Scalable superconductor neuron with ternary synaptic connections for ultra-fast SNN hardware

可扩展性 计算机科学 三元运算 超导电性 材料科学 计算机硬件 物理 凝聚态物理 操作系统 程序设计语言
作者
Mustafa Altay Karamuftuoglu,Beyza Zeynep Ucpinar,Sasan Razmkhah,Arash Fayyazi,Mehdi Kamal,Massoud Pedram
出处
期刊:Superconductor Science and Technology [IOP Publishing]
卷期号:38 (2): 025014-025014 被引量:2
标识
DOI:10.1088/1361-6668/adaaa9
摘要

Abstract A novel high-fan-in differential superconductor neuron structure designed for ultra-high-performance spiking neural network (SNN) accelerators is presented. Utilizing a high-fan-in neuron structure allows us to design SNN accelerators with more synaptic connections, enhancing the overall network capabilities. The proposed neuron design is based on superconductor electronics fabric, incorporating multiple superconducting loops, each with two Josephson Junctions. This arrangement enables each input data branch to have positive and negative inductive coupling, supporting excitatory and inhibitory synaptic data. Compatibility with synaptic devices and thresholding operation is achieved using a single flux quantum pulse-based logic style. The neuron design, along with ternary synaptic connections, forms the foundation for a superconductor-based SNN inference. To demonstrate the capabilities of our design, we train the SNN using snnTorch, augmenting the PyTorch framework. After pruning, the demonstrated SNN inference achieves an impressive 96.1% accuracy on MNIST images. Notably, the network exhibits a remarkable throughput of 8.92 GHz while consuming only 1.5 nJ per inference, including the energy consumption associated with cooling to 4 K. These results underscore the potential of superconductor electronics in developing high-performance and ultra-energy-efficient neural network accelerator architectures.
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