Trong ngành bán dẫn, 40nm là con số gợi lên hình ảnh của một thế hệ công nghệ đã qua. Trong khi các nhà sản xuất chip hàng đầu thế giới đang chạy đua ở mức 3nm và 2nm, một con chip 40nm thường không được nhắc đến trong các cuộc thảo luận về hiệu năng.
Thế nhưng một nhóm nghiên cứu từ Đại học Bắc Kinh và Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc vừa công bố kết quả khiến giới chuyên môn phải chú ý: con chip 40nm của họ có thể tái tạo bề mặt não người trong chưa đầy nửa giây, nhanh hơn GPU A100 của NVIDIA từ 50 đến 478 lần tùy theo độ phức tạp của tác vụ. Nghiên cứu được đăng trên tạp chí Science và được xác nhận độc lập bởi các nhà khoa học từ Trung tâm Nghiên cứu Juelich của Đức.
Để hiểu tại sao kết quả này đáng chú ý, cần biết bề mặt não người trông như thế nào. Vỏ não có hàng nghìn nếp gấp và rãnh phức tạp, giúp nhồi nhét hàng tỷ tế bào thần kinh vào trong hộp sọ.
Để hỗ trợ phẫu thuật thần kinh hoặc chẩn đoán bệnh, bác sĩ cần dựng lại mô hình 3D chính xác của toàn bộ bề mặt đó từ dữ liệu quét não. Trước đây, việc này đòi hỏi hệ thống máy tính lớn và mất từ nhiều phút đến hàng giờ, quá chậm để sử dụng trong phòng mổ khi bác sĩ cần kết quả ngay lập tức.
Vấn đề cốt lõi nằm ở kiến trúc máy tính truyền thống. Trong mọi hệ thống hiện nay, bộ nhớ và bộ xử lý là hai đơn vị tách biệt. Mỗi lần tính toán, dữ liệu phải di chuyển liên tục từ nơi lưu trữ sang nơi xử lý rồi quay lại, tạo ra độ trễ tích lũy lớn khi khối lượng dữ liệu khổng lồ như dữ liệu não.
Nhóm nghiên cứu Trung Quốc giải quyết vấn đề này bằng cách xóa bỏ ranh giới đó hoàn toàn. Kiến trúc computing-in-memory của họ tích hợp cả lưu trữ lẫn xử lý trong cùng một mảng bộ nhớ, dữ liệu không cần di chuyển đi đâu cả, tính toán diễn ra ngay tại chỗ.
Điểm kỹ thuật thú vị hơn nằm ở cách nhóm nghiên cứu xử lý một khuyết điểm vốn cản trở thế hệ chip bộ nhớ mới nhất. Memristor, loại bộ nhớ thế hệ kế tiếp được kỳ vọng thay thế RAM truyền thống, có một hiện tượng gọi là "conductance drift", tức giá trị điện dẫn của chip tự thay đổi theo thời gian khiến dữ liệu không ổn định.
Thay vì cố gắng loại bỏ hiện tượng này, nhóm nghiên cứu biến nó thành công cụ tính toán, dùng chính sự biến động đó để mô phỏng cách các tế bào thần kinh thay đổi trạng thái trong não thật. Các nhà khoa học Đức tại Trung tâm Juelich so sánh cách tiếp cận này với việc "chế biến sữa tươi ngay tại trang trại thay vì vận chuyển đến nhà máy", nhấn mạnh hiệu quả của việc xử lý dữ liệu ngay tại nơi lưu trữ.
Kết quả thực tế mở ra một số ứng dụng y tế quan trọng. Giáo sư Yang Yuchao, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết chip có thể cung cấp bản đồ não theo thời gian thực cho bác sĩ phẫu thuật thần kinh ngay trong ca mổ, hỗ trợ sàng lọc sớm Alzheimer thông qua phân tích nhanh cấu trúc não, và đặt nền tảng phần cứng cho các giao diện não-máy tính thế hệ tiếp theo. Trong tương lai xa hơn, ông dự kiến công nghệ này có thể cho phép xây dựng các "bản sao não số" được cá nhân hóa cho từng bệnh nhân.
Điều đáng lưu ý là hiệu năng vượt trội so với A100 chỉ áp dụng cho tác vụ cụ thể này, không phải tính toán AI tổng quát. Tuy nhiên, kết quả đã chứng minh một nguyên lý quan trọng: đôi khi tiến trình sản xuất chip không phải yếu tố quyết định duy nhất. Với đúng kiến trúc và đúng bài toán, một con chip 40nm có thể làm được điều mà GPU hiện đại nhất không theo kịp.
Nguyễn Hải
