本文以生物学启发的神经形态硬件进行了最新创新，本文介绍了一种新颖的无监督机器学习算法，名为Hyperseed，该算法借鉴了矢量符号体系结构（VSA）的原理，用于快速学习保存未标记数据的拓扑图。它依靠VSA的两个主要操作，具有约束力和捆绑。 Hyperseed的算法部分在傅立叶全息降低表示模型中表达，该模型特别适合于尖峰神经形态硬件实现。 Hyperseed算法的两个主要贡献是很少的学习和基于单个向量操作的学习规则。这些属性在合成数据集以及说明性基准用例，IRIS分类以及使用N-Gram统计信息的语言标识任务上进行了经验评估。这些实验的结果证实了Hyperseed及其在神经形态硬件中的应用。

这项两部分的综合调查专门用于计算框架，该计算框架最常见于名称超高规范计算和矢量符号架构（HDC / VSA）。这两个名称都指的是一系列使用高维分布式表示的计算模型，并依赖于其关键操作的代数属性来结合结构化符号表示和矢量分布式表示的优点。 HDC / VSA系列中的显着型号是张解产品表示，全息减少表示，乘法添加释放，二进制喷溅码和稀疏二进制分布式表示，但也有其他型号。 HDC / VSA是一个高度跨学科的地区，与计算机科学，电气工程，人工智能，数学和认知科学有关。这一事实使得创造了彻底概述了该地区的挑战。然而，由于近年来加入了该地区的新研究人员的激增，对该地区综合调查的必要性变得非常重要。因此，在该地区的其他方面中，该部分我调查了以下几个方面，例如：HDC / VSA的已知计算模型以及各种输入数据类型的转换为高维分布式表示。本调查的第II部分致力于应用，认知计算和架构，以及未来工作的方向。该调查是对新人和从业者有用的。

从理论和应用的角度来看，机器学习算法在资源受限的边缘设备上的部署是一个重要的挑战。在本文中，我们关注的是资源有效的随机连接神经网络，称为随机矢量功能链路（RVFL）网络，因为它们的简单设计和非常快速的训练时间使它们在解决许多应用分类任务方面非常有吸引力。我们建议通过在随机计算区域已知的基于密度的编码来表示输入特征，并利用从高维计算区域的结合和捆绑的操作，以获取隐藏神经元的激活。使用UCI机器学习存储库中的121个现实世界数据集的集合，我们从经验上表明，所提出的方法比常规RVF​​L表现出更高的平均准确性。我们还证明，只能使用有限范围内的整数表示读数矩阵，精度的损失最小。在这种情况下，所提出的方法仅在小的N位整数上运行，这导致了计算高效的体系结构。最后，通过硬件现场可编程的门阵列（FPGA）实现，我们表明，这种方法的消耗大约比常规RVF​​L的能量少约11倍。

这是第两部分综合调查的第二部分，专门用于计算框架，最常见于名称超高规范计算和矢量符号架构（HDC / VSA）。这两个名称都指的是一系列使用高维分布式表示的计算模型，并依赖于其关键操作的代数属性来结合结构化符号表示和矢量分布式表示的优点。全息减少的表示是一种有影响力的HDC / VSA模型，在机器学习域中是众所周知的，通常用于指整个家庭。但是，为了一致性，我们使用HDC / VSA来参考该区域。该调查的第I部分涵盖了该地区的基本方面，例如历史背景，导致HDC / VSA的开发，任何HDC / VSA模型的关键要素，已知的HDC / VSA模型，以及将各种类型的输入数据转换为高 - 适用于HDC / VSA的尺寸载体。第二部分调查现有的应用程序，HDC / VSA在认知计算和架构中的作用，以及未来工作的方向。大多数应用程序位于机器学习/人工智能域内，但我们还涵盖其他应用程序来提供彻底的照片。该调查是对新人和从业者有用的。

传染媒介符号架构将高维传染料空间与一组精心设计的操作员组合起来，以便使用大型数字向量进行符号计算。主要目标是利用他们的代表权力和处理模糊和歧义的能力。在过去几年中，已经提出了几个VSA实现。可用的实现在底层矢量空间和VSA运算符的特定实现中不同。本文概述了十一可用的VSA实现，并讨论了其潜在的矢量空间和运营商的共性和差异。我们创建了一种可用绑定操作的分类，并使用来自类比推理的示例来显示非自逆绑定操作的重要分支。主要贡献是可用实施的实验比较，以便评估（1）捆绑的容量，（2）非精确解除界操作的近似质量，（3）组合绑定和捆绑操作对查询的影响回答性能，（4）两个示例应用程序的性能：视觉地位和语言识别。我们预计此比较和系统化与VSA的开发相关，并支持选择特定任务的适当VSA。实现可用。

在过去的几十年中，人工智能领域大大进展，灵感来自生物学和神经科学领域的发现。这项工作的想法是由来自传入和横向/内部联系的人脑中皮质区域的自组织过程的过程启发。在这项工作中，我们开发了一个原始的脑激发神经模型，将自组织地图（SOM）和Hebbian学习在重新参与索马里（RESOM）模型中。该框架应用于多模式分类问题。与基于未经监督的学习的现有方法相比，该模型增强了最先进的结果。这项工作还通过在名为SPARP（自配置3D蜂窝自适应平台）的专用FPGA的平台上的模拟结果和硬件执行，演示了模型的分布式和可扩展性。头皮板可以以模块化方式互连，以支持神经模型的结构。这种统一的软件和硬件方法使得能够缩放处理并允许来自多个模态的信息进行动态合并。硬件板上的部署提供了在多个设备上并行执行的性能结果，通过专用串行链路在每个板之间的通信。由于多模式关联，所提出的统一架构，由RESOM模型和头皮硬件平台组成的精度显着提高，与集中式GPU实现相比，延迟和功耗之间的良好折衷。

高维计算（HDC）是用于数据表示和学习的范式，起源于计算神经科学。HDC将数据表示为高维，低精度向量，可用于学习或召回等各种信息处理任务。高维空间的映射是HDC中的一个基本问题，现有方法在输入数据本身是高维时会遇到可伸缩性问题。在这项工作中，我们探索了一个基于哈希的流媒体编码技术。我们正式表明，这些方法在学习应用程序的性能方面具有可比的保证，同时比现有替代方案更有效。我们在一个流行的高维分类问题上对这些结果进行了实验验证，并表明我们的方法很容易扩展到非常大的数据集。

超比计算（HDC）是由大脑启发的新出现的计算框架，其在数千个尺寸上运行以模拟认知的载体。与运行数量的传统计算框架不同，HDC，如大脑，使用高维随机向量并能够一次学习。 HDC基于明确定义的算术运算集，并且是高度误差的。 HDC的核心运营操纵高清vectors以散装比特方式，提供许多机会利用并行性。遗憾的是，在传统的von-neuman架构上，处理器中的高清矢量的连续运动可以使认知任务过度缓慢和能量密集。硬件加速器只会略微改进相关的指标。相反，只有使用新兴铭文设备内存的HDC框架的部分实施，已报告了相当大的性能/能源收益。本文介绍了一种基于赛道内存（RTM）的架构，以便在内存中进行和加速整个HDC框架。所提出的解决方案需要最小的附加CMOS电路，并在称为横向读取（TR）的RTM中跨多个域的读取操作，以实现排他性或（XOR）和添加操作。为了最小化CMOS电路的开销，我们提出了一种基于RTM纳米线的计数机制，其利用TR操作和标准RTM操作。使用语言识别作为用例，分别与FPGA设计相比，整体运行时和能耗降低了7.8倍和5.3倍。与最先进的内存实现相比，所提出的HDC系统将能耗降低8.6倍。

在视觉场景理解中，推断对象的位置及其刚性转换仍然是一个开放的问题。在这里，我们提出了一种使用有效的分解网络的神经形态解决方案，该解决方案基于三个关键概念：（1）基于矢量符号体系结构（VSA）的计算框架，带有复杂值值矢量； （2）分层谐振器网络（HRN）的设计，以处理视觉场景中翻译和旋转的非交换性质，而两者都被组合使用； （3）设计多室尖峰拟态神经元模型，用于在神经形态硬件上实现复杂值的矢量结合。 VSA框架使用矢量结合操作来产生生成图像模型，其中绑定充当了几何变换的模棱两可的操作。因此，场景可以描述为向量产物的总和，从而可以通过谐振器网络有效地分解以推断对象及其姿势。 HRN启用了分区体系结构的定义，其中矢量绑定是一个分区内的水平和垂直翻译，以及另一个分区内的旋转和缩放的定义。尖峰神经元模型允许将谐振网络映射到有效且低功耗的神经形态硬件上。在这项工作中，我们使用由简单的2D形状组成的合成场景展示了我们的方法，经历了刚性的几何变换和颜色变化。同伴论文在现实世界的应用程序方案中为机器视觉和机器人技术展示了这种方法。

健康监测应用程序越来越依赖机器学习技术来学习日常环境中的最终用户生理和行为模式。考虑到可穿戴设备在监视人体参数中的重要作用，可以利用在设备学习中为行为和生理模式构建个性化模型，并同时为用户提供数据隐私。但是，大多数这些可穿戴设备的资源限制都阻止了对它们进行在线学习的能力。为了解决这个问题，需要从算法的角度重新考虑机器学习模型，以适合在可穿戴设备上运行。高维计算（HDC）为资源受限设备提供了非常适合的设备学习解决方案，并为隐私保护个性化提供了支持。我们的基于HDC的方法具有灵活性，高效率，弹性和性能，同时可以实现设备个性化和隐私保护。我们使用三个案例研究评估方法的功效，并表明我们的系统将培训的能源效率提高了高达$ 45.8 \ times $，与最先进的深神经网络（DNN）算法相比准确性。

自主代理需要自定位才能在未知环境中导航。他们可以使用视觉进程（VO）来估计自我运动并使用视觉传感器定位自己。作为惯性传感器或滑板作为轮编码器，这种运动估算策略不会因漂移而受到损害。但是，带有常规摄像机的VO在计算上是要求的，它限制了其在严格的低延迟， - 内存和 - 能量要求的系统中的应用。使用基于事件的相机和神经形态计算硬件为VO问题提供了有希望的低功率解决方案。但是，VO的常规算法不容易转换为神经形态硬件。在这项工作中，我们提出了一种完全由适合神经形态实现的神经元构件构建的VO算法。构建块是代表向量符号体系结构（VSA）计算框架中向量的神经元组，该框架是作为编程神经形态硬件的抽象层提出的。我们提出的VO网络生成并存储了对展示的视觉环境的工作记忆。它更新了此工作内存，同时估计相机的位置和方向的变化。我们证明了如何将VSA作为神经形态机器人技术的计算范式借用。此外，我们的结果代表了使用神经形态计算硬件进行快速和效率的VO以及同时定位和映射（SLAM）的相关任务的重要步骤。我们通过机器人任务和基于事件的数据集对实验进行了实验验证这种方法，并证明了最先进的性能。

即使机器学习算法已经在数据科学中发挥了重要作用，但许多当前方法对输入数据提出了不现实的假设。由于不兼容的数据格式，或数据集中的异质，分层或完全缺少的数据片段，因此很难应用此类方法。作为解决方案，我们提出了一个用于样本表示，模型定义和培训的多功能，统一的框架，称为“ Hmill”。我们深入审查框架构建和扩展的机器学习的多个范围范式。从理论上讲，为HMILL的关键组件的设计合理，我们将通用近似定理的扩展显示到框架中实现的模型所实现的所有功能的集合。本文还包含有关我们实施中技术和绩效改进的详细讨论，该讨论将在MIT许可下发布供下载。该框架的主要资产是其灵活性，它可以通过相同的工具对不同的现实世界数据源进行建模。除了单独观察到每个对象的一组属性的标准设置外，我们解释了如何在框架中实现表示整个对象系统的图表中的消息推断。为了支持我们的主张，我们使用框架解决了网络安全域的三个不同问题。第一种用例涉及来自原始网络观察结果的IoT设备识别。在第二个问题中，我们研究了如何使用以有向图表示的操作系统的快照可以对恶意二进制文件进行分类。最后提供的示例是通过网络中实体之间建模域黑名单扩展的任务。在所有三个问题中，基于建议的框架的解决方案可实现与专业方法相当的性能。

这是一门专门针对STEM学生开发的介绍性机器学习课程。我们的目标是为有兴趣的读者提供基础知识，以在自己的项目中使用机器学习，并将自己熟悉术语作为进一步阅读相关文献的基础。在这些讲义中，我们讨论受监督，无监督和强化学习。注释从没有神经网络的机器学习方法的说明开始，例如原理分析，T-SNE，聚类以及线性回归和线性分类器。我们继续介绍基本和先进的神经网络结构，例如密集的进料和常规神经网络，经常性的神经网络，受限的玻尔兹曼机器，（变性）自动编码器，生成的对抗性网络。讨论了潜在空间表示的解释性问题，并使用梦和对抗性攻击的例子。最后一部分致力于加强学习，我们在其中介绍了价值功能和政策学习的基本概念。

最近有一项激烈的活动在嵌入非常高维和非线性数据结构的嵌入中，其中大部分在数据科学和机器学习文献中。我们分四部分调查这项活动。在第一部分中，我们涵盖了非线性方法，例如主曲线，多维缩放，局部线性方法，ISOMAP，基于图形的方法和扩散映射，基于内核的方法和随机投影。第二部分与拓扑嵌入方法有关，特别是将拓扑特性映射到持久图和映射器算法中。具有巨大增长的另一种类型的数据集是非常高维网络数据。第三部分中考虑的任务是如何将此类数据嵌入中等维度的向量空间中，以使数据适合传统技术，例如群集和分类技术。可以说，这是算法机器学习方法与统计建模（所谓的随机块建模）之间的对比度。在论文中，我们讨论了两种方法的利弊。调查的最后一部分涉及嵌入$ \ mathbb {r}^ 2 $，即可视化中。提出了三种方法：基于第一部分，第二和第三部分中的方法，$ t $ -sne，UMAP和大节。在两个模拟数据集上进行了说明和比较。一个由嘈杂的ranunculoid曲线组成的三胞胎，另一个由随机块模型和两种类型的节点产生的复杂性的网络组成。

无论是在功能选择的领域还是可解释的AI领域，都有基于其重要性的“排名”功能的愿望。然后可以将这种功能重要的排名用于：（1）减少数据集大小或（2）解释机器学习模型。但是，在文献中，这种特征排名没有以系统的，一致的方式评估。许多论文都有不同的方式来争论哪些具有重要性排名最佳的特征。本文通过提出一种新的评估方法来填补这一空白。通过使用合成数据集，可以事先知道特征重要性得分，从而可以进行更系统的评估。为了促进使用新方法的大规模实验，在Python建造了一个名为FSEVAL的基准测定框架。该框架允许并行运行实验，并在HPC系统上的计算机上分布。通过与名为“权重和偏见”的在线平台集成，可以在实时仪表板上进行交互探索图表。该软件作为开源软件发布，并在PYPI平台上以包裹发行。该研究结束时，探索了一个这样的大规模实验，以在许多方面找到参与算法的优势和劣势。

癫痫患者的长期监测来自实时检测和可穿戴设备设计的工程角度呈现出具有挑战性的问题。它需要新的解决方案，允许连续无阻碍的监控和可靠的癫痫发作检测和预测。在癫痫发作期间的人，脑状态和时间实例中存在脑电图（EEG）模式的高可变性，而且在非扣押期间。这使得癫痫癫痫发作检测非常具有挑战性，特别是如果数据仅在癫痫发作和非癫痫标签下分组。超方（HD）计算，一种新型机器学习方法，作为一个有前途的工具。但是，当数据显示高级别的可变性时，它具有一定的限制。因此，在这项工作中，我们提出了一种基于多心高清计算的新型半监督学习方法。多质心方法允许有几个代表癫痫发作和非癫痫发作状态的原型向量，这导致与简单的2级HD模型相比显着提高了性能。此外，现实生活数据不平衡造成了额外的挑战，并且在数据的平衡子集上报告的性能可能被高估。因此，我们测试我们的多质心方法，具有三个不同的数据集平衡方案，显示较少平衡数据集的性能提升更高。更具体地，在不平衡的测试集上实现了高达14％的改进，而不是比癫痫发作数据更加不癫痫发布的10倍。与此同时，与平衡数据集相比，子类的总数不会显着增加。因此，所提出的多质心方法可以是实现具有现实数据余额或在线学习期间实现高性能的重要因素，癫痫发作不常见。

Deep neural networks (DNNs) are currently widely used for many artificial intelligence (AI) applications including computer vision, speech recognition, and robotics. While DNNs deliver state-of-the-art accuracy on many AI tasks, it comes at the cost of high computational complexity. Accordingly, techniques that enable efficient processing of DNNs to improve energy efficiency and throughput without sacrificing application accuracy or increasing hardware cost are critical to the wide deployment of DNNs in AI systems.This article aims to provide a comprehensive tutorial and survey about the recent advances towards the goal of enabling efficient processing of DNNs. Specifically, it will provide an overview of DNNs, discuss various hardware platforms and architectures that support DNNs, and highlight key trends in reducing the computation cost of DNNs either solely via hardware design changes or via joint hardware design and DNN algorithm changes. It will also summarize various development resources that enable researchers and practitioners to quickly get started in this field, and highlight important benchmarking metrics and design considerations that should be used for evaluating the rapidly growing number of DNN hardware designs, optionally including algorithmic co-designs, being proposed in academia and industry.The reader will take away the following concepts from this article: understand the key design considerations for DNNs; be able to evaluate different DNN hardware implementations with benchmarks and comparison metrics; understand the trade-offs between various hardware architectures and platforms; be able to evaluate the utility of various DNN design techniques for efficient processing; and understand recent implementation trends and opportunities.

全息减少的表示（HRR）是通过将每个向量与抽象概念相关联，并提供数学操作以操纵向量的方法来执行符号AI的方法，以便操纵向量，就像它们是经典的符号对象一样。这种方法在较旧的象征性AI工作和认知科学之外已经很少使用。我们的目标是重新审视这种方法，以了解它是否可行，以使混合神经象征性的方法能够学习作为深度学习架构的可差分量。由于数值不稳定性，HRRS今天在可分辨率的解决方案中无效，我们通过引入迫使向量存在于空间良好的点中的投影步骤来解决问题。这样做，我们将HRRS的概念检索效果提高超过100美元。使用多标签分类，我们演示了如何利用符号HRR属性来开发能够有效学习的输出层和损耗功能，并允许我们调查HRR神经象征性学习方法的一些优缺点。我们的代码可以在https://github.com/neuromorphiccomputationResearchProgram/learning-with-hotographicuredued-representations

The International Workshop on Reading Music Systems (WoRMS) is a workshop that tries to connect researchers who develop systems for reading music, such as in the field of Optical Music Recognition, with other researchers and practitioners that could benefit from such systems, like librarians or musicologists. The relevant topics of interest for the workshop include, but are not limited to: Music reading systems; Optical music recognition; Datasets and performance evaluation; Image processing on music scores; Writer identification; Authoring, editing, storing and presentation systems for music scores; Multi-modal systems; Novel input-methods for music to produce written music; Web-based Music Information Retrieval services; Applications and projects; Use-cases related to written music. These are the proceedings of the 3rd International Workshop on Reading Music Systems, held in Alicante on the 23rd of July 2021.

Multilayer Neural Networks trained with the backpropagation algorithm constitute the best example of a successful Gradient-Based Learning technique. Given an appropriate network architecture, Gradient-Based Learning algorithms can be used to synthesize a complex decision surface that can classify high-dimensional patterns such as handwritten characters, with minimal preprocessing. This paper reviews various methods applied to handwritten character recognition and compares them on a standard handwritten digit recognition task. Convolutional Neural Networks, that are specifically designed to deal with the variability of 2D shapes, are shown to outperform all other techniques.Real-life document recognition systems are composed of multiple modules including eld extraction, segmentation, recognition, and language modeling. A new learning paradigm, called Graph Transformer Networks (GTN), allows such multi-module systems to be trained globally using Gradient-Based methods so as to minimize an overall performance measure.Two systems for on-line handwriting recognition are described. Experiments demonstrate the advantage of global training, and the exibility of Graph Transformer Networks.A Graph Transformer Network for reading bank check is also described. It uses Convolutional Neural Network character recognizers combined with global training techniques to provides record accuracy on business and personal checks. It is deployed commercially and reads several million checks per day.