Trung Quốc bắt đầu sản xuất hàng loạt chip AI phi nhị phân đầu tiên trên thế giới

Bước đột phá này vượt qua những rào cản cơ bản trong máy tính truyền thống bằng cách kết hợp logic nhị phân và logic dựa trên xác suất trong khi tránh được các hạn chế về chip của Mỹ. Ảnh: Shutterstock.

Trung Quốc đã khởi động việc triển khai lớn nhất thế giới đối với chip AI phi nhị phân (non-binary), áp dụng công nghệ tính toán lai do nước này phát triển vào các lĩnh vực then chốt như hàng không và hệ thống công nghiệp.

Dẫn đầu bởi nhóm của Giáo sư Li Hongge tại Đại học Hàng không Vũ trụ Bắc Kinh (Beihang University), bước đột phá này đã vượt qua các rào cản cơ bản trong tính toán truyền thống bằng cách kết hợp logic nhị phân và logic ngẫu nhiên, cho phép kiểm soát thông minh với khả năng chịu lỗi cao và tiết kiệm năng lượng vượt trội – tất cả đều không bị ảnh hưởng bởi các lệnh cấm chip từ Mỹ.

“Công nghệ chip hiện tại đang đối mặt với hai thách thức lớn: bức tường năng lượng và bức tường kiến trúc”, ông Lý nói với tờ Guangming Daily vào tháng trước.

Bức tường năng lượng là mâu thuẫn cơ bản: hệ nhị phân mang lại hiệu quả trong việc truyền thông tin nhưng tiêu tốn rất nhiều điện năng. Bức tường kiến trúc là do chip phi silicon mới không thể dễ dàng tương thích với hệ thống truyền thống dựa trên CMOS (bán dẫn oxide kim loại bù).

Từ năm 2022, nhóm nghiên cứu đã tìm kiếm giải pháp thay thế. Đột phá của họ đến từ đề xuất hệ thống số mới mang tên Hybrid Stochastic Number (HSN) – kết hợp số nhị phân truyền thống với số dựa trên xác suất (stochastic).

Logic nhị phân – nền tảng của điện toán hiện đại – sử dụng các số 0 và 1 với phép toán chính xác, nhưng đòi hỏi phần cứng khổng lồ. Trong khi đó, điện toán xác suất sử dụng tần suất tín hiệu điện áp để biểu diễn giá trị, giúp giảm đáng kể phần cứng nhưng lại có độ trễ tính toán cao.

Giải pháp của nhóm là logic xác suất lai, kết hợp tốc độ của logic nhị phân và hiệu quả năng lượng của logic xác suất.

Dựa trên nguyên lý này, năm 2023, nhóm đã thiết kế chip thông minh dành cho hệ thống cảm ứng và hiển thị, sản xuất trên quy trình 110nm của SMIC – nhà sản xuất chip hàng đầu Trung Quốc.

Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí IEEE Journal of Solid-State Circuits. Tiếp đó, nhóm phát triển chip nhân hiệu suất cao dùng trong học máy (machine learning), sản xuất theo công nghệ 28nm CMOS tiêu chuẩn, công bố trên tạp chí Microelectronics Journal vào tháng 1 năm nay.

Tờ Guangming Daily cho biết đây là lần đầu tiên có sự thống nhất lý thuyết của ba hệ thống số: nhị phân, xác suất truyền thống và xác suất lai. Nhóm đã xây dựng mô hình toán học, phân tích khả năng chịu lỗi, kháng nhiễu và hiệu suất năng lượng, tạo nền tảng lý thuyết mạnh mẽ cho thế hệ chip xác suất lai tiếp theo.

Chip này còn tích hợp thuật toán tính toán trong bộ nhớ (in-memory computing), giúp giảm thiểu việc di chuyển dữ liệu tốn năng lượng giữa bộ xử lý và bộ nhớ trong kiến trúc truyền thống, tăng hiệu suất tổng thể.

Nó cũng áp dụng thiết kế hệ thống trên chip (SoC), giúp tích hợp nhiều đơn vị xử lý để xử lý song song nhiều nhiệm vụ, vượt ra khỏi rào cản kiến trúc đồng nhất truyền thống.

Hiện chip đã được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển thông minh như: Cảm ứng chạm – Lọc nhiễu và phát hiện tín hiệu yếu, cải thiện tương tác người dùng. Màn hình thiết bị – Xử lý dữ liệu chính xác với mức tiêu thụ điện thấp, tăng độ tin cậy. Hệ thống điều khiển bay – Cung cấp khả năng tính toán vững chắc cho điều hướng chính xác và ổn định.

Ông Li cho biết nhóm đang phát triển kiến trúc tập lệnh (ISA) và vi kiến trúc dành riêng cho tính toán xác suất lai, với mục tiêu mở rộng sang các lĩnh vực như xử lý giọng nói, hình ảnh, tăng tốc mô hình AI quy mô lớn và các tác vụ tính toán phức tạp khác.

“Chip hiện tại đã đạt độ trễ tính toán cấp độ micro-giây ngay trên chip, cân bằng giữa hiệu suất phần cứng cao và khả năng lập trình linh hoạt về phần mềm”, ông Li nói.

Huyền Chi