Equilibrium Propagation (EP) is a biologically plausible local learning algorithm initially developed for convergent recurrent neural networks (RNNs), where weight updates rely solely on the connecting neuron states across two phases. The gradient calculations in EP have been shown to approximate the gradients computed by Backpropagation Through Time (BPTT) when an infinitesimally small nudge factor is used. This property makes EP a powerful candidate for training Spiking Neural Networks (SNNs), which are commonly trained by BPTT. However, in the spiking domain, previous studies on EP have been limited to architectures involving few linear layers. In this work, for the first time we provide a formulation for training convolutional spiking convergent RNNs using EP, bridging the gap between spiking and non-spiking convergent RNNs. We demonstrate that for spiking convergent RNNs, there is a mismatch in the maximum pooling and its inverse operation, leading to inaccurate gradient estimation in EP. Substituting this with average pooling resolves this issue and enables accurate gradient estimation for spiking convergent RNNs. We also highlight the memory efficiency of EP compared to BPTT. In the regime of SNNs trained by EP, our experimental results indicate state-of-the-art performance on the MNIST and FashionMNIST datasets, with test errors of 0.97% and 8.89%, respectively. These results are comparable to those of convergent RNNs and SNNs trained by BPTT. These findings underscore EP as an optimal choice for on-chip training and a biologically-plausible method for computing error gradients.


翻译:平衡传播(EP)是一种具有生物合理性的局部学习算法,最初为收敛递归神经网络(RNN)设计,其权重更新仅依赖于两个阶段中连接神经元的特征状态。研究表明,当使用无穷小的微扰因子时,EP中的梯度计算可近似于通过时间反向传播(BPTT)计算的梯度。这一特性使EP成为训练脉冲神经网络(SNN)的有力候选方法——这类网络通常采用BPTT训练。然而在脉冲领域,先前关于EP的研究仅局限于包含少量线性层的架构。本研究首次提出利用EP训练卷积脉冲收敛RNN的公式体系,弥合了脉冲与非脉冲收敛RNN之间的差距。我们证明,对于脉冲收敛RNN,最大池化及其逆操作之间存在不匹配,导致EP中的梯度估计不准确。用平均池化替代该操作可解决这一问题,使脉冲收敛RNN能够实现精确的梯度估计。我们还强调,与BPTT相比,EP具有更高的内存效率。在采用EP训练的SNN范式中,实验结果表明在MNIST和FashionMNIST数据集上达到当前最优性能,测试误差分别为0.97%和8.89%。这些结果与通过BPTT训练的收敛RNN及SNN性能相当。该发现彰显了EP作为片上训练的最佳选择,以及作为计算误差梯度的生物合理性方法的优势。

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