Cada pedaço de dados que viaja pela Internet - de para¡grafos em um e-mail a gra¡ficos 3D em um ambiente de realidade virtual - pode ser alterado pelo rua­do que encontra ao longo do caminho, como interferaªncia eletromagnanãtica de um micro-ondas ou dispositivo Bluetooth. Os dados são codificados de forma que, ao chegarem ao destino, um algoritmo de decodificação possa desfazer os efeitos negativos daquele rua­do e recuperar os dados originais.

Desde a década de 1950, a maioria dos ca³digos de correção de erros e algoritmos de decodificação foram projetados juntos. Cada ca³digo tinha uma estrutura que correspondia a um algoritmo de decodificação especa­fico e altamente complexo, que frequentemente exigia o uso de hardware dedicado.

Pesquisadores do MIT, da Boston University e da Maynooth University na Irlanda criaram agora o primeiro chip de sila­cio capaz de decodificar qualquer ca³digo, independentemente de sua estrutura, com a máxima precisão, usando um algoritmo de decodificação universal chamado Guessing Random Additive Noise Decoding (GRAND) . Ao eliminar a necessidade de maºltiplos decodificadores computacionalmente complexos, GRAND permite maior eficiência que poderia ter aplicativos em realidade aumentada e virtual, jogos, redes 5G e dispositivos conectados que dependem do processamento de um grande volume de dados com o ma­nimo de atraso.

A pesquisa no MIT éliderada por Muriel Manãdard, o Cecil H. e Ida Green Professor no Departamento de Engenharia Elanãtrica e Ciência da Computação, e foi co-autoria por Amit Solomon e Wei Ann, ambos estudantes de graduação no MIT; Rabia Tugce Yazicigil, professora assistente de engenharia elanãtrica e de computação na Universidade de Boston; Arslan Riaz e Vaibhav Bansal, ambos estudantes de graduação na Boston University; Ken R. Duffy, diretor do Hamilton Institute da National University of Ireland em Maynooth; e Kevin Galligan, um estudante de graduação da Maynooth. A pesquisa seráapresentada no European Solid-States Device Research and Circuits Conference, na próxima semana.

Uma maneira de pensar nesses ca³digos écomo hashes redundantes (neste caso, uma sanãrie de 1s e 0s) adicionados ao final dos dados originais. As regras para a criação desse hash são armazenadas em um livro de ca³digo especa­fico.

Conforme os dados codificados viajam por uma rede, eles são afetados por rua­do ou energia que interrompe o sinal, que geralmente égerado por outros dispositivos eletra´nicos. Quando os dados codificados e o rua­do que os afetou chegam ao destino, o algoritmo de decodificação consulta seu livro de ca³digos e usa a estrutura do hash para adivinhar quais são as informações armazenadas.

Em vez disso, GRAND trabalha adivinhando o rua­do que afetou a mensagem e usa o padrãode rua­do para deduzir a informação original. GRAND gera uma sanãrie de sequaªncias de rua­do na ordem em que éprova¡vel que ocorram, subtrai-as dos dados recebidos e verifica se a palavra-ca³digo resultante estãoem um livro de ca³digo.

Embora o rua­do parea§a de natureza aleata³ria, ele tem uma estrutura probabila­stica que permite ao algoritmo adivinhar o que pode ser.

“De certa forma, ésemelhante a  solução de problemas. Se alguém traz o carro para a oficina, o meca¢nico não comea§a mapeando o carro inteiro de acordo com as plantas. Em vez disso, eles comea§am perguntando: 'Qual éa coisa mais prova¡vel de dar errado?' Talvez são precise de gás. Se isso não funcionar, o que vem a seguir? Sera¡ que a bateria acabou? ” Manãdard diz.

O chip GRAND usa uma estrutura de três camadas, comea§ando com as soluções mais simples possa­veis no primeiro esta¡gio e indo atépadraµes de rua­do mais longos e complexos nos dois esta¡gios subsequentes. Cada esta¡gio opera de forma independente, o que aumenta o rendimento do sistema e economiza energia.

O dispositivo também foi projetado para alternar perfeitamente entre dois livros de ca³digo. Ele contanãm dois chips de memória de acesso aleata³rio esta¡tico, um que pode quebrar palavras de ca³digo, enquanto o outro carrega um novo livro de ca³digo e, em seguida, muda para a decodificação sem qualquer tempo de inatividade.

Os pesquisadores testaram o chip GRAND e descobriram que ele poderia decodificar com eficácia qualquer ca³digo de redunda¢ncia moderada de até128 bits de comprimento, com apenas cerca de um microssegundo de lataªncia.

Manãdard e seus colaboradores já haviam demonstrado o sucesso do algoritmo, mas este novo trabalho mostra a eficácia e eficiência do GRAND em hardware pela primeira vez.

O desenvolvimento de hardware para o novo algoritmo de decodificação exigiu que os pesquisadores primeiro jogassem de lado suas noções preconcebidas, diz Manãdard.

“Nãopoda­amos sair e reaproveitar coisas que já haviam sido feitas. Era como um quadro branco completo. Tivemos que realmente pensar em cada componente a partir do zero. Foi uma jornada de reconsideração. E eu acho que quando fizermos nosso pra³ximo chip, havera¡ coisas com esse primeiro chip que perceberemos que fizemos por ha¡bito ou suposição de que podemos fazer melhor ”, diz ela.

Visto que GRAND são usa livros de ca³digo para verificação, o chip não são funciona com ca³digos legados, mas também pode ser usado com ca³digos que ainda não foram introduzidos.

Antes da implementação do 5G, os reguladores e as empresas de comunicação lutaram para encontrar um consenso sobre quais ca³digos deveriam ser usados ​​na nova rede. Em última análise, os reguladores optaram por usar dois tipos de ca³digos tradicionais para infraestrutura 5G em diferentes situações. Usar o GRAND pode eliminar a necessidade dessa padronização ra­gida no futuro, diz Manãdard.

O chip GRAND pode atéabrir o campo da codificação para uma onda de inovação.

“Por motivos que não tenho certeza, as pessoas abordam a codificação com admiração, como se fosse magia negra. O processo ématematicamente desagrada¡vel, então as pessoas apenas usam ca³digos que já existem. Espero que isso reformule a discussão para que não seja tão orientada a padraµes, permitindo que as pessoas usem ca³digos já existentes e criem novos ca³digos ”, diz ela.

Seguindo em frente, Manãdard e seus colaboradores planejam resolver o problema de detecção de software com uma versão reformulada do chip GRAND. Na detecção suave, os dados recebidos são menos precisos.

Eles também planejam testar a capacidade do GRAND de quebrar ca³digos mais longos e complexos e ajustar a estrutura do chip de sila­cio para melhorar sua eficiência energanãtica.

A pesquisa foi financiada pelo Battelle Memorial Institute e pela Science Foundation of Ireland.