DRAMセルの熱とエントロピー、「電子1個単位」で同時測定：省エネ情報処理デバイス開発に応用

NTTは、半導体メモリ素子（DRAMセル）における熱とエントロピーを、電子1個単位で同時測定することに世界で初めて成功した。省エネルギー情報処理デバイスや次世代メモリ技術への応用が期待される。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

独自のシリコンナノデバイスを用いた単電子検出技術を応用

　NTTは2026年4月、半導体メモリ素子（DRAMセル）における熱とエントロピーを、電子1個単位で同時測定することに世界で初めて成功したと発表した。省エネルギー情報処理デバイスや次世代メモリ技術への応用が期待される。

　情報処理では、「初期化操作」を行うことによって、ばらついた情報を一定の状態にそろえる。この時、エントロピー（情報のばらつき）は減少するものの、発熱（エネルギー消費）する。エネルギー消費の理論的最小値は「ランダウア限界」と呼ばれるが、実際のデバイスではこの限界を上回るエネルギーが消費されるという。この原因についてこれまでは、実験的に検証されていなかった。

研究の概要図［クリックで拡大］ 出所：NTT

ランダウア限界の解説と、電子デバイスのエネルギー消費との隔たりを示す模式図［クリックで拡大］ 出所：NTT

　そこでNTTは、DRAMセルの回路構造を対象に低速で初期化操作を行い、ランダウア限界に到達するかを検証した。ところが、測定したいエントロピーや熱の信号は極めて小さく雑音に埋もれやすい。このため室温動作の半導体素子では、これまで測定することができなかったという。

　NTTは今回、独自のシリコンナノデバイスを用いた単電子検出技術を応用した。高性能検出器を用い、キャパシターに蓄えられた電荷量を単電子単位で測定。その情報から熱およびエントロピーを評価することとした。

　具体的には、測定した電荷量からキャパシターの電位を算出し、リードの電位と組み合わせることで熱を測定した。さらに、DRAMセルの情報を決めるキャパシターの電荷量を単電子ごとに測定することで、エントロピーの計算が可能となった。

DRAMセルの回路構造［クリックで拡大］ 出所：NTT

（a）デバイスの等価回路、（b）デバイスの電子顕微鏡写真、（c）検出器電流の測定例、（d）電子の移動ごとに生じる熱量、（e）熱量の算出方法を示した模式図、（f）得られた電子数確率分布［クリックで拡大］ 出所：NTT

　NTTは、DRAMセルに対し注入する電荷量を変えながら、エントロピー減少率と熱量の関係性を調べた。この結果、エントロピーが減少するほど発生する熱量は増えた。その増加率も大きくなることが分かった。つまり、初期化エラー率が減少するほど熱量はランダウア限界からかけ離れていくことが分かった。

　さらに詳細な解析を行った、この結果、DRAMセルは熱的に不安定な状態（非平衡状態）に情報を保持している。初期化操作を行う途中で熱的に安定な状態（平衡状態）へ移行する。この時に余分な熱が発生し、ランダウア限界を達成できないことが判明した。こうしたことから、省エネルギーメモリ素子を開発するには、熱的に安定な状態に情報を保持できる構造にする必要があるという。

エントロピー減少量と平均累計発熱量の測定結果［クリックで拡大］ 出所：NTT