JP7666727B2 - Synthesis condition generation method, synthesis condition generation device, and program - Google Patents
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Description
本発明は、合成条件生成方法、合成条件生成装置及びプログラムに関する。 The present invention relates to a synthesis condition generation method, a synthesis condition generation device, and a program.
与えられた合成条件(レシピ)に従って生成された物質の評価値を測定する試行を繰り返しながら良い評価値を与える合成条件を探索することが従来から行われている。例えば、図1に示すように、nを試行回数として、(1)合成条件xnを生成し、(2)この合成条件xnに従って試料(物質)を生成し、(3)その試料を評価して評価値ynを測定する、という試行を繰り返しながら良い評価値を与える合成条件を探索することが行われている。 Conventionally, synthesis conditions that give good evaluation values are searched for by repeating trials of measuring the evaluation values of substances generated according to given synthesis conditions (recipe). For example, as shown in Fig. 1, synthesis conditions that give good evaluation values are searched for by repeating trials in which n is the number of trials, namely, (1) synthesis conditions xn are generated, (2) a sample (substance) is generated according to the synthesis conditions xn, and (3) the sample is evaluated to measure an evaluation value yn .
与えられた合成条件に従って薄膜(物質、試料)を生成する手法としては、例えば、分子線エピタキシー法(非特許文献1)等がある。これ以外にも、例えば、スパッタリング法、パルスレーザーアブレーション法、物理蒸着法、化学気相成長法、スピンコート法、原子層堆積法、フローティングゾーン法、フラックス法、チョクラルスキー法等といった薄膜合成・バルク合成法等が挙げられる。また、合成条件に対する評価値が常に得られる問題設定の下で次に試行する合成条件を生成する手法として、ベイズ的最適化等がある(特許文献1、非特許文献2及び3)。なお、合成条件に従って物質が生成され、その物質の用途等に応じて予め設計された評価指標でその物質の評価値を測定するという過程が複雑なため、合成条件と評価値の関係が陽に記述できない状況もあり得るが、ベイズ的最適化では、このような状況においても合成条件を探索できる手法として知られている。
For example, molecular beam epitaxy (Non-Patent Document 1) is a method for producing a thin film (material, sample) according to given synthesis conditions. In addition, thin film synthesis and bulk synthesis methods such as sputtering, pulsed laser ablation, physical vapor deposition, chemical vapor deposition, spin coating, atomic layer deposition, floating zone method, flux method, Czochralski method, etc. are also included. In addition, Bayesian optimization is a method for generating synthesis conditions to be tried next under a problem setting in which evaluation values for synthesis conditions are always obtained (
しかしながら、良い評価値を与える合成条件を探索する従来手法では、評価値が得られない合成条件があり得るという問題点がある。これは、合成条件の探索範囲内のすべての合成条件で安定な物質が生成されるとは限らないためである。また、或る合成条件において、目的とする物質と異なる組成や結晶構造を持つ物質が得られることもあり得るためである。However, the conventional method of searching for synthesis conditions that give good evaluation values has the problem that there may be synthesis conditions for which no evaluation value can be obtained. This is because stable substances are not necessarily produced under all synthesis conditions within the search range of synthesis conditions. In addition, it is possible that a substance with a different composition or crystal structure from the desired substance may be produced under certain synthesis conditions.
本発明の一実施形態は、上記の点に鑑みてなされたもので、与えられた評価指標の下で最適な物質が得られる合成条件を生成することを目的とする。One embodiment of the present invention has been made in consideration of the above points, and aims to generate synthesis conditions that will yield an optimal substance under given evaluation indexes.
上記目的を達成するため、一実施形態に係る合成条件生成方法は、合成条件に従った物質の生成と前記物質を評価する評価値の測定と前記合成条件の生成とを順に実行する試行における前記合成条件を生成するための合成条件生成方法であって、これまでのN回の試行の中で物質の評価値yn'(n'∈{1,・・・,N})が測定できなかった試行n'が存在する場合、試行n'における評価値yn'を最悪の評価値に置き換える評価値変換手順と、試行n(n=1,・・・,N)における合成条件xn及び評価値ynを用いて、未試行の合成条件xの評価値yを予測する予測手順と、前記未試行の合成条件xの評価値yを予測した結果を用いて、評価値yn(n=1,・・・,N)の最良値よりも良い評価値を取る合成条件を、試行N+1における合成条件xN+1として生成する生成手順と、をコンピュータが実行する。 In order to achieve the above object, a synthesis condition generation method according to one embodiment is a synthesis condition generation method for generating synthesis conditions in a trial in which the synthesis of a substance according to synthesis conditions, the measurement of an evaluation value for evaluating the substance, and the generation of the synthesis conditions are sequentially performed, and when there is a trial n' in which the evaluation value y n' (n'∈{1, ..., N}) of the substance could not be measured among the N trials so far, a computer executes an evaluation value conversion procedure for replacing the evaluation value y n' in trial n' with the worst evaluation value, a prediction procedure for predicting the evaluation value y of an untried synthesis condition x using the synthesis condition x n and evaluation value y n in trial n (n=1, ..., N), and a generation procedure for generating synthesis conditions x N+1 in trial N+1 that have an evaluation value better than the best value of the evaluation value y n (n=1, ..., N ) using the result of predicting the evaluation value y of the untried synthesis condition x.
与えられた評価指標の下で最適な物質が得られる合成条件を生成することができる。 It is possible to generate synthesis conditions that result in the optimal material under given evaluation criteria.
以下、本発明の一実施形態について説明する。以下の実施形態では、与えられた評価指標の下で最適な物質が得られる合成条件を生成することができる合成条件生成システム1について説明する。
One embodiment of the present invention will be described below. In the following embodiment, a synthesis
<合成条件生成システム1の全体構成>
本実施形態に係る合成条件生成システム1の全体構成例を図2に示す。図2に示すように、本実施形態に係る合成条件生成システム1には、合成条件生成装置10と、物質生成装置20と、物質評価装置30とが含まれる。
<Overall configuration of synthesis
An example of the overall configuration of the synthesis
合成条件生成装置10は、試行回数を表すインデックスをnとして、前回の試行までに得られた合成条件(レシピ)とその評価値とを用いて、今回の試行で用いる合成条件を生成する。合成条件とは或る手法により1以上の原料の反応を進めて或る物質を得るための条件(例えば、組成元素の量、反応温度、原料を投入するタイミング等)であり、一般に、ベクトルで表される。一例として、SrRuO3薄膜を生成するタスクでは、合成条件は、(a)Ruの供給量、(b)薄膜を付着させる基板の温度、(c)酸素原子Oを供給するオゾンノズルと基板との間の距離、の3つ要素を持つベクトルで表される。以下、n回目の試行を「試行n」ともいい、試行nで物質の生成に用いられる合成条件を「xn」とする。
The synthesis
物質生成装置20は、合成条件生成装置10により生成された合成条件に従って原料の反応を進めて物質(試料)を生成する。物質生成装置20としては、例えば、分子線エピタキシー法、スパッタリング法、パルスレーザーアブレーション法、物理蒸着法、化学気相成長法、スピンコート法、原子層堆積法、フローティングゾーン法、フラックス法、チョクラルスキー法等といった薄膜合成・バルク合成法等により物質を生成する装置である。一例として、SrRuO3薄膜を生成するタスクでは、分子線エピタキシー法による薄膜生成装置を物質生成装置20として用いることができる。
The
物質評価装置30は、物質生成装置20により生成された物質(試料)を所定の評価指標により評価した評価値を測定する。なお、評価指標としては、所望の物質とその形状(薄膜、バルク等)に応じた既存の評価指標を用いればよい。一例として、SrRuO3薄膜を生成するタスクでは、薄膜の元素の並びの良さを測る評価指標として残留抵抗比(RRR:Residual Resistivity Ratio)を用いることが考えられる。
The
以下、評価値は、物質(試料)が安定した物質であるか否か又は所望の物質であるか否かを表す2値情報とその物質の良さを表すスカラ値とで構成されるものとし、物質が安定した物質又は所望の物質である場合はスカラ値、物質が安定した物質又は所望の物質でない場合はNaNを取るものとする。例えば、電気抵抗の大きい絶縁体を得たい場合には、評価値は、所望の試料が得られた場合はその電気抵抗値、そうでなかった場合はNaNを取る。なお、NaNは非数(Not a Number)を表す。 Hereinafter, the evaluation value will be defined as consisting of binary information indicating whether or not a substance (sample) is a stable substance or a desired substance, and a scalar value indicating the quality of that substance, and will take a scalar value if the substance is stable or the desired substance, and NaN if the substance is neither stable nor the desired substance. For example, if one wishes to obtain an insulator with high electrical resistance, the evaluation value will be the electrical resistance value if the desired sample is obtained, and NaN if not. Note that NaN stands for Not a Number.
また、以下、合成条件xnに従って物質生成装置20により生成された物質に対する評価値を「yn」として、評価値が大きいほど良い評価であるものとする。なお、評価値が小さいほど良い評価である場合には、例えば、評価値の符号を反転させることで、本実施形態を同様に適用することが可能である。
In the following description, the evaluation value for the material generated by the
ここで、本実施形態に係る合成条件生成システム1は、これまでの試行で得られた合成条件とその評価値{(xn,yn)|n=1,・・・,N}(ただし、Nはこれまでの試行回数)を用いて合成条件生成装置10が合成条件xN+1を生成し、この合成条件xN+1に従って物質生成装置20が物質(試料)を生成し、この試料を物質評価装置30が評価して評価値yN+1を測定する、という試行を繰り返しながら良い評価値を与える合成条件を探索する。以下では、物質生成装置20及び物質評価装置30をブラックボックスとして扱い、これまでの試行で得られた合成条件とその評価値{(xn,yn)|n=1,・・・,N}を用いて、N+1回目の試行でより良い評価値を与える合成条件xN+1を合成条件生成装置10が生成する場合について説明する。これにより、この試行が繰り返されることで、最適な物質が得られる合成条件を生成することが可能となる。
Here, in the synthesis
ただし、図2に示す合成条件生成システム1の全体構成は一例であって、これに限られるものではない。例えば、合成条件生成装置10と、物質生成装置20及び物質評価装置30のうちの2以上の装置が同一の装置で実現されていてもよい。However, the overall configuration of the synthesis
<合成条件生成装置10のハードウェア構成>
本実施形態に係る合成条件生成装置10のハードウェア構成例を図3に示す。図3に示すように、本実施形態に係る合成条件生成装置10は、入力装置101と、表示装置102と、外部I/F103と、通信I/F104と、RAM(Random Access Memory)105と、ROM(Read Only Memory)106と、補助記憶装置107と、プロセッサ108とを有する。これらの各ハードウェアは、それぞれがバス109を介して通信可能に接続されている。
<Hardware configuration of the synthesis
An example of the hardware configuration of the synthesis
入力装置101は、例えば、キーボード、マウス、タッチパネル等である。表示装置102は、例えば、ディスプレイ、表示パネル等である。なお、合成条件生成装置10は、例えば、入力装置101及び表示装置102のうちの少なくとも一方を有していなくてもよい。The
外部I/F103は、記録媒体103a等の外部装置とのインタフェースである。合成条件生成装置10は、外部I/F103を介して、記録媒体103aの読み取りや書き込み等を行うことができる。記録媒体103aとしては、例えば、フレキシブルディスク、CD(Compact Disc)、DVD(Digital Versatile Disk)、SDメモリカード(Secure Digital memory card)、USB(Universal Serial Bus)メモリカード等がある。The external I/
通信I/F104は、合成条件生成装置10を通信ネットワークに接続するためのインタフェースである。RAM105は、プログラムやデータを一時保持する揮発性の半導体メモリ(記憶装置)である。ROM106は、電源を切ってもプログラムやデータを保持することができる不揮発性の半導体メモリ(記憶装置)である。補助記憶装置107は、例えば、HDD(Hard Disk Drive)やSSD(Solid State Drive)等のストレージ装置(記憶装置)である。プロセッサ108は、例えば、CPU(Central Processing Unit)やGPU(Graphics Processing Unit)等の演算装置である。The communication I/
本実施形態に係る合成条件生成装置10は、図3に示すハードウェア構成を有することにより、後述する合成条件生成処理を実現することができる。なお、図3に示すハードウェア構成は一例であって、合成条件生成装置10のハードウェア構成はこれに限られるものではない。例えば、合成条件生成装置10は、複数の補助記憶装置107や複数のプロセッサ108を有していてもよいし、図示したハードウェア以外の様々なハードウェアを有していてもよい。The synthesis
<合成条件生成装置10の機能構成>
本実施形態に係る合成条件生成装置10の機能構成例を図4に示す。図4に示すように、本実施形態に係る合成条件生成装置10は、評価値入力部201と、評価値予測部202と、合成条件探索部203と、合成条件出力部204とを有する。これら各部は、例えば、合成条件生成装置10にインストールされた1以上のプログラムが、プロセッサ108等に実行させる処理により実現される。また、本実施形態に係る合成条件生成装置10は、記憶部205を有する。記憶部205は、例えば、補助記憶装置107等により実現される。なお、記憶部205は、例えば、合成条件生成装置10と通信ネットワークを介して接続されるデータベースサーバ等の記憶装置により実現されてもよい。
<Functional configuration of the synthesis
FIG. 4 shows a functional configuration example of the synthesis
評価値入力部201は、試行N(前回の試行)で物質評価装置30により評価された評価値yNを入力する。なお、この評価値yNは記憶部205に記憶される。
The evaluation
ここで、各評価値yn(n=1,・・・,N)はNaNを取り得るため、yn=NaNのときの変換処理が必要である。また、合成条件xnを構成する各要素のスケールの違いや、評価値ynそのもののスケールによって、評価値予測部202が評価値を予測する際の予測精度が悪化する可能性がある。このため、予測精度を確保し、合成条件を効率よく探索するためには、合成条件xnとその評価値ynの正規化処理が必要である。そこで、評価値入力部201は、評価値yNを入力すると、各n=1,・・・,Nに対して、以下の変換処理により評価値ynをyn'にそれぞれ変換すると共に、以下の正規化処理により合成条件xnとyn'をそれぞれ正規化する。
Here, since each evaluation value yn (n=1,...,N) can take NaN, a conversion process is required when yn =NaN. In addition, the prediction accuracy when the evaluation
・変換処理
評価値入力部201は、各評価値yn(n=1,・・・,N)を以下の式(1)により変換する。
Conversion Process The evaluation
・正規化処理
以下、合成条件xnはD個の要素で構成されるベクトルであるものとして、xn=[xn,1,・・・,xn,D]Τとする。ここで、Τはベクトルや行列の転置を表す。
Normalization Processing Hereinafter, the synthesis condition xn is assumed to be a vector composed of D elements, where xn = [xn ,1 ,...,xn ,D ] T , where T represents the transpose of a vector or matrix.
D個の要素xn,d(d=1,・・・,D)は、或る手法により或る物質を得るための条件を表している。一例として、SrRuO3薄膜を生成するタスクでは、xn,1はRuの供給量、xn,2は薄膜を付着させる基板の温度、xn,3は酸素原子Oを供給するオゾンノズルと基板との間の距離をそれぞれ表している。 D elements xn ,d (d=1,...,D) represent conditions for obtaining a certain material by a certain method. As an example, in a task of producing a SrRuO3 thin film, xn ,1 represents the supply amount of Ru, xn ,2 represents the temperature of the substrate on which the thin film is deposited, and xn ,3 represents the distance between the ozone nozzle that supplies oxygen atoms O and the substrate.
d番目の要素xn,dの探索範囲の下限と上限をそれぞれ The lower and upper limits of the search range for the d-th element x n, d are
このとき、評価値入力部201は、合成条件xn=[xn,1,・・・,xn,D]Τを正規化した正規化合成条件
At this time, the evaluation
なお、以下、明細書のテキスト中では、合成条件xnを正規化した正規化合成条件を「~xn」、変換処理後の評価値yn'を正規化した正規化評価値を「~yn'」と表記する。また、誤解の恐れがないときは、正規化合成条件を単に「合成条件」ともいい、正規化評価値を単に「評価値」ともいう。更に、正規化合成条件を表す変数を「~x」、正規化評価値を表す変数を「~y」とする。 In the text of the specification below, the normalized composition condition obtained by normalizing the composition condition xn is expressed as " xn " and the normalized evaluation value obtained by normalizing the evaluation value yn ' after the conversion process is expressed as " yn ' ". Furthermore, when there is no risk of misunderstanding, the normalized composition condition is also simply referred to as the "composition condition" and the normalized evaluation value is also simply referred to as the "evaluation value". Furthermore, the variable representing the normalized composition condition is expressed as "x", and the variable representing the normalized evaluation value is expressed as " y".
評価値予測部202は、評価値入力部201によって求められた正規化合成条件と正規化評価値DN:={(~xn,~yn')|n=1,・・・,N}を用いて、これまでに試行したことがない合成条件~xがとる評価値~yを予測する。ここで、以下では、~yを平均μ(~x)、分散σ2(~x)の正規分布に従う確率変数
The evaluation
ガウス過程では、~y1',・・・,~yN'の同時分布を以下の共分散行列KNを持つ正規分布としてモデル化する。 In a Gaussian process, the joint distribution of .about.y 1 ', . . . , .about.y N ' is modeled as a normal distribution with covariance matrix K N :
カーネル関数kであるRBFカーネルである場合、~xmと~xnがD次元ベクトルであるとき、これらに対して、カーネル関数kは、以下で表される。 If the RBF kernel is a kernel function k, then for .about.xm and .about.xn , which are D-dimensional vectors , the kernel function k is expressed as follows:
なお、カーネル関数kとしてRBFカーネル以外の他のカーネル関数を採用してもよい。例えば、合成条件~xに対する評価値の変化が急峻な場合等には、非特許文献2に記載されているMaternカーネルを採用してもよい。これ以外にも、必要に応じて様々なカーネル関数を採用することができる。
It should be noted that a kernel function other than the RBF kernel may be adopted as the kernel function k. For example, in cases where the evaluation value changes sharply with respect to the synthesis conditions to x, the Matern kernel described in
このとき、評価値予測部202は、上記のカーネル関数k(・,・)とDNを用いて、以下により式(4)のμ(~x)、σ2(~x)を計算する。
At this time, the evaluation
合成条件探索部203は、式(4)で予測される評価値の分布を用いて、より良い評価値~yを与える合成条件~xを探索する。ここで、式(9)により、或る合成条件~xが与えられると、それに対応するμ(~x)、σ2(~x)が求まる。そこで、或る合成条件~xの良さの尺度として、これまでの試行における評価値の最高値
The synthesis
なお、式(10)に示す例では評価値の改善の期待値(参考文献1)を用いたが、他の基準を用いても探索の効率化を図ることができる(参考文献2及び3)。
In the example shown in equation (10), the expected value of improvement in the evaluation value (Reference 1) is used, but other criteria can also be used to improve the efficiency of the search (
これにより、良い合成条件~xを探索する問題は、式(10)を大きくする合成条件~xを探索する問題 As a result, the problem of searching for a good synthesis condition ~ x can be reduced to the problem of searching for a synthesis condition ~ x that makes the formula (10) larger.
ここで、合成条件~xの探索空間の次元が大きい場合、式(10)を評価する点の数が、次元の指数関数として増加してしまう。そこで、式(10)の評価回数を小さくする工夫として、まず粗いグリッドで式(10)を評価した後、改善の期待値が高い上位数個の点を頂点に持つ領域を選択し、その領域内においてグリッドの解像度を上げて評価することで、近似的に式(11)の最大化を行う。言い換えれば、まず探索空間内を粗い解像度のグリッドで探索及び評価した後、その評価結果が高い上位数個の点を頂点に持つ領域内でより細かい解像度のグリッドで探索及び評価する。
これにより、式(10)の期待値を近似的に最大化する合成条件~xN+1が得られる。
Here, when the dimension of the search space of the synthesis condition ∼x is large, the number of points for evaluating formula (10) increases as an exponential function of the dimension. Therefore, in order to reduce the number of evaluations of formula (10), formula (10) is first evaluated on a coarse grid, and then a region having the top few points with the highest expected value of improvement at its vertices is selected, and the grid resolution is increased within that region for evaluation, thereby approximately maximizing formula (11). In other words, first, the search space is searched and evaluated on a grid with a coarse resolution, and then the region having the top few points with the highest evaluation results is searched and evaluated on a grid with a finer resolution.
This gives the synthesis condition .about.xN +1 that approximately maximizes the expectation value of equation (10).
合成条件出力部204は、合成条件探索部203により探索された合成条件~xN+1の各要素に対して、以下の式(12)に示す逆正規化処理(正規化を元に戻す処理)を行って、xN+1=[xN+1,1,・・・,xN+1,D]Τを出力する。
The synthesis
記憶部205は、これまでの試行で得られた合成条件とその評価値{(xn,yn)|n=1,・・・,N}を記憶する。また、記憶部205は、それらの正規化合成条件と正規化評価値{(~xn,~yn')|n=1,・・・,N}を記憶する。
The
<合成条件生成処理>
次に、本実施形態に係る合成条件生成処理について、図5を参照しながら説明する。なお、以下では、N回の試行が行われた下で、N+1回目の試行でより良い評価値を与える合成条件xN+1を生成する場合について説明する。
<Synthetic condition generation process>
Next, the synthesis condition generation process according to the present embodiment will be described with reference to Fig. 5. In the following, a case will be described in which, after N trials have been performed, a synthesis condition xN+1 that gives a better evaluation value in the N + 1th trial is generated.
まず、評価値入力部201は、前回の試行Nの評価値yNを入力する(ステップS101)。この評価値yNは前回の試行Nにおける合成条件xNと対応付けて(xN,yN)として記憶部205に記憶される。なお、前回の試行Nにおける合成条件xNは記憶部205に既に記憶されていることに留意されたい。
First, the evaluation
次に、評価値入力部201は、これまでの評価値yn(n=1,・・・,N)を式(1)の変換処理によりyn'にそれぞれ変換する(ステップS102)。
Next, the evaluation
次に、評価値入力部201は、これまでの合成条件xn(n=1,・・・,N)と変換処理後の評価値yn'(n=1,・・・,N)を正規化処理によりそれぞれ正規化する(ステップS103)。
Next, the evaluation
すなわち、評価値入力部201は、式(2)により合成条件xnを正規化して正規化合成条件~xnを生成すると共に、式(3)により変換処理後の評価値yn'を正規化した正規化評価値~yn'を生成する。これらの正規化合成条件と正規化評価値(~xn,~yn')は記憶部205に記憶される。
That is, the evaluation
以下のステップS104~ステップS107は、探索空間内の未試行の合成条件~xに対して繰り返し実行される。なお、上述したように、まず探索空間内の粗いグリッドを未試行の合成条件として以下のステップS104~ステップS107を繰り返した後、改善の期待値が高い上位数個の点を頂点に持つ領域を選択し、その領域内においてグリッドの解像度を上げてそれらのグリッドを未試行の合成条件として以下のステップS104~ステップS107を繰り返すことが好ましい。以下では、或る繰り返しにおけるステップS104~ステップS107について説明する。 The following steps S104 to S107 are repeatedly executed for untried synthesis conditions to x in the search space. As described above, it is preferable to first repeat the following steps S104 to S107 with coarse grids in the search space as untried synthesis conditions, and then select an area having top several points with high expected improvement values as vertices, increase the resolution of the grids in that area, and repeat the following steps S104 to S107 with those grids as untried synthesis conditions. Steps S104 to S107 in a certain repetition are described below.
評価値予測部202は、探索空間内から未試行の合成条件~xを選択する(ステップS104)。
The evaluation
次に、評価値予測部202は、上記のステップS104で選択した合成条件~xの評価値を予測する(ステップS105)。具体的には、評価値予測部202は、合成条件~xの評価値の分布を決定する平均μ(~x)、分散σ2(~x)を式(9)により計算する。
Next, the evaluation
次に、合成条件探索部203は、式(4)で予測される評価値の分布を用いて、式(10)の期待値(N回目までの試行で得られた最高評価値からの改善の期待値)を計算する(ステップS106)。Next, the synthesis
そして、合成条件探索部203は、上記のステップS106で得られた期待値を評価(例えば、これまでに得られた期待値を昇順又は降順にソートしたり、最大値を特定したりする等)する(ステップS107)。Then, the synthesis
以上のステップS104~ステップS107が繰り返されることで、式(11)に示す合成条件~xN+1が近似的に得られる。 By repeating the above steps S104 to S107, the synthesis condition .about.x N+1 shown in equation (11) is approximately obtained.
合成条件出力部204は、上記のステップS104~ステップS107の繰り返しで最終的に得られた合成条件~xN+1に対して式(12)の逆正規化処理を行って、合成条件xN+1を生成する(ステップS108)。なお、この合成条件xN+1は記憶部205に記憶される。
The synthesis
そして、合成条件出力部204は、上記のステップS108で得られた合成条件xN+1を物質生成装置20に出力する(ステップS109)。
Then, the synthesis
以上により、N+1回目の試行の合成条件N+1が得られる。したがってN+1目の試行では、この合成条件N+1に従って物質生成装置20で試料(物質)が生成され、この試料が物質評価装置30で評価されて評価値yN+1が測定される。このような試行が所定の回数繰り返されることで、最も良い評価値(例えば、最大の評価値)が測定された試料の生成に用いられた合成条件が、最適な物質が得られる合成条件として得られる。
As a result, synthesis conditions N+1 for the N+1th trial are obtained. Therefore, in the N+1th trial, a sample (substance) is generated by the
<実験結果>
以下、本実施形態に係る合成条件生成システム1による2種類の実験結果について説明する。1つ目はシミュレーションデータを用いた実験(以下、シミュレーション実験という。)であり、2次元の合成条件の探索空間がシミュレーションデータとして与えられた場合である。2つ目はSrRuO3を分子線エピタキシー法で生成する実験(以下、SrRuO3実験という。)である。
<Experimental Results>
Below, two types of experimental results using the synthesis
・シミュレーション実験
本実験では、以下の式(13)で表される評価値を用いた。
Simulation Experiment In this experiment, an evaluation value expressed by the following formula (13) was used.
上記の評価値はx≒[0.48,0.52]Τ付近でy≒1.24と最大となる。 The above evaluation value is maximum at y≈1.24 near x≈[0.48, 0.52] T .
合成条件の探索範囲はx∈[-1,1]×[-1,1]である。ただし、 The search range for the composite condition is x∈[-1,1]×[-1,1]. However,
本実験の結果を図7に示す。図7において、Our methodが本実施形態に係る合成条件生成システム1を表す。padは従来手法であり、NaNを評価値0として扱う手法である。図7においては、横軸が評価値を得る試行回数、縦軸がその試行までに得たNaNを除く最高評価値を示している(すなわち、グラフが左上(より少ない試行でより高い評価値)にあるほど良い。)。The results of this experiment are shown in Figure 7. In Figure 7, Our method represents the synthesis
図7に示すように、Our methodでは15回程度の試行回数で評価値が1.20を超えた一方で、padでは試行回数が30回を超えても評価値が1.20未満である。このため、Our methodでは、従来手法よりも、より少ない試行回数でより良い評価値が得られていることがわかる。As shown in Figure 7, the Our method achieved an evaluation value of over 1.20 after about 15 trials, whereas the PAD method achieved an evaluation value of less than 1.20 even after more than 30 trials. This shows that the Our method achieved a better evaluation value with fewer trials than the conventional method.
・SrRuO3実験
合成条件の各要素とその探索範囲を以下の表1に示す。
SrRuO3 Experiment Each element of the synthesis conditions and its search range are shown in Table 1 below.
本実験の結果を図8に示す。図8において、横軸が評価値を得る試行回数、縦軸がその試行までに得た最高評価値を示している。図8に示すように、試行回数の増加に応じて継続した評価値の改善が確認できる。The results of this experiment are shown in Figure 8. In Figure 8, the horizontal axis shows the number of trials to obtain an evaluation value, and the vertical axis shows the highest evaluation value obtained up to that trial. As shown in Figure 8, a continuous improvement in the evaluation value can be confirmed as the number of trials increases.
<まとめ>
以上のように、本実施形態に係る合成条件生成システム1では、物質生成に成否のある合成条件空間において自動的に探索を行って評価値の良い合成条件を発見できるため、例えば、新材料の創出等に活用することができる。また、本実施形態に係る合成条件生成システム1では、従来手法よりも少ない試行回数で評価値の最適化(最大化又は最小化)が可能となり、新材料の開発期間・開発時間の削減やコスト削減といった効果が期待できる。
<Summary>
As described above, the synthesis
本発明は、具体的に開示された上記の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲の記載から逸脱することなく、種々の変形や変更、既知の技術との組み合わせ等が可能である。The present invention is not limited to the specifically disclosed embodiments above, and various modifications, variations, and combinations with known technologies are possible without departing from the scope of the claims.
[参考文献]
参考文献1:J. Mockus, V. Tiesis, and A. Zilinskas: The application of Bayesian methods for seeking the extremum. Towards Global Optimization 2, 1978.
参考文献2:N. Srinivas, A. Krause, S. Kakade, and M. Seeger: Gaussian Process Optimization in the Bandit Setting: No Regret and Experimental Design, International Conference on Machine Learning, 2010.
参考文献3:E. Contal, V. Perchet, and N. Vayatis: Gaussian Process Optimization with Mutual Information, International Conference on Machine Learning, 2014.
[References]
Reference 1: J. Mockus, V. Tiesis, and A. Zilinskas: The application of Bayesian methods for seeking the extremum. Towards
Reference 2: N. Srinivas, A. Krause, S. Kakade, and M. Seeger: Gaussian Process Optimization in the Bandit Setting: No Regret and Experimental Design, International Conference on Machine Learning, 2010.
Reference 3: E. Contal, V. Perchet, and N. Vayatis: Gaussian Process Optimization with Mutual Information, International Conference on Machine Learning, 2014.
1 合成条件生成システム
10 合成条件生成装置
20 物質生成装置
30 物質評価装置
101 入力装置
102 表示装置
103 外部I/F
103a 記録媒体
104 通信I/F
105 RAM
106 ROM
107 補助記憶装置
108 プロセッサ
109 バス
201 評価値入力部
202 評価値予測部
203 合成条件探索部
204 合成条件出力部
205 記憶部
REFERENCE SIGNS
103a Recording medium 104 Communication I/F
105 RAM
106 ROM
107
Claims (7)
これまでのN回の試行の中で物質の評価値yn'(n'∈{1,・・・,N})が測定できなかった試行n'が存在する場合、試行n'における評価値yn'を最悪の評価値に置き換える評価値変換手順と、
試行n(n=1,・・・,N)における合成条件xn及び評価値ynを用いて、未試行の合成条件xの評価値yを予測する予測手順と、
前記未試行の合成条件xの評価値yを予測した結果を用いて、評価値yn(n=1,・・・,N)の最良値よりも良い評価値を取る合成条件を、試行N+1における合成条件xN+1として生成する生成手順と、
をコンピュータが実行し、
前記予測手順は、
合成条件の探索空間内における所定の第1の解像度のグリッド点から未試行の合成条件xを選択し、選択した前記未試行の合成条件の評価値yを予測し、
前記第1の解像度のグリッド点から前記未試行の合成条件xがすべて選択された後は、所定の条件に基づいて所定の個数の前記未試行の合成条件xを選択し、選択した前記未試行の合成条件xを頂点に持つ領域内において、前記第1の解像度よりも高い第2の解像度のグリッド点から未試行の合成条件xを選択し、選択した前記未試行の合成条件の評価値yを予測する、合成条件生成方法。 A synthesis condition generation method for generating synthesis conditions in a trial in which a substance is generated according to a synthesis condition, an evaluation value is measured for evaluating the substance, and the synthesis condition is generated, the synthesis condition generation method comprising the steps of:
an evaluation value conversion procedure for replacing the evaluation value y n′ in trial n′ with the worst evaluation value when there is a trial n′ in which the evaluation value y n′ (n′∈{1, . . . , N}) of the substance cannot be measured among the N trials so far;
A prediction procedure for predicting an evaluation value y of an untried synthesis condition x using a synthesis condition x n and an evaluation value y n in a trial n (n=1, . . . , N);
a generation step of generating a synthesis condition xN+1 in trial N+1 that has an evaluation value better than the best evaluation value yn (n=1, . . . , N) by using a result of predicting the evaluation value y of the untried synthesis condition x ;
The computer executes
The prediction step comprises:
Selecting an untried synthesis condition x from grid points of a predetermined first resolution within a search space of synthesis conditions, and predicting an evaluation value y of the selected untried synthesis condition;
After all of the untried synthesis conditions x have been selected from the grid points of the first resolution, a predetermined number of the untried synthesis conditions x are selected based on a predetermined condition, and within an area having the selected untried synthesis conditions x as vertices, untried synthesis conditions x are selected from grid points of a second resolution higher than the first resolution, and an evaluation value y of the selected untried synthesis conditions is predicted .
試行n(n=1,・・・,N)における合成条件xn及び評価値ynを用いて、前記未試行の合成条件xに依存する平均μ(x)及び分散σ2(x)を前記予測の結果として計算し、
前記生成手順は、
前記平均μ(x)及び分散σ2(x)を用いて、前記未試行の合成条件xの評価値yが前記最良値よりも良い評価値を取る期待値を計算し、前記期待値が最大となる未試行の合成条件を前記合成条件xN+1として生成する、請求項1に記載の合成条件生成方法。 The prediction step comprises:
Using a synthesis condition x n and an evaluation value y n in a trial n (n=1, . . . , N), a mean μ(x) and a variance σ 2 (x) that depend on the untried synthesis condition x are calculated as a result of the prediction;
The generating procedure includes:
2. The synthesis condition generating method according to claim 1 , further comprising the steps of: calculating an expected value for which the evaluation value y of the untried synthesis condition x takes an evaluation value better than the best value using the mean μ(x) and the variance σ 2 (x); and generating an untried synthesis condition with the maximum expected value as the synthesis condition x N+1 .
前記第1の解像度のグリッド点から前記未試行の合成条件xがすべて選択された後は、前記期待値が高い順に所定の個数の前記未試行の合成条件xを選択する、請求項2に記載の合成条件生成方法。 The prediction step comprises:
3. The synthesis condition generating method according to claim 2, further comprising the steps of: selecting a predetermined number of the untried synthesis conditions x in descending order of expected value after all the untried synthesis conditions x have been selected from the grid points of the first resolution.
試行Nにおける合成条件xNと前記評価値yNとを正規化する正規化手順が更に含まれ、
前記予測手順は、
正規化後の合成条件xn及び評価値ynを用いて、前記未試行の合成条件xの評価値yを予測する、請求項1乃至3の何れか一項に記載の合成条件生成方法。 The synthesis condition generation method includes:
A normalization procedure is further included for normalizing the synthesis condition x N and the evaluation value y N in the trial N;
The prediction step comprises:
The synthesis condition generating method according to claim 1 , further comprising the step of predicting an evaluation value y of the untried synthesis condition x using the normalized synthesis condition xn and evaluation value yn .
試行n(n=1,・・・,N)におけるすべての評価値yn(n=1,・・・,N)が測定できなかった場合、yN=0とする、請求項1乃至4の何れか一項に記載の合成条件生成方法。 The evaluation value conversion step includes:
5. The synthesis condition generating method according to claim 1, wherein if all evaluation values yn (n=1, . . . , N) in trial n (n=1, . . . , N) cannot be measured, yN =0 is set.
これまでのN回の試行の中で物質の評価値yn'(n'∈{1,・・・,N})が測定できなかった試行n'が存在する場合、試行n'における評価値yn'を最悪の評価値に置き換える評価値変換部と、
試行n(n=1,・・・,N)における合成条件xn及び評価値ynを用いて、未試行の合成条件xの評価値yを予測するように構成されている予測部と、
前記未試行の合成条件xの評価値yを予測した結果を用いて、評価値yn(n=1,・・・,N)の最良値よりも良い評価値を取る合成条件を、試行N+1における合成条件xN+1として生成するように構成されている生成部と、
を有し、
前記予測部は、
合成条件の探索空間内における所定の第1の解像度のグリッド点から未試行の合成条件xを選択し、選択した前記未試行の合成条件の評価値yを予測し、
前記第1の解像度のグリッド点から前記未試行の合成条件xがすべて選択された後は、所定の条件に基づいて所定の個数の前記未試行の合成条件xを選択し、選択した前記未試行の合成条件xを頂点に持つ領域内において、前記第1の解像度よりも高い第2の解像度のグリッド点から未試行の合成条件xを選択し、選択した前記未試行の合成条件の評価値yを予測する、合成条件生成装置。 A synthesis condition generating device for generating synthesis conditions in a trial in which a substance is generated according to a synthesis condition, an evaluation value is measured for evaluating the substance, and the synthesis condition is generated, the synthesis condition generating device comprising:
an evaluation value conversion unit that, when there is a trial n' in which the evaluation value y n' (n' ∈ {1, ..., N}) of a substance cannot be measured among the N trials so far, replaces the evaluation value y n' in the trial n' with the worst evaluation value;
A prediction unit configured to predict an evaluation value y of an untried synthesis condition x by using a synthesis condition x n and an evaluation value y n in a trial n (n=1, . . . , N);
a generation unit configured to generate a synthesis condition xN+1 in trial N+1 that has an evaluation value better than the best evaluation value yn (n=1, . . . , N) by using a result of predicting the evaluation value y of the untried synthesis condition x ;
having
The prediction unit is
Selecting an untried synthesis condition x from grid points of a predetermined first resolution within a search space of synthesis conditions, and predicting an evaluation value y of the selected untried synthesis condition;
After all of the untried synthesis conditions x have been selected from the grid points of the first resolution, a predetermined number of the untried synthesis conditions x are selected based on a predetermined condition, and within an area having the selected untried synthesis conditions x as vertices, an untried synthesis condition x is selected from grid points of a second resolution higher than the first resolution, and an evaluation value y of the selected untried synthesis condition is predicted .
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| JP2020187642A (en) | 2019-05-16 | 2020-11-19 | 富士通株式会社 | Optimizer, optimization system, optimization method and optimization program |
-
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| JP2020187642A (en) | 2019-05-16 | 2020-11-19 | 富士通株式会社 | Optimizer, optimization system, optimization method and optimization program |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Yuki K. Wakabayashi et al.,Yuki K. Wakabayashi et al., Machine-learning-assisted thin-film growth: Bayesian optimization in molecular beam epitaxy of SrRuO3 thin films,arXiv [online],2019年08月02日,pp.1-16,https://arxiv.org/abs/1908.00739 |
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| JPWO2023162004A1 (en) | 2023-08-31 |
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