Vector Symbolic Architectures (VSAs) have been widely deployed in various cognitive applications due to their simple and efficient operations. The widespread adoption of VSAs has, in turn, spurred the development of numerous hardware solutions aimed at optimizing their performance. Despite these advancements, a comprehensive and unified discourse on the convergence of hardware and algorithms in the context of VSAs remains somewhat limited. The paper aims to bridge the gap between theoretical software-level explorations and the development of efficient hardware architectures and emerging technology fabrics for VSAs, providing insights from the co-design aspect for researchers from either side. First, we introduce the principles of vector-symbolic computing, including its core mathematical operations and learning paradigms. Second, we provide an in-depth discussion on hardware technologies for VSAs, analyzing analog, mixed-signal, and digital circuit design styles. We compare hardware implementations of VSAs by carrying out detailed analysis of their performance characteristics and tradeoffs, allowing us to extract design guidelines for the development of arbitrary VSA formulations. Third, we discuss a methodology for cross-layer design of VSAs that identifies synergies across layers and explores key ingredients for hardware/software co-design of VSAs. Finally, as a concrete demonstration of this methodology, we propose the first in-memory computing hierarchical cognition hardware system, showcasing the efficiency, flexibility, and scalability of this co-design approach. The paper concludes with a discussion of open research challenges for future explorations.


翻译:向量符号架构(VSAs)因其简单高效的操作,已在多种认知应用中广泛部署。VSAs的普及反过来推动了众多旨在优化其性能的硬件解决方案的发展。尽管取得了这些进展,关于VSAs背景下硬件与算法融合的全面统一论述仍相对有限。本文旨在弥合理论软件层面探索与高效硬件架构及新兴技术基板开发之间的鸿沟,从协同设计角度为双方研究者提供见解。首先,我们介绍向量符号计算的原理,包括其核心数学运算和学习范式。其次,我们深入探讨VSAs的硬件技术,分析模拟、混合信号和数字电路设计风格。通过对性能特征与权衡的详细分析,我们比较了VSAs的硬件实现,从而提取适用于任意VSA方案的设计准则。第三,我们讨论一种VSAs跨层设计方法,该方法识别各层间的协同效应,并探索VSAs硬件/软件协同设计的关键要素。最后,作为该方法的具体演示,我们提出了首个内存计算分层认知硬件系统,展示了该协同设计方法的高效性、灵活性和可扩展性。本文以对未来探索的开放研究挑战的讨论作为总结。

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