はじめに

早速ですが以下の２枚の画像の違いが分かりますか？

ぱっと見違いが分からないですよね。
実は上から２枚目の画像の圧縮には近似計算という計算手法が使われています。

近似計算によって、画像のクオリティにほぼ違いが無いにもかかわらず
２枚目のほうが画像圧縮にかかる消費電力が小さくなっているんです。

改めまして

おはようございます。
大学院修士課程のchanjagaです。
今回は私が約１年半大学院で取り組んでいる近似計算の研究概要をお伝えしようと思います。この記事を読んで少しでも私の研究に興味を持ってもらえたら幸いです。

近似計算とは

近似計算とは、計算の精度 (computing accuracy) を犠牲にし、計算リソース（時間、消費電力、回路の実装面積など）を削減する手法です。
計算精度の劣化をある程度許容できるアプリケーションに近似計算を適用することによって、エネルギー効率や処理速度の向上が期待できます。

近似計算を適用できる主なアプリケーション

画像および音声処理:

人間の目には認識できないピクセル値の誤差を許容できる画像の処理や、ノイズが含まれる音声処理には近似計算が適用可能です。

機械学習:

学習アルゴリズムのトレーニングや推論においても、完全な計算精度は必要ありません。特定のモデルパラメータや特徴量を近似することで、計算コストを削減できます。これにより、モデルの学習速度が向上し、省電力化が可能になります。

IoTデバイス:

センサーデータの処理や通信においても、自然のノイズが含まれるため完全な計算精度は必要でなく、近似計算を適用することができます。これにより、バッテリー寿命を延ばし、処理効率を高めることが可能です。

データ圧縮:

圧縮アルゴリズムで近似を利用することで、データサイズを大幅に削減し、帯域幅の効率的な使用や保存スペースの節約が期待できます。加えて、圧縮処理にかかる消費電力の削減にも寄与します。

ゲーム開発:

リアルタイムのグラフィックスレンダリングや物理シミュレーションでも、完全な精度が必ずしも必要ないため、近似計算が処理速度を大幅に向上させます。

ちなみに、最初に見せた画像はデータ圧縮に近似計算を適用した例です。

私の研究

近似計算についてなんとなくのイメージを持ってもらったところで、私の研究内容を簡単に紹介していきます。私の研究内容はずばり

心電図処理への近似計算適用による回路の消費電力削減

です。具体的には、心電図の特徴検出に使用される Pan-Tompkins アルゴリズムにおいて、計算リソースの削減と電力効率の向上を図ることを目指しています。アルゴリズムの中で特にエネルギー消費が大きいのが「二乗 (squaring) 」ステップです。このステップを最適化するために、以下のアプローチを試みています。

↑Pan-Tompkinsアルゴリズム↑

近似計算の適用: Pan-Tompkins アルゴリズムの最適化

二乗ステップの最適化
心電図信号の特徴を検出する際、Pan-Tompkins アルゴリズムの中で重要な役割を果たしているのが「二乗」ステップです。この処理は計算負荷が高く、特にバッテリー駆動の医療機器では消費電力の大きな要因となっています。私の研究では、この「二乗」ステップを改善するために、専用の近似二乗回路を導入しています。
8種類の近似二乗回路の評価
二乗処理を行うための代替アプローチとして、8つの異なる近似二乗回路を提案し、その性能を評価しました。それぞれの回路が提供するパワー削減率や面積削減率を比較し、最適な回路設計を見つけることを目指しました。
評価結果
最も優れた近似二乗回路を選定した結果、以下のような成果を得ることができました：

消費電力の削減: 99.40%
回路面積の削減: 99.47%
特徴検出精度: 99.67%

この結果からも分かるように、近似計算を用いることで、心電図処理のパフォーマンスを大幅に向上させることができました。特に、バッテリー駆動の医療機器においては、長時間の使用が可能となり、実用性が大いに向上しています。

まとめ

今回は私の研究テーマである近似計算について、実際の研究内容を交えながら説明しました。今後もより多くのアプリケーションに対して近似計算の適用を広げていきたいと考えています。もし興味を持ってもらえたらぜひ質問してください！