TEFormer: Structured Bidirectional Temporal Enhancement Modeling in Spiking Transformers

TL;DR

TEFormer通过双向时间融合提升脉冲Transformer的时空建模能力,在多数据集上表现优异。

cs.NE 🔴 高级 2026-01-26 2 次浏览
Sicheng Shen Mingyang Lv Bing Han Dongcheng Zhao Guobin Shen Feifei Zhao Yi Zeng
脉冲神经网络 Transformer 时间建模 双向融合 能效

核心发现

方法论

TEFormer采用轻量级、无超参数的前向时间融合机制,并在MLP中引入后向门控递归结构,实现双向时间信息聚合。通过在注意力模块中进行并行计算,TEFormer有效增强了时空一致性。

关键结果

  • TEFormer在CIFAR10上达到96.24%的准确率,显著超越现有基线模型。
  • 在CIFAR10-DVS数据集上,TEFormer取得81.90%的准确率,领先于其他脉冲Transformer。
  • 在复杂时间数据集上,TEFormer在sCIFAR和sMNIST上表现出色,展示了其长程时间整合能力。

研究意义

TEFormer为脉冲Transformer提供了一种通用的时间建模框架,显著提升了其在多种数据集上的表现。通过双向时间融合机制,TEFormer解决了现有模型在时间依赖建模上的不足,为神经形态智能的广泛应用奠定了基础。

技术贡献

TEFormer通过引入无超参数的时间融合模块和后向门控递归结构,实现了脉冲Transformer的双向时间信息聚合,提升了时空建模能力和计算效率。

新颖性

TEFormer首次在脉冲Transformer中实现了双向时间融合,与现有的单向和启发式方法相比,提供了更为系统化的时间建模机制。

局限性

  • TEFormer在处理极端长序列时可能面临计算效率问题。
  • 对不同编码方案的适应性尚需进一步验证。

未来方向

未来研究可探索TEFormer在更大规模数据集上的性能,并优化其在不同硬件平台上的计算效率。

AI 总览摘要

脉冲神经网络(SNNs)近年来在能效方面取得了显著进展,但现有的脉冲Transformer在时间融合机制上仍存在不足。TEFormer通过引入轻量级的前向时间融合和后向门控递归结构,实现了双向时间信息聚合,显著提升了模型的时空一致性和计算效率。

在多种基准测试中,TEFormer在CIFAR10、CIFAR10-DVS等数据集上均表现出色,准确率显著超越现有基线模型。尤其是在复杂时间数据集上,TEFormer展示了其在长程时间整合上的优势。

TEFormer的双向时间融合机制为脉冲Transformer提供了一种通用的时间建模框架,解决了现有模型在时间依赖建模上的不足,为神经形态智能的广泛应用奠定了基础。然而,TEFormer在处理极端长序列时可能面临计算效率问题,未来研究可探索其在更大规模数据集上的性能。

深度分析

研究背景

脉冲神经网络(SNNs)因其能效优势和硬件兼容性,近年来受到广泛关注。随着神经形态处理器和事件驱动传感技术的发展,SNNs从生物启发模型发展为大规模智能系统的实用范式。然而,现有的SNN架构大多任务特定,缺乏统一的建模范式。

核心问题

现有的脉冲Transformer缺乏有效的时间融合机制,限制了其对时空依赖的充分利用。这一问题的解决对于提升模型的时空建模能力和计算效率至关重要。

核心创新

TEFormer通过引入无超参数的前向时间融合模块和后向门控递归结构,实现了双向时间信息聚合。与现有的单向和启发式方法相比,提供了更为系统化的时间建模机制。

方法详解

  • �� TEFormer采用轻量级的前向时间融合机制,在注意力模块中进行并行计算。
  • �� 在MLP中引入后向门控递归结构,增强时间信息的反向聚合。
  • �� 通过双向时间融合机制,提升了模型的时空一致性和计算效率。

实验设计

实验在STEP平台上进行,使用CIFAR10、CIFAR10-DVS等数据集进行评估。所有模型在相同的实验设置下训练400个epoch,使用相同的模型规模进行比较。

结果分析

TEFormer在CIFAR10上达到96.24%的准确率,显著超越现有基线模型。在CIFAR10-DVS数据集上,TEFormer取得81.90%的准确率,领先于其他脉冲Transformer。

应用场景

TEFormer适用于需要高效时空建模的场景,如事件驱动的视觉识别任务。其双向时间融合机制使其在复杂时间数据集上表现出色。

局限与展望

TEFormer在处理极端长序列时可能面临计算效率问题。此外,对不同编码方案的适应性尚需进一步验证。

通俗解读 非专业人士也能看懂

想象一个工厂,前向时间融合就像流水线上的工人,他们快速而高效地处理每一个零件。后向门控递归结构则像质量检查员,他们确保每个产品在出厂前都经过严格的质量控制。TEFormer通过协调这两部分的工作,实现了高效的生产和质量保证。

简单解释 像给14岁少年讲一样

想象你在玩一个需要快速反应的游戏,TEFormer就像你的超级助手,能同时看前面和后面的敌人,确保你不会被偷袭。它就像一个超级聪明的机器人,能帮你在游戏中取得高分!

术语表

Spiking Neural Networks (脉冲神经网络)

一种模拟生物神经元通过脉冲传递信息的神经网络,具有能效高、计算效率高的特点。

在本文中用于实现能效高的时空建模。

Transformer

一种用于序列建模的深度学习架构,以其强大的建模能力和扩展性著称。

本文中用于构建脉冲Transformer。

Temporal Fusion (时间融合)

一种整合时间信息的机制,提升模型对时空依赖的建模能力。

在TEFormer中通过前向和后向机制实现。

Attention Mechanism (注意力机制)

一种用于提升模型对重要信息关注能力的机制,广泛应用于自然语言处理和计算机视觉。

在本文中用于实现脉冲Transformer的时空建模。

Neuromorphic Intelligence (神经形态智能)

一种基于生物神经系统的智能计算范式,强调能效和计算效率。

本文中通过脉冲Transformer实现。

开放问题 这项研究留下的未解疑问

  • 1 如何在更大规模数据集上保持TEFormer的计算效率?
  • 2 TEFormer在不同硬件平台上的性能如何优化?
  • 3 如何进一步提升TEFormer对不同编码方案的适应性?

应用场景

近期应用

事件驱动视觉识别

TEFormer可用于实时事件驱动的视觉识别任务,提升识别精度和能效。

远期愿景

神经形态智能系统

TEFormer为构建大规模神经形态智能系统提供了基础,未来可在更多领域实现应用。

原文摘要

In recent years, Spiking Neural Networks (SNNs) have achieved remarkable progress, with Spiking Transformers emerging as a promising architecture for energy-efficient sequence modeling. However, existing Spiking Transformers still lack a principled mechanism for effective temporal fusion, limiting their ability to fully exploit spatiotemporal dependencies. Inspired by feedforward feedback modulation in the human visual pathway, we propose TEFormer, the first Spiking Transformer framework that achieves bidirectional temporal fusion by decoupling temporal modeling across its core components. Specifically, TEFormer employs a lightweight and hyperparameter-free forward temporal fusion mechanism in the attention module, enabling fully parallel computation, while incorporating a backward gated recurrent structure in the MLP to aggregate temporal information in reverse order and reinforce temporal consistency. Extensive experiments across a wide range of benchmarks demonstrate that TEFormer consistently and significantly outperforms strong SNN and Spiking Transformer baselines under diverse datasets. Moreover, through the first systematic evaluation of Spiking Transformers under different neural encoding schemes, we show that the performance gains of TEFormer remain stable across encoding choices, indicating that the improved temporal modeling directly translates into reliable accuracy improvements across varied spiking representations. These results collectively establish TEFormer as an effective and general framework for temporal modeling in Spiking Transformers. Code is available https://github.com/Fancyssc/TEFormer.

cs.NE