Il chip, in grado di decifrare qualsiasi segnale codificato, potrebbe abilitare dispositivi a basso costo che funzionano meglio pur richiedendo meno hardware
Immagina di utilizzare un'app di online banking per depositare denaro sul tuo conto. Come tutte le informazioni inviate su Internet, quelle comunicazioni potrebbero essere corrotte da 'rumore' che inserisce errori nei dati. Per superare questo problema, i mittenti codificano i dati prima che vengano trasmessi, quindi un destinatario utilizza un algoritmo di decodifica per correggere gli errori e recuperare il messaggio originale. In alcuni casi, i dati vengono ricevuti con informazioni sull'affidabilità che aiutano il decodificatore a capire quali parti di una trasmissione sono probabili errori.
I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT), con la collaborazione di altri appartenenti ad altre istituzioni scientifiche, e altrove hanno sviluppato un chip di decodifica che utilizza un nuovo modello statistico per utilizzare queste informazioni sull'affidabilità in un modo molto più semplice e veloce rispetto alle tecniche convenzionali.
Il loro chip utilizza un algoritmo di decodifica universale (1) sviluppato in precedenza dal team, che può svelare qualsiasi codice di correzione degli errori. In genere, l'hardware di decodifica può elaborare solo un particolare tipo di codice. Questo nuovo chip di decodifica universale ha battuto il record per la decodifica ad alta efficienza energetica, con prestazioni da 10 a 100 volte migliori rispetto ad altri hardware.
Questo progresso potrebbe abilitare i dispositivi mobili con meno chip, poiché non avrebbero più bisogno di hardware separato per più codici. Ciò ridurrebbe la quantità di materiale necessario per la fabbricazione, tagliando i costi e migliorando la sostenibilità. Rendendo il processo di decodifica meno energivoro, il chip potrebbe anche migliorare le prestazioni del dispositivo e allungare la durata della batteria. Potrebbe essere particolarmente utile per applicazioni impegnative come la realtà aumentata e virtuale e le reti 5G.
«Questa è la prima volta che qualcuno supera la barriera di 1 picojoule-per-bit per la decodifica. Questa è all'incirca la stessa quantità di energia di cui hai bisogno per trasmettere un po' all'interno del sistema. Era stata una grande soglia simbolica, ma cambia anche l'equilibrio nel destinatario di quella che potrebbe essere la parte più urgente dal punto di vista energetico: possiamo spostarla dal decodificatore ad altri elementi», afferma il dottor Muriel Médard (2), della School of Science NEC, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica e coautore di un documento che presenta il nuovo chip.
Smistamento più intelligente
I dati digitali vengono trasmessi su una rete sotto forma di bit (0 e 1). Un mittente codifica i dati aggiungendo un codice di correzione degli errori, che è una stringa ridondante di 0 e 1 che può essere visualizzata come hash. Le informazioni su questo hash sono contenute in un libro di codice specifico. Un algoritmo di decodifica al ricevitore, progettato per questo particolare codice, utilizza il suo code book e la struttura hash per recuperare le informazioni originali, che potrebbero essere state confuse dal 'rumore'. Poiché ogni algoritmo è specifico del codice e la maggior parte richiede hardware dedicato, un dispositivo avrebbe bisogno di molti chip per decodificare codici diversi.
I ricercatori hanno precedentemente dimostrato GRAND (Guessing Random Additive Noise Decoding), un algoritmo di decodifica universale in grado di decifrare qualsiasi codice. GRAND funziona indovinando il rumore che ha influenzato la trasmissione, sottraendo quel modello di rumore dai dati ricevuti e quindi controllando ciò che rimane in un libro di codici. Indovina una serie di modelli di 'rumore' nell'ordine in cui è probabile che si verifichino.
I dati vengono spesso ricevuti con informazioni sull'affidabilità, chiamate anche informazioni soft, che aiutano un decodificatore a capire quali pezzi sono errori. Il nuovo chip di decodifica, chiamato ORBGRAND (Ordered Reliability Bits GRAND), utilizza queste informazioni sull'affidabilità per ordinare i dati in base alla probabilità che ogni bit sia un errore.
Ma non è così semplice come ordinare singoli bit. Mentre il bit più inaffidabile potrebbe essere l'errore più probabile, forse il terzo e il quarto bit più inaffidabili insieme hanno la stessa probabilità di essere un errore quanto il settimo bit più inaffidabile. ORBGRAND utilizza un nuovo modello statistico che può ordinare i bit in questo modo, considerando che più bit insieme hanno la stessa probabilità di essere un errore quanto alcuni singoli bit.
«Se la tua auto non funziona, informazioni soft potrebbero dirti che probabilmente è la batteria. Ma se non è solo la batteria, forse sono la batteria e l'alternatore insieme a causare il problema. Questo è il modo in cui una persona razionale risolverà i problemi: diresti che potrebbero effettivamente essere queste due cose insieme prima di scendere nell'elenco a qualcosa che è molto meno probabile», afferma Médard.
Questo è un approccio molto più efficiente rispetto ai decodificatori tradizionali, che guarderebbero invece alla struttura del codice e avrebbero prestazioni generalmente progettate per il caso peggiore.
«Con un decoder tradizionale, estrai il progetto dell'auto ed esamini ogni singolo pezzo. Troverai il problema, ma ci vorrà molto tempo e ti sentirai molto frustrato», spiega Médard.
ORBGRAND interrompe l'ordinamento non appena viene trovata una parola in codice, che spesso si palesa velocemente. Il chip utilizza anche la parallelizzazione, generando e testando più modelli di rumore contemporaneamente in modo da trovare la parola in codice più velocemente. Poiché il decodificatore smette di funzionare una volta trovata la parola in codice, il suo consumo energetico rimane basso anche se esegue più processi contemporaneamente.
Efficienza da record
Quando hanno confrontato il loro approccio con altri chip, ORBGRAND ha decodificato con la massima precisione consumando solo 0,76 picojoule di energia per bit, battendo il precedente record di prestazioni. ORBGRAND consuma tra 10 e 100 volte meno energia rispetto ad altri dispositivi.
Una delle maggiori sfide nello sviluppo del nuovo chip è venuta da questo ridotto consumo energetico, afferma Médard. Con ORBGRAND, la generazione di sequenze di rumore è ora così efficiente dal punto di vista energetico che altri processi su cui i ricercatori non si erano concentrati prima, come il controllo della parola in codice in un libro di codici, consumano la maggior parte dello sforzo.
I coautori di Médard includono l'autore principale Arslan Riaz, uno studente laureato alla Boston University (BU); Rabia Tugce Yazicigil, assistente professore di ingegneria elettrica e informatica alla BU; e Ken R. Duffy, allora direttore dell'Hamilton Institute alla Maynooth University e ora professore alla Northeastern University, così come altri del MIT, della BU e della Maynooth University. Il lavoro è stato presentato all'International Solid-States Circuits Conference.
Riferimenti:
(1) A universal system for decoding any type of data sent across a network
(2) Muriel Médard
Descrizione foto: Questo nuovo chip di decodifica utilizza un algoritmo di decodifica universale precedentemente sviluppato dai ricercatori del MIT, che può svelare qualsiasi codice di correzione degli errori. Ha battuto il record per la decodifica ad alta efficienza energetica, con prestazioni da 10 a 100 volte migliori rispetto ad altri hardware. - Credit: Christine Daniloff, MIT.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: A new chip for decoding data transmissions demonstrates record-breaking energy efficiency