Một con chip mới để giải mã truyền dữ liệu chứng minh hiệu quả năng lượng kỷ lục
bởi Adam Zewe, Học viện Công nghệ Massachusetts
Dữ liệu được gửi đến và đi từ máy tính hoặc thiết bị di động qua mạng được mã hóa để chúng không bị hỏng do nhiễu. Chip giải mã ORBGRAND có thể giải mã bất kỳ mã nào trong số này theo cách nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn nhiều so với các kỹ thuật khác. Ảnh: Viện Công nghệ Massachusetts
Hãy tưởng tượng sử dụng một ứng dụng ngân hàng trực tuyến để gửi tiền vào tài khoản của bạn. Giống như tất cả thông tin được gửi qua internet, những thông tin liên lạc đó có thể bị hỏng do tiếng ồn chèn lỗi vào dữ liệu.
Để khắc phục vấn đề này, người gửi mã hóa dữ liệu trước khi chúng được truyền đi, sau đó người nhận sử dụng thuật toán giải mã để sửa lỗi và khôi phục thông điệp ban đầu. Trong một số trường hợp, dữ liệu được nhận với thông tin về độ tin cậy giúp bộ giải mã tìm ra phần nào của đường truyền có khả năng bị lỗi.
Các nhà nghiên cứu tại MIT và các nơi khác đã phát triển chip giải mã sử dụng mô hình thống kê mới để sử dụng thông tin về độ tin cậy này theo cách đơn giản và nhanh hơn nhiều so với các kỹ thuật thông thường.
Con chip của họ sử dụng một thuật toán giải mã phổ quát mà nhóm đã phát triển trước đó, thuật toán này có thể làm sáng tỏ bất kỳ mã sửa lỗi nào. Thông thường, phần cứng giải mã chỉ có thể xử lý một loại mã cụ thể. Chip giải mã đa năng mới này đã phá kỷ lục giải mã tiết kiệm năng lượng, hoạt động tốt hơn từ 10 đến 100 lần so với phần cứng khác.
Tiến bộ này có thể cho phép các thiết bị di động có ít chip hơn vì chúng không còn cần phần cứng riêng biệt cho nhiều mã. Điều này sẽ làm giảm lượng vật liệu cần thiết để chế tạo, cắt giảm chi phí và cải thiện tính bền vững. Bằng cách làm cho quá trình giải mã ít tốn năng lượng hơn, con chip này cũng có thể cải thiện hiệu suất của thiết bị và kéo dài thời lượng pin. Nó có thể đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe như thực tế ảo tăng cường và mạng 5G.
"Đây là lần đầu tiên có người vượt qua ngưỡng 1 picojoule trên mỗi bit để giải mã. Đó gần bằng lượng năng lượng bạn cần để truyền một chút bên trong hệ thống. Đó là một ngưỡng tượng trưng lớn, nhưng nó cũng Muriel Médard, Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Phần mềm của Trường Khoa học NEC, cho biết thay đổi sự cân bằng trong bộ thu của phần có thể là phần cấp bách nhất từ góc độ năng lượng—chúng ta có thể chuyển phần đó từ bộ giải mã sang các phần tử khác. tại Khoa Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính, đồng thời là đồng tác giả của bài báo trình bày về con chip mới.
Các đồng tác giả của Médard bao gồm tác giả chính Arslan Riaz, nghiên cứu sinh tại Đại học Boston (BU); Rabia Tugce Yazicigil, trợ lý giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại BU; và Ken R. Duffy, khi đó là giám đốc của Viện Hamilton tại Đại học Maynooth và hiện là giáo sư tại Đại học Đông Bắc, cũng như những người khác từ MIT, BU và Đại học Maynooth. Công trình đang được trình bày tại Hội nghị quốc tế về mạch thể rắn.
Sắp xếp thông minh hơn
Dữ liệu số được truyền qua mạng ở dạng bit (0 và 1). Người gửi mã hóa dữ liệu bằng cách thêm mã sửa lỗi, đây là chuỗi dự phòng gồm 0 và 1 có thể được xem dưới dạng hàm băm. Thông tin về hàm băm này được giữ trong một cuốn sách mã cụ thể. Một thuật toán giải mã tại máy thu, được thiết kế cho mã cụ thể này, sử dụng sổ mã và cấu trúc hàm băm của nó để truy xuất thông tin ban đầu, thông tin này có thể đã bị xáo trộn do nhiễu. Vì mỗi thuật toán là mã cụ thể và hầu hết đều yêu cầu phần cứng chuyên dụng nên một thiết bị sẽ cần nhiều chip để giải mã các mã khác nhau.
Trước đây, các nhà nghiên cứu đã trình diễn GRAND (Đoán giải mã tiếng ồn phụ gia ngẫu nhiên), một thuật toán giải mã phổ quát có thể bẻ khóa bất kỳ mã nào. GRAND hoạt động bằng cách đoán nhiễu ảnh hưởng đến quá trình truyền, loại trừ mẫu nhiễu đó khỏi dữ liệu nhận được, sau đó kiểm tra những gì còn lại trong sổ mã. Nó đoán một loạt các kiểu nhiễu theo thứ tự chúng có khả năng xảy ra.
Dữ liệu thường được nhận với thông tin về độ tin cậy, còn được gọi là thông tin mềm, giúp bộ giải mã tìm ra phần nào bị lỗi. Chip giải mã mới, được gọi là ORBGRAND (Ordered Reliability Bits GRAND), sử dụng thông tin về độ tin cậy này để sắp xếp dữ liệu dựa trên khả năng lỗi của mỗi bit.
Nhưng nó không đơn giản như sắp xếp các bit đơn lẻ. Mặc dù bit không đáng tin cậy nhất có thể là lỗi dễ xảy ra nhất, nhưng có lẽ bit không đáng tin cậy thứ ba và thứ tư cùng nhau có khả năng là lỗi giống như bit không đáng tin cậy thứ bảy. ORBGRAND sử dụng một mô hình thống kê mới có thể sắp xếp các bit theo cách này, xem xét rằng nhiều bit cùng nhau có khả năng gây ra lỗi giống như một số bit đơn lẻ.
"Nếu ô tô của bạn không hoạt động, thông tin mềm có thể cho bạn biết rằng nguyên nhân có thể là do ắc quy. Nhưng nếu không phải chỉ do ắc quy, thì có thể cả ắc quy và máy phát điện cùng nhau gây ra sự cố. Đây là cách
một người có lý trí sẽ khắc phục sự cố—bạn có thể nói rằng đó thực sự có thể là hai điều này cùng nhau trước khi đi xuống danh sách một thứ ít có khả năng xảy ra hơn," Médard nói.
Đây là cách tiếp cận hiệu quả hơn nhiều so với bộ giải mã truyền thống, thay vào đó sẽ xem xét cấu trúc mã và có hiệu suất thường được thiết kế cho trường hợp xấu nhất.
"Với một bộ giải mã truyền thống, bạn sẽ lôi bản thiết kế của chiếc xe ra và kiểm tra từng bộ phận. Bạn sẽ tìm ra vấn đề, nhưng sẽ mất nhiều thời gian và bạn sẽ rất nản lòng," Médard giải thích.
ORBGRAND dừng sắp xếp ngay khi tìm thấy một từ mã, điều này thường xảy ra rất sớm. Con chip này cũng sử dụng song song hóa, tạo và kiểm tra đồng thời nhiều kiểu nhiễu để nó tìm thấy từ mã nhanh hơn. Do bộ giải mã ngừng hoạt động sau khi tìm thấy từ mã nên mức tiêu thụ năng lượng của bộ giải mã vẫn ở mức thấp mặc dù bộ giải mã chạy nhiều quy trình đồng thời.
Hiệu quả kỷ lục
Khi họ so sánh cách tiếp cận của mình với các chip khác, ORBGRAND đã giải mã với độ chính xác tối đa trong khi chỉ tiêu thụ 0,76 picojoule năng lượng mỗi bit, phá vỡ kỷ lục hiệu suất trước đó. ORBGRAND tiêu thụ năng lượng ít hơn từ 10 đến 100 lần so với các thiết bị khác.
Médard cho biết, một trong những thách thức lớn nhất khi phát triển chip mới đến từ việc giảm mức tiêu thụ năng lượng. Với ORBGRAND, việc tạo ra các chuỗi tiếng ồn giờ đây tiết kiệm năng lượng đến mức các quy trình khác mà các nhà nghiên cứu không tập trung vào trước đây, chẳng hạn như kiểm tra từ mã trong sách mã, tiêu tốn hầu hết công sức.
"Bây giờ, quá trình kiểm tra này, giống như khởi động xe để xem nó có hoạt động hay không, là phần khó nhất. Vì vậy, chúng tôi cần tìm ra những cách hiệu quả hơn để thực hiện điều đó", cô nói.
Nhóm cũng đang khám phá các cách thay đổi điều chế đường truyền để họ có thể tận dụng hiệu quả được cải thiện của chip ORBGRAND. Họ cũng có kế hoạch xem kỹ thuật của họ có thể được sử dụng như thế nào để quản lý hiệu quả hơn nhiều đường truyền chồng lên nhau.
