在一微秒内工作的通用解码器
帕特里克·l·肯尼迪
来自麻省理工学院和Maynooth的助理教授Rabia Yazicigil和他的同事们已经开发出了第一个可以解码任何纠错代码的硅芯片，甚至是不存在的代码，这可能会导致更快、更高效的5G网络和连接设备。“这可能会改变我们交流和存储信息的方式，”Yazicigil说，他在最近的IEEE欧洲固态器件澳门威尼斯人注册网站研究和电路会议上展示了芯片测量的结果。
纠错代码不是那种你用来指挥间谍或拼出澳门威尼斯人注册阿华田的信息的代码。更确切地说，它是保护你发送的数据——无论是短信还是视频文件——在全球传播时不受随机电磁干扰的东西，因为它要穿过来自手机信号塔的竞争信号波、太阳辐射和其他噪音。这些干扰可以通过翻转位来破坏信号——从1到0或反之亦然。
几十年来，通信工程师通过在数据中添加代码来解决这个问题——本质上是在每条消息的末尾添加一串冗余的比特（或“哈希”）。复杂的算法使接收者能够使用该代码来确定发生了什么错误，如果有的话，并重建原始消息。缺点是每个代码都是为几个商业上认可的码本之一设计的，到目前为止，每个码本都需要一个单独的芯片或其他硬件。
作为一种强大的替代方案，亚兹西吉尔在麻省理工学院的同事穆里尔·姆萨达德和梅努斯爱尔兰国立大学的肯·r·达菲偶然发现了一种名为猜测随机加性噪声解码（GRAND）的算法。
“与传统解码器相比，GRAND解码器使用完全不同的方法，独立于代码结构，这将彻底改变通信系统，”Yazicigil说，他在BU的团队开发了GRAND算法的第一个硬件实现。与学生Arslan Riaz和Vaibhav Bansal一起，Yazicigil成功地设计了40纳米CMOS技术的芯片，消除了对特定代码解码器的需求，并且能够在很小的延迟时间内对任何数据进行通用解码。
Yazicigil说：“我们不是使用特定于代码的哈希值来解码信息，而是智能地猜测信道中的噪声，然后检查数据是否被正确检索以推断出原始信息。”“这就是为什么GRAND是一个通用的解码器——因为信道中的噪声会影响传输的信息，而与你使用的是什么密码本无关。”
GRAND芯片通过快速循环所有可能的噪声模式来“猜测”噪声，从最可能到最不可能。“通常情况下，你没有错误，所以这是最有可能的噪声序列；那么下一个最有可能的是有一个比特翻转，”Yazicigil说。“然后是两比特，以此类推。”GRAND从接收到的数据中减去结果，以显示原始消息。然后，为了验证结果，芯片将其与密码本进行比对。（该芯片支持多个码本，可以一次加载两个，从一个到另一个无缝切换。）
整个过程平均大约需要一微秒，每个解码位仅消耗30.6 pJ能量，在1.1V电源电压下平均功率为3.75毫瓦。该团队证明，与任何标准的特定代码解码器相比，GRAND芯片可以解码长度为128位的任何中等冗余码，并且具有良好的解码性能。
这些发现对数据存储、连接设备、远程游戏、电影流媒体以及世界通信网络的任何即将到来的改进都有影响。
Yazicigil说：“因为这一块硬件与任何将要开发的编码方案兼容，它也是面向未来的。”她说，随着团队继续完善GRAND及其芯片，“我们可以提供对不同标准、不同技术、5G、6G或任何未来技术的适应性。”
这项澳门威尼斯人注册网站研究是由巴特尔纪念澳门威尼斯人注册网站研究所和爱尔兰科学基金会资助的。姆萨达德是麻省理工学院电子工程和计算机科学系的塞西尔·h·和伊达·格林教授，达菲是梅努斯大学汉密尔顿澳门威尼斯人注册网站研究所的主任。
图片由Gabriella McNevin-Melendez提供，图片来自Unsplash，由Robin Worrall和Alexander Sinn提供。