Thế giới đang sôi động về AI mới nhất và sức mạnh của mạng thần kinh, những quên rằng phần mềm bị giới hạn trên nền tảng phần cứng. Theo GS Kỹ thuật Điện và Máy tính Đại học Nam California (USC) Joshua Yang, phần cứng của chíp nhớ đã trở thành "nút cổ chai".

Một nghiên cứu mới của GS Yang cùng các cộng tác viên có thể làm thay đổi luật chơi trong ngành chip. Nhóm nghiên cứu tuyên bố phát triển một loại chip mới với bộ nhớ tốt nhất so với bất kỳ chip nào đến nay cho AI biên (AI trong những thiết bị di động).

Khoảng 30 năm qua, kích thước của các mạng thần kinh, cần thiết cho những ứng dụng AI và khoa học dữ liệu tăng gấp đôi sau mỗi giai đoạn 3,5 tháng, nhưng khả năng phần cứng cần thiết để xử lý dữ liệu chỉ tăng gấp 2 sau mỗi giai đoạn 3,5 năm. Theo GS Yang, phần cứng là vấn đề đang ngày càng nghiêm trọng đối với cả những nhà khoa học có tính kiên nhẫn cao.

Các chính phủ, ngành công nghiệp và viện nghiên cứu trên toàn thế giới đang cố gắng giải quyết thách thức phần cứng này. Một số nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu phát triển giải pháp phần cứng với chip silicon, các nhóm khoa học khác chuyển sang thử nghiệm những loại vật liệu và thiết bị mới. Nghiên cứu của GS Yang nằm ở giữa, tập trung vào nghiên cứu khai thác và kết hợp những lợi thế của vật liệu mới và công nghệ silicon truyền thống, hỗ trợ cho khoa học dữ liệu và tăng cường sức mạnh tính toán cho các AI nặng.

Bài báo về công trình nghiên cứu mới của các nhà khoa học, đăng trên tạp chí Nature tập trung vào sự hiểu biết về vật lý cơ bản dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ dung lượng bộ nhớ cần thiết cho phần cứng AI. Nhóm nghiên cứu do GS Yang dẫn đầu, phối hợp với các nhà nghiên cứu từ USC (bao gồm cả nhóm của GS Han Wang), Viện Nghiên cứu Massachusetts (MIT), Đại học Massachusetts đã phát triển một giao thức cho các thiết bị bán dẫn siêu nhỏ nhằm giảm "tiếng ồn" và chứng minh tính thực tế của khả năng sử dụng giao thức này trong những chip tích hợp. Sự kiện trình diễn chứng minh công nghệ này đã được thực hiện tại TetraMem, một công ty khởi nghiệp do GS Yang và các đồng tác giả (Miao Hu, Qiangfei Xia và Glenn Ge) đồng sáng lập nhằm thương mại hóa công nghệ tăng tốc AI.

Theo GS Yang, chip nhớ mới có mật độ thông tin (11 bit) cao nhất trên mỗi bóng bán dẫn trong số tất cả những loại công nghệ bộ nhớ đã biết cho đến nay. Những thiết bị nhỏ siêu mạnh này có thể đóng vai trò quan trọng trong khả năng mang lại sức mạnh đáng kinh ngạc cho những thiết bị điện tử cầm tay di động. Các chip mới không chỉ dành cho bộ nhớ mà cả cho bộ vi xử lý. Hàng triệu thiết bị bán dẫn trong một con chip nhỏ, hoạt động song song để chạy các tác vụ AI với tốc độ cao, nhưng chỉ cần một pin nhỏ để cung cấp năng lượng.

Các chip mà Yang và các đồng nghiệp đang phát triển kết hợp silicon với các memristor oxit kim loại, tạo ra những con chip có sức mạnh tính toán cao nhưng sử dụng ít năng lượng. Kỹ thuật này tập trung vào khả năng sử dụng vị trí của những nguyên tử để biểu diễn thông tin chứ không phải là số lượng electron (kỹ thuật hiện tại để tính toán trên chip).

 Thiết kế chip mới cung cấp sức mạnh tính toán cao nhất trong bộ nhớ, cho phép đưa các ứng dụng AI vào các thiết bị di động. Ảnh: Joshua Yang của USC và TetraMem

Vị trí của các nguyên tử cung cấp một phương thức nhỏ gọn và ổn định để lưu trữ dữ liệu thông tin khối lượng lớn hơn bằng analog, chứ không phải model kỹ thuật số. Hơn nữa, thông tin có thể được xử lý ở nơi được lưu trữ thay vì chuyển đến một trong số ít "bộ xử lý" chuyên dụng, loại bỏ cái gọi là “nút cổ chai von Neumann” đang tồn tại trong các hệ thống máy tính hiện tại. Theo phương thức này, GS Yang nói, điện toán cho AI "tiết kiệm năng lượng hơn với thông lượng cao hơn".

Phương thức hoạt động

GS Yang giải thích, các electron được điều khiển trong chip truyền thống là hạt "ánh sáng". Sự không có trọng lượng này khiến electron dễ bị di chuyển xung quanh và dễ bay hơi hơn. Thay vì lưu trữ bộ nhớ bằng các electron, GS Yang và các cộng sự lưu trữ dữ liệu bộ nhớ bằng các nguyên tử hoàn chỉnh. Đây là bản chất vấn đề, vì sao bộ nhớ mới có ý ngĩa quan trọng. GS Yang nhận xét, khi tắt máy tính, thông tin trong bộ nhớ sẽ biến mất, khi cần bộ nhớ đó để chạy một tính toán mới và máy tính cần lấy lại thông tin, người dùng mất cả thời gian và năng lượng.

Phương pháp mới tập trung vào hành động kích hoạt các nguyên tử chứ không phải điện tử, không yêu cầu năng lượng pin duy trì thông tin lưu trữ. Những kịch bản tương tự diễn ra trong tính toán AI, yêu cầu bộ nhớ ổn định có khả năng chứa thông tin mật độ cao có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Ông Yang cho rằng, công nghệ mới, lưu trữ thông tin bằng nguyên tử có thể thúc đẩy những mô hình AI mạnh mẽ trong những thiết bị điện tiêu dùng tiên tiến như Google Glasses, thường xuyên gặp sự cố khi sạc lại pin.

Bằng phương thức chuyển đổi nguyên lý hoạt động của chip trên cơ sở các nguyên tử chứ không phải điện tử, chip trở nên nhỏ hơn. GS Yang khẳng định, bằng phương pháp mới, chíp sẽ có nhiều năng lực tính toán hơn với quy mô kích thước nhỏ hơn nữa. Phương pháp này có thể cung cấp "nhiều cấp độ bộ nhớ hơn để tăng mật độ thông tin."

Để giải thích ưu thế của phát minh này, GS Joshua Yang cho biết, ChatGPT đang chạy trên nền tảng đám mây. Phát minh chip mới, cùng với một số phát triển tiếp theo của công nghệ có thể cung cấp sức mạnh tính toán, cho phép đưa một phiên bản nhỏ ChatGPT vào thiết bị cá nhân của mọi người. Nguyên lý hoạt động của chip mới khiến công nghệ AI mạnh mẽ nhưng có giá thành hợp lý và dễ tiếp cận hơn đối với tất cả các loại ứng dụng hỗ trợ AI.