Predictive Coding (PC) is a biologically-inspired learning framework characterised by local, parallelisable operations, properties that enable energy-efficient implementation on neuromorphic hardware. Despite this, extending PC effectively to recurrent neural networks (RNNs) has been challenging, particularly for tasks involving long-range temporal dependencies. Backpropagation Through Time (BPTT) remains the dominant method for training RNNs, but its non-local computation, lack of spatial parallelism, and requirement to store extensive activation histories results in significant energy consumption. This work introduces a novel method combining Temporal Predictive Coding (tPC) with approximate Real-Time Recurrent Learning (RTRL), enabling effective spatio-temporal credit assignment. Results indicate that the proposed method can closely match the performance of BPTT on both synthetic benchmarks and real-world tasks. On a challenging machine translation task, with a 15-million parameter model, the proposed method achieves a test perplexity of 7.62 (vs. 7.49 for BPTT), marking one of the first applications of tPC to tasks of this scale. These findings demonstrate the potential of this method to learn complex temporal dependencies whilst retaining the local, parallelisable, and flexible properties of the original PC framework, paving the way for more energy-efficient learning systems.


翻译:预测编码(PC)是一种受生物学启发的学习框架,其特点是具有局部、可并行化的操作特性,这些特性使其能够在神经形态硬件上实现高能效。尽管如此,将PC有效扩展到循环神经网络(RNN)一直具有挑战性,尤其是在涉及长程时序依赖性的任务中。随时间反向传播(BPTT)仍然是训练RNN的主要方法,但其非局部计算、缺乏空间并行性以及需要存储大量激活历史的特点导致了显著的能耗。本研究提出了一种将时序预测编码(tPC)与近似实时循环学习(RTRL)相结合的新方法,实现了有效的时空信用分配。结果表明,所提出的方法在合成基准测试和实际任务上都能与BPTT的性能高度匹配。在一个具有挑战性的机器翻译任务中,使用一个1500万参数的模型,所提出的方法实现了7.62的测试困惑度(BPTT为7.49),这标志着tPC首次应用于此类规模的任务之一。这些发现证明了该方法在学习复杂时序依赖性的同时,保留了原始PC框架的局部性、可并行性和灵活性,为开发更节能的学习系统铺平了道路。

0
下载
关闭预览

相关内容

【干货书】用于数据科学分析和预测的时间序列,529页pdf
专知会员服务
123+阅读 · 2022年10月10日
【Google-BryanLim等】可解释深度学习时序预测
专知会员服务
64+阅读 · 2021年12月19日
【MIT深度学习课程】深度序列建模,Deep Sequence Modeling
专知会员服务
78+阅读 · 2020年2月3日
金融时序预测中的深度学习方法:2005到2019
专知会员服务
168+阅读 · 2019年12月4日
基于 Keras 用深度学习预测时间序列
R语言中文社区
23+阅读 · 2018年7月27日
教程 | 基于Keras的LSTM多变量时间序列预测
机器之心
20+阅读 · 2017年10月30日
回归预测&时间序列预测
GBASE数据工程部数据团队
44+阅读 · 2017年5月17日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
8+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
7+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
11+阅读 · 2012年12月31日
VIP会员
最新内容
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
4+阅读 · 6月17日
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
7+阅读 · 6月17日
从燃煤战舰到算法战争:水面指挥的永恒要求
专知会员服务
4+阅读 · 6月17日
相关基金
国家自然科学基金
4+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
8+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
7+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
11+阅读 · 2012年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员