Des chercheurs du MIT et d'autres centres ont mis au point une puce de décodage qui utilise un nouveau modèle statistique pour exploiter ces informations de fiabilité de manière beaucoup plus simple et rapide que les techniques conventionnelles.

La puce utilise un algorithme de décodage universel développé précédemment par l'équipe, capable de déchiffrer n'importe quel code correcteur d'erreurs. Habituellement, les dispositifs de décodage ne peuvent traiter qu'un seul type de code. Cette nouvelle puce de décodage universelle a battu le record d'efficacité énergétique, avec des performances 10 à 100 fois supérieures à celles des autres matériels.

Cette avancée pourrait permettre de concevoir des appareils mobiles avec moins de puces, puisqu'ils n'auraient plus besoin de matériel distinct pour chaque code. Cela réduirait la quantité de matériaux nécessaires à la fabrication, diminuant ainsi les coûts et améliorant la durabilité. En rendant le processus de décodage moins énergivore, la puce pourrait également améliorer les performances de l'appareil et prolonger l'autonomie de la batterie. Ceci serait particulièrement utile pour des applications exigeantes telles que la réalité augmentée et virtuelle et les réseaux 5G.

« C’est la première fois que l’on franchit la barrière du picojoule par bit pour le décodage. Cela correspond approximativement à l’énergie nécessaire pour transmettre un bit au sein du système. Il s’agissait d’un seuil symbolique considérable, mais cela modifie également l’équilibre au niveau du récepteur, en déplaçant la consommation d’énergie du décodeur vers d’autres composants», explique Muriel Médard, professeure NEC de génie logiciel à la Faculté des sciences, chargée de cours au Département de génie électrique et informatique et co-auteure d’un article présentant la nouvelle puce.

Parmi les co-auteurs de Médard figurent Arslan Riaz, auteur principal et doctorant à l'Université de Boston (BU) ; Rabia Tugce Yazicigil, professeure adjointe de génie électrique et informatique à BU ; et Ken R. Duffy, alors directeur de l'Institut Hamilton à l'Université de Maynooth et aujourd'hui professeur à l'Université Northeastern, ainsi que d'autres chercheurs du MIT, de BU et de l'Université de Maynooth. Ces travaux sont présentés à la Conférence internationale sur les circuits intégrés à semi-conducteurs.

Tri plus intelligent

Les données numériques sont transmises sur un réseau sous forme de bits (0 et 1). L'émetteur encode les données en ajoutant un code correcteur d'erreurs, une chaîne redondante de 0 et de 1 pouvant être assimilée à un hachage. Les informations relatives à ce hachage sont stockées dans un dictionnaire de codes spécifique. Un algorithme de décodage, côté récepteur, conçu pour ce code particulier, utilise son dictionnaire de codes et la structure de hachage pour récupérer les informations originales, qui peuvent avoir été brouillées par du bruit. Chaque algorithme étant spécifique à un code et la plupart nécessitant un matériel spécifique, un appareil aurait besoin de nombreuses puces pour décoder différents codes.

Les chercheurs avaient déjà présenté GRAND (Guessing Random Additive Noise Decoding), un algorithme de décodage universel capable de déchiffrer n'importe quel code. GRAND fonctionne en devinant le bruit ayant affecté la transmission, en soustrayant ce bruit des données reçues, puis en comparant le résultat à un dictionnaire de codes. Il devine une série de motifs de bruit dans l'ordre de leur probabilité d'apparition.

Les données sont généralement reçues avec des informations de fiabilité, également appelées informations souples, qui aident le décodeur à déterminer quels fragments contiennent des erreurs. La nouvelle puce de décodage, appelée ORBGRAND (Ordered Reliability Bits GRAND), utilise ces informations de fiabilité pour classer les données en fonction de la probabilité que chaque bit soit erroné.

Mais il ne s'agit pas simplement de classer les bits individuellement. Si le bit le moins fiable est probablement le plus susceptible d'être erroné, les troisième et quatrième bits, pris ensemble, peuvent avoir la même probabilité d'être erronés que le septième bit le moins fiable. ORBGRAND utilise un nouveau modèle statistique capable de classer les bits de cette manière, en considérant que plusieurs bits pris ensemble ont autant de chances d'être erronés que quelques bits isolés.

« Si votre voiture ne fonctionne pas, des informations de base pourraient vous indiquer que le problème vient probablement de la batterie. Mais si ce n'est pas seulement la batterie, il se peut que la batterie et l'alternateur soient en cause. C'est ainsi qu'une personne rationnelle procéderait : elle envisagerait la possibilité que ces deux éléments soient liés avant de passer à une cause beaucoup moins probable», explique Médard.

ORBGRAND interrompt le tri dès qu'il détecte un mot-clé, ce qui est généralement très rapide. La puce utilise également la parallélisation, générant et testant simultanément plusieurs motifs de bruit pour accélérer la détection du mot-clé. Comme le décodeur cesse de fonctionner une fois le mot-clé trouvé, sa consommation d'énergie reste faible même lors de l'exécution simultanée de plusieurs processus.

Efficacité record

Comparée à d'autres puces, ORBGRAND a décodé avec une précision maximale tout en ne consommant que 0,76 picojoules d'énergie par bit, battant ainsi le précédent record de performance. ORBGRAND consomme entre 10 et 100 fois moins d'énergie que les autres dispositifs.

L'un des principaux défis lors du développement de la nouvelle puce était sa faible consommation d'énergie, explique Médard. Grâce à ORBGRAND, la génération de séquences de bruit est désormais si économe en énergie que d'autres processus, comme la vérification des mots-clés dans un dictionnaire de codes, absorbent la majeure partie des ressources.

« Or, ce processus de test, qui revient à démarrer une voiture pour vérifier son fonctionnement, est la partie la plus difficile. Nous devons donc trouver des moyens plus efficaces de le réaliser », explique-t-il.

L'équipe étudie également des moyens de modifier la modulation des transmissions afin de tirer parti de l'efficacité accrue de la puce ORBGRAND. Elle prévoit aussi d'étudier comment utiliser sa technique pour gérer plus efficacement plusieurs transmissions simultanées.

Ces recherches sont financées, en partie, par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) des États-Unis et la Science Foundation d'Irlande.

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Article rédigé par Adam Zewe, service de presse du MIT