまう。
プロセッサを1THz（1000GHz）で動作させる技術があることはあるけど過熱によってプロセッサが一瞬で破壊されるために実用的ではない。

もし抵抗値を大幅に低減できるビットスイッチング技術が本当に発見されたのならプロセッサの処理速度を桁違いに向上させることが可能になる。
論文だとビットのスイッチングに40ピコ秒かかると書かれていた。
これは従来の技術の1/5程度だから、1000倍というのは抵抗や発熱が何らかの形で少なくなるという意味なのかもしれない。

自分はコンピュータ技術が急速に進歩していった80～90年代を知ってるから、ああいうワクワクする時代がまた来るなら実に素晴らしいな。

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むしろPCに太陽の熱を蓄えてほしいんだが。
冬は寒いからPCの熱が必要になる。

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↑もう5月だぞ。
冬用PCは片づけて夏用PCを出す時期だ。

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↑いや、暑さで汗をかくことで水分摂取量も増えるから健康になるはずだ。
座ってるだけで痩せることも可能だろう。

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また磁石を近づけないようにというラベルが付くようになるのか。

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熱を発生させないんじゃなくて発熱の増加がない、だな。
原子にある電子のスピンをビットとして利用して磁気によって測定することで40ピコ秒で検出が可能。
そしてこのデータを何千億回も過熱することなく読み取ることができる。
現在よりも遥かに少ない熱と電力で数桁高速にデータを読み取れるわけだ。
これは自分の専門分野を遥かに超えてるけど、まるで真空管からトランジスタに移行した時みたいな変化だと言ってもいいかもしれない。

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↑結局この技術は計算に使えるんだろうか？
それともデータ保存のためだけ？
いや、データ保存のためでもRAMなんかに使えたら凄い進歩になるか。

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↑記事だと理論的には揮発性メモリに使えるということだからRAMに関しては間違いないだろうな。
ただいつ頃普及するかが問題だ。
普及することには今いるみんな定年を迎えてるかもしれない。
※今回の研究は不揮発メモリへの書き込みにも使えるとのこと

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こういう技術進歩を待っていた。
（データセンターだけに売るのは止してくれ）

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ようやく磁力をきちんと制御できるようになったのか。

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Nvidiaがこの技術を採用してClaudeとOpenAIがそれを利用するようになるんだろうな。

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早くコンシューマーレベルまで来てくれ。





従来の様に電気の流れでビットを表すのではなく電子のスピンの状態を利用してビットを表す技術をスピントロニクス（※wikipedia）といい、次世代半導体技術として研究が進んでいます。
AIの普及で電力の増大が危惧されているので発熱が少なくなれば冷却のための電力削減も期待できそうです。




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