A hardware-adaptive learning algorithm for superlinear-capacity associative memory on memristor crossbars

横杆开关 计算机科学 可扩展性 记忆电阻器 异步通信 内容寻址存储器 延迟(音频) 结合属性 过程(计算) 并行计算 人工神经网络 电阻随机存取存储器 尖峰神经网络 算法 缩放比例 实施 神经形态工程学 二进制数 计算机体系结构 内容寻址存储 能量(信号处理) 德拉姆 高效能源利用 领域(数学分析) 平行性(语法) 水准点(测量) 双向联想存储器 比例(比率) 分布式计算 失败 理论计算机科学
作者
Chengping He,Mingrui Jiang,Keyi Shan,Shu Yang,Zefan Li,Shengbo Wang,Giacomo Pedretti,Jim Ignowski,Can Li
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:17 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-026-69958-0
摘要

The human brain recalls complete patterns from partial cues via associative memory, but Hopfield neural networks emulating this process are inefficient on conventional hardware, and prior memristor-based implementations are vulnerable to device defects and have limited capacity, particularly for continuous patterns. We introduce a hardware-adaptive learning algorithm that incorporates experimentally calibrated device constraints during training and validate it on an integrated memristor crossbar compute-in-memory platform. The approach improves defect tolerance and effective capacity, achieving threefold higher capacity than a pseudo-inverse baseline at 50% stuck-at faults. The same framework extends to scalable multilayer architectures supporting binary and continuous-valued patterns, where we observe superlinear capacity scaling on correlated data (∝N1.49 and ∝N1.74, respectively). Leveraging crossbar parallelism with synchronous updates, the implementation reduces energy by 8.8× and latency by 99.7% for 64-dimensional patterns versus asynchronous schemes. These results provide a practical algorithm-hardware co-design for robust, efficient Hopfield-style associative recall. Human brains can recall memories from incomplete cues via associative memory. He et al. emulates this function using a hardware-adaptive learning algorithm for Hopfield-style recall, validate it on integrated RRAM crossbar, and demonstrate superliner capacity scaling in a multilayer architecture.
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