EdgeSpike: Spiking Neural Networks for Low-Power Autonomous Sensing in Edge IoT Architectures

arXiv cs.LG / 5/1/2026

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Key Points

  • EdgeSpikeは、エッジIoT向けの低消費電力な自律センシングを目的とした共同設計のスパイキングニューラルネットワーク(SNN)フレームワークで、学習〜推論までを一体化しています。
  • ハイブリッドなサロゲート勾配とダイレクト・エンコーディング、さらに推論エネルギー/メモリ制約に基づくハードウェア認識NASにより、Loihi 2やSpiNNaker 2、ARM Cortex-M向けに最適化されます。
  • 5種類のセンシング課題で平均分類精度91.4%を達成し、強力なINT8 CNN基準(平均92.6%)に対して1.2pp以内に収めつつ、推論あたりのエネルギーをSNN向けに平均31x、Cortex-Mで平均6.1x削減します。
  • レイテンシは全15のタスク×ハード構成で9.4ms以下に維持され、フィールドでの7か月・64ノードの無線実証により電池寿命の推定を約6.3倍(312日→1978日)に延長できたと報告されています。
  • さらに、季節ドリフト下で精度劣化を抑えるオンデバイス適応(適応あり0.7pp vs なし2.1pp)を示し、オープンソース化(再現可能な学習、移植可能なランタイム、ベンチマーク)を予定しています。

Abstract

We propose EdgeSpike, a co-designed spiking neural network (SNN) framework for autonomous low-power sensing in edge Internet of Things (IoT) architectures. EdgeSpike unifies (i) a hybrid surrogate-gradient and direct-encoding training pipeline, (ii) a hardware-aware neural architecture search (NAS) bounded by per-inference energy and memory budgets, (iii) an event-driven runtime targeting Intel Loihi 2, SpiNNaker 2, and commodity ARM Cortex-M microcontrollers with custom spike-sparse SIMD kernels, and (iv) a lightweight local plasticity rule enabling continual on-device adaptation without backpropagation. The framework is evaluated across five sensing tasks (keyword spotting, vibration-based machine fault detection, surface electromyography gesture recognition, 77 GHz radar human-activity classification, and structural-health acoustic-emission monitoring) on three hardware targets. EdgeSpike achieves a mean classification accuracy of 91.4%, within 1.2 percentage points (pp) of strong INT8 convolutional neural network (CNN) baselines (mean 92.6%), while reducing energy per inference by 18x to 47x on neuromorphic hardware (mean 31x) and by 4.6x to 7.9x on Cortex-M (mean 6.1x). End-to-end latency remains at or below 9.4 ms across all 15 task-hardware configurations. A seven-month, 64-node wireless field deployment confirms a 6.3x extension in projected battery lifetime (from 312 to 1978 days at 2 Wh per node) and bounded accuracy degradation under seasonal drift (0.7 pp with on-device adaptation versus 2.1 pp without). Hardware-aware NAS evaluates 8400 candidates and yields a 12-point Pareto front. EdgeSpike will be released as open source with reproducible training pipelines, hardware-portable runtimes, and benchmark suites.