Intrinsically Evolvable Artificial Neural Networks

Dedicated hardware implementations of neural networks promise to provide faster, lower power operation when compared to software implementations executing on processors. Unfortunately, most custom hardware implementations do not support intrinsic training of these networks on-chip. The training is typically done using offline software simulations and the obtained network is synthesized and targeted to the hardware offline. The FPGA design presented here facilitates on-chip intrinsic training of artificial neural networks. Block-based neural networks (BbNN), the type of artificial neural networks implemented here, are grid-based networks neuron blocks. These networks are trained using genetic algorithms to simultaneously optimize the network structure and the internal synaptic parameters. The design supports online structure and parameter updates, and is an intrinsically evolvable BbNN platform supporting functional-level hardware evolution. Functional-level evolvable hardware (EHW) uses evolutionary algorithms to evolve interconnections and internal parameters of functional modules in reconfigurable computing systems such as FPGAs. Functional modules can be any hardware modules such as multipliers, adders, and trigonometric functions. In the implementation presented, the functional module is a neuron block. The designed platform is suitable for applications in dynamic environments, and can be adapted and retrained online. The online training capability has been demonstrated using a case study. A performance characterization model for RC implementations of BbNNs has also been presented

Spiking Neural Networks models targeted for implementation on Reconfigurable Hardware

La tesis presentada se centra en la denominada tercera generación de redes neuronales artificiales, las Redes Neuronales Spiking (SNN) también llamadas ‘de espigas’ o ‘de eventos’. Este campo de investigación se convirtió en un tema popular e importante en la última década debido al progreso de la neurociencia computacional. Las Redes Neuronales Spiking, que tienen no sólo la plasticidad espacial sino también temporal, ofrecen una alternativa prometedora a las redes neuronales artificiales clásicas (ANN) y están más cerca de la operación real de las neuronas biológicas ya que la información se codifica y transmite usando múltiples espigas o eventos en forma de trenes de pulsos. Este campo ha ido creciendo en los últimos años y ampliado el área de ingenierı́a neuromórfica cuya principal área de trabajo es el uso de VLSI analógicos, digitales, mixtos analógico/digital y software que implementa modelos de sistemas neuronales spiking. Esta tesis analiza las Redes Neuronales Spiking desde la perspectiva de Aprendizaje Automático, donde la plausibilidad biológica no es el objetivo principal, pero la capacidad de crear algoritmos de inteligencia artificial basados en SNN es uno de los objetivos principales, junto con su viabilidad de implementación de hardware. Con el fin de cumplir con los objetivos, varios modelos neuronales y topologı́as de red son revisados y comparados. La codificación de picos o la representación de datos con los picos también se discute en este trabajo. El desarrollo de topologı́as SNN y algoritmos capaces de proporcionar capacidades de inteligencia artificial basadas en espigas de entrada al sistema es uno de los principales temas de esta tesis. Sin embargo, se hace también hincapié en su implementación hardware ya que existen modelos complejos para SNN que en muchos casos no son viables para sistemas en tiempo real y requieren de sistemas de alta capacidad computacional para ser ejecutados. El tema principal de la investigación en este trabajo es la evaluación de algoritmos existentes y el desarrollo de nuevos algoritmos, estructuras de datos y métodos de codificación para la implementación hardware de las redes neuronales de spiking, especialmente dirigidas a FPGA (Field-Programmable Gate Arrays). Los dispositivos FPGA son elegidos debido a sus excelentes capacidades de cálculo paralelo masivo, bajo consumo de energı́a, baja latencia y versatilidad. En los últimos años, las FPGA se convirtieron en una popular plataforma para tareas clásicas de aprendizaje de máquinas, tales como reconocimiento de imágenes, control automático, predicción de series temporales, robótica, etc. Ası́, la tesis investiga todas las cuestiones relacionadas con el despliegue de un sistema completo de hardware basado en espigas, desde la codificación de información externa como entradas hasta la salida final de un sistema de inteligencia artificial basado en SNN, incluida la optimización en la transmisión de datos, y todo ello implementado en arquitecturas hardware que optimizan el rendimiento y permiten la implementación de redes spiking de un elevado número de neuronas. Se propone una nueva arquitectura simplificada de neuronas de tipo LIF (Leaky Integrate-and-Fire). La neurona se evalúa para redes de tipo Perceptron y Restricted Boltzmann Machine (RBM) para probar su rendimiento. Además, las capacidades de aprendizaje de las redes propuestas se desarrollan mediante la definición de un procedimiento optimizado para el aprendizaje de STDP (Spike Time Dependent Plasticity). Las propuestas de optimización en software son completadas por nuevas arquitecturas de hardware, especialmente diseñadas para la implementación de FPGA. En lo que se refiere a las arquitecturas de hardware, esta tesis define la llamada ”neurona autómata”, basada en un formato de representación de espigas novedoso también y definido en esta tesis, llamado ‘Variable Timeslot Length Address-Event Representation’ (VTSAER). Este formato tiene una mayor versatilidad que anteriores propuestas de AER, eliminando la necesidad de marcas de tiempo y permitiendo un verdadero sincronismo de cualquier número arbitrario de eventos. La estructura del VTSAER permite procesar la información en las neuronas de espigas como un autómata finito alimentado por eventos. Este nuevo enfoque ayuda a separar el estado del sistema de la tasa de entrada de datos y reducir el número de canales de entrada/salida. Otra novedad propuesta en esta tesis es una arquitectura vectorizada de capas de las redes neuronales. Esta arquitectura permite calcular el estado de cualquier número arbitrario de capas reutilizando los mismos bloques neuronales de hardware varias veces. Este concepto de procesamiento vectorial de datos se puede aplicar no sólo en las redes neuronales de espigas, sino también en redes neuronales clásicas no-spiking de tipo ANN y otros algoritmos de aprendizaje automático. Con la arquitectura vectorizada y la neurona autómata, el factor limitante para el tamaño de la red es sólo la cantidad de memoria en el FPGA, lo que es una mejora significativa a las implementaciones anteriores. En cuanto a los algoritmos de aprendizaje para SNN, esta tesis describe una nueva aplicación del algoritmo de aprendizaje de Spike Timing Dependent Plasticity. STDP sigue siendo el algoritmo de aprendizaje más popular para las redes neuronales spiking,derivado de las observaciones de los fenómenos biológicos. Implementaciones de hardware digital de la STDP rara vez se encuentran dado que el algoritmo está utilizando causalidad de sincronización hacia atrás que requiere un empleo significativo de recursos de hardware. La nueva implementación propuesta en esta tesis está resolviendo el problema de causalidad con una sobrecarga de hardware muy pequeña. La versión mejorada de STDP se puede utilizar en redes de número arbitrario de neuronas. El proceso de actualización de pesos es independiente para cada neurona y no afecta al flujo global de entrada de espigas. La implementación FPGA de algoritmos de codificación visual también se cubre en esta tesis. Se describe la codificación de campos receptivos visuales tipo Gabor y se presentan dos implementaciones de hardware. El método de codificación de campo receptivo es muy similar a la operación de convolución utilizada en redes neuronales no-spiking. Los campos especı́ficos de orientación de Gabor son importantes en el procesamiento de imágenes, ya que son fenómenos bien estudiados observados en la corteza visual de mamı́feros y se desempeñan bien en el procesamiento de imágenes y en las tareas de codificación de espigas. Las dos propuestas de implementación en FPGA son arquitectura paralela y vectorizada. La comparación se realiza utilizando tamaños de campo receptivo tı́picamente usados en tareas prácticas que muestran las posibilidades de aplicación para cada una de las propuestas de implementación. Además, la implementación del hardware digital de algoritmos requiere la adaptación de la aritmética, ya que la aritmética de punto fijo se utiliza para evitar la complejidad adicional dada por los cálculos de coma flotante. Por lo tanto, se realiza un extenso estudio de la aritmética de punto fijo en el hardware de codificación y procesamiento de spikes para probar que el punto fijo es capaz de proporcionar la exactitud y precisión requeridas a un menor costo computacional y de recursos. Todos los algoritmos y arquitecturas propuestos se prueban resolviendo problemas clásicos con bases de datos abiertos (open source) para poder hacer una comparación con otros autores: los conjuntos de datos SEMEION e Iris se utilizan en este caso. Con respecto a los resultados de hardware, las arquitecturas digitales propuestas permiten una alta frecuencia de operación de reloj, cercana al máximo permitido por el dispositivo FPGA (alcanza hasta 387MHz). Los algoritmos y arquitecturas propuestos también permiten SNN de tamaño arbitrario, limitándose sólo a la capacidad del dispositivo. Todas las cuestiones antes mencionadas forman una compleja solución novedosa para la implementación de redes neuronales de espigas en hardware FPGA con velocidad de procesamiento varios cientos de veces más rápido que las simulaciones de software y una precisión comparable. Los bloques de hardware propuestos son versátiles, capaces de implementar una amplia gama de modificaciones de los algoritmos descritos y adaptar múltiples topologı́as SNN con diferentes números de entradas, número de capas, número de neuronas por capa, número de salidas, longitud de bits y, en general, aquellos parámetros que permiten implementar múltiples formas de SNN. En total, utilizando los bloques de hardware desarrollados en esta tesis, es posible construir un sistema neuromórfico masivo autosuficiente con un ciclo de procesamiento completo hecho dentro de un chip. De este modo, los sistemas neuromórficos podrı́an ser implementados a un costo menor en términos de desarrollo y tiempo de diseño, junto con placas de hardware más simples.This thesis describes a novel architecture of the Spiking Neural Networks implemented in hardware using Field-Programmable Gate Arrays. By starting from the state of the art theoretical and practical works, a new approach to the problem is proposed. The presented work is dealing with both software and hardware topics such as: • Spiking neural models with focus on their performance and feasibility in hardware. A novel simplified neuron model is created and tested. • Learning of SNNs in software and hardware. The well-known learning algorithms are implemented and tested with the simplified neuron model. • Data representation and conversion in spiking neural systems. A new version of Address-Event Representation protocol is proposed, effectively allowing the finite automata approach to the SNN implementation. A novel hardware architecture to encode images is presented. • Hardware platforms’ resources and their usability for SNN implementation. The latest commercial FPGA devices are evaluated as the prospective platform for large-scale SNN implementation. • Spiking perceptron and spiking Restricted Boltzmann machine implementation. Two popular network models are implemented and tested, utilizing the proposed neuronal model. • Neural network learning in hardware. The previously studied algorithms are im- plemented in the hardware. The aforementioned material was partially published in two journal and five conference papers. The system has been fully developed and tested using public domain datasets

Efficient machine learning: models and accelerations

One of the key enablers of the recent unprecedented success of machine learning is the adoption of very large models. Modern machine learning models typically consist of multiple cascaded layers such as deep neural networks, and at least millions to hundreds of millions of parameters (i.e., weights) for the entire model. The larger-scale model tend to enable the extraction of more complex high-level features, and therefore, lead to a significant improvement of the overall accuracy. On the other side, the layered deep structure and large model sizes also demand to increase computational capability and memory requirements. In order to achieve higher scalability, performance, and energy efficiency for deep learning systems, two orthogonal research and development trends have attracted enormous interests. The first trend is the acceleration while the second is the model compression. The underlying goal of these two trends is the high quality of the models to provides accurate predictions. In this thesis, we address these two problems and utilize different computing paradigms to solve real-life deep learning problems. To explore in these two domains, this thesis first presents the cogent confabulation network for sentence completion problem. We use Chinese language as a case study to describe our exploration of the cogent confabulation based text recognition models. The exploration and optimization of the cogent confabulation based models have been conducted through various comparisons. The optimized network offered a better accuracy performance for the sentence completion. To accelerate the sentence completion problem in a multi-processing system, we propose a parallel framework for the confabulation recall algorithm. The parallel implementation reduce runtime, improve the recall accuracy by breaking the fixed evaluation order and introducing more generalization, and maintain a balanced progress in status update among all neurons. A lexicon scheduling algorithm is presented to further improve the model performance. As deep neural networks have been proven effective to solve many real-life applications, and they are deployed on low-power devices, we then investigated the acceleration for the neural network inference using a hardware-friendly computing paradigm, stochastic computing. It is an approximate computing paradigm which requires small hardware footprint and achieves high energy efficiency. Applying this stochastic computing to deep convolutional neural networks, we design the functional hardware blocks and optimize them jointly to minimize the accuracy loss due to the approximation. The synthesis results show that the proposed design achieves the remarkable low hardware cost and power/energy consumption. Modern neural networks usually imply a huge amount of parameters which cannot be fit into embedded devices. Compression of the deep learning models together with acceleration attracts our attention. We introduce the structured matrices based neural network to address this problem. Circulant matrix is one of the structured matrices, where a matrix can be represented using a single vector, so that the matrix is compressed. We further investigate a more flexible structure based on circulant matrix, called block-circulant matrix. It partitions a matrix into several smaller blocks and makes each submatrix is circulant. The compression ratio is controllable. With the help of Fourier Transform based equivalent computation, the inference of the deep neural network can be accelerated energy efficiently on the FPGAs. We also offer the optimization for the training algorithm for block circulant matrices based neural networks to obtain a high accuracy after compression