Jedes Datenelement, das über das Internet übertragen wird – von Absätzen in einer E-Mail bis hin zu 3D-Grafiken in einer Virtual-Reality-Umgebung – kann durch das dabei auftretende Rauschen verändert werden, beispielsweise durch elektromagnetische Störungen durch eine Mikrowelle oder ein Bluetooth-Gerät. Die Daten werden so kodiert, dass ein Dekodieralgorithmus, wenn sie an ihrem Ziel ankommen, die negativen Auswirkungen dieses Rauschens rückgängig machen und die Originaldaten abrufen kann.
Seit den 1950er Jahren wurden die meisten fehlerkorrigierenden Codes und Decodierungsalgorithmen gemeinsam entwickelt. Jeder Code hatte eine Struktur, die einem bestimmten, hochkomplexen Decodierungsalgorithmus entsprach, der oft den Einsatz dedizierter Hardware erforderte.
Forscher des MIT, der Boston University und der Maynooth University in Irland haben jetzt den ersten Siliziumchip entwickelt, der jeden Code unabhängig von seiner Struktur mit maximaler Genauigkeit mit einem universellen Decodierungsalgorithmus namens Guessing Random Additive Noise Decoding (GRAND) decodieren kann. . Durch den Wegfall mehrerer, rechentechnisch komplexer Decoder ermöglicht GRAND eine höhere Effizienz, die Anwendungen in Augmented und Virtual Reality, Spielen, 5G-Netzwerken und verbundenen Geräten haben könnte, die auf die Verarbeitung eines großen Datenvolumens mit minimaler Verzögerung angewiesen sind.
Fokus auf Lärm
Man kann sich diese Codes als redundante Hashes (in diesem Fall eine Reihe von Einsen und Nullen) vorstellen, die am Ende der Originaldaten hinzugefügt werden. Die Regeln für die Erstellung dieses Hashs werden in einem spezifischen Codebuch gespeichert.
Wenn die codierten Daten über ein Netzwerk übertragen werden, werden sie durch Rauschen oder Energie beeinträchtigt, die das Signal stören, das oft von anderen elektronischen Geräten erzeugt wird. Wenn diese codierten Daten und das Rauschen, das sie beeinflusst hat, ihr Ziel erreichen, konsultiert der Decodieralgorithmus sein Codebuch und verwendet die Struktur des Hashs, um zu erraten, was die gespeicherten Informationen sind.
Stattdessen schätzt GRAND das Rauschen, das die Nachricht beeinflusst hat, und verwendet das Rauschmuster, um die ursprünglichen Informationen abzuleiten. GRAND erzeugt eine Reihe von Rauschsequenzen in der Reihenfolge, in der sie wahrscheinlich auftreten, subtrahiert sie von den empfangenen Daten und prüft, ob das resultierende Codewort in einem Codebuch enthalten ist.
Obwohl das Rauschen von Natur aus zufällig erscheint, hat es eine probabilistische Struktur, die es dem Algorithmus ermöglicht, zu erraten, was es sein könnte.
„In gewisser Weise ist es ähnlich wie bei der Fehlersuche. Wenn jemand sein Auto in die Werkstatt bringt, beginnt der Mechaniker nicht damit, das gesamte Auto auf Blaupausen abzubilden. Stattdessen beginnen sie mit der Frage: 'Was kann am wahrscheinlichsten schief gehen?' Vielleicht braucht es nur Gas. Wenn das nicht funktioniert, was kommt als nächstes? Vielleicht ist die Batterie leer?“ sagt Medard.
Neuartige Hardware
Der GRAND-Chip verwendet einen dreistufigen Aufbau, beginnend mit möglichst einfachen Lösungen in der ersten Stufe bis hin zu längeren und komplexeren Rauschmustern in den beiden nachfolgenden Stufen. Jede Stufe arbeitet unabhängig, was den Durchsatz des Systems erhöht und Strom spart.
Das Gerät ist auch so konzipiert, dass es nahtlos zwischen zwei Codebüchern wechselt. Es enthält zwei statische Direktzugriffsspeicherchips, von denen einer Codewörter knacken kann, während der andere ein neues Codebuch lädt und dann ohne Ausfallzeit auf Decodierung umschaltet.
Die Forscher testeten den GRAND-Chip und stellten fest, dass er jeden moderaten Redundanzcode mit einer Länge von bis zu 128 Bit mit nur etwa einer Mikrosekunde Latenz effektiv decodieren kann.
Médard und ihre Mitarbeiter hatten zuvor den Erfolg des Algorithmus demonstriert, aber diese neue Arbeit zeigt zum ersten Mal die Effektivität und Effizienz von GRAND in Hardware.
Bei der Entwicklung von Hardware für den neuartigen Decodierungsalgorithmus mussten die Forscher zunächst ihre vorgefassten Meinungen beiseite werfen, sagt Médard.
„Wir konnten nicht hinausgehen und Dinge wiederverwenden, die bereits erledigt waren. Das war wie ein komplettes Whiteboard. Wir mussten wirklich über jede einzelne Komponente von Grund auf nachdenken. Es war eine Reise des Umdenkens. Und ich denke, wenn wir unseren nächsten Chip machen, wird es Dinge mit diesem ersten Chip geben, die wir aus Gewohnheit oder aus der Annahme heraus gemacht haben, dass wir es besser machen können“, sagt sie.
Ein Chip für die Zukunft
Da GRAND nur Codebücher zur Verifizierung verwendet, funktioniert der Chip nicht nur mit Legacy-Codes, sondern könnte auch mit Codes verwendet werden, die noch nicht einmal eingeführt wurden.
Im Vorfeld der 5G-Implementierung hatten Regulierungsbehörden und Kommunikationsunternehmen Schwierigkeiten, einen Konsens darüber zu finden, welche Codes im neuen Netz verwendet werden sollten. Die Regulierungsbehörden entschieden sich letztendlich dafür, in verschiedenen Situationen zwei Arten von traditionellen Codes für die 5G-Infrastruktur zu verwenden. Die Verwendung von GRAND könnte diese starre Standardisierung in Zukunft überflüssig machen, sagt Médard.
Der GRAND-Chip könnte sogar das Feld der Codierung für eine Innovationswelle öffnen.
„Aus Gründen, die mir nicht ganz klar sind, nähern sich die Leute dem Programmieren mit Ehrfurcht, als wäre es schwarze Magie. Der Prozess ist mathematisch hässlich, so dass die Leute nur Codes verwenden, die bereits existieren. Ich hoffe, dass dies die Diskussion umgestaltet, damit sie nicht so standardorientiert ist und es den Leuten ermöglicht, bereits vorhandene Codes zu verwenden und neue Codes zu erstellen“, sagt sie.
Für die Zukunft planen Médard und ihre Mitarbeiter, das Problem der weichen Erkennung mit einer überarbeiteten Version des GRAND . anzugehen Chip. Bei der weichen Erkennung sind die empfangenen Daten weniger genau.
Sie planen auch, die Fähigkeit von GRAND zu testen, längere, komplexere Codes zu knacken und die Struktur des Siliziumchips anzupassen, um seine Energieeffizienz zu verbessern.
ELE Times-Büro
ELE Times bietet eine umfassende globale Berichterstattung über Elektronik, Technologie und der Markt. Neben der Bereitstellung ausführlicher Artikel zieht ELE Times das größte, qualifizierte und äußerst engagierte Publikum der Branche an, das unsere aktuellen, relevanten Inhalte und beliebten Formate zu schätzen weiß. ELE Times hilft Ihnen, Bekanntheit zu steigern, den Traffic zu steigern, Ihre Angebote der richtigen Zielgruppe zu kommunizieren, Leads zu generieren und Ihre Produkte besser zu verkaufen.
-
ELE Times-Bürohttps://www.eletimes.com/author/adminVermeiden Sie potenzielle Schäden mit wasserdicht abgedichteten N-Typ-Steckverbindern
-
ELE Times-Bürohttps://www.eletimes.com/author/adminKompetenzzentrum Offshore-Wind von beiden Ministern gemeinsam ins Leben gerufen: Erneuerbare Energien
-
ELE Times-Bürohttps://www.eletimes.com/author/adminEine umfassende Möglichkeit, Bonding zur Verbesserung der HF-Leistung rauscharmer Verstärker zu nutzen
-
ELE Times-Bürohttps://www.eletimes.com/author/adminInfineon und Panasonic beschleunigen die Entwicklung der GaN-Technologie für 650-V-GaN-Leistungsgeräte