世界初、半導体集積スピントロニクスPビット実証 ―日米の共同研究で確率論的コンピューター開発に新しい景色―

2026-06-02 東北大学

東北大学と米国国立標準技術研究所(NIST)の共同研究チームは、スピントロニクスを利用した確率論的コンピューター(Pコンピューター)の基本構成要素である「Pビット」を、世界で初めて半導体集積回路上に実装し、その動作実証に成功した。Pビットは0と1の状態を確率的に揺らぎながら出力し、その確率を外部入力で制御できる情報処理素子で、AIや最適化計算を低消費電力で実行できる新しい計算技術として注目されている。従来はスピン素子と半導体回路をケーブル接続した小規模実証にとどまっていたが、本研究では米国SkyWater Technology社の130nm CMOSプロセスで作製したトランジスタ回路上に、東北大学で超常磁性トンネル接合素子を形成し、シリコン基板上で一体化したPビット回路を実現した。測定の結果、理論通りの確率的な入出力特性が確認され、大規模集積化に向けた基盤技術が確立された。研究チームは、将来的に100万ビット級のPコンピューター開発が視野に入ったとしており、量子コンピューターとは異なる新概念コンピューティングの実用化を大きく前進させる成果と位置付けている。

世界初、半導体集積スピントロニクスPビット実証 ―日米の共同研究で確率論的コンピューター開発に新しい景色―
図1. (a)半導体集積回路製造プロセスを用いてシリコン基板上に形成された検証チップの写真。(b) スピントロニクスPビットの断面構造の模式図。トランジスタと下層の配線を米国SkyWater Technology社で作製後、東北大学電気通信研究所附属ナノ・スピン実験施設にてスピン素子を形成。(c,d) 確率的に状態がゆらぐように設計されたスピン素子の断面,平面電子顕微鏡像。

<関連情報>

130nm CMOS集積超常磁性トンネル接合型pビット 130-nm CMOS-integrated superparamagnetic tunnel junction-based p-bit

Ju-Young Yoon; Nuno Caçoilo; Advait Madhavan; Jabez J. McClelland; Shun Kanai; Hideo Ohno,…
IEEE Electron Device Letters  Published:26 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1109/LED.2026.3696800

Abstract

Probabilistic computers offer promising solutions for computationally hard problems in domains such as combinatorial optimization and machine learning. A key building block in these systems is the probabilistic bit (p-bit), which relies on superparamagnetic tunnel junctions (sMTJs) as its source of randomness. A challenging threshold to cross for scaling sMTJ-based p-bit systems is integration of sMTJs with CMOS technology. In this work, we present experimental results of a p-bit unit cell using sMTJs integrated with 130 nm CMOS technology and demonstrate that the sMTJ’s resistance fluctuations can generate a corresponding fluctuating digital output voltage which is tunable via the input voltage. These findings establish the feasibility of CMOS-compatible, sMTJ-based probabilistic circuits and mark a key step toward scalable hardware for real-world probabilistic computing applications.

0403電子応用
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