麻省理工學(xué)院:一種用于解碼數(shù)據(jù)傳輸?shù)男滦酒故玖似萍o(jì)錄的能效
該芯片可以破譯任何編碼信號，可以使成本更低的設(shè)備性能更好，同時(shí)需要更少的硬件。
想象一下使用在線銀行應(yīng)用程序?qū)㈠X存入您的帳戶。就像通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送的所有信息一樣，這些通信可能會(huì)被噪聲破壞，從而在數(shù)據(jù)中插入錯(cuò)誤。
為了克服這個(gè)問題，發(fā)送方在傳輸數(shù)據(jù)之前對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，然后接收方使用解碼算法來糾正錯(cuò)誤并恢復(fù)原始消息。在某些情況下，接收到的數(shù)據(jù)帶有可靠性信息，可幫助解碼器確定傳輸?shù)哪男┎糠挚赡艽嬖阱e(cuò)誤。
麻省理工學(xué)院和其他地方的研究人員開發(fā)了一種解碼器芯片，該芯片采用新的統(tǒng)計(jì)模型，以比傳統(tǒng)技術(shù)更簡單、更快的方式使用這種可靠性信息。
他們的芯片使用團(tuán)隊(duì)之前開發(fā)的通用解碼算法，可以解開任何糾錯(cuò)碼。通常，解碼硬件只能處理一種特定類型的代碼。這種新型通用解碼器芯片打破了節(jié)能解碼的記錄，性能比其他硬件高 10 到 100 倍。
這一進(jìn)步可以使移動(dòng)設(shè)備擁有更少的芯片，因?yàn)樗鼈儾辉傩枰糜诙鄠€(gè)代碼的單獨(dú)硬件。這將減少制造所需的材料數(shù)量，降低成本并提高可持續(xù)性。通過降低解碼過程的能耗，該芯片還可以提高設(shè)備性能并延長電池壽命。它對于增強(qiáng)和虛擬現(xiàn)實(shí)以及 5G 網(wǎng)絡(luò)等要求苛刻的應(yīng)用特別有用。
“這是次有人突破了 1 皮焦耳/比特的解碼障礙。這與您在系統(tǒng)內(nèi)部傳輸一點(diǎn)所需的能量大致相同。這是一個(gè)很大的象征性門檻，但它也改變了接收器的平衡，從能量的角度來看，這可能是緊迫的部分——我們可以將其從解碼器轉(zhuǎn)移到其他元素，”Muriel Médard 說，科學(xué) NEC 軟件科學(xué)與工程教授，電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授，以及介紹新芯片的論文的合著者。
Médard 的合著者包括主要作者 Arslan Riaz，他是波士頓大學(xué) (BU) 的研究生；BU 電氣與計(jì)算機(jī)工程助理教授 Rabia Tugce Yazicigil；以及時(shí)任梅努斯大學(xué)漢密爾頓研究所所長、現(xiàn)任東北大學(xué)教授的 Ken R. Duffy，以及來自麻省理工學(xué)院、波士頓大學(xué)和梅努斯大學(xué)的其他人。這項(xiàng)工作正在國際固態(tài)電路會(huì)議上展示。
更智能的排序
數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以位（0 和 1）的形式在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。發(fā)送方通過添加糾錯(cuò)碼對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，糾錯(cuò)碼是由 0 和 1 組成的冗余字符串，可以看作是哈希。有關(guān)此哈希的信息保存在特定的代碼簿中。接收器處的解碼算法專為該特定代碼而設(shè)計(jì)，使用其代碼簿和哈希結(jié)構(gòu)來檢索可能已被噪聲打亂的原始信息。由于每種算法都是特定于代碼的，并且大多數(shù)都需要專用硬件，因此設(shè)備將需要許多芯片來解碼不同的代碼。
研究人員此前展示了 GRAND（猜測隨機(jī)加性噪聲解碼），這是一種可以破解任何代碼的通用解碼算法。GRAND 的工作原理是猜測影響傳輸?shù)脑肼?，從接收到的?shù)據(jù)中減去該噪聲模式，然后檢查密碼本中剩余的內(nèi)容。它按照可能出現(xiàn)的順序猜測一系列噪聲模式。
接收到的數(shù)據(jù)通常帶有可靠性信息，也稱為軟信息，可幫助解碼器找出哪些部分是錯(cuò)誤的。稱為 ORBGRAND（Ordered Reliability Bits GRAND）的新解碼芯片使用此可靠性信息根據(jù)每個(gè)位出錯(cuò)的可能性對數(shù)據(jù)進(jìn)行排序。
但這并不像訂購單個(gè)位那么簡單。雖然不可靠的位可能是可能的錯(cuò)誤，但第三和第四不可靠的位加在一起可能與第七不可靠的位一樣可能是錯(cuò)誤。ORBGRAND 使用了一種新的統(tǒng)計(jì)模型，可以以這種方式對位進(jìn)行排序，考慮到多個(gè)位在一起和一些單個(gè)位一樣可能是錯(cuò)誤的。
“如果您的汽車不工作，軟信息可能會(huì)告訴您可能是電池問題。但是，如果不是單獨(dú)的電池問題，則可能是電池和交流發(fā)電機(jī)共同導(dǎo)致了問題。這就是一個(gè)理性的人解決問題的方式——你會(huì)說這實(shí)際上可能是這兩件事，然后再從列表中找出不太可能的事情，”Médard 說。
這是一種比傳統(tǒng)解碼器更有效的方法，傳統(tǒng)解碼器會(huì)查看代碼結(jié)構(gòu)并具有通常針對壞情況設(shè)計(jì)的性能。
“使用傳統(tǒng)的解碼器，你會(huì)拿出汽車的藍(lán)圖并檢查每一件。你會(huì)發(fā)現(xiàn)問題所在，但這會(huì)花費(fèi)你很長時(shí)間，而且你會(huì)感到非常沮喪，”Médard 解釋道。
一旦找到代碼字，ORBGRAND 就會(huì)停止排序，這通常很快。該芯片還采用并行化，同時(shí)生成和測試多個(gè)噪聲模式，因此可以更快地找到代碼字。因?yàn)榻獯a器一旦找到代碼字就停止工作，即使它同時(shí)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程，它的能量消耗仍然很低。
創(chuàng)紀(jì)錄的效率
當(dāng)他們將自己的方法與其他芯片進(jìn)行比較時(shí)，ORBGRAND 以的精度解碼，同時(shí)每位僅消耗 0.76 皮焦耳的能量，打破了之前的性能記錄。ORBGRAND 的能耗比其他設(shè)備低 10 到 100 倍。
Médard 說，開發(fā)新芯片的挑戰(zhàn)之一就是降低能耗。使用 ORBGRAND，生成噪聲序列現(xiàn)在非常節(jié)能，以至于研究人員以前沒有關(guān)注的其他過程（例如檢查密碼本中的密碼字）消耗了大部分精力。
“現(xiàn)在，這個(gè)檢查過程就像打開汽車看它是否工作一樣，是難的部分。因此，我們需要找到更有效的方法來做到這一點(diǎn)，”她說。
該團(tuán)隊(duì)還在探索改變傳輸調(diào)制的方法，以便他們可以利用 ORBGRAND 芯片提高的效率。他們還計(jì)劃了解如何利用他們的技術(shù)更有效地管理重疊的多個(gè)傳輸。
該研究部分由美國國防研究計(jì)劃局 (DARPA) 和愛爾蘭科學(xué)基金會(huì)資助。
