NTT、DRAMセルの熱とエントロピーを単電子スケールで測定

研究の概要と背景

NTT株式会社は、室温で動作する半導体メモリ素子（DRAMセル）において、電子数の変化を1個単位で検出可能な独自のナノメートルスケール電子デバイスを用いて、熱とエントロピーを測定することに世界で初めて成功したと発表しました。

生成AIの普及に伴い電力消費の増大が課題となる中、情報処理と熱力学の関係を解明することは重要視されています。特に、情報を一定の状態に揃える初期化操作の際にはエントロピーが減少し、その代償としてエネルギー消費が生じます。この理論的最小値は「ランダウア限界」として知られていますが、実際のデバイスではこの限界を大きく上回るエネルギーが消費されています。

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消費電力の理論的な限界値であるランダウア限界を、実際のデバイスで実験的に測定できるようになったのは画期的な進歩ですね。

技術のポイントと測定手法

NTTは、微細加工技術により作製した高性能検出器を応用することで、キャパシタに蓄えられた電荷量を単電子単位で測定することに成功しました。この測定結果から、以下の手順で物理量を評価しています。

• 熱の測定：電子が移動する瞬間のリードとキャパシタの電位差を算出することで、発熱または吸熱量を計算しました。
• エントロピーの測定：キャパシタの電荷量を単電子単位で測定することで、情報の確率分布を正確に取得し、計算を行いました。

この手法により、従来は雑音に埋もれて測定が困難だった極微小な信号の評価が可能となっています。

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単電子単位という極めて微細なレベルでの測定技術が、今回の研究の核心となっているようです。

実験結果と今後の展望

実験では、DRAMセルにおいて初期化時に注入する電荷量を変化させ、エントロピー減少量と熱量の関係を調査しました。その結果、エントロピーが減少するほど発生する熱量が増加し、ランダウア限界から乖離していくことが判明しています。

この乖離の原因として、高速処理や周辺回路の影響だけでなく、DRAMセルが情報を保持する際の熱的な不安定性が重要であることを明らかにしました。NTTでは、本研究で得られた知見を活かし、次世代の省エネルギーメモリ技術や新しいコンピューティング技術の開発をめざすとしています。

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従来の認識を覆す知見が得られたとのことで、今後の省エネルギーデバイス開発への応用が期待されます。

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