Investigadores do MIT e de outros centros desenvolveram um chip descodificador que utiliza um novo modelo estatístico para aproveitar esta informação de fiabilidade de uma forma muito mais simples e rápida do que as técnicas convencionais.

O chip utiliza um algoritmo de descodificação universal desenvolvido anteriormente pela equipa, capaz de decifrar qualquer código de correção de erros. Normalmente, o hardware de descodificação só consegue processar um tipo específico de código. Este novo chip descodificador universal bateu o recorde de descodificação com eficiência energética, apresentando um desempenho 10 a 100 vezes superior ao de outros hardwares.

Este avanço poderia viabilizar dispositivos móveis com menos chips, uma vez que já não necessitariam de hardware separado para múltiplos códigos. Isto reduziria a quantidade de material necessária para o fabrico, diminuindo os custos e melhorando a sustentabilidade. Ao tornar o processo de descodificação menos intensivo em energia, o chip também poderá melhorar o desempenho do dispositivo e prolongar a vida útil da bateria. Isto poderá ser especialmente útil para aplicações exigentes, como a realidade aumentada e virtual e redes 5G.

"Esta é a primeira vez que alguém ultrapassa a barreira de descodificação de 1 picojoule por bit. Isto equivale aproximadamente à mesma quantidade de energia necessária para transmitir um bit dentro do sistema. Era um enorme limiar simbólico, mas também altera o equilíbrio no receptor daquela que pode ser a parte mais intensiva em energia: podemos transferi-la do descodificador para outros elementos", afirma Muriel Médard, professora de Ciência e Engenharia de Software da NEC na Faculdade de Ciências, docente do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação e coautora de um artigo que apresenta o novo chip.

Entre os coautores de Médard contam-se o autor principal, Arslan Riaz, estudante de pós-graduação na Universidade de Boston (BU); Rabia Tugce Yazicigil, professora assistente de engenharia elétrica e de computação na BU; e Ken R. Duffy, então diretor do Instituto Hamilton na Universidade de Maynooth e agora professor na Universidade Northeastern, além de outros do MIT, da BU e da Universidade de Maynooth. O trabalho está a ser apresentado na Conferência Internacional sobre Circuitos de Estado Sólido.

Classificação mais inteligente

Os dados digitais são transmitidos por uma rede sob a forma de bits (0s e 1s). O remetente codifica os dados adicionando um código de correção de erros, que é uma sequência redundante de 0s e 1s que pode ser considerada um hash. As informações sobre este hash são armazenadas num dicionário de códigos específico. Um algoritmo de descodificação no receptor, concebido para este código em particular, utiliza o seu dicionário de códigos e a estrutura de hash para recuperar a informação original, que pode ter sido corrompida por ruído. Como cada algoritmo é específico para um código e a maioria requer hardware específico, um dispositivo precisaria de muitos chips para descodificar diferentes códigos.

Os investigadores já tinham demonstrado o GRAND (Guessing Random Additive Noise Decoding), um algoritmo de descodificação universal capaz de quebrar qualquer código. O GRAND funciona adivinhando o ruído que afetou a transmissão, subtraindo esse padrão de ruído dos dados recebidos e, em seguida, comparando o que resta com um dicionário de códigos. Tenta adivinhar uma série de padrões de ruído na ordem em que provavelmente ocorrerão.

Os dados são normalmente recebidos com informação de fiabilidade, também chamada de informação suave, que ajuda o descodificador a determinar quais os fragmentos que são erros. O novo chip de descodificação, denominado ORBGRAND (Ordered Reliability Bits GRAND), utiliza esta informação de fiabilidade para classificar os dados com base na probabilidade de cada bit ser um erro.

Mas não é tão simples como ordenar bits individuais. Embora o bit menos fiável possa ser o mais propenso a ser um erro, o terceiro e o quarto bits juntos podem ter a mesma probabilidade de serem um erro que o sétimo bit menos fiável. O ORBGRAND utiliza um novo modelo estatístico que pode classificar os bits desta forma, considerando que vários bits juntos têm a mesma probabilidade de serem um erro que alguns bits individuais.

"Se o seu carro não estiver a funcionar, as informações básicas podem indicar que é provavelmente a bateria. Mas se não for apenas a bateria, pode ser que a bateria e o alternador estejam a causar o problema em conjunto. É assim que uma pessoa racional faria a resolução de problemas: diria que pode ser a combinação destes dois componentes antes de descartar algo muito menos provável", diz Médard.

O ORBGRAND interrompe a classificação assim que encontra uma palavra-chave, o que geralmente acontece muito rapidamente. O chip também utiliza paralelização, gerando e testando múltiplos padrões de ruído em simultâneo para encontrar a palavra-chave mais rapidamente. Como o descodificador deixa de funcionar assim que encontra a palavra-chave, o seu consumo de energia permanece baixo mesmo quando são executados vários processos em simultâneo.

Eficiência recorde

Quando o seu método foi comparado ao de outros chips, o ORBGRAND descodificou com a máxima precisão, consumindo apenas 0,76 picojoules de energia por bit, quebrando o recorde de desempenho anterior. O ORBGRAND consome entre 10 a 100 vezes menos energia do que outros dispositivos.

Um dos maiores desafios no desenvolvimento do novo chip foi o seu baixo consumo de energia, afirma Médard. Com o ORBGRAND, a geração de sequências de ruído é agora tão eficiente em termos energéticos que outros processos em que os investigadores não se tinham focado anteriormente, como a verificação de palavras-chave num dicionário de códigos, consomem a maior parte do esforço.

"Agora, este processo de teste, que é como ligar o carro para ver se funciona, é a parte mais difícil. Por isso, precisamos de encontrar formas mais eficientes de o fazer", explica.

A equipa está também a explorar formas de modificar a modulação das transmissões para aproveitar a maior eficiência do chip ORBGRAND. Planeiam também estudar como usar a sua técnica para gerir com mais eficiência múltiplas transmissões sobrepostas.

A investigação é financiada, em parte, pela Agência de Projetos de Investigação Avançada de Defesa dos EUA (DARPA) e pela Fundação de Ciência da Irlanda.

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Escrito por Adam Zewe, MIT News Office