互联网上传输的每一条数据——从电子邮件中的段落到虚拟现实环境中的3D图形——都可能被沿途遇到的噪声所改变，例如来自微波或蓝牙设备的电磁干扰。这些数据都经过编码，在到达目的地时，解码算法可以消除噪声的负面影响，恢复原始数据。

自20世纪50年代以来，大多数纠错码和解码算法都是一起设计的。每种代码都有一个结构，对应一个特定的、高度复杂的解码算法，这通常需要使用专用硬件。

最近，来自麻省理工学院（MIT）、梅努斯大学（Maynooth University）和波士顿大学（Boston University）的研究人员使用一种称为GRAND的通用解码算法，创建了第一个能够以最大精度解码任何代码的硅芯片，无论其结构如何。GRAND算法消除了对多个计算复杂的解码器的需求，实现了更高的效率，可应用于增强和虚拟现实、游戏、5G网络，以及以最小延迟处理大量数据的互联设备。

分析噪音

一种理解GRAND算法的工作原理的方式是，把这些代码看作是添加到原始数据末尾的冗余哈希值（1和0）。创建该哈希值的规则被存储在一个特定的编码本中。

当编码数据通过网络传输时，它们会受到干扰信号的噪声或能量的影响，这些噪声或能量通常是由其他电子设备产生的。当编码数据和影响它们的噪声到达它们的目的地时，解码算法参考编码本，，并使用哈希的结构来猜测存储的信息是什么。

相反，GRAND通过猜测影响消息的噪声来工作，并使用噪声模式来推断原始信息。GRAND按照噪声序列可能出现的顺序生成一系列噪声序列，再从接收到的数据中减去它们，并检查结果码字是否在编码本中。

虽然噪声在本质上看起来是随机的，但它有一个概率结构，允许算法猜测它可能是什么。

“在某种程度上，这类似于故障排除。如果有人把他们的车带到店里，机械师并不是从把整辆车绘制成蓝图开始的。相反，他们首先会问‘最有可能出错的是什么？’，也许只是需要加油。如果这不起作用，下一步是什么？可能电池没电了？”来自MIT的项目负责人Muriel Médard说。

新型硬件

GRAND芯片采用三层结构，在第一阶段从最简单的解决方案开始，在随后的两个阶段逐渐发展到更长和更复杂的噪声模式。每一级都独立运行，这增加了系统的吞吐量并节省了功率。

该设备还被设计成可在两个编码本之间无缝切换。它包含两个静态随机存取存储器芯片，一个可以破解码字，而另一个加载新的编码本，然后切换到解码，没有任何停机时间。

研究人员测试了GRAND芯片，发现它可以有效地解码任何长度高达128位的中度冗余码，延迟只有大约1微秒。

Médard和她的合作者此前已经展示了该算法的成功，但这项新工作首次展示了GRAND在硬件上的有效性和效率。

Médard说，开发新解码算法的硬件需要研究人员首先抛弃他们先入为主的观念。“我们走不出重复使用已经完成东西的惯性思维，就像一块完整的白板，必须从头开始认真思考每一个组件。这是一次反思之旅。我认为，当我们做下一个芯片时，我们会意识到第一个芯片上的一些东西是出于习惯或假设的，我们本来可以做得更好，”她说。

未来的芯片

由于GRAND仅使用代码本进行验证，该芯片不仅适用于传统代码，还可以用于尚未推出的代码。

在5G实施的准备阶段，监管机构和通信公司努力就新网络应该使用哪些代码达成共识。监管机构最终选择在不同情况下对5G基础设施使用两种类型的传统代码。Médard说，使用GRAND可以消除未来对严格标准化的需求。GRAND芯片甚至可以开启编码领域的创新浪潮。

“出于我不太确定的原因，人们怀着敬畏之心对待编码，就像它是一种魔法。这个过程在数学上很难，所以人们只是使用已经存在的代码。她说，“我希望这将重新形成讨论，使人们不过分地以标准为导向，并能使用已经存在的代码并创造新的代码。”

展望未来，Médard和她的合作者计划用GRAND芯片的重组版本来解决软检测的问题。在软检测中，接收的数据不太精确。他们还计划测试GRAND破解更长、更复杂代码的能力，并调整硅芯片的结构以提高能效。

原文链接：https://www.eecs.mit.edu/a-universal-system-for-decoding-any-type-of-data-sent-across-a-network/