在互联网上传输的每条数据——从电子邮件中的段落到虚拟现实环境中的 3D 图形——都可能被沿途遇到的噪声改变，例如来自微波炉或蓝牙设备的电磁干扰。数据经过编码，以便当它们到达目的地时，解码算法可以消除噪声的负面影响并检索原始数据。
自 1950 年代以来，大多数纠错码和解码算法是一起设计的。每个代码都有一个与特定的、高度复杂的解码算法相对应的结构，这通常需要使用专用硬件。麻省理工学院、波士顿大学和爱尔兰梅努斯大学的研究人员现在使用一种称为猜测随机加性噪声解码 (GRAND) 的通用解码算法，创建了第一个能够以最高准确度解码任何代码的硅芯片，无论其结构如何. 通过消除对多个计算复杂的解码器的需求，GRAND 提高了效率，可以应用于增强现实和虚拟现实、游戏、5G 网络以及依赖以最小延迟处理大量数据的连接设备。麻省理工学院的这项研究由电气工程和计算机科学系的 Cecil H. 和 Ida Green 教授 Muriel Médard 领导，由麻省理工学院的研究生 Amit Solomon 和 Wei Ann 共同撰写；Rabia Tugce Yazicigil，波士顿大学电气与计算机工程助理教授；Arslan Riaz 和 Vaibhav Bansal，都是波士顿大学的研究生；Ken R. Duffy，爱尔兰国立大学梅努斯分校汉密尔顿研究所所长；和凯文加利根，梅努斯研究生。这项研究将在下周的欧洲固态设备研究和电路会议上发表。专注于噪声识别
将这些代码视为添加到原始数据末尾的冗余哈希（在本例中为一系列 1 和 0）的一种方式。创建该散列的规则存储在特定的码本中。当编码数据通过网络传输时，它们会受到噪声或干扰信号的能量的影响，这些信号通常由其他电子设备产生。当编码数据和影响它们的噪声到达目的地时，解码算法会查阅其码本并使用散列的结构来猜测存储的信息是什么。相反，GRAND 的工作原理是猜测影响消息的噪声，并使用噪声模式来推断原始信息。GRAND 按照它们可能出现的顺序生成一系列噪声序列，从接收到的数据中减去它们，并检查结果码字是否在码本中。虽然噪声在本质上看起来是随机的，但它具有一个概率结构，允许算法猜测它可能是什么。“在某种程度上，它类似于故障排除。如果有人把他们的车开进店里，机械师不会从将整辆车映射到蓝图开始。相反，他们首先会问：“最有可能出错的地方是什么？” 也许它只需要汽油。如果这不起作用，下一步是什么？也许电池没电了？” 梅达尔说。新颖的硬件
GRAND 芯片采用三层结构，从第一阶段最简单的可能解决方案开始，并在随后的两个阶段处理更长、更复杂的噪声模式。每个阶段独立运行，增加了系统的吞吐量并节省了电力。该设备还设计用于在两个码本之间无缝切换。它包含两个静态随机存取存储器芯片，一个可以破解密码字，另一个加载新的密码本，然后切换到解码，无需任何停机时间。研究人员对 GRAND 芯片进行了测试，发现它可以有效地解码长度高达 128 位的任何中等冗余代码，只有大约1微秒的延迟。Médard 和她的合作者此前已经证明了该算法的成功，但这项新工作首次在硬件上展示了 GRAND 的有效性和效率。Médard 说，为新的解码算法开发硬件要求研究人员首先抛开他们的先入之见。“我们不能重复使用已经完成的事情。这就像一个完整的白板。我们必须真正从头开始考虑每个组件。这是一次重新思考的旅程。面向未来的芯片
由于 GRAND 仅使用码本进行验证，因此该芯片不仅可以处理遗留代码，还可以用于尚未引入的代码。在 5G 实施之前，监管机构和通信公司努力就新网络中应使用哪些代码达成共识。监管机构最终选择在不同情况下为 5G 基础设施使用两种类型的传统代码。Médard 说，使用 GRAND 可以消除未来对严格标准化的需求。GRAND 芯片甚至可以打开编码领域的创新浪潮。“出于我不太确定的原因，人们对编码怀有敬畏之心，就像它是黑魔法一样。这个过程在数学上很糟糕，所以人们只是使用已经存在的代码。我希望这将重新讨论讨论，因此它不会那么面向标准，使人们能够使用已经存在的代码并创建新的代码，”她说。展望未来，Médard 和她的合作者计划使用重组版 GRAND 芯片来解决软检测问题。在软检测中，接收到的数据不太精确。他们还计划测试 GRAND 破解更长、更复杂代码的能力，并调整硅芯片的结构以提高其能效。该研究由巴特尔纪念研究所和爱尔兰科学基金会资助。
