Tecnologia Científica

Um sistema universal para decodificar qualquer tipo de dados enviados através de uma rede
O novo chip elimina a necessidade de hardware de decodificação específico, pode aumentar a eficiência dos sistemas de jogos, redes 5G, a Internet das coisas e muito mais.
Por Adam Zewe - 12/09/2021


Um novo chip de silício pode decodificar qualquer código de correção de erros por meio do uso de um novo algoritmo conhecido como Decodificação de Ruído Aditivo Aleatório de Adivinhação (GRAND). Créditos: Imagem: Jose-Luis Olivares, MIT, com chip cortesia dos pesquisadores

Cada pedaço de dados que viaja pela Internet - de parágrafos em um e-mail a gráficos 3D em um ambiente de realidade virtual - pode ser alterado pelo ruído que encontra ao longo do caminho, como interferência eletromagnética 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 ruído e recuperar os dados originais.

Desde a década de 1950, a maioria dos códigos de correção de erros e algoritmos de decodificação foram projetados juntos. Cada código tinha uma estrutura que correspondia a um algoritmo de decodificação específico 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 silício capaz de decodificar qualquer código, 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 múltiplos 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 mínimo de atraso.

A pesquisa no MIT é liderada por Muriel Médard, o Cecil H. e Ida Green Professor no Departamento de Engenharia Elétrica 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 elétrica 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 será apresentada no European Solid-States Device Research and Circuits Conference, na próxima semana.

Foco no ruído

Uma maneira de pensar nesses códigos é como hashes redundantes (neste caso, uma série de 1s e 0s) adicionados ao final dos dados originais. As regras para a criação desse hash são armazenadas em um livro de código específico.

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

Em vez disso, GRAND trabalha adivinhando o ruído que afetou a mensagem e usa o padrão de ruído para deduzir a informação original. GRAND gera uma série de sequências de ruído na ordem em que é provável que ocorram, subtrai-as dos dados recebidos e verifica se a palavra-código resultante está em um livro de código.

Embora o ruído pareça de natureza aleatória, ele tem uma estrutura probabilística que permite ao algoritmo adivinhar o que pode ser.

“De certa forma, é semelhante à solução de problemas. Se alguém traz o carro para a oficina, o mecânico não começa mapeando o carro inteiro de acordo com as plantas. Em vez disso, eles começam perguntando: 'Qual é a coisa mais provável de dar errado?' Talvez só precise de gás. Se isso não funcionar, o que vem a seguir? Será que a bateria acabou? ” Médard diz.

Hardware novo

O chip GRAND usa uma estrutura de três camadas, começando com as soluções mais simples possíveis no primeiro estágio e indo até padrões de ruído mais longos e complexos nos dois estágios subsequentes. Cada estágio 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 código. Ele contém dois chips de memória de acesso aleatório estático, um que pode quebrar palavras de código, enquanto o outro carrega um novo livro de código 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 código de redundância moderada de até 128 bits de comprimento, com apenas cerca de um microssegundo de latência.

Médard 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 Médard.

“Não podíamos 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 próximo chip, haverá coisas com esse primeiro chip que perceberemos que fizemos por hábito ou suposição de que podemos fazer melhor ”, diz ela.

Um chip para o futuro

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

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

O chip GRAND pode até abrir 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 é matematicamente desagradável, então as pessoas apenas usam códigos que já existem. Espero que isso reformule a discussão para que não seja tão orientada a padrões, permitindo que as pessoas usem códigos já existentes e criem novos códigos ”, diz ela.

Seguindo em frente, Médard 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 códigos mais longos e complexos e ajustar a estrutura do chip de silício para melhorar sua eficiência energética.

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

 

.
.

Leia mais a seguir