Chaque donnée qui circule sur Internet, des paragraphes d’un e-mail aux graphiques 3D dans un environnement de réalité virtuelle, peut être altérée par le bruit qu’elle rencontre en cours de route, comme les interférences électromagnétiques d’un micro-ondes ou d’un appareil Bluetooth. Les données sont codées de sorte que lorsqu’elles arrivent à destination, un algorithme de décodage peut annuler les effets négatifs de ce bruit et récupérer les données d’origine.
Depuis les années 1950, la plupart des codes de correction d’erreurs et des algorithmes de décodage ont été conçus ensemble. Chaque code avait une structure qui correspondait à un algorithme de décodage particulier et très complexe, qui nécessitait souvent l’utilisation de matériel dédié.
Les chercheurs de AVEC, l’université de Boston et l’université de Maynooth en Irlande ont créé la première puce de silicium capable de décoder n’importe quel code, quelle que soit sa structure, avec un maximum de précision, en utilisant un algorithme de décodage universel appelé Guessing Random Additive Noise Decoding (GRAND). En éliminant le besoin de plusieurs décodeurs complexes en termes de calcul, GRAND permet une efficacité accrue qui pourrait avoir des applications dans la réalité augmentée et virtuelle, les jeux, les réseaux 5G et les appareils connectés qui reposent sur le traitement d’un volume élevé de données avec un délai minimal.
La recherche au MIT est dirigée par Muriel Médard, professeure Cecil H. et Ida Green au Département de génie électrique et informatique, et a été co-écrite par Amit Solomon et Wei Ann, tous deux étudiants diplômés du MIT ; Rabia Tugce Yazicigil, professeur adjoint de génie électrique et informatique à l’Université de Boston ; Arslan Riaz et Vaibhav Bansal, tous deux étudiants diplômés de l’Université de Boston ; Ken R. Duffy, directeur du Hamilton Institute de l’Université nationale d’Irlande à Maynooth ; et Kevin Galligan, un étudiant diplômé de Maynooth. La recherche sera présentée à la conférence européenne sur la recherche et les circuits de dispositifs à semi-conducteurs la semaine prochaine.
Focus sur le bruit
Une façon de penser à ces codes consiste à utiliser des hachages redondants (dans ce cas, une série de 1 et de 0) ajoutés à la fin des données d’origine. Les règles pour la création de ce hachage sont stockées dans un livre de codes spécifique.
Lorsque les données codées voyagent sur un réseau, elles sont affectées par le bruit ou l’énergie qui perturbe le signal, qui est souvent généré par d’autres appareils électroniques. Lorsque ces données codées et le bruit qui les a affectées arrivent à destination, l’algorithme de décodage consulte son livre de codes et utilise la structure du hachage pour deviner quelles sont les informations stockées.
Au lieu de cela, GRAND fonctionne en devinant le bruit qui a affecté le message et utilise le modèle de bruit pour déduire les informations d’origine. GRAND génère une série de séquences de bruit dans l’ordre dans lequel elles sont susceptibles de se produire, les soustrait des données reçues et vérifie si le mot de code résultant se trouve dans un livre de codes.
Bien que le bruit semble de nature aléatoire, il a une structure probabiliste qui permet à l’algorithme de deviner ce qu’il pourrait être.
« D’une certaine manière, c’est similaire au dépannage. Si quelqu’un amène sa voiture à l’atelier, le mécanicien ne commence pas par cartographier toute la voiture sur des plans. Au lieu de cela, ils commencent par demander : « Quelle est la chose la plus susceptible de mal tourner ? » Peut-être qu’il a juste besoin de gaz. Si cela ne fonctionne pas, quelle est la prochaine étape ? Peut-être que la batterie est morte ? dit Médard.
Nouveau matériel
La puce GRAND utilise une structure à trois niveaux, commençant par les solutions les plus simples possibles dans la première étape et allant jusqu’à des modèles de bruit plus longs et plus complexes dans les deux étapes suivantes. Chaque étage fonctionne indépendamment, ce qui augmente le débit du système et économise de l’énergie.
L’appareil est également conçu pour basculer de manière transparente entre deux livres de codes. Il contient deux puces de mémoire statique à accès aléatoire, l’une pouvant déchiffrer les mots de code, tandis que l’autre charge un nouveau livre de codes, puis passe au décodage sans aucun temps d’arrêt.
Les chercheurs ont testé la puce GRAND et ont découvert qu’elle pouvait décoder efficacement n’importe quel code de redondance modérée jusqu’à 128 bits de longueur, avec seulement environ une microseconde de latence.
Médard et ses collaborateurs avaient déjà démontré le succès de l’algorithme, mais ce nouveau travail montre pour la première fois l’efficacité et l’efficience de GRAND dans le matériel.
Le développement du matériel pour le nouvel algorithme de décodage a obligé les chercheurs à d’abord mettre de côté leurs idées préconçues, dit Médard.
« Nous ne pouvions pas sortir et réutiliser des choses qui avaient déjà été faites. C’était comme un tableau blanc complet. Nous avons dû vraiment penser à chaque composant à partir de zéro. C’était un voyage de reconsidération. Et je pense que lorsque nous ferons notre prochaine puce, il y aura des choses avec cette première puce que nous réaliserons que nous avons fait par habitude ou par hypothèse que nous pouvons faire mieux », dit-elle.
Une puce pour l’avenir
Étant donné que GRAND n’utilise que des livres de codes pour la vérification, la puce fonctionne non seulement avec les codes hérités, mais peut également être utilisée avec des codes qui n’ont même pas encore été introduits.
Dans la perspective de la mise en œuvre de la 5G, les régulateurs et les entreprises de communication ont eu du mal à trouver un consensus sur les codes à utiliser dans le nouveau réseau. Les régulateurs ont finalement choisi d’utiliser deux types de codes traditionnels pour l’infrastructure 5G dans différentes situations. L’utilisation de GRAND pourrait éliminer le besoin de cette normalisation rigide à l’avenir, dit Médard.
La puce GRAND pourrait même ouvrir le champ du codage à une vague d’innovation.
« Pour des raisons dont je ne suis pas tout à fait sûr, les gens abordent le codage avec admiration, comme si c’était de la magie noire. Le processus est mathématiquement méchant, donc les gens utilisent simplement des codes qui existent déjà. J’espère que cela redéfinira la discussion afin qu’elle ne soit pas si axée sur les normes, permettant aux gens d’utiliser des codes qui existent déjà et de créer de nouveaux codes », dit-elle.
À l’avenir, Médard et ses collaborateurs prévoient de s’attaquer au problème de la détection douce avec une version rééquipée de la puce GRAND. En détection douce, les données reçues sont moins précises.
Ils prévoient également de tester la capacité de GRAND à déchiffrer des codes plus longs et plus complexes et d’ajuster la structure de la puce de silicium pour améliorer son efficacité énergétique.
La recherche a été financée par le Battelle Memorial Institute et la Science Foundation of Ireland.
