From 09c8f740da0b833c08c78fa30f80e3dc04e218c4 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: Your Name Date: Mon, 27 Jul 2026 20:34:44 -0700 Subject: Trained software weights with ridge regression --- .gitignore | 2 + figures/reservoir_raster.svg | 16209 ++++++++++++++++++++++++++++++++ references/kaevin_memristor.py | 134 - references/memristor_spires_proof.png | Bin 0 -> 86864 bytes references/spires_tutorial.c | 80 + spires_tutorial.c | 80 - src/main | Bin 40792 -> 47368 bytes src/main.c | 169 +- src/main.o | Bin 21480 -> 25704 bytes src/memristor_spires_proof.png | Bin 86864 -> 0 bytes src/reservoir_raster.png | Bin 299402 -> 0 bytes src/reservoir_raster.svg | 16209 ++++++++++++++++++++++++++++++++ src/spires_interface.c | 114 +- src/spires_interface.h | 23 +- src/spires_interface.o | Bin 7168 -> 10800 bytes 15 files changed, 32786 insertions(+), 234 deletions(-) create mode 100644 figures/reservoir_raster.svg delete mode 100644 references/kaevin_memristor.py create mode 100644 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+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + diff --git a/references/kaevin_memristor.py b/references/kaevin_memristor.py deleted file mode 100644 index 890eb9b..0000000 --- a/references/kaevin_memristor.py +++ /dev/null @@ -1,134 +0,0 @@ -import numpy as np -from scipy.integrate import solve_ivp - -# TEAM (Threshold Adaptive Memristor) model as a reusable class -class TEAMMemristor: - - def __init__( - self, - - k_on=-1, # switching rate for on-state - alpha_off=5, # exponent controlling nonlinearity when switching off - alpha_on=5, # exponent controlling nonlinearity when switching on - i_off=0.5e-3, # threshold current to trigger off state switching - i_on=-0.5e-3, # threshold current to trigger on state switching - g_on=1/1e3, # maximum conductance (1 kohm = 1 ms) - g_off=1/10e3, # minimum conductance (10 kohm = 0.1 ms) - w_init=0.5, # initial state variable (0=off, 1=on) - p=2 # window function exponent - ): - self.k_off = k_off - self.k_on = k_on - self.alpha_off = alpha_off - self.alpha_on = alpha_on - self.i_off = i_off - self.i_on = i_on - self.g_on = g_on - self.g_off = g_off - self.w_init = w_init - self.p = p - - def set_state(self, w): - # Update initial condition for next simulation - self.w_init = np.clip(w, 0, 1) - - def window(self, w, i): - # Nonlinear window function: reduces switching rate near the boundaries - w = np.clip(w, 0.0, 1.0) - if i >= 0: - return 1 - w**(2*self.p) # switching off: slower near w=1 - else: - return 1 - (1-w)**(2*self.p) # switching on: slower near w=0 - - def conductance(self, w): - # Linear interpolation between off and on conductance based on state w - w = np.clip(w, 0.0, 1.0) - return self.G_off + w*(self.G_on - self.G_off) - - def dw_dt(self, w, i): - # TEAM state dynamics: dw/dt depends on current magnitude and direction - w = np.clip(w, 0.0, 1.0) - - if i >= self.i_off: # positive current above threshold = switch off - dw = ( - self.k_off - * ((i/self.i_off)-1)**self.alpha_off - * self.window(w, i) - ) - elif i <= self.i_on: # negative current below threshold = switch on - dw = ( - self.k_on - * (((-i)/abs(self.i_on))-1)**self.alpha_on - * self.window(w, i) - ) - else: # between thresholds = no switching - dw = 0.0 - - # Enforce physical bounds: prevent state from leaving [0,1] - if w <= 0 and dw < 0: - dw = 0 - if w >= 1 and dw > 0: - dw = 0 - - return dw - - def simulate(self, - freq=1, # excitation frequency (Hz) - V_amp=1.5, # sinusoid amplitude (V) - cycles=3): # number of periods to simulate - # Solve the memristor ODE for given frequency and voltage amplitude - - def voltage(t): # sinusoidal excitation signal - return V_amp*np.sin(2*np.pi*freq*t) - - def ode(t, y): # dy/dt: current through memristor - w = y[0] - v = voltage(t) - G = self.conductance(w) - i = G*v # Ohm's law: i = G*v - return [self.dw_dt(w, i)] - - T = 1/freq # period - t_end = cycles*T - t_eval = np.linspace(0, t_end, 10000) # dense time grid for smooth curves - - # Solve with RK45, small max step - sol = solve_ivp( - ode, - [0, t_end], - [self.w_init], - t_eval=t_eval, - method='RK45', - max_step=T/1000, # max step keeps resolution within one period - rtol=1e-8, - atol=1e-10 - ) - - raw_w = sol.y[0] - - # Check if numerical solver violated physical bounds - eps = 1e-6 - if np.any(raw_w < -eps) or np.any(raw_w > 1+eps): - print( - "WARNING: solver left bounds " - f"min={raw_w.min():.12f}, " - f"max={raw_w.max():.12f}" - ) - - w = np.clip(raw_w, 0, 1) # enforce bounds just in case - t = sol.t - v = voltage(t) - G = self.conductance(w) - i = G*v # current throughout simulation - - return t, w, v, i - - def resistance(self, w): - # Compute resistance as reciprocal of conductance - return 1/self.conductance(w) - - def reset(self): - # Reset state to default initial condition - self.w_init = 0.5 - - diff --git a/references/memristor_spires_proof.png b/references/memristor_spires_proof.png new file mode 100644 index 0000000..ea294fc Binary files /dev/null and b/references/memristor_spires_proof.png differ diff --git a/references/spires_tutorial.c b/references/spires_tutorial.c new file mode 100644 index 0000000..f4eba10 --- /dev/null +++ b/references/spires_tutorial.c @@ -0,0 +1,80 @@ +#include <../src/neurons/lif_discrete.h> +#include +#include +#include +#include + +#define N_TRAIN 500 +#define N_TEST 100 +#define PI 3.14159265358979323846 + +int main(void) { + /* 1. Configure the reservoir */ + double lif_cfg[] = {0.0, 1.0, 0.2, 0.5}; + + spires_reservoir_config cfg = { + .num_neurons = 400, + .num_inputs = 1, + .num_outputs = 1, + .spectral_radius = 0.95, + .ei_ratio = 0.8, + .input_strength = 0.1, + .connectivity = 0.1, + .dt = 1.0, + .connectivity_type = SPIRES_CONN_RANDOM, + .neuron_type = SPIRES_NEURON_LIF_DISCRETE, + .neuron_params = lif_cfg, + }; + + /* 2. Create the reservoir */ + spires_reservoir *r = NULL; + spires_status s = spires_reservoir_create(&cfg, &r); + if (s != SPIRES_OK) { + fprintf(stderr, "Failed to create reservoir: %d\n", s); + return 1; + } + + /* 3. Generate training data — predict sin(t+1) from sin(t) */ + double input_train[N_TRAIN]; + double target_train[N_TRAIN]; + for (int i = 0; i < N_TRAIN; i++) { + input_train[i] = sin(2.0 * PI * i / 50.0); + target_train[i] = sin(2.0 * PI * (i + 1) / 50.0); + } + + /* 4. Train with ridge regression */ + s = spires_train_ridge(r, input_train, target_train, N_TRAIN, 1e-6); + + if (s != SPIRES_OK) { + fprintf(stderr, "Training failed: %d\n", s); + spires_reservoir_destroy(r); + return 1; + } + + /* 5. Generate test input */ + double input_test[N_TEST]; + for (int i = 0; i < N_TEST; i++) { + input_test[i] = sin(2.0 * PI * (N_TRAIN + i) / 50.0); + } + + /* 6. Run inference */ + double *predictions = spires_run(r, input_test, N_TEST); + if (!predictions) { + fprintf(stderr, "Inference failed\n"); + spires_reservoir_destroy(r); + return 1; + } + + /* 7. Print a few predictions vs. expected values */ + printf("Step | Predicted | Expected\n"); + printf("-----+-----------+---------\n"); + for (int i = 0; i < 10; i++) { + double expected = sin(2.0 * PI * (N_TRAIN + i + 1) / 50.0); + printf("%4d | %+.5f | %+.5f\n", i, predictions[i], expected); + } + + /* 8. Clean up */ + free(predictions); + spires_reservoir_destroy(r); + return 0; +} diff --git a/spires_tutorial.c b/spires_tutorial.c deleted file mode 100644 index f4eba10..0000000 --- a/spires_tutorial.c +++ /dev/null @@ -1,80 +0,0 @@ -#include <../src/neurons/lif_discrete.h> -#include -#include -#include -#include - -#define N_TRAIN 500 -#define N_TEST 100 -#define PI 3.14159265358979323846 - -int main(void) { - /* 1. Configure the reservoir */ - double lif_cfg[] = {0.0, 1.0, 0.2, 0.5}; - - spires_reservoir_config cfg = { - .num_neurons = 400, - .num_inputs = 1, - .num_outputs = 1, - .spectral_radius = 0.95, - .ei_ratio = 0.8, - .input_strength = 0.1, - .connectivity = 0.1, - .dt = 1.0, - .connectivity_type = SPIRES_CONN_RANDOM, - .neuron_type = SPIRES_NEURON_LIF_DISCRETE, - .neuron_params = lif_cfg, - }; - - /* 2. Create the reservoir */ - spires_reservoir *r = NULL; - spires_status s = spires_reservoir_create(&cfg, &r); - if (s != SPIRES_OK) { - fprintf(stderr, "Failed to create reservoir: %d\n", s); - return 1; - } - - /* 3. Generate training data — predict sin(t+1) from sin(t) */ - double input_train[N_TRAIN]; - double target_train[N_TRAIN]; - for (int i = 0; i < N_TRAIN; i++) { - input_train[i] = sin(2.0 * PI * i / 50.0); - target_train[i] = sin(2.0 * PI * (i + 1) / 50.0); - } - - /* 4. Train with ridge regression */ - s = spires_train_ridge(r, input_train, target_train, N_TRAIN, 1e-6); - - if (s != SPIRES_OK) { - fprintf(stderr, "Training failed: %d\n", s); - spires_reservoir_destroy(r); - return 1; - } - - /* 5. Generate test input */ - double input_test[N_TEST]; - for (int i = 0; i < N_TEST; i++) { - input_test[i] = sin(2.0 * PI * (N_TRAIN + i) / 50.0); - } - - /* 6. Run inference */ - double *predictions = spires_run(r, input_test, N_TEST); - if (!predictions) { - fprintf(stderr, "Inference failed\n"); - spires_reservoir_destroy(r); - return 1; - } - - /* 7. Print a few predictions vs. expected values */ - printf("Step | Predicted | Expected\n"); - printf("-----+-----------+---------\n"); - for (int i = 0; i < 10; i++) { - double expected = sin(2.0 * PI * (N_TRAIN + i + 1) / 50.0); - printf("%4d | %+.5f | %+.5f\n", i, predictions[i], expected); - } - - /* 8. Clean up */ - free(predictions); - spires_reservoir_destroy(r); - return 0; -} diff --git a/src/main b/src/main index 1dc8df3..02aecf3 100755 Binary files a/src/main and b/src/main differ diff --git a/src/main.c b/src/main.c index 467b419..e8a6d92 100644 --- a/src/main.c +++ b/src/main.c @@ -12,8 +12,10 @@ #define NUM_INPUTS 4 #define NUM_OUTPUTS 2 #define NUM_TRAINING_STEPS 500 +#define NUM_STEPS 2000 #define SPIKE_THRESHOLD 0.5 +#define SPIKE_AMPLITUDE 0.1 #define PI 3.14159265358979323846 @@ -23,6 +25,17 @@ static int plot_raster( double spike_threshold ); + +static int print_software_outputs( + spires_reservoir *reservoir, + const double *input_series, + size_t series_length, + size_t num_inputs, + size_t num_outputs, + size_t samples_to_print, + const char *label +); + int main(void) { //discrete LIF parameters for spires double lif_config[] = { @@ -58,15 +71,24 @@ int main(void) { return -1; } - //create data set (sin wave time series prediction) + //create training inputs double training_inputs[NUM_TRAINING_STEPS * NUM_INPUTS]; for (size_t timestep = 0; timestep < NUM_TRAINING_STEPS; timestep++) { for (size_t input = 0; input < NUM_INPUTS; input++) { training_inputs[timestep * NUM_INPUTS + input] = sin(2.0 * PI * (double)timestep / 50.0); } } - + //create target outputs + double target_outputs[NUM_TRAINING_STEPS * NUM_OUTPUTS]; + for (size_t timestep = 0; timestep < NUM_TRAINING_STEPS; timestep++) { + size_t next_timestep = (timestep + 1) % NUM_TRAINING_STEPS; + double target = sin(2.0 * PI * (double)next_timestep / 50.0); + for (size_t output = 0; output < NUM_OUTPUTS; output++) { + target_outputs[timestep * NUM_OUTPUTS + output] = target; + } + } + Reservoir_State_Matrix state_matrix = {0}; if (collect_reservoir_states(reservoir, training_inputs, NUM_TRAINING_STEPS, &state_matrix) != 0) { @@ -77,6 +99,37 @@ int main(void) { printf("collected state matrix: %zu x %zu\n", state_matrix.num_samples, state_matrix.num_features); + print_software_outputs( + reservoir, + training_inputs, + NUM_TRAINING_STEPS, + NUM_INPUTS, + NUM_OUTPUTS, + 10, + "Software outputs before training:" + ); + + //training the readout layer + const double lambda = 1.0e-4; + int training_status = train_reservoir(reservoir, training_inputs, + target_outputs, NUM_TRAINING_STEPS, lambda); + if (training_status < 0) { + fprintf(stderr, "Failed to train the reservoir"); + free_reservoir_state_matrix(&state_matrix); + spires_reservoir_destroy(reservoir); + return -1; + } + + print_software_outputs( + reservoir, + training_inputs, + NUM_TRAINING_STEPS, + NUM_INPUTS, + NUM_OUTPUTS, + 10, + "Software outputs after training:" + ); + //generate raster plot for verification if (plot_raster(&state_matrix, NUM_NEURONS, SPIKE_THRESHOLD) != 0) { fprintf(stderr, "Failed to plot raster\n"); @@ -88,6 +141,8 @@ int main(void) { fprintf(stderr, "Failed to allocate memory for initial resistances"); return -1; } + + //resistances are inversely proportional to the software weigts for (size_t i = 0; i < NUM_NEURONS * NUM_OUTPUTS; i++) { initial_resistances[i] = 80000; } @@ -96,12 +151,20 @@ int main(void) { double *spikes_voltages = malloc(state_matrix.num_features * state_matrix.num_samples * sizeof(*spikes_voltages)); + if (spikes_voltages == NULL) { + fprintf(stderr, "Failed to allocate spikes voltages"); + free(initial_resistances); + free_reservoir_state_matrix(&state_matrix); + spires_reservoir_destroy(reservoir); + return -1; + } + for (size_t sample = 0; sample < state_matrix.num_samples; sample++) { for (size_t neuron = 0; neuron < state_matrix.num_features; neuron++) { size_t index = sample * state_matrix.num_features + neuron; spikes_voltages[index] = - state_matrix.states [index] > SPIKE_THRESHOLD ? 0.1 : 0.0; + state_matrix.states [index] > SPIKE_THRESHOLD ? SPIKE_AMPLITUDE : 0.0; } } @@ -126,6 +189,7 @@ int main(void) { spires_reservoir_destroy(reservoir); return -1; } + printf("Generated crossbar!!"); //call ngspice for crossbar if (run_ngspice("crossbar.cir") < 0) { @@ -135,7 +199,9 @@ int main(void) { spires_reservoir_destroy(reservoir); return -1; } + printf("ran ngspice!!"); + //crossbar parameters needed for reading Crossbar_Output_Matrix crossbar_output = { .num_samples = NUM_TRAINING_STEPS, //this isnt right? .num_outputs = NUM_OUTPUTS, @@ -151,20 +217,22 @@ int main(void) { free_crossbar_output_matrix(&crossbar_output); return -1; } + printf("read the crossbar outputs!!"); + + //printing for testing purposes + // printf("Read data:\n"); + // for (size_t sample = 0; sample < crossbar_output.num_samples; sample++) { + // printf("%f", crossbar_output.time[sample]); + // for (size_t output = 0; output < crossbar_output.num_outputs; output++) { + // printf(" %f", + // crossbar_output.voltages[sample * crossbar_output.num_outputs + output]); + // } + // printf("\n"); + // } - //printing for testing purposes - printf("Read data:\n"); - for (size_t sample = 0; sample < crossbar_output.num_samples; sample++) { - printf("%f", crossbar_output.time[sample]); - for (size_t output = 0; output < crossbar_output.num_outputs; output++) { - printf(" %f", crossbar_output.voltages[sample * NUM_OUTPUTS + output]); - } - printf("\n"); - } - - //clean up printf("YAY IT WORKED!!! Cleaning up :)"); free(initial_resistances); + free(spikes_voltages); free_reservoir_state_matrix(&state_matrix); spires_reservoir_destroy(reservoir); free_crossbar_output_matrix(&crossbar_output); @@ -223,8 +291,8 @@ static int plot_raster( } //output to png - plsdev("pngcairo"); - plsfnam("reservoir_raster.png"); + plsdev("svg"); + plsfnam("reservoir_raster.svg"); plsetopt("geometry", "1600x1200"); plscolbg(255, 255, 255); @@ -268,3 +336,72 @@ static int plot_raster( free(y); return 0; } + +static int print_software_outputs( + spires_reservoir *reservoir, + const double *input_series, + size_t series_length, + size_t num_inputs, + size_t num_outputs, + size_t samples_to_print, + const char *label +) +{ + if (!reservoir || !input_series || !label) { + return -1; + } + + double *output = malloc(num_outputs * sizeof(*output)); + if (!output) { + return -1; + } + + if (spires_reservoir_reset(reservoir) != SPIRES_OK) { + free(output); + return -1; + } + + if (samples_to_print > series_length) { + samples_to_print = series_length; + } + + printf("\n%s\n", label); + + for (size_t timestep = 0; + timestep < series_length; + timestep++) { + + const double *current_input = + &input_series[timestep * num_inputs]; + + if (spires_step(reservoir, current_input) != SPIRES_OK) { + free(output); + return -1; + } + + if (spires_compute_output(reservoir, output) != SPIRES_OK) { + free(output); + return -1; + } + + if (timestep < samples_to_print) { + printf("timestep %zu:", timestep); + + for (size_t output_index = 0; + output_index < num_outputs; + output_index++) { + + printf( + " output[%zu]=%+.8e", + output_index, + output[output_index] + ); + } + + printf("\n"); + } + } + + free(output); + return 0; +} diff --git a/src/main.o b/src/main.o index 20d66a5..392a241 100644 Binary files a/src/main.o and b/src/main.o differ diff --git a/src/memristor_spires_proof.png b/src/memristor_spires_proof.png deleted file mode 100644 index ea294fc..0000000 Binary files a/src/memristor_spires_proof.png and /dev/null differ diff --git a/src/reservoir_raster.png b/src/reservoir_raster.png deleted file mode 100644 index b41be5e..0000000 Binary files a/src/reservoir_raster.png and /dev/null differ diff --git a/src/reservoir_raster.svg b/src/reservoir_raster.svg new file mode 100644 index 0000000..f004704 --- /dev/null +++ b/src/reservoir_raster.svg @@ -0,0 +1,16209 @@ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 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#include #include +#include +#include int collect_reservoir_states( - const spires_reservoir *reservoir, + spires_reservoir *reservoir, const double *input_series, size_t series_length, Reservoir_State_Matrix *result @@ -15,7 +17,6 @@ int collect_reservoir_states( //RIP //clear the result first - // result->num_samples = 0; result->num_features = 0; result->states = NULL; @@ -67,6 +68,115 @@ int collect_reservoir_states( return 0; } +int map_signed_weights_to_resistance( + const double *weights, + size_t num_neurons, + size_t num_outputs, + double resistance_on, + double resistance_off, + double *resistances, + double *conductance_offset, + double *conductance_scale + ) { + //safety check arguments + if (weights == NULL || resistances == NULL || num_neurons == 0 || + num_outputs == 0 || resistance_on <= 0 || resistance_off <= resistance_on) { + return -1; + } + + const size_t count = num_neurons * num_outputs; + + const double conductance_max = 1.0 / resistance_on; + const double conductance_min = 1.0 / resistance_off; + + double max_absolute_weight = 0.0; + + for (size_t i = 0; i < count; i++) { + double magnitude = fabs(weights[i]); + + if (magnitude > max_absolute_weight) { + max_absolute_weight = magnitude; + } + } + + const double offset = + 0.5 * (conductance_max + conductance_min); + + if (max_absolute_weight == 0.0) { + for (size_t i = 0; i < count; i++) { + resistances[i] = 1.0 / offset; + } + + if (conductance_offset != NULL) { + *conductance_offset = offset; + } + + if (conductance_scale != NULL) { + *conductance_scale = 0.0; + } + + return 0; + } + + const double scale = + (conductance_max - conductance_min) / + (2.0 * max_absolute_weight); + + for (size_t i = 0; i < count; i++) { + double conductance = + offset + scale * weights[i]; + + /* + * Protect against small floating-point excursions. + */ + if (conductance < conductance_min) { + conductance = conductance_min; + } else if (conductance > conductance_max) { + conductance = conductance_max; + } + + resistances[i] = 1.0 / conductance; + } + + if (conductance_offset != NULL) { + *conductance_offset = offset; + } + + if (conductance_scale != NULL) { + *conductance_scale = scale; + } + + return 0; +} + +int train_reservoir( + spires_reservoir *reservoir, + double *input_series, + double *target_series, + size_t series_length, + double lambda +) { + spires_status status = spires_train_ridge( + reservoir, + (double *)input_series, + (double *)target_series, + series_length, + lambda + ); + + if (status != SPIRES_OK) { + fprintf(stderr, "Spires ridge training failed"); + return -1; + } + //need to figure out how to scale weights to conductance values, + + //that are then the reciprocal of the resistances + + //Also need to find some conversion for output column current, and target_series + return 0; + +} + void free_reservoir_state_matrix(Reservoir_State_Matrix *matrix) { if (!matrix) { return; diff --git a/src/spires_interface.h b/src/spires_interface.h index 0a8aa8c..ebf4b76 100644 --- a/src/spires_interface.h +++ b/src/spires_interface.h @@ -5,18 +5,37 @@ #include typedef struct { - size_t num_samples; + size_t num_samples; //number of time steps size_t num_features; double *states; } Reservoir_State_Matrix; int collect_reservoir_states( - const spires_reservoir *reservoir, + spires_reservoir *reservoir, const double *input_series, size_t series_length, Reservoir_State_Matrix *result ); +int map_signed_weights_to_resistance( + const double *weights, + size_t num_neurons, + size_t num_outputs, + double resistance_on, + double resistance_off, + double *resistances, + double *conductance_offset, + double *conductance_scale +); + +int train_reservoir( + spires_reservoir *reservoir, + double *input_series, + double *taret_series, + size_t series_length, + double lambda +); + void free_reservoir_state_matrix( Reservoir_State_Matrix *matrix ); diff --git a/src/spires_interface.o b/src/spires_interface.o index 26e83ff..2cb9b26 100644 Binary files a/src/spires_interface.o and b/src/spires_interface.o differ -- cgit v1.2.3