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| Un nuevo chip de silicio puede decodificar cualquier código de corrección de errores mediante el uso de un novedoso algoritmo conocido como Decodificación de Ruido Aditivo Aleatorio Adivinado (GRAND). Crédito: Jose-Luis Olivares, MIT, con el chip por cortesía de los investigadores |
El nuevo chip elimina la necesidad de un hardware de descodificación específico y podría aumentar la eficiencia de los sistemas de juego, las redes 5G y el Internet de las cosas, entre otros.
Todos los datos que viajan por internet -desde los párrafos de un correo electrónico hasta los gráficos en 3D de un entorno de realidad virtual- pueden verse alterados por el ruido que encuentran en el camino, como las interferencias electromagnéticas de un microondas o un dispositivo Bluetooth. Los datos se codifican para que, cuando lleguen a su destino, un algoritmo de descodificación pueda deshacer los efectos negativos de ese ruido y recuperar los datos originales.
Desde los años 50, la mayoría de los códigos de corrección de errores y los algoritmos de descodificación se han diseñado conjuntamente. Cada código tenía una estructura que se correspondía con un algoritmo de descodificación concreto y muy complejo, que a menudo requería el uso de hardware específico.
Investigadores del MIT, la Universidad de Boston y la Universidad de Maynooth (Irlanda) han creado ahora el primer chip de silicio capaz de descodificar cualquier código, independientemente de su estructura, con la máxima precisión, utilizando un algoritmo de descodificación universal llamado Guessing Random Additive Noise Decoding (GRAND). Al eliminar la necesidad de decodificadores múltiples y complejos desde el punto de vista computacional, GRAND permite una mayor eficiencia que podría tener aplicaciones en la realidad aumentada y virtual, los juegos, las redes 5G y los dispositivos conectados que dependen del procesamiento de un gran volumen de datos con un retraso mínimo.
La investigación en el MIT está dirigida por Muriel Médard, catedrática Cecil H. e Ida Green del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, y en ella han participado Amit Solomon y Wei Ann, ambos estudiantes de posgrado del MIT; Rabia Tugce Yazicigil, profesora adjunta de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Boston; Arslan Riaz y Vaibhav Bansal, ambos estudiantes de posgrado de la Universidad de Boston; Ken R. Duffy, director del Instituto Hamilton de la Universidad Nacional de Irlanda en Maynooth; y Kevin Galligan, estudiante de posgrado de Maynooth. La investigación se presentará en la Conferencia Europea de Investigación de Dispositivos de Estados Sólidos y Circuitos de la próxima semana.
Centrarse en el ruido
Una forma de pensar en estos códigos es como hashes redundantes (en este caso, una serie de 1s y 0s) añadidos al final de los datos originales. Las reglas para la creación de ese hash se almacenan en un libro de códigos específico.
A medida que los datos codificados viajan por la red, se ven afectados por el ruido, o la energía que interrumpe la señal, que suele ser generada por otros dispositivos electrónicos. Cuando esos datos codificados y el ruido que los ha afectado llegan a su destino, el algoritmo de descodificación consulta su libro de códigos y utiliza la estructura del hash para adivinar cuál es la información almacenada.
En cambio, GRAND funciona adivinando el ruido que afectó al mensaje, y utiliza el patrón de ruido para deducir la información original. GRAND genera una serie de secuencias de ruido en el orden en que es probable que se produzcan, las resta de los datos recibidos y comprueba si la palabra clave resultante está en un libro de códigos.
Aunque el ruido parece aleatorio por naturaleza, tiene una estructura probabilística que permite al algoritmo adivinar lo que podría ser.
"En cierto modo, es similar a la resolución de problemas. Si alguien lleva su coche al taller, el mecánico no empieza por hacer un mapa de todo el coche con planos. En su lugar, empieza preguntando: "¿Qué es lo más probable que vaya mal? Quizá sólo necesite gasolina. Si eso no funciona, ¿qué es lo siguiente? ¿Quizás la batería esté agotada?". dice Médard.
Un hardware novedoso
El chip GRAND utiliza una estructura de tres niveles, empezando por las soluciones más sencillas en la primera etapa y llegando a patrones de ruido más largos y complejos en las dos etapas siguientes. Cada etapa funciona de forma independiente, lo que aumenta el rendimiento del sistema y ahorra energía.
El dispositivo también está diseñado para cambiar sin problemas entre dos libros de códigos. Contiene dos chips de memoria estática de acceso aleatorio, uno de los cuales puede descifrar las palabras clave, mientras que el otro carga un nuevo libro de códigos y luego pasa a la decodificación sin ningún tiempo de inactividad.
Los investigadores probaron el chip GRAND y descubrieron que podía descodificar eficazmente cualquier código de redundancia moderada de hasta 128 bits de longitud, con sólo un microsegundo de latencia.
Médard y sus colaboradores ya habían demostrado el éxito del algoritmo, pero este nuevo trabajo muestra por primera vez la eficacia y eficiencia de GRAND en hardware.
El desarrollo del hardware para el novedoso algoritmo de descodificación exigió que los investigadores dejaran de lado sus ideas preconcebidas, afirma Médard.
"No podíamos salir a reutilizar cosas que ya se habían hecho. Esto era como una pizarra completa. Tuvimos que pensar realmente en cada uno de los componentes desde cero. Fue un viaje de reconsideración. Y creo que cuando hagamos nuestro próximo chip, habrá cosas con este primer chip que nos daremos cuenta de que hicimos por costumbre o por suposición que podemos hacer mejor", dice.
Un chip para el futuro
Como GRAND solo utiliza libros de códigos para la verificación, el chip no solo funciona con códigos heredados, sino que también podría utilizarse con códigos que aún no se han introducido.
En el periodo previo a la implantación de la 5G, los reguladores y las empresas de comunicaciones se esforzaron por llegar a un consenso sobre los códigos que debían utilizarse en la nueva red. Al final, los reguladores optaron por utilizar dos tipos de códigos tradicionales para la infraestructura 5G en diferentes situaciones. El uso de GRAND podría eliminar la necesidad de esa rígida estandarización en el futuro, afirma Médard.
El chip GRAND podría incluso abrir el campo de la codificación a una ola de innovación.
"Por razones que desconozco, la gente se acerca a la codificación con temor, como si fuera magia negra. El proceso es matemáticamente desagradable, así que la gente se limita a utilizar códigos que ya existen. Espero que esto reformule el debate para que no esté tan orientado a los estándares, permitiendo a la gente utilizar códigos que ya existen y crear otros nuevos", dice.
En el futuro, Médard y sus colaboradores tienen previsto abordar el problema de la detección suave con una versión modificada del chip GRAND. En la detección suave, los datos recibidos son menos precisos.
También tienen previsto probar la capacidad de GRAND para descifrar códigos más largos y complejos y ajustar la estructura del chip de silicio para mejorar su eficiencia energética.
La investigación ha sido financiada por el Battelle Memorial Institute y la Science Foundation de Irlanda.