尖峰神经网络的事件驱动性质使它们具有生物学上可符合的和比人工神经网络更节能。在这项工作中，我们展示了二维视野中对象的运动检测。这里呈现的网络架构是生物学卓越的，并使用CMOS模拟泄漏整合和灭火神经元和超低功耗多层RRAM突触。具体的跨晶体管纤维Spice模拟表明，所提出的结构可以在二维视野中准确可靠地检测物体的复杂运动。

The term ``neuromorphic'' refers to systems that are closely resembling the architecture and/or the dynamics of biological neural networks. Typical examples are novel computer chips designed to mimic the architecture of a biological brain, or sensors that get inspiration from, e.g., the visual or olfactory systems in insects and mammals to acquire information about the environment. This approach is not without ambition as it promises to enable engineered devices able to reproduce the level of performance observed in biological organisms -- the main immediate advantage being the efficient use of scarce resources, which translates into low power requirements. The emphasis on low power and energy efficiency of neuromorphic devices is a perfect match for space applications. Spacecraft -- especially miniaturized ones -- have strict energy constraints as they need to operate in an environment which is scarce with resources and extremely hostile. In this work we present an overview of early attempts made to study a neuromorphic approach in a space context at the European Space Agency's (ESA) Advanced Concepts Team (ACT).

我们提出了Memprop，即采用基于梯度的学习来培训完全的申请尖峰神经网络（MSNNS）。我们的方法利用固有的设备动力学来触发自然产生的电压尖峰。这些由回忆动力学发出的尖峰本质上是类似物，因此完全可区分，这消除了尖峰神经网络（SNN）文献中普遍存在的替代梯度方法的需求。回忆性神经网络通常将备忘录集成为映射离线培训网络的突触，或者以其他方式依靠关联学习机制来训练候选神经元的网络。相反，我们直接在循环神经元和突触的模拟香料模型上应用了通过时间（BPTT）训练算法的反向传播。我们的实现是完全的综合性，因为突触重量和尖峰神经元都集成在电阻RAM（RRAM）阵列上，而无需其他电路来实现尖峰动态，例如模数转换器（ADCS）或阈值比较器。结果，高阶电物理效应被充分利用，以在运行时使用磁性神经元的状态驱动动力学。通过朝着非同一梯度的学习迈进，我们在以前报道的几个基准上的轻巧密集的完全MSNN中获得了高度竞争的准确性。

这项研究提出了依赖电压突触可塑性（VDSP），这是一种新型的脑启发的无监督的本地学习规则，用于在线实施HEBB对神经形态硬件的可塑性机制。拟议的VDSP学习规则仅更新了突触后神经元的尖峰的突触电导，这使得相对于标准峰值依赖性可塑性（STDP）的更新数量减少了两倍。此更新取决于突触前神经元的膜电位，该神经元很容易作为神经元实现的一部分，因此不需要额外的存储器来存储。此外，该更新还对突触重量进行了正规化，并防止重复刺激时的重量爆炸或消失。进行严格的数学分析以在VDSP和STDP之间达到等效性。为了验证VDSP的系统级性能，我们训练一个单层尖峰神经网络（SNN），以识别手写数字。我们报告85.01 $ \ pm $ 0.76％（平均$ \ pm $ s.d。）对于MNIST数据集中的100个输出神经元网络的精度。在缩放网络大小时，性能会提高（400个输出神经元的89.93 $ \ pm $ 0.41％，500个神经元为90.56 $ \ pm $ 0.27），这验证了大规模计算机视觉任务的拟议学习规则的适用性。有趣的是，学习规则比STDP更好地适应输入信号的频率，并且不需要对超参数进行手动调整。

通过制造不精确和装置随机性来阻碍用于储存神经晶体系统中重量的模拟抗性状态，限制突触重量的精度。通过使用自旋转移扭矩磁阻随机接入存储器（STT-MRAM）的二进制状态的随机切换来模拟模拟行为来解决该挑战。然而，基于STT-MRAM的先前方法以异步方式操作，这难以通过实验实施。本文提出了一种具有时钟电路的同步尖峰神经网络系统，其执行无监督的学习利用STT-MRAM的随机切换。所提出的系统使单层网络能够在MNIST数据集上实现90％的推理准确性。

更具体地说，神经系统能够简单有效地解决复杂的问题，超过现代计算机。在这方面，神经形态工程是一个研究领域，重点是模仿控制大脑的基本原理，以开发实现此类计算能力的系统。在该领域中，生物启发的学习和记忆系统仍然是要解决的挑战，这就是海马涉及的地方。正是大脑的区域充当短期记忆，从而从大脑皮层的所有感觉核中学习，非结构化和快速存储信息及其随后的回忆。在这项工作中，我们提出了一个基于海马的新型生物启发的记忆模型，具有学习记忆的能力，从提示中回顾它们（与其他内容相关的记忆的一部分），甚至在尝试时忘记记忆通过相同的提示学习其他人。该模型已在使用尖峰神经网络上在大型摩托车硬件平台上实现，并进行了一组实验和测试以证明其正确且预期的操作。所提出的基于SPIKE的内存模型仅在接收输入，能提供节能的情况下才能生成SPIKES，并且需要7个时间步，用于学习步骤和6个时间段来召回以前存储的存储器。这项工作介绍了基于生物启发的峰值海马记忆模型的第一个硬件实现，为开发未来更复杂的神经形态系统的发展铺平了道路。

We propose a novel backpropagation algorithm for training spiking neural networks (SNNs) that encodes information in the relative multiple spike timing of individual neurons without single-spike restrictions. The proposed algorithm inherits the advantages of conventional timing-based methods in that it computes accurate gradients with respect to spike timing, which promotes ideal temporal coding. Unlike conventional methods where each neuron fires at most once, the proposed algorithm allows each neuron to fire multiple times. This extension naturally improves the computational capacity of SNNs. Our SNN model outperformed comparable SNN models and achieved as high accuracy as non-convolutional artificial neural networks. The spike count property of our networks was altered depending on the time constant of the postsynaptic current and the membrane potential. Moreover, we found that there existed the optimal time constant with the maximum test accuracy. That was not seen in conventional SNNs with single-spike restrictions on time-to-fast-spike (TTFS) coding. This result demonstrates the computational properties of SNNs that biologically encode information into the multi-spike timing of individual neurons. Our code would be publicly available.

尖峰神经网络（SNN）提供了一个新的计算范式，能够高度平行，实时处理。光子设备是设计与SNN计算范式相匹配的高带宽，平行体系结构的理想选择。 CMO和光子元件的协整允许将低损耗的光子设备与模拟电子设备结合使用，以更大的非线性计算元件的灵活性。因此，我们在整体硅光子学（SIPH）过程上设计和模拟了光电尖峰神经元电路，该过程复制了超出泄漏的集成和火（LIF）之外有用的尖峰行为。此外，我们探索了两种学习算法，具有使用Mach-Zehnder干涉法（MZI）网格作为突触互连的片上学习的潜力。实验证明了随机反向传播（RPB）的变体，并在简单分类任务上与标准线性回归的性能相匹配。同时，将对比性HEBBIAN学习（CHL）规则应用于由MZI网格组成的模拟神经网络，以进行随机输入输出映射任务。受CHL训练的MZI网络的性能比随机猜测更好，但不符合理想神经网络的性能（没有MZI网格施加的约束）。通过这些努力，我们证明了协调的CMO和SIPH技术非常适合可扩展的SNN计算体系结构的设计。

Event-based simulations of Spiking Neural Networks (SNNs) are fast and accurate. However, they are rarely used in the context of event-based gradient descent because their implementations on GPUs are difficult. Discretization with the forward Euler method is instead often used with gradient descent techniques but has the disadvantage of being computationally expensive. Moreover, the lack of precision of discretized simulations can create mismatches between the simulated models and analog neuromorphic hardware. In this work, we propose a new exact error-backpropagation through spikes method for SNNs, extending Fast \& Deep to multiple spikes per neuron. We show that our method can be efficiently implemented on GPUs in a fully event-based manner, making it fast to compute and precise enough for analog neuromorphic hardware. Compared to the original Fast \& Deep and the current state-of-the-art event-based gradient-descent algorithms, we demonstrate increased performance on several benchmark datasets with both feedforward and convolutional SNNs. In particular, we show that multi-spike SNNs can have advantages over single-spike networks in terms of convergence, sparsity, classification latency and sensitivity to the dead neuron problem.

由于降低了von-neumann架构运行深度学习模型的功耗的基本限制，在聚光灯下，基于低功率尖刺神经网络的神经栓塞系统的研究。为了整合大量神经元，神经元需要设计占据一个小面积，而是随着技术缩小，模拟神经元难以缩放，并且它们遭受降低的电压净空/动态范围和电路非线性。鉴于此，本文首先模拟了在28nm工艺中设计的现有电流镜的电压域神经元的非线性行为，并显示了神经元非线性的效果严重降低了SNN推理精度。然后，为了减轻这个问题，我们提出了一种新的神经元，该新型神经元在时域中加入输入的尖峰，并且大大改善了线性度，从而改善了与现有电压域神经元相比的推理精度。在Mnist DataSet上进行测试，所提出的神经元的推理误差率与理想神经元的引起误差率不同于0.1％。

传统的神经结构倾向于通过类似数量（例如电流或电压）进行通信，但是，随着CMOS设备收缩和供应电压降低，电压/电流域模拟电路的动态范围变得更窄，可用的边缘变小，噪声免疫力降低。不仅如此，在常规设计中使用操作放大器（运算放大器）和时钟或异步比较器会导致高能量消耗和大型芯片区域，这将不利于构建尖峰神经网络。鉴于此，我们提出了一种神经结构，用于生成和传输时间域信号，包括神经元模块，突触模块和两个重量模块。所提出的神经结构是由晶体管三极区域的泄漏电流驱动的，不使用操作放大器和比较器，因此与常规设计相比，能够提供更高的能量和面积效率。此外，由于内部通信通过时间域信号，该结构提供了更大的噪声免疫力，从而简化了模块之间的接线。提出的神经结构是使用TSMC 65 nm CMOS技术制造的。拟议的神经元和突触分别占据了127 UM2和231 UM2的面积，同时达到了毫秒的时间常数。实际芯片测量表明，所提出的结构成功地用毫秒的时间常数实现了时间信号通信函数，这是迈向人机交互的硬件储层计算的关键步骤。

我们在Nengo框架上介绍了基于纯净的神经网络（SNN）的基于稀疏分布式存储器（SDM）。我们基于Furber等人，2004年之前的工作，使用N-y-y of-of-modes实现SDM。作为SDM设计的组成部分，我们已经在Nengo上实现了使用SNN的相关矩阵存储器（CMM）。我们的SNN实施采用漏水集成和火（LIF）在Nengo上尖刺神经元模型。我们的目标是了解基于SNN的SDMS与传统SDMS相比如何进行。为此，我们在Nengo模拟了基于常规和基于SNN的SDM和CMM。我们观察到基于SNN的模型类似于传统的模型。为了评估不同SNN的性能，我们使用Adaptive-Lif，Spiking整流线性单元和Izhikevich模型重复实验并获得了类似的结果。我们得出结论，使用内存的神经元制定一些类型的关联存储器，其内存容量和其他功能类似于没有SNN的性能，确实可行。最后，我们已经实现了一个应用程序，其中使用N-M个代码编码的Mnist图像与其标签相关联并存储在基于SNN的SDM中。

动作识别是人工智能的激动人心的研究途径，因为它可能是新兴工业领域（例如机器人视觉和汽车）的游戏规则。但是，由于巨大的计算成本和效率低下的学习，当前的深度学习面临着此类应用的主要挑战。因此，我们开发了一种新型的基于脑启发的尖峰神经网络（SNN）的系统，标题为用于在线动作学习的尖峰门控流（SGF）。开发的系统由多个以分层方式组装的SGF单元组成。单个SGF单元涉及三层：特征提取层，事件驱动的层和基于直方图的训练层。为了展示开发的系统功能，我们采用标准的动态视觉传感器（DVS）手势分类作为基准。结果表明，我们可以达到87.5％的精度，这与深度学习（DL）相当，但在较小的培训/推理数据编号比率为1.5：1。在学习过程中，只需要一个单个培训时代。同时，据我们所知，这是基于非回复算法的SNN中最高准确性。最后，我们结论了开发网络的几乎没有的学习范式：1）基于层次结构的网络设计涉及人类的先验知识； 2）用于基于内容的全局动态特征检测的SNN。

为了在专门的神经形态硬件中进行节能计算，我们提出了尖峰神经编码，这是基于预测性编码理论的人工神经模型家族的实例化。该模型是同类模型，它是通过在“猜测和检查”的永无止境过程中运行的，神经元可以预测彼此的活动值，然后调整自己的活动以做出更好的未来预测。我们系统的互动性，迭代性质非常适合感官流预测的连续时间表述，并且如我们所示，模型的结构产生了局部突触更新规则，可以用来补充或作为在线峰值定位的替代方案依赖的可塑性。在本文中，我们对模型的实例化进行了实例化，该模型包括泄漏的集成和火灾单元。但是，我们系统所在的框架自然可以结合更复杂的神经元，例如Hodgkin-Huxley模型。我们在模式识别方面的实验结果证明了当二进制尖峰列车是通信间通信的主要范式时，模型的潜力。值得注意的是，尖峰神经编码在分类绩效方面具有竞争力，并且在从任务序列中学习时会降低遗忘，从而提供了更经济的，具有生物学上的替代品，可用于流行的人工神经网络。

穗状花序的神经形状硬件占据了深度神经网络（DNN）的更节能实现的承诺，而不是GPU的标准硬件。但这需要了解如何在基于事件的稀疏触发制度中仿真DNN，否则能量优势丢失。特别地，解决序列处理任务的DNN通常采用难以使用少量尖峰效仿的长短期存储器（LSTM）单元。我们展示了许多生物神经元的面部，在每个尖峰后缓慢的超积极性（AHP）电流，提供了有效的解决方案。 AHP电流可以轻松地在支持多舱神经元模型的神经形状硬件中实现，例如英特尔的Loihi芯片。滤波近似理论解释为什么AHP-Neurons可以模拟LSTM单元的功能。这产生了高度节能的时间序列分类方法。此外，它为实现了非常稀疏的大量大型DNN来实现基础，这些大型DNN在文本中提取单词和句子之间的关系，以便回答有关文本的问题。

Understanding how biological neural networks carry out learning using spike-based local plasticity mechanisms can lead to the development of powerful, energy-efficient, and adaptive neuromorphic processing systems. A large number of spike-based learning models have recently been proposed following different approaches. However, it is difficult to assess if and how they could be mapped onto neuromorphic hardware, and to compare their features and ease of implementation. To this end, in this survey, we provide a comprehensive overview of representative brain-inspired synaptic plasticity models and mixed-signal CMOS neuromorphic circuits within a unified framework. We review historical, bottom-up, and top-down approaches to modeling synaptic plasticity, and we identify computational primitives that can support low-latency and low-power hardware implementations of spike-based learning rules. We provide a common definition of a locality principle based on pre- and post-synaptic neuron information, which we propose as a fundamental requirement for physical implementations of synaptic plasticity. Based on this principle, we compare the properties of these models within the same framework, and describe the mixed-signal electronic circuits that implement their computing primitives, pointing out how these building blocks enable efficient on-chip and online learning in neuromorphic processing systems.

人工智能革命（AI）提出了巨大的存储和数据处理要求。大量的功耗和硬件开销已成为构建下一代AI硬件的主要挑战。为了减轻这种情况，神经形态计算引起了极大的关注，因为它在功耗非常低的功能方面具有出色的数据处理能力。尽管无情的研究已经进行了多年，以最大程度地减少神经形态硬件的功耗，但我们离达到人脑的能源效率还有很长的路要走。此外，设计复杂性和过程变化阻碍了当前神经形态平台的大规模实现。最近，由于其出色的速度和功率指标，在低温温度中实施神经形态计算系统的概念引起了人们的兴趣。可以设计几种低温装置，可作为具有超低功率需求的神经形态原始设备。在这里，我们全面回顾了低温神经形态硬件。我们将现有的低温神经形态硬件分类为几个分层类别，并根据关键性能指标绘制比较分析。我们的分析简洁地描述了相关电路拓扑的操作，并概述了最先进的技术平台遇到的优势和挑战。最后，我们提供了见解，以规避这些挑战，以实现未来的研究发展。

In the past years, artificial neural networks (ANNs) have become the de-facto standard to solve tasks in communications engineering that are difficult to solve with traditional methods. In parallel, the artificial intelligence community drives its research to biology-inspired, brain-like spiking neural networks (SNNs), which promise extremely energy-efficient computing. In this paper, we investigate the use of SNNs in the context of channel equalization for ultra-low complexity receivers. We propose an SNN-based equalizer with a feedback structure akin to the decision feedback equalizer (DFE). For conversion of real-world data into spike signals we introduce a novel ternary encoding and compare it with traditional log-scale encoding. We show that our approach clearly outperforms conventional linear equalizers for three different exemplary channels. We highlight that mainly the conversion of the channel output to spikes introduces a small performance penalty. The proposed SNN with a decision feedback structure enables the path to competitive energy-efficient transceivers.

Spiking neural networks (SNN) are a viable alternative to conventional artificial neural networks when energy efficiency and computational complexity are of importance. A major advantage of SNNs is their binary information transfer through spike trains. The training of SNN has, however, been a challenge, since neuron models are non-differentiable and traditional gradient-based backpropagation algorithms cannot be applied directly. Furthermore, spike-timing-dependent plasticity (STDP), albeit being a spike-based learning rule, updates weights locally and does not optimize for the output error of the network. We present desire backpropagation, a method to derive the desired spike activity of neurons from the output error. The loss function can then be evaluated locally for every neuron. Incorporating the desire values into the STDP weight update leads to global error minimization and increasing classification accuracy. At the same time, the neuron dynamics and computational efficiency of STDP are maintained, making it a spike-based supervised learning rule. We trained three-layer networks to classify MNIST and Fashion-MNIST images and reached an accuracy of 98.41% and 87.56%, respectively. Furthermore, we show that desire backpropagation is computationally less complex than backpropagation in traditional neural networks.

用于神经形态计算的生物学启发的尖峰神经元是具有动态状态变量的非线性滤波器 - 与深度学习中使用的无状态神经元模型非常不同。 Notel Intel的神经形态研究处理器Loihi 2的下一个版本支持各种具有完全可编程动态的最有状态尖峰神经元模型。在这里，我们展示了先进的尖峰神经元模型，可用于有效地处理仿真Loihi 2硬件的仿真实验中的流数据。在一个示例中，共振和火（RF）神经元用于计算短时间傅里叶变换（STFT），其具有类似的计算复杂度，但是输出带宽的47倍而不是传统的STFT。在另一个例子中，我们描述了一种使用时间率RF神经元的光学流量估计算法，其需要比传统的基于DNN的解决方案超过90倍。我们还展示了有前途的初步结果，使用BackPropagation培训RF神经元进行音频分类任务。最后，我们表明，跳跃的血管谐振器 - RF神经元的变体 - 重复耳蜗的新特性，并激励一种有效的基于尖峰的谱图编码器。