While backpropagation and automatic differentiation have driven deep learning's success, the physical limits of chip manufacturing and rising environmental costs of deep learning motivate alternative learning paradigms such as physical neural networks. However, most existing physical neural networks still rely on digital computing for training, largely because backpropagation and automatic differentiation are difficult to realize in physical systems. We introduce FFzero, a forward-only learning framework enabling stable neural network training without backpropagation or automatic differentiation. FFzero combines layer-wise local learning, prototype-based representations, and directional-derivative-based optimization through forward evaluations only. We show that local learning is effective under forward-only optimization, where backpropagation fails. FFzero generalizes to multilayer perceptron and convolutional neural networks across classification and regression. Using a simulated photonic neural network as an example, we demonstrate that FFzero provides a viable path toward backpropagation-free in-situ physical learning.


翻译:尽管反向传播和自动微分推动了深度学习的成功,但芯片制造的物理极限以及深度学习日益增长的环境成本,促使人们探索诸如物理神经网络等替代学习范式。然而,大多数现有物理神经网络仍依赖数字计算进行训练,主要原因在于反向传播和自动微分在物理系统中难以实现。我们提出了FFzero,一种仅前向学习框架,能够在无需反向传播或自动微分的情况下实现稳定的神经网络训练。FFzero通过仅前向评估,结合了逐层局部学习、基于原型表示以及方向导数优化。我们证明了在仅前向优化(反向传播失效的情况下)中局部学习是有效的。FFzero可泛化应用于多层感知机和卷积神经网络,涵盖分类与回归任务。以模拟光子神经网络为例,我们展示了FFzero为在物理系统内部实现免反向传播的物理学习提供了可行路径。

0
下载
关闭预览

相关内容

反向传播一词严格来说仅指用于计算梯度的算法,而不是指如何使用梯度。但是该术语通常被宽松地指整个学习算法,包括如何使用梯度,例如通过随机梯度下降。反向传播将增量计算概括为增量规则中的增量规则,该规则是反向传播的单层版本,然后通过自动微分进行广义化,其中反向传播是反向累积(或“反向模式”)的特例。 在机器学习中,反向传播(backprop)是一种广泛用于训练前馈神经网络以进行监督学习的算法。对于其他人工神经网络(ANN)都存在反向传播的一般化–一类算法,通常称为“反向传播”。反向传播算法的工作原理是,通过链规则计算损失函数相对于每个权重的梯度,一次计算一层,从最后一层开始向后迭代,以避免链规则中中间项的冗余计算。
基于神经网络的偏微分方程求解方法研究综述
专知会员服务
73+阅读 · 2022年12月7日
免费中文书籍-《神经网络与深度学习》中文版推荐
深度学习与NLP
21+阅读 · 2019年4月2日
【深度学习】深度学习的核心:掌握训练数据的方法
产业智能官
12+阅读 · 2018年1月14日
干货|基于图卷积网络的图深度学习
DataCanvas大数据云平台
10+阅读 · 2017年6月8日
国家自然科学基金
7+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
43+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
21+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
17+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
31+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
12+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
12+阅读 · 2013年12月31日
Arxiv
16+阅读 · 2023年6月6日
VIP会员
最新内容
俄乌无人机战争的六大启示
专知会员服务
9+阅读 · 8月3日
《无人机空中监控:通信实验洞察》
专知会员服务
7+阅读 · 8月3日
从采集到决策:美军视角下的战术情报范式重构
《履带式无人地面战车技术发展现状》
专知会员服务
7+阅读 · 8月2日
《无人机脆弱性利用:网络空间力量的新域》
专知会员服务
10+阅读 · 8月1日
相关基金
国家自然科学基金
7+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
43+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
21+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
17+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
31+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
12+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
12+阅读 · 2013年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员