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年6月 2日 11:00

研究者情報

〇電気通信研究所　教授　深見俊輔
研究室ウェブサイト
Press release in English

発表のポイント

AI計算の省エネ化を可能とする、スピントロニクス^(注１)確率論的(P)コンピューター^（注2）が注目されています。
これまでのスピン素子と半導体回路をケーブルで接続する形態とは異なり、日米の半導体集積プロセスを組み合わせてPコンピューターの基本構成要素である確率(P)ビット^（注2）を試作しその動作を実証しました。
当技術を発展させることで大規模化が可能となることから、Pコンピューターの開発に新しい景色が開かれたと言えます。

発表概要

AIの進展に伴い、複雑な計算を超省エネで処理できるコンピューターの開発の重要性が増しています。磁石のN極/S極の向きの確率的なゆらぎを利用するスピントロニクスPコンピューターはその有望技術として注目されています。これまで単体のスピン素子と制御回路をケーブルで接続した形態で100ビット程度の小規模な原理実証が行われてきました。一方で社会実装に向けては大規模化が要求され、そのためには半導体集積プロセスの利用が不可欠です。
今回、東北大学と米国国立標準技術研究所(NIST)の研究チームは、日米の半導体集積プロセスを組み合わせてシリコン基板上でPコンピューターの基本構成要素であるPビット回路を試作しました。そして試作した回路を測定し、Pビットとして期待される入出力特性を確認しました。今回大規模集積化に向けた基本要素技術が構築されたことで、100万ビット程度までの大規模化が射程に入りました。すなわち本成果によってスピントロニクスPコンピューターの社会実装に向けた開発に新しい景色が開かれたと言えます。
本成果は2026年5月26日に、IEEE Electron Device Letters誌のウェブサイトにて速報版が公開されました。



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。

用語解説

注１．スピントロニクス、MRAM
スピントロニクスは、物質中の電子が持つ、電気的な性質(電荷)と磁気的な性質(スピン)の両者が介在することで発現する物理現象を理解して工学的な応用を目指す学術分野。磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(Magnetoresistive Random Access Memory: MRAM)は磁性体のN極/S極の向きをデジタル情報の(0,1)の担い手として電気的に制御して情報を記憶する不揮発性メモリの一種であり、スピントロニクス分野の代表的な応用例。
注２．確率ビット(Pビット)、確率論的コンピューター(Pコンピューター)
確率ビット(P ビット)とは、短時間で 0 と 1 の信号を確率的に出力し、かつ出力の割合を外部入力によって制御することでビット間を電気的に相関させられる情報処理の基本単位。確率論的コンピューター(Pコンピューター)はPビットを用いて演算を行うコンピューター。Pビットは 0 と 1 の重ね合わせ状態を持ち、かつビット間でもつれあい(相関状態)を形成できる量子ビット(Qビット)とは本質的に異なるが一定の類似性があり、Pコンピューターは量子コンピューターと並んで新概念コンピューターの一つとして注目されている。1981 年にリチャード・ファインマンが行った講演において、量子コンピューターと並んで、確率的な現象を効率的に計算する仕組みとして紹介されている。

論文情報

タイトル：130-nm CMOS-integrated superparamagnetic tunnel junction-based p-bit
著者：Ju-Young Yoon*, Nuno Caçoilo*, Advait Madhavan, Jabez J. McClelland, Shun Kanai, Hideo Ohno, Shunsuke Fukami**, and William A. Borders**
* 共同筆頭著者
** 共同責任著者
掲載誌：IEEE Electron Device Letters
DOI：10.1109/LED.2026.3696800

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学電気通信研究所
教授　深見 俊輔
TEL: 022-217-5555
Email: s-fukami*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
（兼）東北大学大学院工学研究科電子工学専攻
（兼）東北大学先端スピントロニクス研究開発センター (CSIS)
（兼）東北大学国際集積エレクトロニクス研究開発センター (CIES)
（兼）東北大学材料科学高等研究所 (WPI-AIMR)
（兼）公益財団法人稲盛科学研究機構 (InaRIS)
（報道に関すること）
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TEL: 022-217-5427
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