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En la fase de diseño de la arquitectura, también denominada diseño de la topología, se determina el número de neuronas que tendrá la red, así como su disposición en capas y la conectividad entre las mismas. A partir de un análisis de los datos del problema, se determinan cuántas entradas y salidas tiene la red, así como el número de neuronas y cómo estas están distribuidas en capas e interconectadas entre sí. Esta etapa es crítica, puesto que la topología de la red determina la capacidad de representatividad de la misma, y, por lo tanto, la cantidad de conocimiento que puede albergar. La topología de la red debe adecuarse al problema a resolver, y la no existencia de técnicas que realicen esta función hace que haya que recurrir a la experiencia y a la técnica de ensayo y error, probando varias topologías distintas, para finalmente conseguir una que se adapte de forma satisfactoria al problema.
Esta etapa también alberga el determinar las funciones de activación y transferencia que se usarán (habitualmente, las mismas para todas las neuronas).