Bayesian Neural Networks (BNNs) can overcome the problem of overconfidence that plagues traditional frequentist deep neural networks, and are hence considered to be a key enabler for reliable AI systems. However, conventional hardware realizations of BNNs are resource intensive, requiring the implementation of random number generators for synaptic sampling. Owing to their inherent stochasticity during programming and read operations, nanoscale memristive devices can be directly leveraged for sampling, without the need for additional hardware resources. In this paper, we introduce a novel Phase Change Memory (PCM)-based hardware implementation for BNNs with binary synapses. The proposed architecture consists of separate weight and noise planes, in which PCM cells are configured and operated to represent the nominal values of weights and to generate the required noise for sampling, respectively. Using experimentally observed PCM noise characteristics, for the exemplary Breast Cancer Dataset classification problem, we obtain hardware accuracy and expected calibration error matching that of an 8-bit fixed-point (FxP8) implementation, with projected savings of over 9$\times$ in terms of core area transistor count.


翻译:Bayesian神经网络(BNNs)能够克服困扰传统常年型深神经网络的过度自信问题,因此被视为可靠AI系统的关键推进器。然而,BNS的常规硬件实现是资源密集型,需要随机数生成器进行合成抽样取样。由于其在编程和阅读操作期间固有的随机随机性,纳米级中间装置可以直接用于取样,而不需要额外的硬件资源。在本文件中,我们为BNS的二进制神经网络引入了基于阶段变革记忆(PCM)的新型硬件实施。拟议的结构由单独的重力和噪声机组成,其中PCM电池的配置和运行分别代表重量的名义值,并产生所需的取样噪音。我们利用实验性观测到的PCM噪声特性,对典型的乳腺癌数据集分类问题,我们获得了硬件准确性和预期校准错误,与8位固定点(FxP8)的实施相匹配,预计核心射管计数将节省9美元以上。

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