Neuromorphic computing aims to incorporate lessons from studying biological nervous systems in the design of computer architectures. While existing approaches have successfully implemented aspects of those computational principles, such as sparse spike-based computation, event-based scalable learning has remained an elusive goal in large-scale systems. However, only then the potential energy-efficiency advantages of neuromorphic systems relative to other hardware architectures can be realized during learning. We present our progress implementing the EventProp algorithm using the example of the BrainScaleS-2 analog neuromorphic hardware. Previous gradient-based approaches to learning used "surrogate gradients" and dense sampling of observables or were limited by assumptions on the underlying dynamics and loss functions. In contrast, our approach only needs spike time observations from the system while being able to incorporate other system observables, such as membrane voltage measurements, in a principled way. This leads to a one-order-of-magnitude improvement in the information efficiency of the gradient estimate, which would directly translate to corresponding energy efficiency improvements in an optimized hardware implementation. We present the theoretical framework for estimating gradients and results verifying the correctness of the estimation, as well as results on a low-dimensional classification task using the BrainScaleS-2 system. Building on this work has the potential to enable scalable gradient estimation in large-scale neuromorphic hardware as a continuous measurement of the system state would be prohibitive and energy-inefficient in such instances. It also suggests the feasibility of a full on-device implementation of the algorithm that would enable scalable, energy-efficient, event-based learning in large-scale analog neuromorphic hardware.


翻译:在计算机结构的设计中,内空计算的目的是将研究生物神经系统的经验教训纳入计算机结构的设计中。虽然现有方法已经成功地实施了这些计算原则的某些方面,如基于峰值的计算稀少,但基于事件可缩放的学习仍然是大规模系统中一个难以实现的目标。然而,只有这样,才能在学习过程中实现神经神经神经神经系统相对于其他硬件结构的潜在能源效率优势。我们以BonesAssemblyS-2模拟神经畸形硬件为例,介绍了我们实施“Enterpropt ”算法的进展。以往的基于梯度的学习方法使用了“超升升梯”和可观察到的密集抽样,或者由于对基本神经动态和损失功能的假设而受到限制。相比之下,我们的方法只需要在系统进行时间性观测的同时能够以原则性的方式纳入其他系统观测,例如membrane 挥发性测量。这导致在基于深度估计的信息效率方面实现一个一阶级的改进,这将直接转化为硬件执行中的能源效率的提高。我们提出了用于估算可测度的梯度的梯度和结果的理论框架,用以估计机度的精确度,从而推测测测测测测度的系统在系统中,将可实现一个可实现一个可升级的深度的深度的系统。

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