The automated synthesis of correct-by-construction Boolean functions from logical specifications is known as the Boolean Functional Synthesis (BFS) problem. BFS has many application areas that range from software engineering to circuit design. In this paper, we introduce a tool BNSynth, that is the first to solve the BFS problem under a given bound on the solution space. Bounding the solution space induces the synthesis of smaller functions that benefit resource constrained areas such as circuit design. BNSynth uses a counter-example guided, neural approach to solve the bounded BFS problem. Initial results show promise in synthesizing smaller solutions; we observe at least \textbf{3.2X} (and up to \textbf{24X}) improvement in the reduction of solution size on average, as compared to state of the art tools on our benchmarks. BNSynth is available on GitHub under an open source license.
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实际上，所有验证和综合技术都假定正式规格很容易获得，在功能上正确并完全匹配工程师对给定系统的理解。但是，在实践中，这种假设通常是不现实的：正式化系统要求非常困难，容易出错，并且需要大量的培训。为了减轻这一严重的障碍，我们提出了一种从根本上新颖的编写形式规范的方法，称为线性时间逻辑（LTL）的规范草图。关键的想法是，工程师可以提供部分LTL公式，称为LTL草图，在该公式中很难形式化。给定一组描述规范应该或不应允许的系统行为的示例，然后将所谓的草图算法的任务完成给定的草图，以使所得的LTL公式与示例一致。我们表明，决定是否可以完成草图属于复杂性NP，并呈现两个基于SAT的草图算法。我们还证明，素描是使用原型实现编写形式规格的实用方法。
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有限的线性时间逻辑（$ \ mathsf {ltl} _f $）是一种强大的正式表示，用于建模时间序列。我们解决了学习Compact $ \ Mathsf {ltl} _f $ formul的问题，从标记的系统行为的痕迹。我们提出了一部小说神经网络运营商，并评估结果架构，神经$ \ mathsf {ltl} _f $。我们的方法包括专用复发过滤器，旨在满足$ \ Mathsf {ltl} _f $ temporal运算符，以学习痕迹的高度准确的分类器。然后，它离散地激活并提取由学习权重表示的真相表。此实话表将转换为符号形式并作为学习公式返回。随机生成$ \ Mathsf {LTL} _F $公式显示神经$ \ MATHSF {LTL} _F $尺寸，比现有方法更大，即使在存在噪声时也保持高精度。
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故障自然是随机的，而大多数人造系统，尤其是计算机都可以确定地工作。这需要将概率理论与数学逻辑，自动机和切换电路理论联系起来。本文通过量子信息理论提供了这种连接，这是量子物理学遵守概率定律的直观方法。在本文中，我们提供了一种新的方法，用于计算使用基于门的量子计算机开关电路的诊断。该方法是基于将代表叠加错误的量子位放置的想法，并同时诊断出所有的量子，通常是指数级的。我们从经验上将用于诊断的量子算法与基于SAT和模型计数的方法进行比较。对于组合电路的基准，我们在估计故障的真实概率方面建立了不到百分之一的误差。
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循环不变的合成是程序验证的基础。由于问题的不可证实，因此不变合成的工具必然使用启发式方法。尽管人们普遍认为，启发式方法的设计对于合成器的性能至关重要，但启发式方法通常是根据经验和直觉的开发人员来设计的，有时是以\ emph {Ad-Hoc}方式进行的。在这项工作中，我们提出了一种系统地学习基于模板的反例引导的归纳合成（CEGIS）的方法，并通过增强学习。作为具体示例，我们在PCSAT之上实现了该方法，PCSAT是基于基于模板的CEGIS的不变合成器。实验表明，在我们的框架所学到的启发式方法的指导下，PCSAT不仅优于现有的基于CEGIS的最先进的求解器，例如Hoice和Neural Solver Code2Inv，而且比基于非CEGIS的求解器（例如基于非首席执行官）具有略有优势线性约束角（CHC）求解中的Eldarica和垫片。
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引入逻辑混淆是针对集成电路（IC）的多个硬件威胁的关键防御，包括反向工程（RE）和知识产权（IP）盗窃。逻辑混淆的有效性受到最近引入的布尔满意度（SAT）攻击及其变体的挑战。还提出了大量对策，以挫败SAT袭击。不论针对SAT攻击的实施防御，大型权力，性能和领域的开销是必不可少的。相比之下，我们提出了一种认知解决方案：基于神经网络的UNSAT子句翻译器Satconda，它会造成最小的区域和开销，同时以无法穿透的安全性保留原始功能。 SATCONDA与UNSAT子句生成器一起孵育，该生成器通过最小的扰动（例如包含一对逆变器或缓冲液）转换现有的结合性正常形式（CNF），或者根据提供的CNF添加新的轻巧UNSAT块。为了有效的Unsat子句生成，Satconda配备了多层神经网络，该网络首先了解特征（文字和条款）的依赖性，然后是一个长期 - 长期内存（LSTM）网络，以验证和回溯SAT-硬度，以更好地学习和翻译。我们拟议的Satconda在ISCAS85和ISCAS89基准上进行了评估，并被认为可以防御为硬件RE设计的多个最先进的SAT攻击。此外，我们还评估了针对Minisat，Lingeling和葡萄糖SAT求解器的拟议SATCONDAS经验性能，这些溶剂构成了许多现有的Deobfuscation SAT攻击。
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最新的努力改善了满足当今应用程序要求的神经网络（NN）加速器的性能，这引起了基于逻辑NN推理的新趋势，该趋势依赖于固定功能组合逻辑。将如此大的布尔函数与许多输入变量和产品项绘制到现场可编程门阵列（FPGA）上的数字信号处理器（DSP）需要一个新颖的框架，考虑到此过程中DSP块的结构和可重构性。本文中提出的方法将固定功能组合逻辑块映射到一组布尔功能，其中与每个功能相对应的布尔操作映射到DSP设备，而不是FPGA上的查找表（LUTS），以利用高性能，DSP块的低潜伏期和并行性。 ％本文还提出了一种用于NNS编译和映射的创新设计和优化方法，并利用固定功能组合逻辑与DSP进行了使用高级合成流的FPGA上的DSP。 ％我们在几个\ revone {DataSets}上进行的实验评估和选定的NNS与使用DSP的基于ART FPGA的NN加速器相比，根据推理潜伏期和输出准确性，证明了我们框架的可比性。
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我们的计算机今天从复杂的服务器到小型智能手机，基于相同的计算模型操作，需要运行一系列离散指令，指定为算法。尽管过去半个世纪的尝试许多尝试，但这种顺序计算范例尚未导致NP-Thallue问题的快速算法。遗憾的是，即使在将量子力学引入计算的世界之后，我们仍然遵循类似的顺序范例，尚未帮助我们获得这样的算法。这里提出了一种完全不同的计算模型，以替换具有物理过程固有的并行性的算法的顺序范例。使用所提出的模型，而不是写入算法来解决NP完整问题，我们构建了其平衡状态对应于所需解决方案的物理系统，并让它们发展以寻找解决方案。识别模型的主要要求，并提出了普通电路的潜在实现。
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We present an approach for the verification of feed-forward neural networks in which all nodes have a piece-wise linear activation function. Such networks are often used in deep learning and have been shown to be hard to verify for modern satisfiability modulo theory (SMT) and integer linear programming (ILP) solvers.The starting point of our approach is the addition of a global linear approximation of the overall network behavior to the verification problem that helps with SMT-like reasoning over the network behavior. We present a specialized verification algorithm that employs this approximation in a search process in which it infers additional node phases for the non-linear nodes in the network from partial node phase assignments, similar to unit propagation in classical SAT solving. We also show how to infer additional conflict clauses and safe node fixtures from the results of the analysis steps performed during the search. The resulting approach is evaluated on collision avoidance and handwritten digit recognition case studies.
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我们考虑将机器学习模型相结合以执行更高级别的认知任务和明确规格的问题。我们提出了新的视觉歧视难题（VDP）的新问题，该问题需要找到可解释的歧视因子，这些歧视因子根据逻辑规范对图像进行分类。人类可以轻松解决这些难题，并提供强大，可验证和可解释的歧视者作为答案。我们提出了一个组成神经肌符号框架，该框架结合了一个神经网络，以检测对象和与符号学习者的关系，以发现可解释的歧视者。我们创建了涉及自然图像的大量VDP数据集，并表明与几种纯粹的神经方法相比，我们的神经成像框架表现出色。
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我们提出了一种数据驱动的算法，用于数值不变综合和验证。该算法基于ICE-DT模式，用于从正状态和负面状态的样本中学习决策树以及与程序过渡相对应的含义。我们解决的主要问题是发现在数值不变的学习过程中使用的相关属性。我们定义了一种解决此问题的方法，该问题由数据样本引导。它是基于覆盖正态并排除负面状态的分离器的构造，与含义一致。分离器是使用凸集的抽象域表示构建的。决策树从分离器的约束中学习的概括机制允许推断一般不变性，足以证明目标属性。我们实施了算法并显示了其效率。
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2020-07-07
命题模型计数或#SAT是计算布尔公式满足分配数量的问题。来自不同应用领域的许多问题，包括许多离散的概率推理问题，可以将#SAT求解器解决的模型计数问题转化为模型计数问题。但是，确切的#sat求解器通常无法扩展到工业规模实例。在本文中，我们提出了Neuro＃，这是一种学习分支启发式方法，以提高特定问题家族中的实例的精确#sat求解器的性能。我们通过实验表明，我们的方法减少了类似分布的持有实例的步骤，并将其推广到同一问题家族的更大实例。它能够在具有截然不同的结构的许多不同问题家族上实现这些结果。除了步骤计数的改进外，Neuro＃还可以在某些问题家族的较大实例上在较大的实例上实现壁式锁定速度的订单，尽管开头查询了模型。
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在过去的十年中，神经网络（NNS）已被广泛用于许多应用程序，包括安全系统，例如自主系统。尽管采用了新兴的采用，但众所周知，NNS容易受到对抗攻击的影响。因此，提供确保此类系统正常工作的保证非常重要。为了解决这些问题，我们介绍了一个修复不安全NNS W.R.T.的框架。安全规范，即利用可满足的模型理论（SMT）求解器。我们的方法能够通过仅修改其重量值的一些重量值来搜索新的，安全的NN表示形式。此外，我们的技术试图最大程度地提高与原始网络在其决策边界方面的相似性。我们进行了广泛的实验，以证明我们提出的框架能够产生安全NNS W.R.T.的能力。对抗性的鲁棒性特性，只有轻度的准确性损失（就相似性而言）。此外，我们将我们的方法与天真的基线进行比较，以证明其有效性。总而言之，我们提供了一种算法以自动修复具有安全性的算法，并建议一些启发式方法以提高其计算性能。当前，通过遵循这种方法，我们能够产生由分段线性relu激活函数组成的小型（即具有多达数百个参数）的小型（即具有多达数百个参数）。然而，我们的框架是可以合成NNS W.R.T.的一般框架。一阶逻辑规范的任何可决定片段。
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我们从逻辑和公式大小方面概念化了解释性，在非常一般的环境中给出了许多相关的解释性定义。我们的主要兴趣是所谓的特殊解释问题，旨在解释输入模型中输入公式的真实价值。解释是一个最小尺寸的公式，（1）与输入模型上的输入公式一致，（2）将所涉及的真实价值传输到全球输入公式，即每个模型上。作为一个重要的例子，我们在这种情况下研究了命题逻辑，并表明在多项式层次结构的第二级中，特殊的解释性问题是完整的。我们还将在答案集编程中提供了此问题的实施，并研究了其与解释N-Queens和主导集合问题的答案有关的能力。
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Characterizing the implicit structure of the computation within neural networks is a foundational problem in the area of deep learning interpretability. Can their inner decision process be captured symbolically in some familiar logic? We show that any transformer neural network can be translated into an equivalent fixed-size first-order logic formula which may also use majority quantifiers. The idea is to simulate transformers with highly uniform threshold circuits and leverage known theoretical connections between circuits and logic. Our findings also reveal the surprising fact that the entire transformer computation can be reduced merely to the division of two (large) integers. While our results are most pertinent for transformers, they apply equally to a broader class of neural network architectures, namely those with a fixed-depth uniform computation graph made up of standard neural net components, which includes feedforward and convolutional networks.
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我们介绍了一种新颖的方法来对计算机程序进行自动终止分析：我们使用神经网络来表示排名功能。排名函数映射程序状态为从下面界限并随着程序运行而减小的值；排名函数的存在证明了程序终止。我们从程序的采样执行轨迹训练神经网络，以使网络的输出沿轨迹降低；然后，我们使用符号推理正式验证其对所有可能执行的概括。通过肯定的答案，我们获得了该计划的正式终止证书，我们称之为神经排名函数。我们证明，由于神经网络代表非线性功能的能力，我们的方法成功地超过了最先进工具的程序。这包括在其循环条件和包括非线性表达式的程序中使用析取的程序。
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近期量子系统嘈杂。串扰噪声已被确定为超导噪声中间尺度量子（NISQ）设备的主要噪声来源之一。串扰源于附近Qubits上的两Q量门门的并发执行，例如\ texttt {cx}。与单独运行相比，它可能会大大提高门的错误率。可以通过调度或硬件调整来减轻串扰。然而，先前的研究在汇编的后期很晚，通常是在完成硬件映射之后的。它可能会错过优化算法逻辑，路由和串扰的巨大机会。在本文中，我们通过在早期编译阶段同时考虑所有这些因素来推动信封。我们提出了一个称为CQC的串扰感知量子程序汇编框架，该框架可以增强串扰缓解，同时实现令人满意的电路深度。此外，我们确定了从中间表示向电路转换的机会，例如，以特定的特定串扰缓解措施，例如，\ texttt {cx}梯子构造在变异的量子eigensolvers（VQE）中。通过模拟和Real IBM-Q设备进行评估表明，我们的框架可以显着将错误率降低6 $ \ times $，而与最先进的门调度相比，仅$ \ sim $ 60 \％\％的电路深度方法。特别是对于VQE，我们使用IBMQ Guadalupe证明了49 \％的回路深度减少，而对H4分子的先前ART进行了9.6 \％的保真度改善。我们的CQC框架将在GitHub上发布。
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通知飞行员（NOTAM）包含重要的飞行路线相关信息。为了搜索和过滤它们，将NOTAMS分组为称为QCodes的类别。在本文中，我们开发了一种工具来预测notam的qcode。我们提出了一种使用DASH，Gunluk和Wei（2018）中提出的列生成扩展可解释的二进制分类的方法。我们描述了用于解决与一个VS-REST分类有关的问题，例如多个输出和类失衡。此外，我们介绍了一些启发式方法，包括使用CP-SAT求解器用于子问题，以减少训练时间。最后，我们表明我们的方法与最先进的机器学习算法（如线性SVM和小型神经网络）相比，同时添加了所需的可解释性组件。
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长期以来，科学家一直旨在发现有意义的公式，以准确描述实验数据。一种常见的方法是使用域知识手动创建自然现象的数学模型，然后将这些模型拟合到数据。相比之下，机器学习算法在消耗大量数据的同时可以自动化准确的数据驱动模型的构建。在文献中探讨了对学习模型的功能形式（例如，非负）的逻辑约束的问题。但是，寻找与一般背景知识一致的模型是一个开放的问题。我们开发了一种将逻辑推理与符号回归相结合的方法，从而实现了自然现象模型的原则推导。我们演示了这些概念，用于开普勒的第三个行星运动定律，爱因斯坦的相对论时间稀释定律以及兰穆尔的吸附理论，在每种情况下都会将实验数据与背景理论自动连接起来。我们表明，使用形式的逻辑推理将正确的公式与一组合理公式区分开时，可以从几个数据点发现法律，这些公式在数据上具有相似的错误。推理与机器学习的结合提供了对自然现象的关键方面的可概括见解。我们设想，这种组合将使能够发现基本科学定律，并认为我们的工作是自动化科学方法的关键第一步。
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我们研究了（深）神经网络的可及性问题的复杂性：它是否计算出有效输入的有效输出？最近有人声称，对于一般神经网络的问题，该问题是通用神经网络的NP算法，并且在线性不等式的结合给出的输入/输出维度上的规格是NP的。我们概括了证明并修复原始上和下限证明中的一些缺陷。在总体结果的激励下，我们表明NP硬度已经适用于限制的简单规格和神经网络。允许仅一个隐藏层和一个单个的输出维度以及仅一个负，零和一个正重或偏置的神经网络，足以确保NP硬度。此外，我们为有关神经网络验证的这一研究方向进行了详尽的讨论和可能的扩展。
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