Một nhóm kỹ sư vừa tạo ra bước đột phá với chip máy tính sử dụng ánh sáng thay vì điện để thực hiện một trong những tác vụ tiêu tốn năng lượng nhất của trí tuệ nhân tạo: nhận diện hình ảnh và phát hiện mẫu.
Nhờ chuyển sang ánh sáng, con chip này tiêu thụ năng lượng ít hơn rất nhiều, đạt hiệu suất cao hơn từ 10 đến 100 lần so với chip điện tử hiện nay khi chạy cùng loại phép tính. Đổi mới này có thể giảm bớt gánh nặng khổng lồ mà AI đặt lên lưới điện, đồng thời hỗ trợ phát triển các mô hình AI tiên tiến và mạnh mẽ hơn.
Hoạt động then chốt mà chip thực hiện là “tích chập” (convolution) – quá trình trung tâm trong cách AI diễn giải ảnh, video và thậm chí cả ngôn ngữ viết. Hiện nay, tích chập là tác vụ rất tốn tài nguyên và thời gian. Thiết kế mới khắc phục bằng cách tích hợp laser và thấu kính siêu nhỏ trực tiếp lên bảng mạch, cho phép chip hoàn thành phép tính với ít năng lượng hơn nhiều và tốc độ nhanh hơn.
Trong thử nghiệm ban đầu, chip đạt độ chính xác khoảng 98% khi nhận dạng chữ số viết tay, ngang với hiệu suất của các chip điện tử thông thường.
Bước tiến vượt bậc về hiệu suất AI
“Thực hiện một phép tính học máy then chốt gần như không tốn năng lượng là một bước tiến lớn cho các hệ thống AI tương lai,” trưởng nhóm nghiên cứu Volker J. Sorger, Tiến sĩ, Giáo sư Quang tử bán dẫn tại Đại học Florida, cho biết. “Điều này rất quan trọng để tiếp tục mở rộng khả năng AI trong những năm tới.”
“Đây là lần đầu tiên có người đưa dạng tính toán quang học này lên chip và ứng dụng cho mạng nơ-ron AI,” Hangbo Yang, Tiến sĩ, Phó giáo sư nghiên cứu thuộc nhóm của Sorger tại Đại học Florida, đồng tác giả nghiên cứu, nói.
Nhóm của Sorger phối hợp với các nhà nghiên cứu tại Viện Bán dẫn Florida (Đại học Florida), Đại học California – Los Angeles và Đại học George Washington. Kết quả được công bố ngày 8/9 trên tạp chí Advanced Photonics.
Nguyên mẫu chip sử dụng hai bộ thấu kính Fresnel siêu nhỏ được chế tạo bằng quy trình sản xuất tiêu chuẩn. Những thấu kính hai chiều này – phiên bản thu nhỏ của loại dùng trong hải đăng – chỉ mỏng bằng một phần sợi tóc người. Dữ liệu học máy, chẳng hạn hình ảnh hay mẫu cần nhận diện, được chuyển thành tia laser ngay trên chip rồi truyền qua các thấu kính. Kết quả sau đó được chuyển ngược thành tín hiệu số để hoàn tất tác vụ AI.
Ưu thế của tính toán quang học
Hệ thống tích chập dựa trên thấu kính không chỉ hiệu quả hơn mà còn giảm thời gian xử lý. Việc dùng ánh sáng thay cho điện còn mang lại lợi ích khác: nhóm của Sorger đã thiết kế chip có thể sử dụng nhiều tia laser với màu sắc khác nhau để xử lý song song nhiều luồng dữ liệu.
“Chúng tôi có thể cho nhiều bước sóng – hay màu sắc – của ánh sáng đi qua thấu kính cùng lúc,” Yang giải thích. “Đó là một lợi thế then chốt của quang tử.”
Các hãng sản xuất chip, như NVIDIA, cũng đã tích hợp thành phần quang học trong một số phần khác của hệ thống AI, và điều này có thể giúp việc bổ sung thấu kính tích chập trở nên dễ dàng hơn.
“Trong tương lai gần, quang học tích hợp chip sẽ trở thành phần cốt lõi của mọi chip AI mà chúng ta dùng hằng ngày,” Sorger – hiện cũng là Phó giám đốc sáng kiến chiến lược tại Viện Bán dẫn Florida – cho biết. “Và tính toán AI bằng quang học chính là bước tiếp theo.”
Một loại chip bán dẫn mới tích hợp thấu kính siêu nhỏ trên chip để thực hiện phép tính bằng ánh sáng thay vì điện, từ đó nâng cao hiệu suất năng lượng và rút ngắn thời gian xử lý các tác vụ AI phổ biến. Ảnh: Hangbo Yang
