Trong kỷ nguyên số, chúng ta đang chứng kiến sự trỗi dậy mạnh mẽ của các hệ thống máy tính có khả năng tính toán hàng nghìn tỷ phép tính mỗi giây. Tuy nhiên, sự phát triển này đang đi kèm với một cái giá đắt đỏ về môi trường.
Theo các báo cáo khoa học gần đây, việc vận hành các hệ thống AI hiện đại không chỉ tiêu tốn nguồn nước khổng lồ mà còn gây áp lực nặng nề lên khí hậu toàn cầu. Thế nhưng, có một sự thật đáng kinh ngạc là mỗi chúng ta đều đang sở hữu một "siêu máy tính" mạnh mẽ hơn bất kỳ AI nào hiện nay, nhưng lại hoạt động với mức năng lượng cực kỳ khiêm tốn.
Tiến sĩ Advait Madhavan từ Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) khẳng định, não bộ con người là một thiết bị tiết kiệm năng lượng đạt đến mức hoàn hảo. Về mặt kỹ thuật, não bộ có khả năng thực hiện tương đương một exaflop - tức là một tỷ tỷ phép tính mỗi giây. Điều gây sốc nhất là toàn bộ quá trình xử lý khổng lồ này chỉ tiêu thụ vỏn vẹn 20 watt điện.
Nếu so sánh với siêu máy tính Oak Ridge Frontier, một trong những hệ thống mạnh nhất thế giới vừa đạt ngưỡng exaflop, chúng ta sẽ thấy một khoảng cách không tưởng. Để đạt được hiệu suất tương đương não người, Oak Ridge Frontier cần tới 20 megawatt năng lượng, tức là gấp một triệu lần so với bộ não.
Để vận hành một siêu máy tính như vậy trong một ngày, thế giới phải đánh đổi bằng 207 tấn than đá hoặc 120.000 lít dầu mỏ, thải ra môi trường hàng trăm tấn khí nhà kính. Trong khi đó, bộ não con người chỉ cần năng lượng tương đương với ba quả chuối để duy trì hoạt động trong cùng khoảng thời gian. Dù não bộ chiếm 20% mức tiêu thụ năng lượng cơ bản của cơ thể, nhưng xét trên hiệu suất tính toán, đây là một con số cực kỳ nhỏ bé.
Lý giải về sự chênh lệch khủng khiếp này, các nhà sinh học và kỹ sư máy tính chỉ ra sự khác biệt trong phương thức xử lý thông tin. Giáo sư Liqun Luo từ Đại học Stanford phân tích rằng máy tính truyền thống hoạt động theo các bước tuần tự. Điều này đòi hỏi độ chính xác tuyệt đối ở từng giai đoạn vì sai số sẽ bị khuếch đại theo cấp số nhân. Ngược lại, não bộ sở hữu cấu trúc xử lý song song ở quy mô khổng lồ. Với khoảng 100 tỷ tế bào thần kinh, não không kích hoạt tất cả cùng lúc mà lựa chọn các lộ trình tối ưu cho từng nhiệm vụ cụ thể.
Ví dụ điển hình nhất là hành động bắt một quả bóng. Một máy tính phải thực hiện chuỗi lệnh: nhận diện, đo lường chuyển động, tính toán quỹ đạo, dự đoán điểm rơi và cuối cùng mới gửi lệnh đến cánh tay. Bộ não con người lại thực hiện tất cả các bước này gần như đồng thời thông qua các mạch thần kinh song song, cho phép phản ứng diễn ra chỉ trong vài mili giây với mức năng lượng tối thiểu.
Sự hiệu quả này đã mở ra một hướng đi mới cho ngành công nghiệp phần cứng. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Sydney và Đại học Surrey hiện đang nỗ lực tái thiết kế các hệ thống AI dựa trên cảm hứng sinh học. Một trong những kỹ thuật đầy triển vọng là "Sơ đồ thưa thớt địa hình" (Topographical Sparse Mapping). Thay vì kết nối mọi neuron với nhau một cách lãng phí, hệ thống mới chỉ kết nối các neuron ở gần nhau, mô phỏng cách não bộ tinh gọn các liên kết thần kinh trong quá trình học tập.
Mục tiêu của các kỹ sư không chỉ là tạo ra những máy tính mạnh hơn, mà là những hệ thống trực quan hơn, có khả năng xử lý dữ liệu mơ hồ hoặc phi tuyến tính một cách hiệu quả. Như Tiến sĩ Madhavan đã kết luận, phần cứng của tương lai phải giữ cho tác động năng lượng ở mức tối thiểu. Việc giải mã và áp dụng những bí mật của sinh học vào kiến trúc máy tính không còn là một lựa chọn, mà là yêu cầu cấp thiết để đáp ứng nhu cầu tính toán ngày càng tăng của nhân loại mà không phá hủy hành tinh.
Hành trình tiến tới kỷ nguyên máy tính sinh học vẫn còn nhiều thách thức, nhưng việc hiểu rõ sức mạnh của 20 watt điện trong não bộ chính là chìa khóa để mở ra những cánh cửa mới cho trí tuệ nhân tạo bền vững.
Đức Khương
