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Activation Function Effects and Simplified Implementation for Hopfield Neural Network

双曲函数 计算机科学 激活函数 人工神经网络 控制理论(社会学) 偏移量(计算机科学) 电子线路 拓扑(电路) 数学 人工智能 工程类 电气工程 组合数学 数学分析 程序设计语言 控制(管理)
作者
Qianfan Xu,Shoukui Ding,Baohui Han,Bei Chen,Bocheng Bao
出处
期刊:Journal of Circuits, Systems, and Computers [World Scientific]
标识
DOI:10.1142/s0218126623503139
摘要

The activation function is crucial in the Hopfield neural network (HNN) to restrict the input–output relation of each neuron. The physical realizability and simplicity of the hardware circuit of activation function are beneficial to promote the practical engineering application of the HNN. However, the HNN commonly used hyperbolic tangent activation function involves a complex hardware circuit implementation. This paper discusses a piecewise-linear activation function (PWL-AF) with simplified circuit implementation and a tri-neuron small-world HNN is built as a paradigm. The hardware implementation circuit of the HNN is greatly simplified, benefited from the PWL-AF with a simple analog circuit. Meanwhile, the dynamics related to the PWL-AF and initial conditions are numerically explored. The numerical results demonstrate that the PWL-AF-based HNN can produce dynamical behaviors like the HNN based on the hyperbolic tangent activation function. Nevertheless, the multistability with up to six kinds of coexisting multiple attractors emerged because of the PWL-AF breakpoint. This can give more flexible and potential aspects in multistability-based engineering applications. Especially, the PWL-AF breakpoint value simultaneously acts as the offset booster and amplitude controller in regulating the offset boosting and amplitude rescaling of neuron states. Afterwards, an analog circuit with three straightforward operational amplifiers (op-amp)-based circuit modules is designed for the PWL-AF, and a PCB-based analog circuit is thereby implemented for the tri-neuron small-world HNN. The hardware experiments agree with the numerical simulations, implying the feasibility of the PWL-AF simplification for the HNN.

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