Hoàng Anh
Writer
Đột phá từ Đại học Hàng không Bắc Kinh hứa hẹn vượt qua những rào cản về năng lượng và kiến trúc của tính toán truyền thống bằng cách kết hợp logic nhị phân và logic xác suất, tạo ra các con chip có khả năng chịu lỗi và hiệu suất năng lượng chưa từng có.
Trang công nghệ Interesting Engineering vào ngày 9 tháng 6 đưa tin, Trung Quốc đã bắt đầu quá trình ứng dụng trên quy mô lớn một loại chip Trí tuệ Nhân tạo (AI) phi nhị phân hoàn toàn mới. Con chip này tích hợp công nghệ tính toán lai độc quyền và đang được triển khai vào các lĩnh vực quan trọng như hàng không và các hệ thống công nghiệp.
Được phát triển bởi một nhóm nghiên cứu do giáo sư Li Hongge tại Đại học Hàng không Bắc Kinh đứng đầu, đột phá này được cho là có khả năng vượt qua nhiều rào cản cơ bản trong lĩnh vực tính toán truyền thống. Bằng cách kết hợp giữa logic nhị phân và logic ngẫu nhiên (dựa trên xác suất), con chip này đã đạt được khả năng chịu lỗi và hiệu suất năng lượng chưa từng có, đặc biệt hiệu quả trong các ứng dụng điều khiển thông minh như màn hình cảm ứng và hệ thống bay của máy bay.
Công nghệ chip hiện nay đang phải đối mặt với hai thách thức lớn, thường được gọi là "bức tường năng lượng" (energy wall) và "bức tường kiến trúc" (architecture wall).
Bức tường năng lượng: Xuất phát từ một mâu thuẫn cơ bản. Trong khi các hệ thống tính toán nhị phân (sử dụng hai ký tự 0 và 1) rất hiệu quả trong việc truyền tải và xử lý thông tin một cách chính xác, chúng lại tiêu thụ một lượng năng lượng rất lớn, đặc biệt khi thực hiện các tác vụ phức tạp.
Bức tường kiến trúc: Là do các loại chip được làm từ vật liệu mới (phi silicon) không thể dễ dàng tương tác và tích hợp với các hệ thống truyền thống vốn dựa trên công nghệ bán dẫn CMOS (bán dẫn oxit kim loại bổ sung).
Nhóm nghiên cứu của giáo sư Li đã tìm kiếm các giải pháp thay thế cho những vấn đề này từ năm 2022. Đột phá của họ đến từ việc đề xuất một hệ thống số hoàn toàn mới mang tên Số ngẫu nhiên lai (Hybrid Stochastic Number - HSN).
Hệ thống HSN là sự kết hợp thông minh giữa số nhị phân truyền thống và số dựa trên xác suất (hay còn gọi là tính toán ngẫu nhiên - stochastic computing).
Tính toán nhị phân: Là nền tảng của các máy tính hiện nay, biểu thị các biến bằng hai ký tự 0 và 1, dựa vào các phép toán số học chính xác. Tuy nhiên, việc tính toán nhị phân ở quy mô lớn đòi hỏi rất nhiều tài nguyên phần cứng.
Tính toán xác suất: Ngược lại, phương pháp này tận dụng tần số xuất hiện của các tín hiệu điện áp cấp cao trong một khoảng thời gian cố định để biểu thị các giá trị. Cách tiếp cận này giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ phần cứng, và đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như xử lý hình ảnh, mạng nơron và học sâu. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là có độ trễ lớn trong quá trình tính toán do cách biểu thị giá trị dựa trên tần số.
Để giải quyết vấn đề trên, giáo sư Li và các cộng sự đã giới thiệu logic xác suất lai, một phương pháp kết hợp được tốc độ của tính toán nhị phân với hiệu quả về mặt phần cứng của logic ngẫu nhiên.
Dựa trên khái niệm đó, nhóm đã thiết kế thành công một con chip thông minh cho các tác vụ cảm ứng và hiển thị vào năm 2023. Con chip này được sản xuất bằng công nghệ quy trình 110-nanomet của nhà sản xuất chip hàng đầu Trung Quốc là SMIC (Tập đoàn Quốc tế Sản xuất Bán dẫn). Họ đã tiếp tục phát triển nó thành một con chip hiệu suất cao hơn dành cho các tác vụ học máy (machine learning).
Ngoài công nghệ HSN, con chip mới này còn tích hợp thuật toán tính toán trong bộ nhớ (in-memory computing), giúp giảm thiểu việc phải di chuyển dữ liệu (vốn tiêu tốn rất nhiều năng lượng) giữa bộ nhớ và bộ xử lý, qua đó cải thiện hiệu suất tổng thể. Nó cũng được trang bị kiến trúc hệ thống trên chip (System-on-a-Chip - SoC), tích hợp nhiều loại đơn vị tính toán khác nhau để có thể xử lý nhiều tác vụ song song, tránh được những hạn chế của các cấu trúc truyền thống.
Chip AI phi nhị phân của nhóm giáo sư Li hiện đang được áp dụng trong các trường hợp điều khiển thông minh, bao gồm:
Sự ra đời của con chip AI phi nhị phân đầu tiên trên thế giới là một minh chứng cho thấy những nỗ lực không ngừng của Trung Quốc trong việc tìm kiếm các hướng đi mới, đột phá trong công nghệ bán dẫn, nhằm vượt qua các rào cản của tính toán truyền thống và giảm sự phụ thuộc vào các công nghệ nước ngoài.
Trung Quốc và bước tiến mới trong công nghệ chip AI
Trang công nghệ Interesting Engineering vào ngày 9 tháng 6 đưa tin, Trung Quốc đã bắt đầu quá trình ứng dụng trên quy mô lớn một loại chip Trí tuệ Nhân tạo (AI) phi nhị phân hoàn toàn mới. Con chip này tích hợp công nghệ tính toán lai độc quyền và đang được triển khai vào các lĩnh vực quan trọng như hàng không và các hệ thống công nghiệp.
Được phát triển bởi một nhóm nghiên cứu do giáo sư Li Hongge tại Đại học Hàng không Bắc Kinh đứng đầu, đột phá này được cho là có khả năng vượt qua nhiều rào cản cơ bản trong lĩnh vực tính toán truyền thống. Bằng cách kết hợp giữa logic nhị phân và logic ngẫu nhiên (dựa trên xác suất), con chip này đã đạt được khả năng chịu lỗi và hiệu suất năng lượng chưa từng có, đặc biệt hiệu quả trong các ứng dụng điều khiển thông minh như màn hình cảm ứng và hệ thống bay của máy bay.
Vượt qua "bức tường" năng lượng và kiến trúc
Công nghệ chip hiện nay đang phải đối mặt với hai thách thức lớn, thường được gọi là "bức tường năng lượng" (energy wall) và "bức tường kiến trúc" (architecture wall).
Bức tường năng lượng: Xuất phát từ một mâu thuẫn cơ bản. Trong khi các hệ thống tính toán nhị phân (sử dụng hai ký tự 0 và 1) rất hiệu quả trong việc truyền tải và xử lý thông tin một cách chính xác, chúng lại tiêu thụ một lượng năng lượng rất lớn, đặc biệt khi thực hiện các tác vụ phức tạp.
Bức tường kiến trúc: Là do các loại chip được làm từ vật liệu mới (phi silicon) không thể dễ dàng tương tác và tích hợp với các hệ thống truyền thống vốn dựa trên công nghệ bán dẫn CMOS (bán dẫn oxit kim loại bổ sung).
Nhóm nghiên cứu của giáo sư Li đã tìm kiếm các giải pháp thay thế cho những vấn đề này từ năm 2022. Đột phá của họ đến từ việc đề xuất một hệ thống số hoàn toàn mới mang tên Số ngẫu nhiên lai (Hybrid Stochastic Number - HSN).
Số ngẫu nhiên lai (HSN): Kết hợp tốc độ và hiệu quả
Hệ thống HSN là sự kết hợp thông minh giữa số nhị phân truyền thống và số dựa trên xác suất (hay còn gọi là tính toán ngẫu nhiên - stochastic computing).
Tính toán nhị phân: Là nền tảng của các máy tính hiện nay, biểu thị các biến bằng hai ký tự 0 và 1, dựa vào các phép toán số học chính xác. Tuy nhiên, việc tính toán nhị phân ở quy mô lớn đòi hỏi rất nhiều tài nguyên phần cứng.
Tính toán xác suất: Ngược lại, phương pháp này tận dụng tần số xuất hiện của các tín hiệu điện áp cấp cao trong một khoảng thời gian cố định để biểu thị các giá trị. Cách tiếp cận này giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ phần cứng, và đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như xử lý hình ảnh, mạng nơron và học sâu. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là có độ trễ lớn trong quá trình tính toán do cách biểu thị giá trị dựa trên tần số.
Để giải quyết vấn đề trên, giáo sư Li và các cộng sự đã giới thiệu logic xác suất lai, một phương pháp kết hợp được tốc độ của tính toán nhị phân với hiệu quả về mặt phần cứng của logic ngẫu nhiên.
Dựa trên khái niệm đó, nhóm đã thiết kế thành công một con chip thông minh cho các tác vụ cảm ứng và hiển thị vào năm 2023. Con chip này được sản xuất bằng công nghệ quy trình 110-nanomet của nhà sản xuất chip hàng đầu Trung Quốc là SMIC (Tập đoàn Quốc tế Sản xuất Bán dẫn). Họ đã tiếp tục phát triển nó thành một con chip hiệu suất cao hơn dành cho các tác vụ học máy (machine learning).
Ngoài công nghệ HSN, con chip mới này còn tích hợp thuật toán tính toán trong bộ nhớ (in-memory computing), giúp giảm thiểu việc phải di chuyển dữ liệu (vốn tiêu tốn rất nhiều năng lượng) giữa bộ nhớ và bộ xử lý, qua đó cải thiện hiệu suất tổng thể. Nó cũng được trang bị kiến trúc hệ thống trên chip (System-on-a-Chip - SoC), tích hợp nhiều loại đơn vị tính toán khác nhau để có thể xử lý nhiều tác vụ song song, tránh được những hạn chế của các cấu trúc truyền thống.
Ứng dụng thực tiễn và tầm nhìn tương lai
Chip AI phi nhị phân của nhóm giáo sư Li hiện đang được áp dụng trong các trường hợp điều khiển thông minh, bao gồm:
- Nhận diện cảm ứng: Giúp các màn hình cảm ứng có thể lọc nhiễu hiệu quả để phát hiện các tín hiệu chạm yếu, từ đó tăng cường khả năng tương tác của người dùng.
- Màn hình thiết bị: Cho phép xử lý dữ liệu hình ảnh một cách chính xác nhưng lại tiêu thụ ít năng lượng hơn, cải thiện hiệu suất và độ tin cậy.
- Hệ thống điều khiển bay: Cung cấp sự hỗ trợ tính toán mạnh mẽ để có thể điều hướng máy bay một cách chính xác và ổn định.
Sự ra đời của con chip AI phi nhị phân đầu tiên trên thế giới là một minh chứng cho thấy những nỗ lực không ngừng của Trung Quốc trong việc tìm kiếm các hướng đi mới, đột phá trong công nghệ bán dẫn, nhằm vượt qua các rào cản của tính toán truyền thống và giảm sự phụ thuộc vào các công nghệ nước ngoài.
