Noisy Gradient Descent Bit-Flip Decoding for LDPC Codes

A modified Gradient Descent Bit Flipping (GDBF) algorithm is proposed for decoding Low Density Parity Check (LDPC) codes on the binary-input additive white Gaussian noise channel. The new algorithm, called Noisy GDBF (NGDBF), introduces a random perturbation into each symbol metric at each iteration. The noise perturbation allows the algorithm to escape from undesirable local maxima, resulting in improved performance. A combination of heuristic improvements to the algorithm are proposed and evaluated. When the proposed heuristics are applied, NGDBF performs better than any previously reported GDBF variant, and comes within 0.5 dB of the belief propagation algorithm for several tested codes. Unlike other previous GDBF algorithms that provide an escape from local maxima, the proposed algorithm uses only local, fully parallelizable operations and does not require computing a global objective function or a sort over symbol metrics, making it highly efficient in comparison. The proposed NGDBF algorithm requires channel state information which must be obtained from a signal to noise ratio (SNR) estimator. Architectural details are presented for implementing the NGDBF algorithm. Complexity analysis and optimizations are also discussed.Comment: 16 pages, 22 figures, 2 table

Satellite on-board processing for earth resources data

Results of a survey of earth resources user applications and their data requirements, earth resources multispectral scanner sensor technology, and preprocessing algorithms for correcting the sensor outputs and for data bulk reduction are presented along with a candidate data format. Computational requirements required to implement the data analysis algorithms are included along with a review of computer architectures and organizations. Computer architectures capable of handling the algorithm computational requirements are suggested and the environmental effects of an on-board processor discussed. By relating performance parameters to the system requirements of each of the user requirements the feasibility of on-board processing is determined for each user. A tradeoff analysis is performed to determine the sensitivity of results to each of the system parameters. Significant results and conclusions are discussed, and recommendations are presented

ARPA Whitepaper

We propose a secure computation solution for blockchain networks. The correctness of computation is verifiable even under malicious majority condition using information-theoretic Message Authentication Code (MAC), and the privacy is preserved using Secret-Sharing. With state-of-the-art multiparty computation protocol and a layer2 solution, our privacy-preserving computation guarantees data security on blockchain, cryptographically, while reducing the heavy-lifting computation job to a few nodes. This breakthrough has several implications on the future of decentralized networks. First, secure computation can be used to support Private Smart Contracts, where consensus is reached without exposing the information in the public contract. Second, it enables data to be shared and used in trustless network, without disclosing the raw data during data-at-use, where data ownership and data usage is safely separated. Last but not least, computation and verification processes are separated, which can be perceived as computational sharding, this effectively makes the transaction processing speed linear to the number of participating nodes. Our objective is to deploy our secure computation network as an layer2 solution to any blockchain system. Smart Contracts\cite{smartcontract} will be used as bridge to link the blockchain and computation networks. Additionally, they will be used as verifier to ensure that outsourced computation is completed correctly. In order to achieve this, we first develop a general MPC network with advanced features, such as: 1) Secure Computation, 2) Off-chain Computation, 3) Verifiable Computation, and 4)Support dApps' needs like privacy-preserving data exchange

Density Evolution and Functional Threshold for the Noisy Min-Sum Decoder

This paper investigates the behavior of the Min-Sum decoder running on noisy devices. The aim is to evaluate the robustness of the decoder in the presence of computation noise, e.g. due to faulty logic in the processing units, which represents a new source of errors that may occur during the decoding process. To this end, we first introduce probabilistic models for the arithmetic and logic units of the the finite-precision Min-Sum decoder, and then carry out the density evolution analysis of the noisy Min-Sum decoder. We show that in some particular cases, the noise introduced by the device can help the Min-Sum decoder to escape from fixed points attractors, and may actually result in an increased correction capacity with respect to the noiseless decoder. We also reveal the existence of a specific threshold phenomenon, referred to as functional threshold. The behavior of the noisy decoder is demonstrated in the asymptotic limit of the code-length -- by using "noisy" density evolution equations -- and it is also verified in the finite-length case by Monte-Carlo simulation.Comment: 46 pages (draft version); extended version of the paper with same title, submitted to IEEE Transactions on Communication

Automated Design of Approximate Accelerators

In den letzten zehn Jahren hat das Bedürfnis nach Recheneffizienz die Entwicklung neuer Geräte, Architekturen und Entwurfstechniken motiviert. Approximate Computing hat sich als modernes, energieeffizientes Entwurfsparadigma für Anwendungen herausgestellt, die eine inhärente Fehlertoleranz aufweisen. Wenn die Genauigkeit der Ergebnisse in aktuellen Anwendungen wie Bildverarbeitung, Computer Vision und maschinellem Lernen auf ein akzeptables Maß reduziert wird, können Einsparungen im Schaltungsbereich, bei der Schaltkreisverzögerung und beim Stromverbrauch erzielt werden. Mit dem Aufkommen dieses Approximate Computing Paradigmas wurden in der Literatur viele approximierte Funktionseinheiten angegeben, insbesondere approximierte Addierer und Multiplizierer. Für eine Vielzahl solcher approximierter Schaltkreise und unter Berücksichtigung ihrer Verwendung als Bausteine für den Entwurf von approximierten Beschleunigern für fehlertolerante Anwendungen, ergibt sich eine Herausforderung: die Auswahl dieser approximierten Schaltkreise für eine bestimmte Anwendung, die die erforderlichen Ressourcen minimieren und gleichzeitig eine definierte Genauigkeit erfüllen. Diese Dissertation schlägt automatisierte Methoden zum Entwerfen und Implementieren von approximierten Beschleunigern vor, die aus approximierten arithmetischen Schaltungen aufgebaut sind. Um dies zu erreichen, befasst sich diese Dissertation mit folgenden Herausforderungen und liefert die nachfolgenden neuartigen Beiträge: In der Literatur wurden viele approximierte Addierer und Multiplizierer vorgestellt, indem entweder approximierte Entwürfe aus genauen Implementierungen wie dem Ripple-Carry-Addierer vorgeschlagen oder durch Approximate Logic Synthesis (ALS) Methoden generiert wurden. Ein repräsentativer Satz dieser approximierten Komponenten ist erforderlich, um approximierte Beschleuniger zu bauen. In diesem Sinne präsentiert diese Dissertation zwei Ansätze, um solche approximierte arithmetische Schaltungen zu erstellen. Zunächst wird AUGER vorgestellt, ein Tool, mit dem Register-Transfer Level (RTL) Beschreibungen für einen breiten Satz von approximierten Addierern und Multiplizierer für unterschiedliche Datenbitbreiten- und Genauigkeitskonfigurationen generiert werden können. Mit AUGER kann eine Design Space Exploration (DSE) von approximierten Komponenten durchgeführt werden, um diejenigen zu finden, die für eine gegebene Bitbreite, einen gegebenen Approximationsbereich und eine gegebene Schaltungsmetrik Pareto-optimal sind. Anschließend wird AxLS vorgestellt, ein Framework für ALS, das die Implementierung modernster Methoden und den Vorschlag neuartiger Methoden ermöglicht, um strukturelle Netzlistentransformationen durchzuführen und approximierte arithmetische Schaltungen aus genauen Schaltungen zu generieren. Darüber hinaus bieten beide Werkzeuge eine Fehlercharakterisierung in Form einer Fehlerverteilung und Schaltungseigenschaften (Fläche, Schaltkreisverzögerung und Leistung) für jede von ihnen erzeugte approximierte Schaltung. Diese Informationen sind für das Untersuchungsziel dieser Dissertation von wesentlicher Bedeutung. Trotz der Fehlertoleranz müssen approximierte Beschleuniger so ausgelegt sein, dass sie Genauigkeitsvorgaben erfüllen. Für den Entwurf solcher Beschleuniger unter Verwendung von approximierten arithmetischen Schaltungen ist es daher unerlässlich zu bewerten, wie sich die durch approximierte Schaltungen verursachten Fehler durch andere Berechnungen ausbreiten, entweder genau oder ungenau, und sich schließlich am Ausgang ansammeln. Diese Dissertation schlägt analytische Modelle vor, um die Fehlerpropagation durch genaue und approximierte Berechnungen zu beschreiben. Mit ihnen wird eine automatisierte, compilerbasierte Methodik vorgeschlagen, um die Fehlerpropagation auf approximierten Beschleunigerdesigns abzuschätzen. Diese Methode ist in ein Tool, CEDA, integriert, um schnelle, simulationsfreie Genauigkeitsschätzungen von approximierten Beschleunigermodellen durchzuführen, die unter Verwendung von C-Code beschrieben wurden. Beim Entwurf von approximierten Beschleunigern benötigen sich wiederholende Simulationen auf Gate-Level und die Schaltungssynthese viel Zeit, um viele oder sogar alle möglichen Kombinationen für einen gegebenen Satz von approximierten arithmetischen Schaltungen zu untersuchen. Andererseits basieren aktuelle Trends beim Entwerfen von Beschleunigern auf High-Level Synthesis (HLS) Werkzeugen. In dieser Dissertation werden analytische Modelle zur Schätzung der erforderlichen Rechenressourcen vorgestellt, wenn approximierte Addierer und Multiplizierer in Konstruktionen von approximierten Beschleunigern verwendet werden. Darüber hinaus werden diese Modelle zusammen mit den vorgeschlagenen analytischen Modellen zur Genauigkeitsschätzung in eine DSE-Methodik für fehlertolerante Anwendungen, DSEwam, integriert, um Pareto-optimale oder nahezu Pareto-optimale Lösungen für approximierte Beschleuniger zu identifizieren. DSEwam ist in ein HLS-Tool integriert, um automatisch RTL-Beschreibungen von approximierten Beschleunigern aus C-Sprachbeschreibungen für eine bestimmte Fehlerschwelle und ein bestimmtes Minimierungsziel zu generieren. Die Verwendung von approximierten Beschleunigern muss sicherstellen, dass Fehler, die aufgrund von approximierten Berechnungen erzeugt werden, innerhalb eines definierten Maximalwerts für eine gegebene Genauigkeitsmetrik bleiben. Die Fehler, die durch approximierte Beschleuniger erzeugt werden, hängen jedoch von den Eingabedaten ab, die hinsichtlich der für das Design verwendeten Daten unterschiedlich sein können. In dieser Dissertation wird ECAx vorgestellt, eine automatisierte Methode zur Untersuchung und Anwendung feinkörniger Fehlerkorrekturen mit geringem Overhead in approximierten Beschleunigern, um die Kosten für die Fehlerkorrektur auf Softwareebene (wie es in der Literatur gemacht wird) zu senken. Dies erfolgt durch selektive Korrektur der signifikantesten Fehler (in Bezug auf ihre Größenordnung), die von approximierten Komponenten erzeugt werden, ohne die Vorteile der Approximationen zu verlieren. Die experimentelle Auswertung zeigt Beschleunigungsverbesserungen für die Anwendung im Austausch für einen leicht gestiegenen Flächen- und Leistungsverbrauch im approximierten Beschleunigerdesign

Faster all-pairs shortest paths via circuit complexity

We present a new randomized method for computing the min-plus product (a.k.a., tropical product) of two $n \times n$ matrices, yielding a faster algorithm for solving the all-pairs shortest path problem (APSP) in dense $n$-node directed graphs with arbitrary edge weights. On the real RAM, where additions and comparisons of reals are unit cost (but all other operations have typical logarithmic cost), the algorithm runs in time $$\frac{n^3}{2^{\Omega(\log n)^{1/2}}}$$ and is correct with high probability. On the word RAM, the algorithm runs in $n^3/2^{\Omega(\log n)^{1/2}} + n^{2+o(1)}\log M$ time for edge weights in $([0,M] \cap {\mathbb Z})\cup\{\infty\}$. Prior algorithms used either $n^3/(\log^c n)$ time for various $c \leq 2$, or $O(M^{\alpha}n^{\beta})$ time for various $\alpha > 0$ and $\beta > 2$. The new algorithm applies a tool from circuit complexity, namely the Razborov-Smolensky polynomials for approximately representing ${\sf AC}^0[p]$ circuits, to efficiently reduce a matrix product over the $(\min,+)$ algebra to a relatively small number of rectangular matrix products over ${\mathbb F}_2$, each of which are computable using a particularly efficient method due to Coppersmith. We also give a deterministic version of the algorithm running in $n^3/2^{\log^{\delta} n}$ time for some $\delta > 0$, which utilizes the Yao-Beigel-Tarui translation of ${\sf AC}^0[m]$ circuits into "nice" depth-two circuits.Comment: 24 pages. Updated version now has slightly faster running time. To appear in ACM Symposium on Theory of Computing (STOC), 201