Spiking Neural Networks (SNNs) represent the latest generation of neural computation, offering a brain-inspired alternative to conventional Artificial Neural Networks (ANNs). Unlike ANNs, which depend on continuous-valued signals, SNNs operate using distinct spike events, making them inherently more energy-efficient and temporally dynamic. This study presents a comprehensive analysis of SNN design models, training algorithms, and multi-dimensional performance metrics, including accuracy, energy consumption, latency, spike count, and convergence behavior. Key neuron models such as the Leaky Integrate-and-Fire (LIF) and training strategies, including surrogate gradient descent, ANN-to-SNN conversion, and Spike-Timing Dependent Plasticity (STDP), are examined in depth. Results show that surrogate gradient-trained SNNs closely approximate ANN accuracy (within 1-2%), with faster convergence by the 20th epoch and latency as low as 10 milliseconds. Converted SNNs also achieve competitive performance but require higher spike counts and longer simulation windows. STDP-based SNNs, though slower to converge, exhibit the lowest spike counts and energy consumption (as low as 5 millijoules per inference), making them optimal for unsupervised and low-power tasks. These findings reinforce the suitability of SNNs for energy-constrained, latency-sensitive, and adaptive applications such as robotics, neuromorphic vision, and edge AI systems. While promising, challenges persist in hardware standardization and scalable training. This study concludes that SNNs, with further refinement, are poised to propel the next phase of neuromorphic computing.


翻译:脉冲神经网络(SNNs)代表了神经计算的最新进展,为传统人工神经网络(ANNs)提供了一种类脑替代方案。与依赖连续值信号的ANNs不同,SNNs通过离散的脉冲事件运行,使其本质上更节能且具有时间动态性。本研究全面分析了SNN的设计模型、训练算法和多维性能指标,包括准确率、能耗、延迟、脉冲计数和收敛行为。重点探讨了关键神经元模型(如泄漏积分发放模型)及训练策略(包括代理梯度下降、ANN到SNN转换和脉冲时序依赖可塑性),并进行了深入分析。结果表明,代理梯度训练的SNNs在准确率上接近ANNs(差距在1-2%以内),在第20个训练周期内收敛更快,延迟可低至10毫秒。转换型SNNs也实现了有竞争力的性能,但需要更高的脉冲计数和更长的模拟时间窗口。基于STDP的SNNs虽然收敛较慢,但表现出最低的脉冲计数和能耗(每次推理可低至5毫焦),使其在无监督和低功耗任务中表现最优。这些发现强化了SNNs在能源受限、延迟敏感和自适应应用(如机器人、神经形态视觉和边缘AI系统)中的适用性。尽管前景广阔,但在硬件标准化和可扩展训练方面仍存在挑战。本研究认为,经过进一步优化,SNNs有望推动神经形态计算进入下一发展阶段。

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神经网络(Neural Networks)是世界上三个最古老的神经建模学会的档案期刊:国际神经网络学会(INNS)、欧洲神经网络学会(ENNS)和日本神经网络学会(JNNS)。神经网络提供了一个论坛,以发展和培育一个国际社会的学者和实践者感兴趣的所有方面的神经网络和相关方法的计算智能。神经网络欢迎高质量论文的提交,有助于全面的神经网络研究,从行为和大脑建模,学习算法,通过数学和计算分析,系统的工程和技术应用,大量使用神经网络的概念和技术。这一独特而广泛的范围促进了生物和技术研究之间的思想交流,并有助于促进对生物启发的计算智能感兴趣的跨学科社区的发展。因此,神经网络编委会代表的专家领域包括心理学,神经生物学,计算机科学,工程,数学,物理。该杂志发表文章、信件和评论以及给编辑的信件、社论、时事、软件调查和专利信息。文章发表在五个部分之一:认知科学,神经科学,学习系统,数学和计算分析、工程和应用。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/nn/
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