[發明專利]一種脈沖神經網絡多播路由器及方法

有效

• 申請號: 202111118621.6
• 申請日: 2021-09-24
• 公開（公告）號: CN113807511B
• 公開（公告）日: 2023-09-26
• 發明（設計）人: 吳建軍;馮春;徐開明;萬斌
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G06N3/063
• 分類號: G06N3/063;G06N3/049;G06F15/173;G06F7/58
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙) 11390
• 代理人: 申龍華

本發明公開了一種脈沖神經網絡多播路由器及方法，所述的路由器包括輸入緩存器組、交換陣列、輸出緩沖器組、仲裁控制單元、兩種防止環回轉發單元、交換控制單元、多個輸入/輸出端口及一個連接本地計算單元的輸入/輸出端口，所述的路由器采用多播轉發的方式即每個端口輸入的脈沖數據包將分別向其他端口轉發，如果脈沖數據包是由本節點的計算單元所產生，則向所有的端口發送，所述的脈沖數據包的基本幀結構包括脈沖源地址SID、數據載荷PL及轉發次數N。本發明的優點在于：本申請技術方案可以有效降低脈沖神經網絡中路由器的實現復雜度，同時提供一種簡單有效的多播路由方法，減小神經元脈沖有效傳遞的時間周期。

技術領域

本發明涉及類腦計算領域，具體是指一種脈沖神經網絡多播路由器及方法。

背景技術

生物神經尤其人腦神經的結構，呈現出一種復雜的網絡架構。數萬乃至數百億個神經元成為神經網絡的節點，而每個神經元經由自身成千上萬個樹突接收其它神經元的輸入，其輸出的脈沖則經由軸突傳輸至成千上萬個神經元的樹突。在生物神經網絡中，各神經元以脈沖(spikes)作為信息進行傳遞。

在現代通用人工智能技術也即類腦計算技術研究中，通常采用基于脈沖神經元模型的脈沖神經網絡(Spiking?Neuron?Networks)開展相應的腦科學仿真計算。而在脈沖神經網絡的具體實現方案中，Mesh(網狀網)/Torus(環網)是性能較優的拓撲結構。一般來說，網絡由節點和連接它們之間的信道構成。而節點本身通常包含計算單元和路由單元，計算單元模擬神經元的運算，路由單元則進行神經脈沖(spikes)的傳輸和轉發。

如前所述，生物神經網絡中一個神經元的輸出可能要經過軸突傳輸給上萬個其它神經元，這天然具備多播傳輸的特性。但與生物神經網絡中神經元軸突點到多點具備的多條獨立傳輸通道不同，不同拓撲架構的人工脈沖神經網絡(例如mesh/torus拓撲)中還需要仔細設計傳輸路由方案。由英國曼徹斯特大學研發的SpiNNaker系統和美國IBM公司研發的TrueNorth芯片是脈沖神經網絡實現的兩個典型例子。SpiNNaker采用源地址的多播方式進行傳播，其節點上的路由器采用預先確定的路由表進行路由轉發，這不僅需要預先規劃路徑而且路由器上需要不小的路由表存儲空間。TrueNorth采用的是目的地址進行傳播，每個神經元每個脈沖模擬需要發出上萬個數據包，并且本地還需要保存相應數目的目的地址。

研究表明，生物神經元之間存在連接的概率隨它們之間的距離的增加呈指數下降。換句話說，生物神經網絡中各神經元之間的相互連接具有區域性的特點，即每個神經元與其周邊的神經元之間連接緊密，而與遠處的神經元則連接稀疏。結合這一特點，本發明方案考慮設計一種簡單有效的多播路由方法，即一種路由器既防止環回重復的多播轉發，其轉發概率又隨轉發次數衰減的路由方法。

中國專利CN112673602A公開了一種避免廣播風暴的方法和裝置，通過時間和次數判斷是否丟棄廣播報文，可以在不改變路由之間的組網結構和不改變路由之間傳遞的廣播包的情況下，避免廣播風暴。但是，在類腦計算場景下，為每個脈沖存儲時間、次數占用大量的存儲空間，且此方法無法應對擁塞等問題導致的脈沖等待時間長等問題。

中國專利CN107567066A公開了一種基于自適應概率轉發策略的FANETs路由協議，結合上一跳節點的鄰居數量N來確定轉發路由請求分組的概率P，通過自適應概率轉發策略能有效抑制節點密集情況下FANETs網絡中的廣播風暴問題。但是，在類腦計算領域中，脈沖數量是一個關鍵的指標，依概率轉發必然導致重復、回環等問題。

本發明專利提供一種可以有效降低脈沖神經網絡中路由器的實現復雜度，同時提供一種簡單有效的多播路由方法，減小神經元脈沖有效傳遞的時間周期。

發明內容

本發明要解決的技術問題是以上所述的技術問題，提供一種可以有效降低脈沖神經網絡中路由器的實現復雜度，同時提供一種簡單有效的多播路由方法，減小神經元脈沖有效傳遞的時間周期的脈沖神經網絡多播路由器及方法。