Une nouvelle puce en silicium utilise un algorithme de décodage universel pour décoder tout type de données

La nouvelle puce élimine la nécessité d’un matériel de décodage spécifique, boostant ainsi les systèmes de jeux, les réseaux 5G, etc.

Chaque donnée qui transite sur l’internet – des paragraphes d’un courriel aux graphiques en 3D dans un environnement de réalité virtuelle – peut être altérée par du bruit qu’elle rencontre en chemin, comme les interférences électromagnétiques d’un appareil à micro-ondes ou 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 retrouver les données originales.

Depuis les années 1950, la plupart des codes correcteurs 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 d’un matériel dédié.

Des chercheurs du MIT, de l’université de Boston et de l’université de Maynooth en Irlande ont créé la première puce en silicium capable de décoder n’importe quel code, quelle que soit sa structure, avec une précision maximale, à l’aide d’un algorithme de décodage universel appelé Guessing Random Additive Noise Decoding (GRAND). En éliminant le besoin de décodeurs multiples et complexes sur le plan informatique, 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 dépendent du traitement d’un volume élevé de données avec un délai minimal.

Les recherches menées au MIT sont dirigées par Muriel Médard, titulaire de la chaire Cecil H. et Ida Green au département de génie électrique et d’informatique, et ont été coécrites par Amit Solomon et Wei Ann, tous deux étudiants diplômés au 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 à l’Université de Boston ; Ken R. Duffy, directeur du Hamilton Institute de l’université nationale d’Irlande à Maynooth, et Kevin Galligan, étudiant diplômé de Maynooth. Les travaux de recherche seront présentés la semaine prochaine à la Conférence européenne sur les circuits et la recherche sur les dispositifs à semi-conducteurs.

Le bruit en point de mire

On peut considérer ces codes comme des hachages redondants (dans ce cas, une série de 1 et de 0) ajoutés à la fin des données originales. Les règles de création de ce hachage sont stockées dans un livre de codes spécifique.

Lorsque les données codées circulent sur un réseau, elles sont affectées par le bruit, ou l’énergie qui perturbe le signal, souvent généré par d’autres appareils électroniques. Lorsque ces données codées et le bruit qui les a affectées arrivent à leur destination, l’algorithme de décodage consulte son livre de codes et utilise la structure du hachage pour deviner quelle est l’information stockée.

Au lieu de cela, GRAND travaille en devinant le bruit qui a affecté le message, et utilise le modèle de bruit pour déduire l’information originale. GRAND génère une série de séquences de bruit dans l’ordre où 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 aléatoire par nature, il possède 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 apporte sa voiture à l’atelier, le mécanicien ne commence pas par établir une carte de la voiture entière à partir de plans. Au lieu de cela, il commence par demander : ‘Quelle est la chose la plus susceptible de mal tourner ?’ Peut-être qu’elle a juste besoin d’essence. Si ça ne marche pas, quelle est la prochaine étape ? La batterie est peut-être morte”, explique M. Médard.

Un matériel novateur

La puce GRAND utilise une structure à trois niveaux, en commençant par les solutions les plus simples possibles dans la première étape et en 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.

Le dispositif est également conçu pour basculer de manière transparente entre deux livres de codes. Il contient deux puces de mémoire vive statique, l’une pouvant craquer les mots de code, tandis que l’autre charge un nouveau livre de codes et passe ensuite au décodage sans aucun temps mort.

Les chercheurs ont testé la puce GRAND et ont constaté qu’elle pouvait décoder efficacement n’importe quel code à redondance modérée d’une longueur maximale de 128 bits, avec une latence d’environ une microseconde seulement.

Médard et ses collaborateurs avaient déjà démontré le succès de l’algorithme, mais ces nouveaux travaux mettent en évidence l’efficacité et l’efficience de GRAND dans le matériel pour la première fois.

Le développement du matériel pour le nouvel algorithme de décodage a nécessité que les chercheurs mettent d’abord de côté leurs idées préconçues, explique Médard.

“Nous ne pouvions pas réutiliser des choses qui avaient déjà été faites. C’était comme un tableau blanc complet. Nous devions vraiment réfléchir à chaque composant en partant de zéro. C’était un voyage de remise en question. Et je pense que lorsque nous fabriquerons notre prochaine puce, nous nous rendrons compte que nous avons fait certaines choses avec cette première puce par habitude ou par hypothèse et que nous pouvons faire mieux”, explique-t-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 existants, mais pourrait également être utilisée avec des codes qui n’ont même pas encore été introduits.

À l’approche 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. Selon M. Médard, l’utilisation de GRAND pourrait éliminer la nécessité de cette normalisation rigide à l’avenir.

La puce GRAND pourrait même ouvrir le domaine 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 crainte, comme s’il s’agissait de magie noire. Le processus est mathématiquement désagréable, alors les gens utilisent simplement des codes qui existent déjà. J’espère que cette initiative permettra de réorienter le débat de manière à ce qu’il ne soit pas trop axé sur les normes, afin de permettre aux gens d’utiliser les codes existants et d’en créer de nouveaux”, explique-t-elle.

Pour l’avenir, Mme Médard et ses collaborateurs prévoient de s’attaquer au problème de la détection douce à l’aide d’une version remaniée de la puce GRAND. Dans la 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 en silicium pour améliorer son efficacité énergétique.

La recherche a été financée par le Battelle Memorial Institute et la Science Foundation of Ireland.

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Source : MIT News | Massachusetts Institute of Technology – Traduit par Anguille sous roche