Công nghệ vi xử lý mới trong tương lai gần (P1)

TĂNG CHI PHÍ NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI CÔNG NGHỆ MỚI

IBM mới đây đã công bố sẽ đầu tư 3 tỷ USD trong vòng 5 năm tới vào hai chương trình nghiên cứu và phát triển để phá vỡ các giới hạn hiện tại của công nghệ chip bán dẫn, nhằm đáp ứng nhu cầu mới của các hệ thống điện toán đám mây và dữ liệu lớn. Chương trình thứ nhất, được gọi là "7 nanomet và nhỏ hơn" tập trung vào việc phát triển công nghệ bán dẫn silicon nhằm giảm kích thước chip hiện tại xuống còn tối đa là 7 nanomet. Chương trình thứ hai là tìm kiếm các công nghệ của kỷ nguyên hậu bán dẫn để thay thế cho các chip bán dẫn, sử dụng các cách tiếp cận hoàn toàn khác để vượt qua những giới hạn vật lý của công nghệ bán dẫn sử dụng vật liệu silicon truyền thống.

Đội ngũ nghiên cứu này sẽ bao gồm các nhà khoa học thuộc Bộ phận Nghiên cứu IBM (IBM Research) và các kỹ sư từ Albany và Yorktown, New York, Almaden, California (Mỹ) và Zurich (Thụy Sĩ). Đặc biệt, IBM sẽ tăng cường tuyển dụng các chuyên gia trong những lĩnh vực nghiên cứu mới đang được triển khai tại IBM, như điện tử na-nô các-bon, quang điện tử silicon, các công nghệ mới về bộ nhớ và các kiến trúc để hỗ trợ điện toán lượng tử và điện toán biết nhận thức. Các nhóm nghiên cứu sẽ tập trung cải tiến hiệu năng ở cấp độ hệ thống và tính hiệu quả về năng lượng của điện toán. Ngoài ra, IBM sẽ tiếp tục đầu tư vào khoa học na-nô và điện toán lượng tử - hai lĩnh vực khoa học cơ bản mà IBM đã luôn đi tiên phong trong suốt ba thập kỷ qua.

Các nhà nghiên cứu của IBM cùng các chuyên gia khác về công nghệ bán dẫn dự báo rằng, mặc dù còn có nhiều thách thức, công nghệ bán dẫn vẫn có tiềm năng để tiếp tục thu nhỏ, từ 24 nanomet hiện nay xuống còn 14 và sau đó là 10 nanomet trong vòng vài năm tới. Tuy nhiên, để có thể thu nhỏ xuống 7 nanomet và thậm chí là nhỏ hơn nữa vào cuối thập kỷ này, cần đầu tư và sáng tạo rất nhiều vào các kiến trúc bán dẫn và cần phát minh ra những công cụ cũng như kỹ thuật sản xuất mới.

"Câu hỏi ở đây không phải là liệu chúng ta có thể đưa được công nghệ 7 nanomet vào sản xuất hay không, mà là sản xuất như thế nào, khi nào, và chi phí là bao nhiêu?" ông John Kelly, Phó chủ tịch cao cấp phụ trách Bộ phận Nghiên cứu IBM, chia sẻ. "Các kỹ sư và nhà khoa học IBM cùng với các đối tác của chúng tôi đã sẵn sàng cho việc giải quyết những thách thức này và đang tiến hành các nghiên cứu khoa học vật liệu, kỹ thuật cần thiết về thiết bị để đáp ứng nhu cầu của các hệ thống mới trong các lĩnh vực điện toán đám mây, dữ liệu lớn và các hệ thống biết nhận thức. Khoản đầu tư mới này sẽ đảm bảo để chúng tôi đưa ra được những sáng tạo cần thiết nhằm vượt qua những thách thức của kỷ nguyên mới".

"Việc thu nhỏ xuống 7 nanomet và nhỏ hơn nữa đang trở thành một thách thức đầy khó khăn. Điều đó đòi hỏi kiến thức chuyên môn sâu về vật lý và khoa học na-nô. IBM là một trong số ít các công ty trên thế giới có thể chạm tới cấp độ này của hoạt động khoa học và kỹ thuật ," ông Richard Doherty, Giám đốc Công nghệ, Envisioneering Group, nhận xét.

CẦU NỐI ĐẾN KỶ NGUYÊN "HẬU SILICON"

Vượt qua giới hạn 7 nanomet, những thách thức đó sẽ trở nên nghiêm trọng hơn nhiều, đòi hỏi một loại vật liệu mới với khả năng hỗ trợ các hệ thống và những nền tảng điện toán tương lai để giải quyết những vấn đề hiện nay còn chưa xử lý được hay vẫn còn khó giải quyết. Các giải pháp thay thế tiềm năng bao gồm những vật liệu mới như là ống na-nô các-bon, hay những xu hướng điện toán như điện toán nơ-ron và điện toán lượng tử.

Không chỉ dừng lại ở công nghệ điện toán dựa trên vật liệu silicon truyền thống, IBM sở hữu hơn 2.500 bằng sáng chế và hồ sơ xin cấp bằng sáng chế cho những công nghệ có thể hỗ trợ những tiến bộ ở mức 7 nanomet và xa hơn silicon. Một số nghiên cứu mang tính đột phá có thể dẫn đến những tiến bộ quan trọng trong việc cung cấp những chip máy tính nhỏ hơn, nhanh hơn và mạnh mẽ hơn, bao gồm cả điện toán lượng tử, điện toán nơ-ron, quang điện tử silicon, ống na-nô các-bon, hợp chất a-sen gali, các bóng bán dẫn công suất thấp và màng các-bon.

ĐIỆN TOÁN LƯỢNG TỬ

Thành phần cơ bản nhất của thông tin mà một chiếc máy tính có thể hiểu được chính là một bit. Cũng giống như là ánh sáng có thể được bật lên hay tắt đi, một bit chỉ có thể nhận một trong hai giá trị: "1“ hoặc "0“. Đối với một bit lượng tử hoặc gọi ngắn gọn là một "qubit", chúng có thể nhận giá trị là "1“ hoặc "0" hay là cả hai giá trị đó một cách đồng thời. Được mô tả như là sự chồng chéo, đây chính là điều cho phép những chiếc máy tính lượng tử thực hiện được hàng triệu phép tính một cách đồng thời.

Những thuộc tính đặc biệt này của qubits sẽ cho phép máy tính lượng tử cân nhắc hàng triệu lời giải một cách đồng thời, trong khi những chiếc máy tính PC để bàn chỉ có thể tính toán một lời giải ở mỗi thời điểm.

IBM đã có nhiều nghiên cứu chuyên sâu trong lĩnh vực khoa học điện toán lượng tử dựa trên qubit siêu dẫn và là công ty đi tiên phong trong lĩnh vực thông tin lượng tử về mặt lý thuyết và thí nghiệm. Đây là lĩnh vực vẫn còn thuộc về khoa học cơ bản nhưng trong dài hạn, có thể cho phép giải quyết được nhiều vấn đề hiện nay không thể xử lý được nếu chỉ dựa trên những cỗ máy thông thường. Mới đây, đội ngũ nghiên cứu này đã trình diễn thực tế đầu tiên về mặt thí nghiệm trong việc kiểm tra cực tính (parity check) với ba qubits siêu dẫn, khối cấu thành cơ bản của một loại máy tính lượng tử.

ĐIỆN TOÁN NƠ-RON

Kết hợp giữa khoa học na-nô, khoa học nơ-ron và siêu máy tính, IBM cùng với các đối tác là các trường đại học đã phát triển một hệ sinh thái toàn diện trong đó bao gồm một kiến trúc không dựa trên kiến trúc Von Neuman thông thường (non- von Neumann), một ngôn ngữ lập trình cũng như là các ứng dụng mới.Công nghệ mới này cho phép các hệ thống điện toán mô phỏng hiệu suất, kích thước và hiệu quả sử dụng năng lượng của bộ não con người. Mục tiêu dài hạn của IBM là xây dựng một hệ thống nơ-ron trong đó có chứa hàng chục tỷ nơ-ron và hàng trăm nghìn tỷ khớp thần kinh trong khi chỉ tiêu thụ một ki-lô oát điện và chiếm một thể tích không gian không đầy hai lít.

Các nhà nghiên cứu của IBM đã thiết kế thử nghiệm bộ vi xử lý TrueNorth với vi mạch SyNapse có 4.096 lõi và 5,4 tỷ bóng bán dẫn tạo thành hệ thống tương tự cả triệu tế bào thần kinh điện tử và 256 triệu khớp thần kinh, mở ra kỷ nguyên mới của các máy tính ngày càng thông minh hơn. Vi mạch SyNapse xử lý thông tin bằng cách bắt chước hành vi của tế bào và mối nối thần kinh của não người. Dù chưa thể bì được khả năng xử lý thông tin như vi mạch máy tính hiện nay nhưng con chip mới hấp thu rất ít năng lượng và phù hợp với các chức năng xử lý hình ảnh, âm thanh và các dữ liệu về giác quan khác. Trong phòng thí nghiệm, laptop sử dụng chip thường xử lý hình ảnh chậm hơn 100 lần nhưng tiêu tốn năng lượng cao hơn đến 100.000 lần so với laptop dùng chip TrueNorth.

QUANG ĐIỆN TỬ SILICON

IBM cũng đã theo đuổi lĩnh vực quang điện tử silicon tích hợp CMOS trong suốt hơn 12 năm qua. Công nghệ này có khả năng tích hợp các chức năng của truyền thông quang học trên một chip silicon. Đội ngũ nghiên cứu của IBM mới đây đã thiết kế và chế tạo được chip quang điện tử silicon đơn khối đầu tiên trên thế giới với công nghệ ghép kênh theo bước sóng. Những chiếc máy thu phát đó sẽ sử dụng ánh sáng để truyền dữ liệu giữa các cấu phần khác nhau trong một hệ thống điện toán với tốc độ cao, chi phí thấp và theo một cách thức cực kỳ có hiệu quả về mặt năng lượng.

Quang điện na-nô silicon khai thác ưu thế của những xung ánh sáng cho hoạt động truyền thông thay vì kết nối bằng dây đồng truyền thống và tạo ra một siêu xa lộ thông tin để truyền tải những khối lượng dữ liệu lớn với tốc độ cao giữa các chip máy tính nằm trong các máy chủ, trung tâm dữ liệu lớn và siêu máy tính, từ đó vượt qua những giới hạn làm tắc nghẽn lưu lượng và các mạng kết nối truyền thống có chi phí cao.

Các doanh nghiệp đang bước vào một kỷ nguyên mới của điện toán, đòi hỏi các hệ thống phải xử lý và phân tích theo thời gian thực những khối lượng thông tin khổng lồ, được gọi là dữ liệu lớn. Công nghệ quang điện tử na-nô silicon cung cấp lời giải cho những thách thức trong trung tâm dữ liệu bằng cách kết nối một cách liền mạch nhiều bộ phận khác nhau của các hệ thống lớn, cho dù chúng chỉ ở cách nhau vài xăng-ti-mét hai là vài ki-lô-met, đồng thời truyền nhiều terabytes dữ liệu thông qua các xung ánh sáng trên sợi quang.

Minh Thiện

(còn nữa)