論文の概要: Training Multi-Layer Binary Neural Networks With Local Binary Error Signals

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2412.00119v2
• Date: Sun, 23 Mar 2025 12:59:38 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-03-25 21:22:50.266613
• Title: Training Multi-Layer Binary Neural Networks With Local Binary Error Signals
• Title（参考訳）: 局所的二元誤差信号を用いた多層二元ニューラルネットワークの訓練
• Authors: Luca Colombo, Fabrizio Pittorino, Manuel Roveri,
• Abstract要約: バイナリニューラルネットワーク(BNN)は、わずか1ビットでアクティベーションを表現することで、機械学習とディープラーニングにおける計算とメモリ使用量を削減する。 BNNの既存のトレーニングアルゴリズムの多くは、バイナリ操作のフル活用を制限する浮動小数点Descent(SGD)に依存している。 そこで本研究では,BNNのトレーニングのための完全バイナリおよび勾配のないアルゴリズムを初めて提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.7740044597960316
• License:
• Abstract: Binary Neural Networks (BNNs) significantly reduce computational complexity and memory usage in machine and deep learning by representing weights and activations with just one bit. However, most existing training algorithms for BNNs rely on quantization-aware floating-point Stochastic Gradient Descent (SGD), limiting the full exploitation of binary operations to the inference phase only. In this work, we propose, for the first time, a fully binary and gradient-free training algorithm for multi-layer BNNs, eliminating the need for back-propagated floating-point gradients. Specifically, the proposed algorithm relies on local binary error signals and binary weight updates, employing integer-valued hidden weights that serve as a synaptic metaplasticity mechanism, thereby enhancing its neurobiological plausibility. The fully binary and gradient-free algorithm introduced in this paper enables the training of binary multi-layer perceptrons with binary inputs, weights, and activations, by using exclusively XNOR, Popcount, and increment/decrement operations. Experimental results on multi-class classification benchmarks show test accuracy improvements of up to +35.47% over the only existing fully binary single-layer state-of-the-art solution. Compared to full-precision SGD, our solution improves test accuracy by up to +41.31% under the same total memory demand$\unicode{x2013}$including the model, activations, and input dataset$\unicode{x2013}$while also reducing computational cost by two orders of magnitude in terms of the total number of equivalent Boolean gates. The proposed algorithm is made available to the scientific community as a public repository.
• Abstract（参考訳）: バイナリニューラルネットワーク(BNN)は、重みとアクティベーションをわずか1ビットで表現することで、機械学習とディープラーニングにおける計算複雑性とメモリ使用量を大幅に削減する。 しかし、既存のBNNのトレーニングアルゴリズムのほとんどは量子化対応浮動小数点勾配 Descent (SGD) に依存しており、バイナリ演算の完全な利用を推論フェーズのみに制限している。 本研究では, バックプロパゲート浮動小数点勾配の必要性をなくし, 多層BNNのための完全バイナリ・勾配自由トレーニングアルゴリズムを初めて提案する。 具体的には、提案アルゴリズムは局所的な二分誤差信号と二分重更新に依存し、シナプス的メタ可塑性機構として機能する整数値の隠蔽重みを用いることにより、その神経生物学的妥当性を高める。 本稿では,XNOR,Popcount,Increment/Decrement操作のみを用いることで,バイナリ入力,重み,アクティベーションを含むバイナリ多層パーセプトロンのトレーニングを可能にする。 マルチクラス分類ベンチマークの実験結果は、既存の完全バイナリ単一層ステート・オブ・ザ・アートソリューションよりも、テスト精度が最大で+35.47%向上したことを示している。 完全精度のSGDと比較して、我々のソリューションは、モデル、アクティベーション、入力データセットを含む、同じ総メモリ要求下で、最大で41.31%の精度向上を実現します。 提案アルゴリズムは,公開リポジトリとして科学コミュニティで利用可能である。

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