一种新的硅芯片可以通过使用一种称为猜测随机附加噪声解码(GRAND)的新算法来解码任何纠错码。功劳:麻省理工学院何塞-路易斯·奥利瓦雷斯(Jose-Luis Olivares)，芯片由研究人员提供。互联网上传输的每一条数据——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音所改变，例如来自微波或蓝牙设备的电磁干扰。数据经过编码，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20世纪50年代以来，大多数纠错码和解码算法都是一起设计的。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已经创造了第一个能够解码任何代码的硅芯片，无论其结构如何，都具有最大的准确性，使用了一种称为猜测随机加性噪声解码(GRAND)的通用解码算法。通过消除对多个计算复杂的解码器的需求，GRAND提高了效率，可应用于增强现实和虚拟现实、游戏、5G网络以及依赖于以最小延迟处理大量数据的连接设备。
关注噪音
一种认为这些代码是添加到原始数据末尾的冗余散列(在本例中，是一系列1和0)。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，而信号通常是由其他电子设备产生的。当编码数据和影响它们的噪声到达它们的目的地时，解码算法参考它的码本，并使用散列的结构来猜测存储的信息是什么。
相反，GRAND通过猜测影响消息的噪声来工作，并使用噪声模式来推断原始信息。GRAND按照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，这类似于故障排除。如果有人把他们的车带到店里，机械师不会从把整辆车映射到蓝图开始。相反，他们首先会问，‘最有可能出错的是什么？’可能只是需要加油。如果不行，下一步怎么办？也许电池没电了？”梅达德说。
新型硬件
GRAND芯片采用三层结构，从第一阶段最简单的解决方案开始，到后面两个阶段更长、更复杂的噪声模式。每一级都独立运行，这增加了系统的吞吐量并节省了电能。
该设备还可以在两个代码簿之间无缝切换。它包含两个静态随机存取存储器芯片，一个可以破解码字，而另一个加载新的码本，然后切换到解码，没有任何停机时间。
研究人员测试了GRAND芯片，发现它可以有效解码任何长度高达128位的中等冗余代码，延迟只有大约1微秒。
Médard和她的合作者此前已经证明了该算法的成功，但这项新工作首次展示了GRAND在硬件方面的有效性和效率。
梅达德说，开发新解码算法的硬件需要研究人员首先抛弃他们的先入之见。
“我们不能出去重复使用已经完成的事情。这就像一个完整的白板。我们必须从零开始真正考虑每一件事情。这是一次反思之旅。我认为，当我们做下一个芯片时，第一个芯片会让我们意识到我们这样做是出于习惯或假设我们可以做得更好，”她说。
未来的芯片
由于GRAND只使用代码簿进行验证，该芯片不仅可以与传统代码一起工作，还可以与尚未引入的代码一起使用。
在5G实施之前，监管机构和通信公司难以就新网络中应该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基础设施使用两种传统代码。梅达德说，使用GRAND可以消除未来对这种严格标准化的需求。
GRAND芯片甚至可以开启编码领域的创新浪潮。
“出于我不太确定的原因，人们怀着敬畏之心对待编码，就像它是黑魔法一样。这个过程在数学上很糟糕，所以人们只使用已经存在的代码。我希望这将重塑讨论，使其不那么以标准为导向，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，梅达德和她的合作者计划用一种经过改造的GRAND芯片来解决软检测问题。在软检测中，接收的数据不太精确。
他们还计划测试GRAND破解更长、更复杂代码的能力，并调整硅片的结构以提高其能效。
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