ÚC – Các nhà nghiên cứu tại Úc đã chế tạo thành công một loại chip công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) siêu nhỏ, có khả năng thực hiện các phép tính bằng quang năng với tốc độ ánh sáng. Loại chip nano quang học (nanophotonics) (*) này khai thác sức mạnh của các hạt ánh sáng (photon) và được sản xuất nội bộ tại trung tâm Sydney Nano (Sydney Nano Hub) thuộc đại học Sydney (university of Sydney).
(*) Nanophotonics: là ngành khoa học nghiên cứu hành vi và tương tác của ánh sáng với các vật thể có kích thước siêu nhỏ (từ 1 đến 100 nanomet). Nó giúp điều khiển, tập trung và truyền tải ánh sáng dưới bước sóng sâu (dưới ngưỡng nhiễu xạ thông thường), qua đó tạo ra các thiết bị siêu nhỏ, hiệu suất cao như ăng-ten quang, chip máy tính tốc độ cao và cảm biến sinh học siêu nhạy.

Các nhà nghiên cứu cho biết nguyên mẫu này có thể đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển phần cứng AI tiết kiệm năng lượng hơn, trong bối cảnh nhu cầu về trí tuệ nhân tạo tiếp tục tăng cao. Điều này hứa hẹn sẽ giảm thiểu tổng điện năng tiêu thụ của các hệ thống máy tính trong tương lai.

Các chip máy tính truyền thống sử dụng điện năng để xử lý thông tin, đồng nghĩa với việc di chuyển các hạt điện tích siêu nhỏ (electron) qua các dây dẫn, từ đó sinh ra nhiệt. Ngược lại, mẫu chip nano quang học sử dụng ánh sáng. Ánh sáng có thể truyền qua các vật liệu mà không gặp điện trở, do đó không tạo ra nhiệt. Khi ánh sáng đi qua các cấu trúc nano bên trong chip, chính các cấu trúc này sẽ tự động thực hiện các phép tính.

Cấu trúc nano trên chip chỉ chiếm diện tích vài chục micromet, tương đương với độ dày của một sợi tóc của con người. Các cấu trúc này kết hợp với nhau để tạo thành một mạng lưới thần kinh: các tế bào thần kinh (neuron) nhân tạo mô phỏng bộ não con người nhằm nhận diện và hoàn tất các phép tính.

Mẫu chip nguyên mẫu này thực hiện các phép tính ở thang đo thời gian picosecond, tức là một phần nghìn tỷ giây, tương ứng với thời gian cần thiết để ánh sáng đi xuyên qua cấu trúc nano. 

Các nhà nghiên cứu cho biết ưu điểm của việc sử dụng công nghệ quang tử (photonics) (*) là tốc độ tính toán nhanh hơn đáng kể khi diễn ra ở tốc độ ánh sáng. Ngoài ra, công nghệ này vận hành bằng ánh sáng thay vì điện năng, tạo nên sự khác biệt so với các trung tâm dữ liệu hiện nay vốn phụ thuộc vào lượng nước và năng lượng khổng lồ để duy trì hoạt động.
(*) Photonics: là ngành khoa học và kỹ thuật ứng dụng, tập trung vào việc tạo ra, điều khiển và phát hiện ánh sáng (các photon) thay vì electron như điện tử truyền thống. Nó bao gồm công nghệ laser, sợi quang, thiết bị quang điện tử (LED, cảm biến) và mạch tích hợp quang tử (PIC), đóng vai trò cốt lõi trong truyền thông, y tế, và điện toán tốc độ cao.

Giáo sư Xiaoke Yi nói rằng: “Nhóm nghiên cứu đã tái định nghĩa cách thức ứng dụng công nghệ quang tử để thiết kế các loại chip xử lý máy tính mới siêu nhanh và tiết kiệm năng lượng. Trí tuệ nhân tạo đang ngày càng bị hạn chế bởi mức tiêu thụ điện năng. Nghiên cứu này thực hiện các phép tính thần kinh (neural computation) (1) bằng ánh sáng, cho phép tạo ra các bộ tăng tốc AI (AI accelerator) (2) siêu nhỏ, nhanh hơn và hiệu quả hơn về mặt năng lượng.”
(1) Neural computation: thay vì xử lý dữ liệu theo các bước logic tuần tự của máy tính thông thường, nó mô phỏng cách bộ não xử lý thông tin song song thông qua các mạng lưới thần kinh nhân tạo.
(2) AI accelerator: đây là các phần cứng chuyên dụng (như chip) được thiết kế riêng để chạy các thuật toán trí tuệ nhân tạo một cách tối ưu nhất, thay vì dùng các chip đa năng như CPU.

Được công bố trên tạp chí Nature Communications, nghiên cứu đã chứng minh cách các mô hình AI có thể được đưa vào các cấu trúc quang tử kích thước nano, từ đó điều khiển ánh sáng để thực hiện các phép toán cần thiết cho học máy (machine learning).

Để kiểm chứng công nghệ, các nhà nghiên cứu đã huấn luyện chip nano quang học phân loại hơn 10.000 hình ảnh y sinh, bao gồm các bản chụp cộng hưởng từ (MRI – magnetic resonance imaging) vùng vú, ngực và bụng. Trong các mô phỏng và thử nghiệm thực tế, mạng thần kinh nano quang học đã đạt được độ chính xác phân loại trong khoảng 90-99%.

Công nghệ này mở ra lộ trình hướng tới một cơ sở hạ tầng AI bền vững, có khả năng đáp ứng nhu cầu tính toán ngày càng tăng mà không làm gia tăng mức tiêu thụ năng lượng một cách tương ứng. 

Công nghệ quang tử đã được ứng dụng trong các thiết bị dân dụng như tia laser, mạng cáp quang và chẩn đoán hình ảnh y tế.

Tuy nhiên, việc khai thác quang tử học cho xử lý máy tính mới chỉ được nghiên cứu trong những năm gần đây, với mức độ cấp thiết ngày càng tăng cùng sự bùng nổ của nhu cầu về công nghệ AI. Nghiên cứu sinh tiến sĩ Joel Sved, người đóng vai trò then chốt trong việc thiết kế và triển khai nguyên mẫu, cho biết từ kết quả cho thấy khả năng tích hợp trí tuệ trực tiếp vào các cấu trúc quang tử kích thước nano.

Trong hơn một thập kỷ qua, nhóm nghiên cứu quang tử tại đại học Sydney đã có bề dày lịch sử trong việc nghiên cứu cách thức phá vỡ những giới hạn của công nghệ quang tử, nhằm mục tiêu cải tiến các nền tảng công nghệ hiện nay.

Những nỗ lực này bao gồm việc ứng dụng quang tử học để giải quyết các thách thức trong truyền thông không dây và công nghệ cảm biến tiên tiến, loại hình công nghệ có khả năng phát hiện và đo lường các dấu vết hóa học hoặc sinh học trong môi trường. Sau khi thử nghiệm thành công mẫu chip nano quang học nguyên mẫu, nhóm của Giáo sư Yi tiếp tục nỗ lực phát triển công nghệ này hướng tới các mạng lưới thần kinh quang tử với quy mô lớn hơn.

Để xem các tin bài khác về “Chip nano quang học”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online