解码数据传输芯片具有很强的能效

能效见解

• 麻省理工学院的研究人员开发了一种芯片，可以在非常节能的情况下破译任何编码信号。
• 通过降低解码过程的能源消耗，该芯片还可以提高设备性能，延长电池寿命，并减少自COVID-19大流行以来对芯片的压力和需求。

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想象一下使用在线银行应用程序将钱存入你的账户。就像所有通过互联网发送的信息一样，这些通信可能会被噪声破坏，从而在数据中插入错误。

为了克服这个问题，发送方在传输数据之前对数据进行编码，然后接收方使用解码算法来纠正错误并恢复原始信息。在某些情况下，接收到的数据带有可靠性信息，可以帮助解码器找出传输的哪些部分可能是错误。

麻省理工学院和其他地方的研究人员开发了一种解码器芯片，它采用了一种新的统计模型，以一种比传统技术更简单、更快的方式使用这种可靠性信息。

他们的芯片使用通用译码算法该团队之前开发的，它可以解开任何错误纠正代码。通常，解码硬件只能处理一种特定类型的代码。这种新的通用解码器芯片打破了节能解码的记录，比其他硬件的性能好10到100倍。

这一进步可以使移动设备使用更少的芯片，因为它们不再需要单独的硬件来支持多个代码。这将减少制造所需的材料数量，降低成本，提高可持续性。通过降低解码过程的能耗，该芯片还可以提高设备性能，延长电池寿命。它对于增强现实和虚拟现实(AR/VR和5G网络)等要求较高的应用程序尤其有用。

“这是第一次有人突破了每比特1皮焦耳的解码障碍。这与你在系统内传输一点所需的能量大致相同。这是一个很大的象征性门槛，但它也改变了接收器的平衡，从能量的角度来看，这可能是最紧迫的部分——我们可以把它从解码器转移到其他元素上，”Muriel Médard说，他是NEC科学学院软件科学与工程教授，电气工程和计算机科学系教授，也是一篇介绍新芯片的论文的合著者。

Médard的共同作者包括主要作者Arslan Riaz，波士顿大学的研究生;波士顿大学电气与计算机工程助理教授Rabia Tugce Yazicigil;肯·r·达菲(Ken R. Duffy)，时任梅努斯大学汉密尔顿研究所所长，现任东北大学教授，以及麻省理工学院、波士顿大学和梅努斯大学的其他学者。这项工作正在国际固态电路会议上进行展示。

更智能的数字数据排序

数字数据以比特(0和1)的形式在网络上传输。发送方通过添加纠错码对数据进行编码，纠错码是一个由0和1组成的冗余字符串，可以被视为哈希。关于此散列的信息保存在特定的代码本中。接收端的解码算法是为这种特殊的代码设计的，它使用它的码本和哈希结构来检索原始信息，这些原始信息可能已经被噪声混淆了。由于每个算法都是特定于代码的，而且大多数算法都需要专用的硬件，所以一个设备需要许多芯片来解码不同的代码。

研究人员此前演示了GRAND(猜测随机加性噪声解码)，这是一种可以破解任何代码的通用解码算法。GRAND的工作原理是猜测影响传输的噪声，从接收到的数据中减去噪声模式，然后检查代码簿中剩余的内容。它会按照可能出现的顺序猜测一系列噪音模式。

接收到的数据通常带有可靠性信息，也称为软信息，可以帮助解码器找出哪些部分是错误的。这种新的解码芯片被称为ORBGRAND (Ordered Reliability Bits GRAND)，它使用这种可靠性信息来根据每个比特出错的可能性对数据进行排序。

但这并不像排序单个比特那么简单。虽然最不可靠的部分可能是最可能的错误，但第三和第四最不可靠的部分加在一起可能与第七最不可靠的部分一样是错误。ORBGRAND使用了一种新的统计模型，可以以这种方式对比特进行排序，考虑到多个比特放在一起和单个比特一样可能出现错误。

“如果你的车坏了，软信息可能会告诉你，这可能是电池的问题。但如果不仅仅是电池，也许是电池和交流发电机一起导致了问题。这是一个理性的人排除故障的方式——你会说，实际上可能是这两件事一起发生，然后再往下看，发现一些可能性小得多的事情，”Médard说。

这是一种比传统解码器更有效的方法，传统解码器只关注代码结构，并具有通常为最坏情况设计的性能。

“使用传统的解码器，你会拿出汽车的蓝图，检查每一个部件。你会发现问题所在，但这将花费你很长时间，你会非常沮丧，”Médard说。

只要找到一个码字，ORBGRAND就会停止排序，通常很快。该芯片还采用并行化，同时生成和测试多种噪声模式，从而更快地找到码字。因为解码器一旦找到码字就会停止工作，所以即使它同时运行多个进程，它的能量消耗也很低。

破纪录的能源效率

当他们将这种方法与其他芯片进行比较时，ORBGRAND的解码精度最高，每比特仅消耗0.76皮焦耳的能量，打破了之前的性能记录。ORBGRAND的能耗比其他设备低10 - 100倍。

开发这种新芯片的最大挑战之一是降低能源消耗，Médard说。有了ORBGRAND，现在产生噪声序列非常节能，研究人员以前没有关注过的其他过程，比如在代码簿中检查码字，都消耗了大部分精力。

“现在，这个检查过程，就像打开汽车看它是否工作一样，是最难的部分。因此，我们需要找到更有效的方法来做到这一点。”

该团队还在探索改变传输调制的方法，以便他们能够利用ORBGRAND芯片提高的效率。他们还计划研究如何利用他们的技术更有效地管理重叠的多个传输。

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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