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System Lab 7 Introduction - UTokyo Graduate School of IST

System Lab 7 Introduction - UTokyo Graduate School of IST

Makoto Naruse

May 23, 2020
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Transcript

  1. 1. 光を⽤いた意思決定メカニズム 2. 新たな光機能システム 3. 圏論的システムデザイン AIフォトニクス – 光を⽤いた意思決定 ・超⾼速レーザーカオス意思決定

    ・もつれ光⼦を⽤いた協調意思決定 ・ナノフォトニクスを⽤いた超⾼集積意思決定 ・応⽤システム︓瞬時チャネル制御など 新しい光システム ・アービトレーションフリー・遅延保証ネットワーク ・光を活⽤した⼈⼯データ⽣成 ⾃然計算・⾃然知能デザイン ・圏論にインスパイアされた新たなシステム理論 http://www.inter.ipc.i.u-tokyo.ac.jp/ 情報物理・光システム学研究室 (システム情報第7研究室) ⼤学院⼊試説明会資料(2020/5/23)
  2. Deep learning by nanophotonics (MIT) Coherent Ising Machine (NII/Stanford) Quantum

    annealing D-wave CMOS annealing chip 日立製作所 光リザーバーコンピューティング (欧州他) AI時代において「物理系を活かした機能構築」 はますます重要な強⼒な潮流 4 ポストムーア、Beyond Neumann、 Reboot Computing (IEEE) メタマテリアルから光コンピューティングへ (Univ Pennsylvania 他) パスゲートロジック/イン・ネットワークコンピューティング (NTT他) 光を⽤いた意思決定 (東⼤) ⾰新的コンピューティング (JST さきがけ/CREST)
  3. 5 APL Photonics 2019 (招待論⽂) IEEE JSTQE 2019 (招待論⽂) 電⼦情報通信学会誌

    2020 (招待論⽂) Nature Research 2019 他にも多数の原著論⽂、総説を出版してい ますので興味があれば研究室Webサイトを 参照してください http://www.inter.ipc.i.u-tokyo.ac.jp/
  4. 物理を直接に活かした意思決定 単⼀光⼦を⽤いた意思決定 (Sci. Rep. 2015) 波動性(探索) と粒⼦性(決断) 光カオスを⽤いた超⾼速意思決定 (Sci. Rep.

    2017) 超⾼速 1GHz (100 Gsample/s) インパクト 世界発の光知能 •ロボティクス •Fintech なぜインパクト︖意思決定(強化学習)=広範かつ重要な応⽤の基盤︕ •AI, データセンター •サーチ •無線網 •IoT •広告 上昇気流 あまりよくない気流 Microsoft DeepMind Google本社へ招聘(Sci.Foo) 横幹連合⽊村賞 ドコモ・モバイル・ サイエンス賞 (2018)
  5. 意思決定問題の基盤︓多本腕バンディット問題 当たり確率 PA PB PC 機械学習アルゴリズム -greedy, softmax, upper confidence

    bound (UCB), … 光の極限性能活かし新たな原理を提案 わたしたちのアプローチ 従来
  6. フォトニクスと⾼周波電⼦デバイスの融合 ⼀般的な解決策 ⾼速→低速変換(DEMUX) + 低速回路(ASIC/FPGA) まずは、意思決定に必要な計数処理(履歴記憶)に着⽬ Sci Rep 2017, Sci

    Rep 2018 ・意思決定の後処理系は低速 ・コヒーレント光通信等でも先端研究は 後処理依存( 普遍的重要課題) 例︓シリコンによる超⾼速信号⽣成の実現 (300 GHz 動作シリコン集積回路) Hara, Kasamatsu, et al. ISSCC 2016 課題 従来 ・⼀般に(極めて)⾼コスト ・光の良さを消しかねない 原 紳介、董 鋭冰、松本 敦、笠松 章史、伊藤 浩之、関 根 かをり、成瀬 誠: 超⾼速意思決定に向けたシリコン CMOS⾼速履歴記憶の回路設計、第79回応⽤物理学会秋 季学術講演会、講演予稿集(2019.9.19) 12 NICTの独⾃技術&⾼いポテンシャル 180 nm ファウンドリ サービス(TSMC) 計数機能を実験的に確認 [新規設計回路] NICTとの共同研究
  7. 7 7 7 7 7 7 SLOT MACHINE A SLOT

    MACHINE B REWARD PROBABILITY 0.2 0.8 PLAYER 1 PLAYER 2 競合的バンディット問題 意思決定の競合 CONFLICT OF INTERESTS!!
  8. 14

  9. 16 N. Chauvet et al. Entangled-photon decision maker. Sci. Rep.

    2019 競合の低減︕ チームとしての 報酬増⼤︕ エンタングルメントを⽤いた協調的意思決定
  10. 19 瞬時チャネル制御に関する研究 ・アンテナ側の⾼度化 ・エンタングルメント活⽤の探求 ・順序認識/制御 ・端末側の⾼度化 ・順序認識/制御 光を⽤いた意思決定 光を⽤いた意思決定 *

    Proof-of-Concept: POC *WiWi を⽤いたPOC*システム Shimomura et al. IEICE CCS/NLP (2020.6) 5G、Beyond 5G を⾒据えた 共同研究を推進中です 東京理科⼤・釜⼭国⽴⼤
  11. 20 敵対的⽣成ネットワーク Generative Adversarial Network (GAN) Radford, et al. 2015

    Answer z x Noise Genuine data G D 識別器(Discriminator) ⽣成器(Generator) Karras, et al. 2018
  12. 23 アービトレーションフリーネットワーク もしできれば・・・ ・物理層の本来のポテンシャルを引き出す (光の⼤容量性、⾼速性) ・効率の⾰新 ・遅延の保証 (ハードリアルタイム、 プレディクタブルリアルタイム等) ・全く新しい応⽤の創出

    (⾞載光ネットワーク等) 現在の情報ネットワーク 意味のある情報 追加の⼿間 (オーバーヘッド) ・多数回の光電変換/計算処理/複雑な調停 →オーバーヘッド.光の⾼速性阻む ・遅延→AI時代においてクリティカルな課題 (⾃動運転等)
  13. 24 無線双⽅向時刻⽐較技術 WiWi [Wireless two-way Interferometry] 時刻差、遅延を知り 時計(絶対時刻)を合わせる (精度︓5 ps)

    時刻同期を活⽤した 新たなネットワーキングの可能性 WiWi: NICT 志賀博⼠が開発
  14. 25 A B A T B T 双⽅向時刻⽐較技術の原理  

    at B at A 2 c t       at B at A 2      B A c T T t   時刻差 伝搬遅延(距離) at B B A c T T t         at A A B c T T t          
  15. 圏論的システムモデリング M. Naruse S.-J. Kim, M. Aono, M. Berthel, A.

    Drezet, S. Huant, H. Hori: Category Theoretic Analysis of Photon-based Decision Making, International Journal of Information Technology & Decision Making, Vol. 17, No. 5, pp. 1305-1333, 2018. ▪圏論(三⾓圏)を⽤いた光意思決定メカニズムの理論 ▪局所リザーバーによる意思決定の理論 (選択による選好性の強化) 28 Plos One 2018 G. Northoff教授(オタワ⼤学)と協働
  16. アウトリーチ/国際ワークショップほか 30 ▪ WEBサイト ▪国際ワークショップ UCNC 2018 (仏) ▪NOLTA (毎年)

    ▪応物学会シンポ ▪国際強化(研究者招聘&派遣) •S. Huant, G. Bachelier (仏)招聘 •G. Northoff (Canada)招聘 ▪勉強会 (東⼤) •N. Chauvet(仏)東⼤着任 •内⼭(⼭梨⼤) 仏派遣 2019 ▪夢ナビライブ (YouTube) ⻄郷(⻑浜バイオ⼤) 内⽥欣吾(⿓⾕⼤) •A. Roam (スペイン,I. Fisher 教授グループ) 招聘 ▪パレルモ⼤学WS •成瀬 Univ. Grenoble Alpes 招聘教授 2017 2019
  17. 31 システム情報第7研究室 ▪フォトニクス分野、情報フォトニクス分野などの伝統的分野が⼀つの強⼒な ベースキャンプです。 ▪⾮線形科学とその応⽤分野、ネットワーク分野などの伝統的分野も強⼒なベース キャンプです。 落ち着いた基盤と幅広いネットワーク を確⽴し、その上でチャレンジしています。 (専⾨の安定感・安⼼感と挑戦の両⽴) その他のリマーク

    私たちの研究室は Emerging Research Area に取り組んでいますが、 その基盤は⾮常に安定していると考えています。 ▪世界最先端の学際融合領域に取り組んでいます。どんな専⾨分野出⾝でも、⾃然なかた ちで、最先端研究に到達できます︕ システム情報⼯学、数理⼯学、物理⼯学、コンピュータ科学、電⼦情報学、⽂系・・・ ▪同時に、安定感、安⼼感も重視 オンザジョブで急速に成⻑できます 光情報処理、光コンピューティング︓⻑い歴史と伝統