Người Trung Quốc coi Đại học Thanh Hoa là trụ cột phát triển khoa học công nghệ của đất nước. Điều này quả không sai, khi các thành tựu KHCN đỉnh cao từ pin, trí tuệ nhân tạo, bán dẫn cho đến hàng không vũ trụ đều có dấu ấn của "người Thanh Hoa".
Mới đây nhất, các nhà nghiên cứu tại khoa Kỹ thuật điện tử và Tự động hóa của Đại học Thanh Hoa đã chế tạo một loại chip nhanh và tiết kiệm năng lượng hơn đáng kể so với các loại chip trí tuệ nhân tạo (AI) hiệu suất cao hiện nay. Dù loại chip mới không thể ngay lập tức thay thế những con chip được sử dụng trong các thiết bị như máy tính hoặc điện thoại thông minh, nhưng nó có thể sớm được sử dụng trong các thiết bị đeo, ô tô điện hoặc nhà máy thông minh. Loại chip này hứa hẹn nâng cao khả năng cạnh tranh của Trung Quốc trong ứng dụng trí tuệ nhân tạo đại chúng.
Con chip thông minh quang điện tử mô phỏng đầy đủ ACCEL (All-Analogue Chip Combining Electronics and Light) và các kết quả liên quan đã được công bố trên tạp chí Nature với tiêu đề "Chip điện toán quang điện tử tương tự hoàn chỉnh cho các nhiệm vụ thị giác tốc độ cao".
Chip ACCEL hoạt động dựa trên ánh sáng và sử dụng photon - một loại hạt cơ bản - để tính toán và truyền thông tin nhằm đạt được tốc độ tính toán nhanh hơn.
Trong con chip nhỏ này, nhóm nghiên cứu đã đề xuất một cách sáng tạo sự tích hợp sâu của kiến trúc điện toán quang điện tử - kết hợp điện toán quang học dựa trên sự lan truyền không gian sóng điện từ và điện toán điện tử tương tự hoàn toàn dựa trên định luật Kirchhoff, đạt được bước đột phá trên một con chip. Nó giải quyết được ba vấn đề quốc tế có quy mô lớn - Tích hợp đơn vị tính toán quy mô, phi tuyến hiệu suất cao và các giao diện quang và điện tốc độ cao. Đồng thời đảm bảo hiệu năng tác vụ cao, đạt được hiệu quả sử dụng năng lượng tính toán cực cao và tốc độ tính toán.
Sơ đồ nguyên lý của chip ACCEL của Đại học Thanh Hoa
Trong thử nghiệm, chip ACCEL đạt tốc độ tính toán 4,6 PFLOPS (phép toán dấu phẩy động peta mỗi giây), nhanh hơn 3.000 lần so với chip AI thương mại được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là A100 của Nvidia. Các nhà nghiên cứu nhận thấy chip Trung Quốc cũng tiêu thụ năng lượng ít hơn 4 triệu lần.
Nếu thời gian vận chuyển được sử dụng tương tự như tính toán luồng thông tin trong chip, thì sự xuất hiện của con chip này tương đương với việc rút ngắn tuyến đường sắt cao tốc Bắc Kinh-Quảng Châu 8 giờ xuống còn 8 giây; Một phần của chip tổng hợp quang điện tử chỉ đạt 100%. Ở cấp độ nanomet, phần mạch chỉ sử dụng quy trình CMOS 180nm, đã đạt được những cải tiến hiệu suất ở nhiều bậc so với các chip hiệu suất cao được chế tạo bằng quy trình 7nm. Đồng thời, vật liệu được sử dụng rất đơn giản, dễ kiếm và chi phí chỉ bằng vài phần mười so với sau này.
Trong những năm gần đây, làm thế nào để xây dựng kiến trúc điện toán mới và phát triển chip điện toán trí tuệ nhân tạo mới đã trở thành chủ đề nóng được quốc tế quan tâm hàng đầu. Điện toán quang học, sử dụng sóng ánh sáng làm vật mang để xử lý thông tin, đã trở thành điểm nóng nghiên cứu trong cộng đồng khoa học nhờ những ưu điểm như tốc độ cao và tiêu thụ điện năng thấp. Tuy nhiên, nhà cung cấp dịch vụ điện toán chuyển từ điện sang ánh sáng và nó cũng cần thay thế các thiết bị điện tử hiện có để đạt được các ứng dụng cấp hệ thống, điều này gặp nhiều khó khăn.
Viện sĩ Dai Qionghai thuộc Khoa Tự động hóa của Đại học Thanh Hoa, đồng tác giả của nghiên cứu cho biết ACCEL dự kiến sẽ được áp dụng trong các hệ thống không người lái, kiểm tra công nghiệp và các mô hình trí tuệ nhân tạo lớn trong tương lai. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu mới chỉ phát triển các mẫu nguyên lý nhiệt hạch quang điện với các chức năng tính toán cụ thể, điều này cho thấy con chip này mới chỉ là nguyên mẫu và chưa thể đưa vào sử dụng. chúng có thể được sử dụng trên quy mô lớn trong thực tế.
Theo báo chí đưa tin, một người kỳ cựu trong ngành chip nói với các phóng viên: "Kết quả nghiên cứu này dự kiến sẽ thúc đẩy chip điện toán quang học thay thế chip điện hiện tại. Trong một số trường hợp, hiệu suất điện toán quang học mạnh hơn nhiều so với điện toán điện tử".
Ông nói thêm rằng các chip quang học tiên tiến của Trung Quốc hiện được kỳ vọng sẽ thay thế chip điện và dự kiến
sẽ đạt được khả năng "vượt qua các góc cua" thông qua các con đường kỹ thuật khác nhau. “Và từ góc độ quy trình sản xuất chip điện toán quang học, chúng ta cũng có thể thoát khỏi sự phụ thuộc vào máy quang khắc”.
Trung tâm Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Thông tin Quốc gia Bắc Kinh là một nền tảng quan trọng để cụm kỷ luật thông tin của Thanh Hoa trở thành một nền tảng nghiên cứu khoa học chéo có tổ chức.
Nhóm liên ngành Máy tính thông minh quang điện tử được thành lập vào năm 2020. Đây là một nhóm liên ngành bao gồm Khoa Điện tử, Khoa Tự động hóa, Trường Vi điện tử và các nhà nghiên cứu chuyên ngành, đã thực hiện các dự án đột phá của Bộ Khoa học và Công nghệ, các dự án lớn năm 2030 và Trung tâm Khoa học của Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc, Quỹ Thanh niên Xuất sắc, Quỹ Thanh niên Xuất sắc và nhiều dự án khác, đồng thời hợp tác với Phòng thí nghiệm Hejiang để thành lập một trung tâm nghiên cứu chung về điện toán thông minh quang điện tử.
Nhóm cũng đã tiến hành nghiên cứu về điện toán thông minh quang điện tử có thể cấu hình lại quy mô lớn, điện toán thông minh quang điện tử đa kênh, điện toán thông minh cực nhanh trong miền không-thời gian, học tập thần kinh kép quang điện tử và nghiên cứu chip và kiến trúc điện toán thông minh khác. Kiến trúc và chip điện toán thông minh quang điện tử được nhóm nghiên cứu cung cấp sự hỗ trợ quan trọng để khám phá mô hình điện toán thông minh có sức mạnh tính toán cao và tiêu thụ điện năng thấp trong thời kỳ hậu Moore.
>> Bước đột phá của Trung Quốc trong sản xuất máy in thạch bản EUV, và không còn xa để đạt được sản xuất hàng loạt chip dưới 7nm
Mới đây nhất, các nhà nghiên cứu tại khoa Kỹ thuật điện tử và Tự động hóa của Đại học Thanh Hoa đã chế tạo một loại chip nhanh và tiết kiệm năng lượng hơn đáng kể so với các loại chip trí tuệ nhân tạo (AI) hiệu suất cao hiện nay. Dù loại chip mới không thể ngay lập tức thay thế những con chip được sử dụng trong các thiết bị như máy tính hoặc điện thoại thông minh, nhưng nó có thể sớm được sử dụng trong các thiết bị đeo, ô tô điện hoặc nhà máy thông minh. Loại chip này hứa hẹn nâng cao khả năng cạnh tranh của Trung Quốc trong ứng dụng trí tuệ nhân tạo đại chúng.
Chip ACCEL hoạt động dựa trên ánh sáng và sử dụng photon - một loại hạt cơ bản - để tính toán và truyền thông tin nhằm đạt được tốc độ tính toán nhanh hơn.
Trong con chip nhỏ này, nhóm nghiên cứu đã đề xuất một cách sáng tạo sự tích hợp sâu của kiến trúc điện toán quang điện tử - kết hợp điện toán quang học dựa trên sự lan truyền không gian sóng điện từ và điện toán điện tử tương tự hoàn toàn dựa trên định luật Kirchhoff, đạt được bước đột phá trên một con chip. Nó giải quyết được ba vấn đề quốc tế có quy mô lớn - Tích hợp đơn vị tính toán quy mô, phi tuyến hiệu suất cao và các giao diện quang và điện tốc độ cao. Đồng thời đảm bảo hiệu năng tác vụ cao, đạt được hiệu quả sử dụng năng lượng tính toán cực cao và tốc độ tính toán.
Trong thử nghiệm, chip ACCEL đạt tốc độ tính toán 4,6 PFLOPS (phép toán dấu phẩy động peta mỗi giây), nhanh hơn 3.000 lần so với chip AI thương mại được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là A100 của Nvidia. Các nhà nghiên cứu nhận thấy chip Trung Quốc cũng tiêu thụ năng lượng ít hơn 4 triệu lần.
Nếu thời gian vận chuyển được sử dụng tương tự như tính toán luồng thông tin trong chip, thì sự xuất hiện của con chip này tương đương với việc rút ngắn tuyến đường sắt cao tốc Bắc Kinh-Quảng Châu 8 giờ xuống còn 8 giây; Một phần của chip tổng hợp quang điện tử chỉ đạt 100%. Ở cấp độ nanomet, phần mạch chỉ sử dụng quy trình CMOS 180nm, đã đạt được những cải tiến hiệu suất ở nhiều bậc so với các chip hiệu suất cao được chế tạo bằng quy trình 7nm. Đồng thời, vật liệu được sử dụng rất đơn giản, dễ kiếm và chi phí chỉ bằng vài phần mười so với sau này.
Trong những năm gần đây, làm thế nào để xây dựng kiến trúc điện toán mới và phát triển chip điện toán trí tuệ nhân tạo mới đã trở thành chủ đề nóng được quốc tế quan tâm hàng đầu. Điện toán quang học, sử dụng sóng ánh sáng làm vật mang để xử lý thông tin, đã trở thành điểm nóng nghiên cứu trong cộng đồng khoa học nhờ những ưu điểm như tốc độ cao và tiêu thụ điện năng thấp. Tuy nhiên, nhà cung cấp dịch vụ điện toán chuyển từ điện sang ánh sáng và nó cũng cần thay thế các thiết bị điện tử hiện có để đạt được các ứng dụng cấp hệ thống, điều này gặp nhiều khó khăn.
Viện sĩ Dai Qionghai thuộc Khoa Tự động hóa của Đại học Thanh Hoa, đồng tác giả của nghiên cứu cho biết ACCEL dự kiến sẽ được áp dụng trong các hệ thống không người lái, kiểm tra công nghiệp và các mô hình trí tuệ nhân tạo lớn trong tương lai. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu mới chỉ phát triển các mẫu nguyên lý nhiệt hạch quang điện với các chức năng tính toán cụ thể, điều này cho thấy con chip này mới chỉ là nguyên mẫu và chưa thể đưa vào sử dụng. chúng có thể được sử dụng trên quy mô lớn trong thực tế.
Theo báo chí đưa tin, một người kỳ cựu trong ngành chip nói với các phóng viên: "Kết quả nghiên cứu này dự kiến sẽ thúc đẩy chip điện toán quang học thay thế chip điện hiện tại. Trong một số trường hợp, hiệu suất điện toán quang học mạnh hơn nhiều so với điện toán điện tử".
Ông nói thêm rằng các chip quang học tiên tiến của Trung Quốc hiện được kỳ vọng sẽ thay thế chip điện và dự kiến
sẽ đạt được khả năng "vượt qua các góc cua" thông qua các con đường kỹ thuật khác nhau. “Và từ góc độ quy trình sản xuất chip điện toán quang học, chúng ta cũng có thể thoát khỏi sự phụ thuộc vào máy quang khắc”.
Trung tâm Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Thông tin Quốc gia Bắc Kinh là một nền tảng quan trọng để cụm kỷ luật thông tin của Thanh Hoa trở thành một nền tảng nghiên cứu khoa học chéo có tổ chức.
Nhóm liên ngành Máy tính thông minh quang điện tử được thành lập vào năm 2020. Đây là một nhóm liên ngành bao gồm Khoa Điện tử, Khoa Tự động hóa, Trường Vi điện tử và các nhà nghiên cứu chuyên ngành, đã thực hiện các dự án đột phá của Bộ Khoa học và Công nghệ, các dự án lớn năm 2030 và Trung tâm Khoa học của Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc, Quỹ Thanh niên Xuất sắc, Quỹ Thanh niên Xuất sắc và nhiều dự án khác, đồng thời hợp tác với Phòng thí nghiệm Hejiang để thành lập một trung tâm nghiên cứu chung về điện toán thông minh quang điện tử.
Nhóm cũng đã tiến hành nghiên cứu về điện toán thông minh quang điện tử có thể cấu hình lại quy mô lớn, điện toán thông minh quang điện tử đa kênh, điện toán thông minh cực nhanh trong miền không-thời gian, học tập thần kinh kép quang điện tử và nghiên cứu chip và kiến trúc điện toán thông minh khác. Kiến trúc và chip điện toán thông minh quang điện tử được nhóm nghiên cứu cung cấp sự hỗ trợ quan trọng để khám phá mô hình điện toán thông minh có sức mạnh tính toán cao và tiêu thụ điện năng thấp trong thời kỳ hậu Moore.
>> Bước đột phá của Trung Quốc trong sản xuất máy in thạch bản EUV, và không còn xa để đạt được sản xuất hàng loạt chip dưới 7nm
