Tương lai của điện toán sau định luật Moore

Thời đại của sự tốc độ phát triển có thể dự đoán được của phần cứng đang kết thúc. Vậy thì điều gì sẽ xảy ra tiếp theo?

Ảnh: The Economist

Theo tạp chí The Economist, trong năm 1979, xe hơi chạy nhanh nhất trên thế giới là chiếc Ferrari Daytona, có tốc độ lên đến 280km/h. Những toà nhà cao nhất thế giới là toà tháp đôi của New York, cao 415m.

Hồi tháng 11 năm đó, Intel đã giới thiệu con chip vi xử lý thương mại đầu tiên, chứa 2.300 transistor (bóng bán dẫn) siêu nhỏ, mỗi bóng có kích cỡ nhỏ như một tế bào máu.

Kể từ đó, chip xử lý đã cải thiện theo đúng như dự đoán của nhà đồng sáng lập Intel là ông Gordon Moore. Theo quy tắc ngón tay cái của ông, được gọi là định luật của Moore, sức mạnh xử lý tăng gấp đôi trong khoảng mỗi 2 năm do các transistor nhỏ hơn được đóng gói chặt hơn trong các tấm silicon, giúp tăng cường hiệu suất, giảm mạnh chi phí.

Bộ xử lý hiện đại Intel Skylake hiện có chứa khoảng 1,75 tỷ transistor và tổng hợp lại có sức mạnh điện toán gấp 400 nghìn lần so với trước. Sự tiến bộ luỹ thừa này khó có thể liên hệ với thế giới vật chất. Nếu xe hơi và toà nhà chọc trời đã cải thiện với tốc độ đó kể từ năm 1971 thì chiếc xe hơi nhanh nhất thế giới nay sẽ có tốc độ 1/10 tốc độ ánh sáng; toà nhà cao nhất có lẽ sẽ là một nửa chiếc thang bắc lên Mặt Trăng.

Song tác động của định luật Moore có thể thấy rõ xung quanh chúng ta. Ngày nay, 3 tỷ người đang cầm theo chiếc smartphone trong tay hằng ngày: mỗi chiếc có sức mạnh xử lý hơn một chiếc siêu máy tính to cỡ bằng một căn phòng hồi những năm 1980. Có vô số ngành công nghiệp đã bị đảo lộn bởi sự gián đoạn kỹ thuật số. Sức mạnh vô song của điện toán đã thậm chí làm giảm các vụ thử hạt nhân, bởi các vũ khí hạt nhân nay có thể dễ dàng được thử nghiệm mô phỏng hơn là các vụ thử thực tế.

Định luật của Moore đã trở thành một biểu tượng văn hoá: những người ở trong và ngoài Thung lũng Silicon hy vọng công nghệ mỗi năm sẽ càng tốt hơn.

Nhưng nay, sau 5 thập kỷ, kết cục của định luật Moore đang nhìn thấy trước. Làm cho các transistor nhỏ hơn không còn là bảo đảm rằng chúng sẽ rẻ hơn hoặc nhanh hơn. Điều này không có nghĩa sự tiến bộ trong điện toán sẽ bỗng nhiên giậm chân tại chỗ, nhưng bản chất của sự tiến triển đó đang thay đổi.

Những con chip vẫn sẽ tốt hơn, nhưng ở tốc độ chậm hơn (Intel cho biết sức mạnh điện toán giờ chỉ gấp đôi cứ mỗi 2,5 năm). Và tương lai của điện toán sẽ được định nghĩa bởi những tiến bộ trong 3 lĩnh vực khác, ngoài hiệu suất của phần cứng thô.

Niềm tin không có Moore

Trước hết là phần mềm.

Tuần trước, chương trình AlphaGo chơi cờ vây đã đánh bại Lee Sedol một trong những kỳ thủ giỏi nhất thế giới. Chính xác là AlphaGo đã đánh bại kỳ thủ Lee 3 trận, thua 1 trận. Một trận còn lại sẽ được thi đấu trong ngày mai.

Cờ vây (Go) là mối quan tâm đặc biệt đối với các nhà khoa học máy tính bởi sự phức tạp của nó: Số vị trí trên bàn cờ có thể nhiều hơn số hạt trong vũ trụ. Kết quả là hệ thống chơi cờ Go không thể đơn giản dựa vào kỹ thuật brute force do định luật Moore cung cấp để chiếm ưu thế. AlphaGo thay vào đó dựa vào công nghệ "deep learning", được mô phỏng phần lớn dựa theo cách bộ não con người hoạt động. Thành công của nó trong tuần qua cho thấy những thành quả khổng lồ có thể đạt được thông qua những thuật toán mới. Thực vậy, làm chậm sự tiến triển về phần cứng sẽ cung cấp những ưu thế mạnh hơn để phát triển phần mềm thông minh hơn.

Lĩnh vực thứ hai của sự tiến bộ là trong "đám mây", mạng lưới trung tâm dữ liệu cung cấp các dịch vụ qua mạng Internet. Khi các máy tính là những thiết bị đứng độc lập, bất kể là máy chủ mainframe hay desktop PC, hiệu suất của chúng phụ thuộc nhiều vào tốc độ của bộ xử lý. Ngày nay, máy tính trở nên mạnh mẽ hơn mà không cần thay đổi phần cứng. Và sự kết nối lẫn nhau bổ sung nhiều năng lực cho chúng: các tính năng của smartphone như định vị vệ tinh, cảm biến chuyển động và hỗ trợ thanh toán không dây nay quan trọng không kém gì tốc độ vi xử lý.

Lĩnh vực thứ ba nằm ở kiến trúc điện toán mới – những con chip chuyên ngành được tuỳ chỉnh cho các công việc cụ thể, như cả những kỹ thuật kỳ lạ khai thác sự kỳ quái của cơ học lượng tử để tăng tốc nhiều lớp dữ liệu cùng lúc. Mặc dù lượng nhu cầu theo đuổi những giải pháp này ít hơn khi bộ vi xử lý chung đã được cải thiện rất nhanh, nhưng những con chip này đang được thiết kế đặc biệt cho điện toán đám mây, xử lý mạng trí tuệ nhân tạo và các nhiệm vụ khác. Những phần cứng chuyên ngành như vậy sẽ được nhúng vào đám mây, và sẽ được "gọi đến" khi cần thiết. Một lần nữa, điều này cho thấy hiệu suất thô của thiết bị đầu cuối của người dùng ít quan trọng hơn so với trước, bởi vì nhiệm vụ nặng nề của nó đã được chuyển đi thực hiện ở chỗ khác.

Tốc độ không phải là tất cả

Điều này sẽ có nghĩa như thế nào trong thực tế? Định luật Moore không bao giờ là một định luật vật lý, mà là một lời tiên tri tự hoàn thành – một sự thắng lợi của kế hoạch tập trung qua việc ngành công nghệ điều phối và đồng bộ hành động của nó. Sự sụp đổ của nó sẽ làm cho tỷ lệ của tiến bộ công nghệ thấp hơn dự đoán; có thể có những "ổ gà" trên đường do các công nghệ cải thiện hiệu suất mới bắt đầu và cần điều chỉnh cho thích nghi. Nhưng giả sử hầu hết mọi người đánh giá thiết bị điện toán của họ dựa vào sự sẵn có của các khả năng và các tính năng, chứ không phải là tốc độ xử lý, thì có thể người tiêu dùng sẽ không cảm thấy có sự chậm lại đáng kể về tốc độ phần cứng.

Đối với các doanh nghiệp, sự kết thúc của định luật của Moore sẽ được nguỵ trang bằng việc chuyển sang điện toán đám mây. Các doanh nghiệp đang nâng cấp PC ít thường hơn trước, đã dừng hoạt động các máy chủ email của mình. Tuy nhiên, mô hình này phụ thuộc vào sự kết nối nhanh và đáng tin cậy thế nào. Điều đó sẽ gia tăng nhu cầu cải thiện hạ tầng băng rộng: những doanh nghiệp có kết nối kém sẽ ít có khả năng hưởng lợi do những cải thiện trong điện toán gia tăng xảy ra trong các trung tâm dữ liệu của các nhà cung cấp dịch vụ đám mây.

Đối với bản thân ngành công nghiệp IT, sự suy giảm của định luật Moore đẩy mạnh logic cho điện toán đám mây tập trung mà hiện đã bị thống trị bởi một số hãng lớn như Amazon, Google, Microsoft, Alibaba, Baidu và Tencent. Họ đang làm việc cật lực để cải thiện hiệu suất hạ tầng đám mây của mình và họ đang săn lùng các công ty khởi nghiệp để đón đầu các xu hướng mới: Như Google đã công ty Anh Deepmind phát triển AlphaGo hồi năm 2014.

Trong suốt hơn 50 năm, sự co lại không thương tiếc của các transistor đã làm cho máy tính ngày càng rẻ hơn, mạnh hơn. Khi định luật Moore nhạt dần, sự tiến bộ sẽ ít đo đếm được nhưng máy tính và các thiết bị khác sẽ vẫn tiếp tục mạnh hơn – chỉ là theo những cách khác nhau và đa dạng hơn.

Thanh Xuân