Créditos: Imagen: Jose-Luis Olivares, MIT, con chip cortesía de los investigadores

Cada dato que viaja a través de Internet, desde párrafos en un correo electrónico hasta gráficos 3D en un entorno de realidad virtual, puede verse alterado por el ruido que encuentra en el camino, como la interferencia electromagnética de un microondas o un dispositivo Bluetooth. Los datos están codificados para que cuando lleguen a su destino, un algoritmo de decodificación pueda deshacer los efectos negativos de ese ruido y recuperar los datos originales.

Desde la década de 1950, la mayoría de los códigos de corrección de errores y los algoritmos de decodificación se han diseñado juntos. Cada código tenía una estructura que se correspondía con un algoritmo de decodificación particular y altamente complejo, que a menudo requería el uso de hardware dedicado.

Investigadores del MIT, la Universidad de Boston y la Universidad de Maynooth en Irlanda han creado el primer chip de silicio que es capaz de decodificar cualquier código, independientemente de su estructura, con la máxima precisión, utilizando un algoritmo de decodificación universal llamado Adivinando la Decodificación de Ruido Aditivo Aleatorio (GRAND) . Al eliminar la necesidad de múltiples decodificadores computacionalmente complejos, GRAND permite una mayor eficiencia que podría tener aplicaciones en realidad virtual y aumentada, juegos, redes 5G y dispositivos conectados que dependen del procesamiento de un gran volumen de datos con un retraso mínimo.

La investigación en el MIT está dirigida por Muriel Médard, profesora de Cecil H. e Ida Green en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación, y fue coautora de Amit Solomon y Wei Ann, ambos estudiantes graduados del MIT; Rabia Tugce Yazicigil, profesora asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Boston; Arslan Riaz y Vaibhav Bansal, ambos estudiantes graduados de la Universidad de Boston; Ken R. Duffy, director del Instituto Hamilton de la Universidad Nacional de Irlanda en Maynooth; y Kevin Galligan, un estudiante de posgrado de Maynooth. La investigación se presentará en la Conferencia europea de circuitos e investigación de dispositivos de estado sólido la semana que viene.

Centrarse en el ruido

Una forma de pensar en estos códigos es como hashes redundantes (en este caso, una serie de unos y ceros) añadidos al final de los datos originales. Las reglas para la creación de ese hash se almacenan en un libro de códigos específico.

A medida que los datos codificados viajan por una red, se ven afectados por el ruido o la energía que interrumpe la señal, que a menudo es generada por otros dispositivos electrónicos. Cuando esos datos codificados y el ruido que los afectó llegan a su destino, el algoritmo de decodificación consulta su libro de códigos y usa la estructura del hash para adivinar cuál es la información almacenada.

En cambio, GRAND funciona adivinando el ruido que afectó al mensaje y utiliza el patrón de ruido para deducir la información original. GRAND genera una serie de secuencias de ruido en el orden en que es probable que ocurran, las resta de los datos recibidos y comprueba si la palabra de código resultante está en un libro de códigos.

Si bien el ruido parece de naturaleza aleatoria, tiene una estructura probabilística que permite al algoritmo adivinar cuál podría ser.

“En cierto modo, es similar a la resolución de problemas. Si alguien trae su automóvil al taller, el mecánico no comienza mapeando todo el automóvil en planos. En cambio, comienzan preguntando: ¿Qué es lo más probable que salga mal? Quizás solo necesite gasolina. Si eso no funciona, ¿qué sigue? ¿Quizás la batería está muerta? Médard dice.

Hardware novedoso

El chip GRAND utiliza una estructura de tres niveles, comenzando con las soluciones más simples posibles en la primera etapa y trabajando hasta patrones de ruido más largos y complejos en las dos etapas posteriores. Cada etapa funciona de forma independiente, lo que aumenta el rendimiento del sistema y ahorra energía.

El dispositivo también está diseñado para cambiar sin problemas entre dos libros de códigos. Contiene dos chips de memoria estáticos de acceso aleatorio, uno que puede descifrar palabras de código, mientras que el otro carga un nuevo libro de códigos y luego cambia a decodificación sin tiempo de inactividad.

Los investigadores probaron el chip GRAND y descubrieron que podía decodificar eficazmente cualquier código de redundancia moderada de hasta 128 bits de longitud, con solo un microsegundo de latencia.

Médard y sus colaboradores habían demostrado previamente el éxito del algoritmo, pero este nuevo trabajo muestra la efectividad y eficiencia de GRAND en hardware por primera vez.

El desarrollo de hardware para el novedoso algoritmo de decodificación requirió que los investigadores primero dejaran de lado sus nociones preconcebidas, dice Médard.

“No podíamos salir y reutilizar cosas que ya se habían hecho. Esto fue como una pizarra completa. Tuvimos que pensar realmente en cada componente desde cero. Fue un viaje de reconsideración. Y creo que cuando hagamos nuestro próximo chip, habrá cosas con este primer chip que nos daremos cuenta de que lo hicimos por costumbre o por suposición de que podemos hacerlo mejor ”, dice.

Un chip para el futuro

Dado que GRAND solo usa libros de códigos para la verificación, el chip no solo funciona con códigos heredados, sino que también podría usarse con códigos que aún no se han introducido.

En el período previo a la implementación de 5G, los reguladores y las empresas de comunicaciones lucharon por encontrar un consenso sobre qué códigos deberían usarse en la nueva red. Los reguladores finalmente optaron por utilizar dos tipos de códigos tradicionales para la infraestructura 5G en diferentes situaciones. Usar GRAND podría eliminar la necesidad de esa rígida estandarización en el futuro, dice Médard.

El chip GRAND podría incluso abrir el campo de la codificación a una ola de innovación.

“Por razones de las que no estoy muy seguro, la gente se acerca a la codificación con asombro, como si fuera magia negra. El proceso es matemáticamente desagradable, por lo que la gente simplemente usa códigos que ya existen. Espero que esto modifique la discusión para que no esté tan orientada a los estándares, lo que permitirá a las personas usar códigos que ya existen y crear nuevos códigos ”, dice.

En el futuro, Médard y sus colaboradores planean abordar el problema de la detección suave con una versión renovada del chip GRAND. En la detección suave, los datos recibidos son menos precisos.

También planean probar la capacidad de GRAND para descifrar códigos más largos y complejos y ajustar la estructura del chip de silicio para mejorar su eficiencia energética.

La investigación fue financiada por el Battelle Memorial Institute y la Science Foundation of Ireland.

Autor

MIT

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