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。

在这项工作中，我们介绍了一种光电尖峰，能够以超速率（$ \ \左右100磅/光学尖峰）和低能耗（$ <$ PJ /秒码）运行。所提出的系统结合了具有负差分电导的可激发谐振隧道二极管（RTD）元件，耦合到纳米级光源（形成主节点）或光电探测器（形成接收器节点）。我们在数值上学习互连的主接收器RTD节点系统的尖峰动态响应和信息传播功能。使用脉冲阈值和集成的关键功能，我们利用单个节点来对顺序脉冲模式进行分类，并对图像特征（边缘）识别执行卷积功能。我们还展示了光学互连的尖峰神经网络模型，用于处理超过10 Gbps的时空数据，具有高推理精度。最后，我们展示了利用峰值定时依赖性可塑性的片外监督的学习方法，使能RTD的光子尖峰神经网络。这些结果证明了RTD尖峰节点用于低占地面积，低能量，高速光电实现神经形态硬件的潜在和可行性。

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).

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。

尖峰神经网络（SNN）引起了脑启发的人工智能和计算神经科学的广泛关注。它们可用于在多个尺度上模拟大脑中的生物信息处理。更重要的是，SNN是适当的抽象水平，可以将大脑和认知的灵感带入人工智能。在本文中，我们介绍了脑启发的认知智力引擎（Braincog），用于创建脑启发的AI和脑模拟模型。 Braincog将不同类型的尖峰神经元模型，学习规则，大脑区域等作为平台提供的重要模块。基于这些易于使用的模块，BrainCog支持各种受脑启发的认知功能，包括感知和学习，决策，知识表示和推理，运动控制和社会认知。这些受脑启发的AI模型已在各种受监督，无监督和强化学习任务上有效验证，并且可以用来使AI模型具有多种受脑启发的认知功能。为了进行大脑模拟，Braincog实现了决策，工作记忆，神经回路的结构模拟以及小鼠大脑，猕猴大脑和人脑的整个大脑结构模拟的功能模拟。一个名为BORN的AI引擎是基于Braincog开发的，它演示了如何将Braincog的组件集成并用于构建AI模型和应用。为了使科学追求解码生物智能的性质并创建AI，Braincog旨在提供必要且易于使用的构件，并提供基础设施支持，以开发基于脑部的尖峰神经网络AI，并模拟认知大脑在多个尺度上。可以在https://github.com/braincog-x上找到Braincog的在线存储库。

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.

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。

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。

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。

Loihi is a 60-mm 2 chip fabricated in Intel's 14-nm process that advances the state-of-the-art modeling of spiking neural networks in silicon. It integrates a wide range of novel features for the field, such as hierarchical connectivity, dendritic compartments, synaptic delays, and, most importantly, programmable synaptic learning rules. Running a spiking convolutional form of the Locally Competitive Algorithm, Loihi can solve LASSO optimization problems with over three orders of magnitude superior energy-delay product compared to conventional solvers running on a CPU isoprocess/voltage/area. This provides an unambiguous example of spike-based computation, outperforming all known conventional solutions.Neuroscience offers a bountiful source of inspiration for novel hardware architectures and algorithms. Through their complex interactions at large scales, biological neurons exhibit an impressive range of behaviors and properties that we currently struggle to model with modern analytical tools, let alone replicate with our design and manufacturing technology. Some of the magic that we see in the brain undoubtedly stems from exotic device and material properties that will remain out of our fabs' reach for

基于von-neumann架构的传统计算系统，数据密集型工作负载和应用程序（如机器学习）和应用程序都是基本上限制的。随着数据移动操作和能量消耗成为计算系统设计中的关键瓶颈，对近数据处理（NDP），机器学习和特别是神经网络（NN）的加速器等非传统方法的兴趣显着增加。诸如Reram和3D堆叠的新兴内存技术，这是有效地架构基于NN的基于NN的加速器，因为它们的工作能力是：高密度/低能量存储和近记忆计算/搜索引擎。在本文中，我们提出了一种为NN设计NDP架构的技术调查。通过基于所采用的内存技术对技术进行分类，我们强调了它们的相似之处和差异。最后，我们讨论了需要探索的开放挑战和未来的观点，以便改进和扩展未来计算平台的NDP架构。本文对计算机学习领域的计算机架构师，芯片设计师和研究人员来说是有价值的。

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.

基于旋转扭矩振荡器的复合值Hopfield网络模拟可以恢复相位编码的图像。存储器增强逆变器的序列提供可调谐延迟元件，通过相位转换振荡器的振荡输出来实现复合权重的可调延迟元件。伪逆培训足以存储在一组192个振荡器中，至少代表16 $ \倍数为12个像素图像。恢复图像所需的能量取决于所需的错误级别。对于这里考虑的振荡器和电路，来自理想图像的5％均方方偏差需要大约5 00美元$ S并消耗大约130 NJ。模拟显示，当振荡器的谐振频率可以调整为具有小于10 ^ {-3} $的分数扩展时，网络功能良好，具体取决于反馈的强度。

近年来，尖峰神经网络（SNN）由于其丰富的时空动力学，各种编码方法和事件驱动的特征而自然拟合神经形态硬件，因此在脑启发的智能上受到了广泛的关注。随着SNN的发展，受到脑科学成就启发和针对人工通用智能的新兴研究领域的脑力智能变得越来越热。本文回顾了最新进展，并讨论了来自五个主要研究主题的SNN的新领域，包括基本要素（即尖峰神经元模型，编码方法和拓扑结构），神经形态数据集，优化算法，软件，软件和硬件框架。我们希望我们的调查能够帮助研究人员更好地了解SNN，并激发新作品以推进这一领域。

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。

可激发的光电设备代表了在神经形态（脑启发）光子系统中实施人工尖峰神经元的关键构件之一。这项工作介绍并实验研究了用谐振隧穿二极管（RTD）构建的光电 - 光学（O/E/O）人工神经元，该神经元（RTD）耦合到光电探测器作为接收器和垂直腔表面发射激光器作为发射机。我们证明了一个明确定义的兴奋性阈值，在此上面，该神经元在该神经元中产生100 ns的光学尖峰反应，具有特征性的神经样耐受性。我们利用其粉丝功能来执行设备中的重合检测（逻辑和）以及独家逻辑或（XOR）任务。这些结果提供了基于RTD的Spiking光电神经元的确定性触发和任务的首次实验验证，并具有输入和输出光学（I/O）终端。此外，我们还从理论上研究了拟议系统的纳米光子实施的前景，并结合了纳米级RTD元素和纳米剂的整体设计。因此，在未来的神经形态光子硬件中，证明了基于RTD的综合兴奋节点对低足迹，高速光电尖峰神经元的潜力。

尖峰神经网络（SNN）已成为用于分类任务的硬件有效体系结构。基于尖峰的编码的惩罚是缺乏完全使用尖峰执行的通用训练机制。已经进行了几项尝试，用于采用在非加速人工神经网络（ANN）中使用的强大反向传播（BP）技术：（1）SNN可以通过外部计算的数值梯度来训练。 （2）基于天然尖峰的学习的主要进步是使用具有分阶段的前向/向后传递的尖峰时间依赖性可塑性（STDP）的近似反向传播。但是，在此类阶段之间的信息传输需要外部内存和计算访问。这是神经形态硬件实现的挑战。在本文中，我们提出了一种基于随机SNN的后式Prop（SSNN-BP）算法，该算法利用复合神经元同时计算前向通行激活，并用尖峰明确计算前向传递梯度。尽管签名的梯度值是基于SPIKE的表示的挑战，但我们通过将梯度信号分为正和负流来解决这一问题。复合神经元以随机尖峰传播的形式编码信息，并将反向传播的权重更新转换为时间和空间上局部离散的STDP类似STDP的Spike Concike更新，使其与硬件友好的电阻式处理单元（RPU）兼容。此外，我们的方法使用足够长的尖峰训练来接近BP ANN基线。最后，我们表明，可以通过强制执行胜利者的抑制性横向连接来实现软磁体交叉渗透损失函数。我们的SNN通过与MNIST，时尚和扩展的MNIST数据集的ANN相当的性能来表现出极好的概括。因此，SSNN-BP可以使BP与纯粹基于尖峰的神经形态硬件兼容。

This chapter sheds light on the synaptic organization of the brain from the perspective of computational neuroscience. It provides an introductory overview on how to account for empirical data in mathematical models, implement them in software, and perform simulations reflecting experiments. This path is demonstrated with respect to four key aspects of synaptic signaling: the connectivity of brain networks, synaptic transmission, synaptic plasticity, and the heterogeneity across synapses. Each step and aspect of the modeling and simulation workflow comes with its own challenges and pitfalls, which are highlighted and addressed in detail.

In the brain, information is encoded, transmitted and used to inform behaviour at the level of timing of action potentials distributed over population of neurons. To implement neural-like systems in silico, to emulate neural function, and to interface successfully with the brain, neuromorphic circuits need to encode information in a way compatible to that used by populations of neuron in the brain. To facilitate the cross-talk between neuromorphic engineering and neuroscience, in this Review we first critically examine and summarize emerging recent findings about how population of neurons encode and transmit information. We examine the effects on encoding and readout of information for different features of neural population activity, namely the sparseness of neural representations, the heterogeneity of neural properties, the correlations among neurons, and the time scales (from short to long) at which neurons encode information and maintain it consistently over time. Finally, we critically elaborate on how these facts constrain the design of information coding in neuromorphic circuits. We focus primarily on the implications for designing neuromorphic circuits that communicate with the brain, as in this case it is essential that artificial and biological neurons use compatible neural codes. However, we also discuss implications for the design of neuromorphic systems for implementation or emulation of neural computation.

我们训练神经形态硬件芯片以通过变分能最小化近似Quantum旋转模型的地面状态。与使用马尔可夫链蒙特卡罗进行样品生成的变分人工神经网络相比，这种方法具有优点：神经形态器件以快速和固有的并行方式产生样品。我们开发培训算法，并将其应用于横向场介绍模型，在中等系统尺寸下显示出良好的性能（$ n \ LEQ 10 $）。系统的普遍开心研究表明，较大系统尺寸的可扩展性主要取决于样品质量，该样品质量受到模拟神经芯片上的参数漂移的限制。学习性能显示阈值行为作为ansatz的变分参数的数量的函数，大约为50美元的隐藏神经元，足以表示关键地位，最高$ n = 10 $。网络参数的6 + 1位分辨率不会限制当前设置中的可达近似质量。我们的工作为利用神经形态硬件的能力提供了一种重要的一步，以解决量子数量问题中的维数诅咒。