Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Giao thông Thượng Hải và Đại học Thanh Hoa vừa công bố công trình phát triển dòng chip quang học mới mang tên LightGen trên tạp chí khoa học Science số ra ngày 19/12. Đây được ghi nhận là vi xử lý hoàn toàn bằng quang học đầu tiên có khả năng hỗ trợ vận hành các mô hình trí tuệ nhân tạo (AI) tạo sinh quy mô lớn, hướng tới việc giải quyết các bài toán về năng lượng và tốc độ tính toán.
Kiến trúc và nguyên lý hoạt động
Điện toán quang học (optical computing) là công nghệ sử dụng các hạt photon ánh sáng để xử lý thông tin thay vì các dòng electron trong bóng bán dẫn truyền thống. Phương pháp này tận dụng tốc độ cao và khả năng xử lý song song của ánh sáng để khắc phục các giới hạn vật lý của chip điện tử. Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ này vào các mô hình AI phức tạp trước đây gặp khó khăn do các hạn chế về kiến trúc và quy mô.
Theo PGS Chen Yitong, đại diện nhóm nghiên cứu, LightGen đã giải quyết được ba rào cản kỹ thuật chính trong lĩnh vực này. Thứ nhất, chip tích hợp thành công hơn hai triệu nơ-ron quang tử trên một đơn vị duy nhất. Thứ hai, thiết bị thực hiện việc chuyển đổi các chiều dữ liệu hoàn toàn bằng quang học. Thứ ba, nhóm đã phát triển thuật toán huấn luyện chuyên biệt cho các mô hình tạo sinh quang học mà không phụ thuộc vào dữ liệu thực tế (ground-truth data).
Khác với các phương pháp lai ghép sử dụng hệ thống điện tử để hỗ trợ, LightGen thiết lập một vòng lặp xử lý khép kín bao gồm "đầu vào - hiểu - thao tác ngữ nghĩa - tạo ra" ngay trên nền tảng quang học. Hệ thống có khả năng trích xuất, biểu diễn thông tin và tạo dữ liệu đa phương tiện mới dưới sự kiểm soát ngữ nghĩa trực tiếp.
Thông số kỹ thuật và hiệu năng thực nghiệm
Trong báo cáo công bố, nhóm nghiên cứu cho biết LightGen đạt tốc độ tính toán 3,57x10^4 TOPS (tương đương 35.700 nghìn tỷ phép tính mỗi giây) và hiệu suất năng lượng đạt 6,64x10^2 TOPS trên mỗi watt.
Các thử nghiệm so sánh cho thấy, ngay cả khi sử dụng thiết bị đầu vào thế hệ cũ, LightGen vẫn ghi nhận hiệu quả tính toán và năng lượng cao hơn hai bậc so với các dòng chip điện tử hiện hành như Nvidia A100. Theo tính toán lý thuyết, nếu kết hợp với các thiết bị ngoại vi tiên tiến nhất, mức cải thiện sức mạnh tính toán có thể đạt tới 7 bậc và hiệu quả năng lượng tăng 8 bậc.
Về khả năng ứng dụng thực tế, LightGen đã chứng minh được năng lực trong các tác vụ như tạo hình ảnh độ phân giải cao, dựng mô hình 3D và tạo video. Chất lượng sản phẩm đầu ra được đánh giá tương đương với các mạng nơ-ron kỹ thuật số phổ biến hiện nay như Stable Diffusion và NeRF.
Định hướng nghiên cứu trong kỷ nguyên hậu định luật Moore
Công trình này xuất hiện trong bối cảnh định luật Moore đang dần đạt đến giới hạn vật lý, đặt ra nhu cầu cấp thiết về các nền tảng tính toán thế hệ mới. Với khả năng vận hành các mô hình AI tạo sinh ngữ nghĩa và hình ảnh quy mô lớn, điện toán quang học đang được xem xét như một hướng đi khả thi để đáp ứng nhu cầu tài nguyên tính toán ngày càng tăng trong khi giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng.
Kiến trúc và nguyên lý hoạt động
Điện toán quang học (optical computing) là công nghệ sử dụng các hạt photon ánh sáng để xử lý thông tin thay vì các dòng electron trong bóng bán dẫn truyền thống. Phương pháp này tận dụng tốc độ cao và khả năng xử lý song song của ánh sáng để khắc phục các giới hạn vật lý của chip điện tử. Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ này vào các mô hình AI phức tạp trước đây gặp khó khăn do các hạn chế về kiến trúc và quy mô.
Theo PGS Chen Yitong, đại diện nhóm nghiên cứu, LightGen đã giải quyết được ba rào cản kỹ thuật chính trong lĩnh vực này. Thứ nhất, chip tích hợp thành công hơn hai triệu nơ-ron quang tử trên một đơn vị duy nhất. Thứ hai, thiết bị thực hiện việc chuyển đổi các chiều dữ liệu hoàn toàn bằng quang học. Thứ ba, nhóm đã phát triển thuật toán huấn luyện chuyên biệt cho các mô hình tạo sinh quang học mà không phụ thuộc vào dữ liệu thực tế (ground-truth data).
Khác với các phương pháp lai ghép sử dụng hệ thống điện tử để hỗ trợ, LightGen thiết lập một vòng lặp xử lý khép kín bao gồm "đầu vào - hiểu - thao tác ngữ nghĩa - tạo ra" ngay trên nền tảng quang học. Hệ thống có khả năng trích xuất, biểu diễn thông tin và tạo dữ liệu đa phương tiện mới dưới sự kiểm soát ngữ nghĩa trực tiếp.
Thông số kỹ thuật và hiệu năng thực nghiệm
Trong báo cáo công bố, nhóm nghiên cứu cho biết LightGen đạt tốc độ tính toán 3,57x10^4 TOPS (tương đương 35.700 nghìn tỷ phép tính mỗi giây) và hiệu suất năng lượng đạt 6,64x10^2 TOPS trên mỗi watt.
Các thử nghiệm so sánh cho thấy, ngay cả khi sử dụng thiết bị đầu vào thế hệ cũ, LightGen vẫn ghi nhận hiệu quả tính toán và năng lượng cao hơn hai bậc so với các dòng chip điện tử hiện hành như Nvidia A100. Theo tính toán lý thuyết, nếu kết hợp với các thiết bị ngoại vi tiên tiến nhất, mức cải thiện sức mạnh tính toán có thể đạt tới 7 bậc và hiệu quả năng lượng tăng 8 bậc.
Về khả năng ứng dụng thực tế, LightGen đã chứng minh được năng lực trong các tác vụ như tạo hình ảnh độ phân giải cao, dựng mô hình 3D và tạo video. Chất lượng sản phẩm đầu ra được đánh giá tương đương với các mạng nơ-ron kỹ thuật số phổ biến hiện nay như Stable Diffusion và NeRF.
Định hướng nghiên cứu trong kỷ nguyên hậu định luật Moore
Công trình này xuất hiện trong bối cảnh định luật Moore đang dần đạt đến giới hạn vật lý, đặt ra nhu cầu cấp thiết về các nền tảng tính toán thế hệ mới. Với khả năng vận hành các mô hình AI tạo sinh ngữ nghĩa và hình ảnh quy mô lớn, điện toán quang học đang được xem xét như một hướng đi khả thi để đáp ứng nhu cầu tài nguyên tính toán ngày càng tăng trong khi giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng.
