AMOEBA ENERGY／ﾓﾉづくりやﾓﾉの流れの組合せ最適化をｴｯｼﾞﾃﾞﾊﾞｲｽで可能にする｢ｱﾒｰﾊﾞｺﾝﾋﾟｭｰﾀ｣を開発｜物流ﾆｭｰｽ

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■AMOEBA ENERGY／ﾓﾉづくりやﾓﾉの流れの組合せ最適化をｴｯｼﾞﾃﾞﾊﾞｲｽで可能にする｢ｱﾒｰﾊﾞｺﾝﾋﾟｭｰﾀ｣を開発

ﾓﾉづくりやﾓﾉの流れの組合せ最適化をｴｯｼﾞﾃﾞﾊﾞｲｽで可能にする｢ｱﾒｰﾊﾞｺﾝﾋﾟｭｰﾀ｣
AMOEBA ENERGYとﾍﾞｸﾄﾛｼﾞｰの共同開発により実現

【ﾎﾟｲﾝﾄ】･単細胞ｱﾒｰﾊﾞ生物｢粘菌｣の環境適応能力に学んだ新方式｢ｱﾒｰﾊﾞｺﾝﾋﾟｭｰﾀ｣を開発･１枚のFPGAで最大３万変数の様々な組合せ最適化問題をﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑして解くことが可能･ﾓﾉづくりやﾓﾉの流れの最適化を小型･低消費電力で実現､IoTﾃﾞﾊﾞｲｽ等にも組込み可能【概要】ｱﾒｰﾊﾞ型組合せ最適化ｱﾙｺﾞﾘｽﾞﾑを提供するAmoeba Energy株式会社（本社:神奈川県藤沢市/代表取締役:?野真士､以下｢AMOEBA ENERGY｣）とFPGAｺﾝﾋﾟｭｰﾃｨﾝｸﾞのｴｷｽﾊﾟｰﾄである株式会社ﾍﾞｸﾄﾛｼﾞｰ（本社:神奈川県横浜市/代表取締役:篠田義一､以下｢ﾍﾞｸﾄﾛｼﾞｰ｣）は､AMOEBA ENERGYが考案した新方式の高密度･高汎用性ｱﾙｺﾞﾘｽﾞﾑ｢AmoebaSAT｣をﾍﾞｸﾄﾛｼﾞｰのFPGAｺﾝﾋﾟｭｰﾃｨﾝｸﾞ技術により実装することで､実社会の様々な最適化ｱﾌﾟﾘの目的関数を表現できるよう重み付け可能な充足可能性問題（SAT）を高速に解く｢ｱﾒｰﾊﾞｺﾝﾋﾟｭｰﾀ｣の共同開発に成功いたしました｡

【背景】製造､物流､通信などの様々な社会ｼｽﾃﾑで運行計画やｽｹｼﾞｭｰﾙを効率化する課題は､最適な変数の組合せを探し出す｢組合せ最適化問題｣と呼ばれる数学的問題を解くことで解決できます｡しかし､組合せ最適化は､ｼｽﾃﾑｻｲｽﾞが大きくなると｢組合せ爆発｣が生じるため､従来型ｺﾝﾋﾟｭｰﾀ（Central Processing Unit; CPU）が苦手とするﾀｽｸであり､世界最速ｽﾊﾟｺﾝでも手に負えなくなるほどに複雑化してしまう課題です｡そこで近年､｢量子ｺﾝﾋﾟｭｰﾀ｣や､そこから着想を得た｢ｱﾆｰﾘﾝｸﾞ方式｣に基づく組合せ最適化専用ﾏｼﾝの提案が相次いでいます｡しかし､この方式は､解くべき問題をﾏｼﾝが扱える｢ｲｼﾞﾝｸﾞﾓﾃﾞﾙ｣の形式に変換する際に高度な専門知識の提供や技術的制約の解決が必要となり､そのために生じる導入･計算ｺｽﾄの高さが､実用上のﾈｯｸとなっていました｡また､同方式の素子を回路上に高密度で配置することは容易ではなく､１枚のFPGA（Field Programmable Gate Array）やGPU（Graphics Processing Unit）で､数万変数以上の規模の問題を実用的な時間で解くことは困難でした｡2020年11月､AMOEBA ENERGYと北海道大学の共同研究ｸﾞﾙｰﾌﾟは､単細胞ｱﾒｰﾊﾞ生物｢粘菌｣が不定形の体を環境に適した最も良い形に変えられるﾒｶﾆｽﾞﾑをﾋﾝﾄに､ｱﾅﾛｸﾞ電子回路中にｱﾒｰﾊﾞ素子を高密度で配置できる｢電子ｱﾒｰﾊﾞ｣のﾌﾟﾛﾄﾀｲﾌﾟを発表しました｡電子ｱﾒｰﾊﾞは､難度の高い組合せ最適化問題｢巡回ｾｰﾙｽﾏﾝ問題｣の良い解を高速に探索でき､他の様々な最適化ｱﾌﾟﾘを回路に入力する際の導入･計算ｺｽﾄも低く抑えられる点が大きな魅力となっています｡この研究成果は､Nature Researchの学術論文誌『Scientific Reports』[文献1]に掲載されると､国内外の多数のｵﾝﾗｲﾝﾒﾃﾞｨｱ[文献2]に取り上げられ､大きな注目を集めました｡【開発成果】｢ｱﾒｰﾊﾞｺﾝﾋﾟｭｰﾀ｣は､論理的制約条件の集合として様々なｱﾌﾟﾘｹｰｼｮﾝを表現する定式化が既になされている｢充足可能性問題?(Boolean Satisfiability Problem; SAT)｣を､AMOEBA ENERGYが独自に開発したｱﾙｺﾞﾘｽﾞﾑ｢AmoebaSAT｣により解く方式です[文献3,4]｡AmoebaSATは､多数の素子の並行的状態更新と確率的動作を再現できるｱｰｷﾃｸﾁｬを前提に設計されていますが､そのためのﾊｰﾄﾞｳｪｱとして､量子効果が現れるような特殊な回路の使用は不要です｡従来の半導体技術で構築されるFPGAは､AmoebaSATの並行的･確率的ﾌﾟﾛｾｽの実装に好適であり､その効果的な解探索能力を存分に発揮することが可能です｡AMOEBA ENERGYとﾍﾞｸﾄﾛｼﾞｰは､ｱﾅﾛｸﾞ回路からなる電子ｱﾒｰﾊﾞのｺﾝｾﾌﾟﾄをﾃﾞｼﾞﾀﾙ回路の表現に落とし込み､株式会社PALTEK製FPGA基板｢M-KUBOS｣を用いることで､実用的規模の問題を扱えるｱﾒｰﾊﾞｺﾝﾋﾟｭｰﾀを開発することに成功いたしました｡このたびAMOEBA ENERGYが開発した新方式のAmoebaSATは､各変数へ任意の重み付けが可能となっており､実社会の様々な最適化ｱﾌﾟﾘの目的関数を表現することができます｡また､任意の制約条件や初期状態をﾌｧｲﾙ入力によりﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ可能です｡従来方式のｱﾒｰﾊﾞｺﾝﾋﾟｭｰﾀは､扱う最適化ｱﾌﾟﾘを変更する際に数時間におよぶFPGAの合成工程が必要でしたが､新方式の高汎用性ｱﾙｺﾞﾘｽﾞﾑを搭載したｱﾒｰﾊﾞｺﾝﾋﾟｭｰﾀでは､入力ﾌｧｲﾙを指定するだけで直ちに新たな問題の解探索が可能です｡さらに､制約条件を回路として表現するためのﾙｰﾙの数を大幅に削減し､ﾍﾞｸﾄﾛｼﾞｰの培ってきたFPGAｺﾝﾋﾟｭｰﾃｨﾝｸﾞ技術により回路資源をﾌﾙ活用することで､ｱﾒｰﾊﾞ素子を高密度で集積できるようになりました｡これらの新技術により､ｱﾒｰﾊﾞｺﾝﾋﾟｭｰﾀは重み付けされた３万変数のSAT問題例（3-SAT）の解を1秒以内に導出することが可能になり､新方式ｱﾙｺﾞﾘｽﾞﾑを従来型ｺﾝﾋﾟｭｰﾀで実装した場合と比較すると300倍以上の高速化を達成いたしました｡【ｱﾒｰﾊﾞｺﾝﾋﾟｭｰﾀの用途】組合せ最適化問題として定式化される様々なｱﾌﾟﾘｹｰｼｮﾝｽﾏｰﾄ工場／倉庫：自動搬送ｼｽﾃﾑ最適化ｽﾏｰﾄｵﾌｨｽ：勤務ｽｹｼﾞｭｰﾙ最適化ｽﾏｰﾄ病院：手術ｽｹｼﾞｭｰﾙ最適化ｽﾏｰﾄ物流／交通：配車計画最適化ﾛﾎﾞｯﾄ制御：ｱｰﾑ等による物体移動ﾌﾟﾗﾝﾆﾝｸﾞP2P取引き：ﾓﾉ･ｻｰﾋﾞｽ･ｴﾈﾙｷﾞｰなどの取引き通信：無線ﾈｯﾄﾜｰｸにおけるﾘｱﾙﾀｲﾑﾙｰﾃｨﾝｸﾞなど【今後への期待】１枚のFPGAで最大３万変数の組合せ最適化問題を自在にﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑして解くことが可能なｱﾒｰﾊﾞｺﾝﾋﾟｭｰﾀは､小型で省電力性に優れており､様々なIoTﾃﾞﾊﾞｲｽに組み込むことが可能で､ﾓﾉづくりやﾓﾉの流れをｴｯｼﾞで高速に最適化したいというﾆｰｽﾞに応えることができます｡こうして｢考える力｣を獲得したｴｯｼﾞﾃﾞﾊﾞｲｽは､超ｽﾏｰﾄ社会｢Society 5.0｣の実現に向け､様々な場面で活躍を期待されています｡?現在AMOEBA ENERGYは､ｽﾏｰﾄ工場における自動搬送ｼｽﾃﾑやｽﾏｰﾄ病院における手術ｽｹｼﾞｭｰﾙの最適化など､ｱﾒｰﾊﾞｺﾝﾋﾟｭｰﾀを用いた組合せ最適化ｱﾌﾟﾘの実現に向けた共同研究開発を､複数のﾊﾟｰﾄﾅｰと進めさせていただいております｡ﾍﾞｸﾄﾛｼﾞｰのFPGAｺﾝﾋﾟｭｰﾃｨﾝｸﾞ技術は､高汎用性設計となっているｱﾒｰﾊﾞｺﾝﾋﾟｭｰﾀを､より個別のｱﾌﾟﾘに特化した構成に変更することで､さらなる高速化を可能にします｡ｱﾌﾟﾘの仕様に応じ､書換えが不要になる制約条件は固定回路にすることで､さらに数桁の速度向上が見込まれます[文献5]｡また､FPGAを複数接続したｸﾗｽﾀｰを形成することにより､さらなる大規模化も可能になります｡両社の技術をﾍﾞｰｽに､新たなｱﾌﾟﾘｹｰｼｮﾝの創造やﾃﾞｼﾞﾀﾙﾄﾗﾝｽﾌｫｰﾒｰｼｮﾝの実現にご協力いただけるﾊﾟｰﾄﾅｰを､広く募集いたしております｡?【展示会情報】流通業向けITｼｽﾃﾑ総合展｢ﾘﾃｰﾙﾃｯｸJAPAN 2021｣のﾍﾞｸﾄﾛｼﾞｰのﾌﾞｰｽにて､ｱﾒｰﾊﾞｺﾝﾋﾟｭｰﾀの詳細をご紹介いたします｡期間：2021年3月9日（火）～3月12日（金）会場：東京ﾋﾞｯｸﾞｻｲﾄ南展示棟URL：https://messe.nikkei.co.jp/rt/?【文献】

ｱﾅﾛｸﾞ電子ｱﾒｰﾊﾞの研究論文?(英語): K. Saito, M. Aono, S. Kasai, "Amoeba-inspired analog electronic computing system integrating resistance crossbar for solving the travelling salesman problem,"?Scientific Reports?10, 20772 (2020).?https://www.nature.com/articles/s41598-020-77617-7
ｱﾅﾛｸﾞ電子ｱﾒｰﾊﾞの紹介記事?(英語): "`Electronic amoeba' finds approximate solution to traveling salesman problem in linear time,"?Phys.org?(2020).?https://phys.org/news/2020-12-electronic-amoeba-approximate-solution-salesman.html
ｱﾒｰﾊﾞｺﾝﾋﾟｭｰﾀのﾚﾋﾞｭｰ論文?(英語): M.Aono,"Amoeba-inspired combinatorial optimization machines,"?Jpn. J. Appl. Phys.?59, 060502 (2020).?https://iopscience.iop.org/article/10.35848/1347-4065/ab8e05
ｱﾒｰﾊﾞｺﾝﾋﾟｭｰﾀの研究紹介論文?(日本語):??野真士,?大古田香織, "ｱﾒｰﾊﾞ型組合せ最適化ﾏｼﾝ," ?応用物理?89巻10号, 580-584 (2020).?https://www.jstage.jst.go.jp/article/oubutsu/89/10/89_580/_article/-char/ja/
FPGA実装AmoebaSATの研究論文?(英語): A. H. N. Nguyen, M. Aono, Y. Hara-Azumi, "FPGA-based hardware/software co-design of a bio-inspired SAT solver,"?IEEE Access?8, 49053-49065 (2020).?https://ieeexplore.ieee.org/document/9032106

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■Amoeba Energy株式会社についてAMOEBA ENERGYは､次世代を担うｺﾝﾋﾟｭｰﾃｨﾝｸﾞ技術のﾋﾝﾄは自然界を生き抜く生物の情報処理原理から得られると信じています｡慶應義塾大学の研究者でもある代表･?野は､単細胞ｱﾒｰﾊﾞ･粘菌が環境に適応し最適ﾊﾟﾀｰﾝに変形する振舞いに学び､｢巡回ｾｰﾙｽﾏﾝ問題｣や｢充足可能性問題｣等の複雑な組合せ最適化問題の解を､電子回路により高速に探索する生物型ｺﾝﾋﾟｭｰﾀの研究開発を続けてきました｡｢ｱﾒｰﾊﾞｺﾝﾋﾟｭｰﾀ｣は､回路を流れる電流ﾀﾞｲﾅﾐｸｽの並行性や､ﾃﾞﾊﾞｲｽの揺らぎからもたらされる確率的動作を活用し､適切なﾊﾟﾀｰﾝを従来型ｺﾝﾋﾟｭｰﾀより素早く確実に得る手段を提供します｡それは､多様な制約をもつﾆｰｽﾞ､変わり続けるﾘｸｴｽﾄ､増大していくｼｽﾃﾑｻｲｽﾞに対応できる｢ﾔﾜﾗｶさ｣を体現できます｡名称：Amoeba Energy株式会社所在地：〒251-0052?神奈川県藤沢市藤沢1009-6?中島ﾋﾞﾙ3F代表：代表取締役 ?野真?設?：2018年1?資本?：1億円?

■株式会社ﾍﾞｸﾄﾛｼﾞｰについてﾍﾞｸﾄﾛｼﾞｰは主にFPGAｺﾝﾋﾟｭｰﾃｨﾝｸﾞに基づくGPUを凌駕する専?演算器の開発､FPGAによる数値演算専ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝの?速化､超微?信号ｱﾅﾛｸﾞ／?周波ｱﾅﾛｸﾞ､ASIC向けFPGAﾌﾟﾛﾄﾀｲﾋﾟﾝｸﾞ､筐体設計･設計･製造･量産対応の5つの分野に特化してｻｰﾋﾞｽをご提供しています｡?載､医療､仮想現実､?声／画像認識､ﾃﾞｨｰﾌﾟﾗｰﾆﾝｸﾞ等､ﾍﾞｸﾄﾛｼﾞｰはFPGAをﾍﾞｰｽに最新のIoT事業へ貢献しています｡ﾘｱﾙﾀｲﾑで制限の多い環境下での演算処理が必要なこれらの分野にこそ､ﾍﾞｸﾄﾛｼﾞｰのFPGAｺﾝﾋﾟｭｰﾃｨﾝｸﾞ技術は最適と?えます｡製品開発の複雑化､先進化に伴い､求められる演算処理能?のﾊｰﾄﾞﾙはますます?くなるでしょう｡ﾍﾞｸﾄﾛｼﾞｰのFPGAｺﾝﾋﾟｭｰﾃｨﾝｸﾞ技術が最適であることは､これまでの採?実績によって裏付けられています｡名称：株式会社ﾍﾞｸﾄﾛｼﾞｰ所在地：〒222-0033?神奈川県横浜市港北区新横浜2-5-2代表：代表取締役篠?義?設?：2016年1?資本?：999万円