QuantBayes: Weight Optimization for Memristive Neural Networks via Quantization-Aware Bayesian Inference

记忆电阻器 计算机科学 人工神经网络 神经形态工程学 量化(信号处理) 稳健性(进化) 推论 人工智能 算法 电子工程 工程类 生物化学 基因 化学
作者
Yue Zhou,Xiaofang Hu,Lidan Wang,Guangdong Zhou,Shukai Duan
出处
期刊:IEEE Transactions on Circuits and Systems I-regular Papers [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:68 (12): 4851-4861 被引量:17
标识
DOI:10.1109/tcsi.2021.3115787
摘要

The memristor-based neuromorphic computing system (NCS) with emerging storage and computing integration architecture has drawn extensive attention. Because of the unique nonvolatility and programmability, the memristor is an ideal nano-device to realize neural synapses in VLSI circuit implementation of neural networks. However, in the hardware implementation, the performance of the memristive neural network is always affected by quantization error, writing error, and conductance drift, which seriously hinders its applications in practice. In this paper, a novel weight optimization scheme combining quantization and Bayesian inference is proposed to alleviate this problem. Specifically, the weight deviation in the memristive neural network is transformed into the weight uncertainty in the Bayesian neural network, which can make the network insensitive to unexpected weight changes. A quantization regularization term is designed and utilized during the training process of the Bayesian neural network, reducing the quantization error and improving the robustness of the network. Furthermore, a partial training method is raised to extend the applicability of the proposed scheme in large-scale neural networks. Finally, the experiments on a Multilayer Perceptron and LeNet demonstrate that the proposed weight optimization scheme can significantly enhance the robustness of memristive neural networks.
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