addernet 1.2.5

Neural networks with zero multiplications at inference. AdderNet + HDC for embedded systems.

AdderNet

Biblioteca de machine learning que não usa multiplicação de ponto flutuante na inferência. Zero.

Benchmarks medidos em CPU x86-64 com backend AVX2 e GPUs NVIDIA via CUDA, Python 3.x, v1.2.5.

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O que é?

AdderNet substitui multiplicações por lookups em tabela (LUT) e operações de soma inteiras, tornando a inferência viável em microcontroladores sem FPU (ESP32, STM32, RPi).

A biblioteca expõe quatro componentes principais:

Classe	Descrição
AdderNetLayer	Rede de uma variável — LUT + soma, zero multiplicação
AdderNetHDC	Classificador multivariável — Hyperdimensional Computing (HDC)
AdderCluster	Ensemble de AdderNetLayer com estratégias de combinação
AdderBoost	Gradient Boosting com AdderNetLayer — inferência sem multiplicação

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Novidades v1.2.5 🚀

• HV_DIM Dinâmico: A dimensionalidade hiperdimensional (hv_dim) agora é configurável em tempo de execução (512, 1024, 2048, 4096, etc), sem precisar recompilar a biblioteca C!
• Aceleração CUDA NATIVA no Treinamento: O loop iterativo de retreino (AdaptHD) foi reescrito em CUDA para ser executado massivamente em paralelo usando atomicAdd e otimizações de bitwise. Basta usar use_gpu_training=True.
• Aceleração CUDA na Inferência: O processo de predict_batch agora tem suporte a GPU via kernels CUDA dedicados. Basta instanciar o modelo com use_gpu=True.
• Compatibilidade e Fallback: O pacote compila nativamente o C++ e CUDA no momento do pip install. Se a máquina alvo (como um Raspberry Pi) não tiver placa de vídeo NVIDIA, a biblioteca roda perfeitamente fazendo fallback silencioso para CPU com AVX2, NEON ou SCALAR.
• Correção de bugs de Ctypes FFI e memory alignment (agora todos os aligned_alloc usam arrays flats dinâmicos, preservando compatibilidade absoluta entre os tensores C contíguos e o numpy).

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Instalação

pip install addernet

Ou do código-fonte (para compilar com otimizações nativas e CUDA opcional):

git clone https://github.com/PedroHenriqueBatistaSilva/AdderNet.git
cd AdderNet
make all         # Compila binários da CPU
make cuda_native # Opcional: Compila o backend de GPU (requer nvcc)
pip install -e .

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Uso — AdderNetLayer (uma variável)

from addernet import AdderNetLayer

rede = AdderNetLayer(size=256, bias=50, input_min=-50, input_max=200, lr=0.1)

celsius    = [0, 10, 20, 25, 30, 37, 50, 80, 100]
fahrenheit = [32, 50, 68, 77, 86, 98.6, 122, 176, 212]

rede.train(celsius, fahrenheit)

print(rede.predict(37))    # 98.60
print(rede.predict(100))   # 212.00

Previsão em lote (numpy)

import numpy as np

entradas = np.linspace(-50, 200, 1_000_000, dtype=np.float64)
saidas = rede.predict_batch(entradas)   # ~178M pred/s com AVX2

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Uso — AdderNetHDC (Aceleração GPU e HDC Dinâmico)

from addernet import AdderNetHDC
import numpy as np
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler

iris = load_iris()
X = MinMaxScaler(feature_range=(0, 150)).fit_transform(iris.data)
y = iris.target

# HV_DIM dinâmico configurável (ex: 2048, 4096)
model = AdderNetHDC(
    n_vars=4, 
    n_classes=3, 
    table_size=256, 
    hv_dim=4096,              # <- Dimensionalidade configurável no runtime!
    use_gpu=True,             # <- Ativa inferência batch em CUDA
    use_gpu_training=True     # <- Ativa treinamento iterativo em CUDA
)

# Arrays numpy precisam ser "C Contiguous" 
X_c = np.ascontiguousarray(X, dtype=np.float64)
y_c = np.ascontiguousarray(y, dtype=np.int32)

# Treino single-pass (OnlineHD)
model.train(X_c, y_c)

# Retreino iterativo (AdaptHD) — massivamente paralelo na GPU
model.train(X_c, y_c, n_iter=20, lr=1.0)

# Inferência massiva e ultrarrápida via GPU
preds = model.predict_batch(X_c)

print(f"Acurácia: {model.accuracy(X_c, y_c)*100:.1f}%")

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Uso — AdderCluster (ensemble multi-nó)

from addernet import AdderCluster
import numpy as np

cluster = AdderCluster(
    n_nodes=4,
    strategy='feature',    # 'random' | 'range' | 'feature' | 'boosting'
    combination='vote',    # 'vote' | 'mean' | 'stack'
    input_min=0,
    input_max=150,
)

cluster.fit(X, y)
preds = cluster.predict_batch(X)

cluster.info()

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Otimizações disponíveis

from addernet import hdc_detect_backend

print(hdc_detect_backend())   # 'AVX2', 'NEON', ou 'SCALAR'

model.set_threads(4)      # multithreading CPU (AdderNetHDC)
model.warm_cache()        # pré-computar hipervectors
model.set_cache(False)    # desligar cache (hardware com pouca RAM)

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Limitações

• AdderNetLayer: apenas uma variável de entrada por camada
• AdderNetHDC: acurácia inferior a MLPs profundas em datasets complexos (troca por zero multiplicação)
• hv_dim muito pequeno (< 1000) pode colapsar a acurácia, use a Dimensionalidade Dinâmica para testar!

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Licença

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