Trong lịch sử phát triển chip máy tính, nhiệt thải thường được xem là cái giá không thể tránh khỏi của quá trình tính toán. Hannah Earley cho rằng đó là một lựa chọn thiết kế. Theo MIT Technology Review, nhà sáng lập 31 tuổi đang phát triển loại chip có thể thu hồi một phần năng lượng vốn bị thất thoát dưới dạng nhiệt.
Earley là đồng sáng lập kiêm giám đốc công nghệ của Vaire Computing. Công ty khởi nghiệp này theo đuổi điện toán thuận nghịch, một cách thiết kế mạch nhằm giữ lại thông tin trung gian để phép tính có thể chạy ngược và thu hồi năng lượng. Nếu thành công, công nghệ có thể giúp trung tâm dữ liệu, máy tính xách tay và điện thoại sử dụng năng lượng hiệu quả hơn. Đây cũng là một hướng tiếp cận trực tiếp vào phần cứng trong bức tranh rộng hơn về hạ tầng trí tuệ nhân tạo.
Vì sao chip thông thường làm thất thoát năng lượng
Khi chip thông thường thực hiện phép tính, nó xóa những thông tin không còn cần thiết ở từng bước. Năng lượng liên quan đến quá trình đó bị giải phóng thành nhiệt.
Earley ví cách vận hành này với một chiếc xe chạy nhanh trong thành phố nhưng phải phanh ở mọi giao lộ. Xe mất đà rồi lại cần thêm nhiên liệu để tăng tốc. Điện toán thuận nghịch tìm cách duy trì đà đó. Thay vì xóa thông tin ở các bước trung gian, mạch giữ lại thông tin để phép tính có thể chạy theo chiều ngược lại và lấy lại một phần năng lượng.
Ý tưởng này được đề xuất từ hơn 50 năm trước, nhưng theo MIT Technology Review, nó khó triển khai bằng transistor và mạch điện hiện có. Earley vì thế thiết kế lại phần cứng cần thiết cho quá trình thu hồi năng lượng.
Nội dung chính của thiết kế bộ cộng hưởng giữ năng lượng để tái sử dụng
Thiết kế của Earley tập trung vào một loại bộ cộng hưởng đang chờ cấp bằng sáng chế. Đây là linh kiện siêu nhỏ trên chip, có nhiệm vụ lưu trữ năng lượng đã thu hồi để dùng lại sau đó. Earley mô tả nó về cơ bản là một con lắc cầu kỳ.
Theo MIT Technology Review, năm ngoái Vaire công bố một chip có bộ cộng hưởng thu hồi được nhiều năng lượng hơn mức nó làm thất thoát, kể cả sau khi tính phần năng lượng cần để vận hành chính linh kiện này. Với một lĩnh vực chủ yếu tồn tại trên lý thuyết, kết quả đó cho thấy nguyên lý có thể hoạt động trên phần cứng.
Igor Markov, nhà nghiên cứu về tự động hóa thiết kế điện tử và cựu giáo sư tại Đại học Michigan ở Ann Arbor, nhận xét rằng Vaire rõ ràng đang có một công nghệ đáng chú ý. Tuy nhiên, ông cũng cho rằng công nghệ vẫn ở giai đoạn rất sớm. Công ty cần thực hiện thêm nhiều cuộc trình diễn ngày càng sát với điều kiện thực tế và đủ sức thuyết phục để có được sự ủng hộ của ngành cho quá trình thương mại hóa.
Từ lập trình lúc chín tuổi đến giới hạn vật lý của tính toán
Earley bắt đầu lập trình khi khoảng chín tuổi. Ban đầu, cô viết mã cấp cao cho trang web, sau đó học thêm Perl và Java rồi tiếp tục đi sâu qua các lớp của hệ thống máy tính cho đến transistor. Hành trình của Earley đi từ mã cấp cao xuống transistor, còn tác tử lập trình bằng trí tuệ nhân tạo là một khái niệm thuộc lớp phần mềm.
Sau đó, Earley theo học tiến sĩ tại Đại học Cambridge dưới sự hướng dẫn của nhà sinh học tính toán Gos Micklem. Ban đầu cô nghiên cứu cách sử dụng những vật liệu như ADN để thực hiện phép tính. Vài tháng sau, Micklem gửi cho cô luận án tiến sĩ năm 1999 của Michael Frank, một trong những người tiên phong về điện toán thuận nghịch.
Earley đọc luận án một lần và vẫn hoài nghi. Cô đọc lại, suy nghĩ thêm trong vài tuần rồi dần tin rằng mối liên hệ giữa thông tin, năng lượng và nhiệt có thể thay đổi máy tính.
Hướng nghiên cứu mới làm thay đổi hoàn toàn luận án của cô. Earley nghiên cứu giới hạn vật lý của tính toán và xây dựng phần mềm có thể chuyển chương trình thông thường thành chương trình thuận nghịch. Micklem kể rằng về sau ông không cho Earley ghi tên ông trên các bài báo của cô vì ông cảm thấy không thể trình bày đầy đủ về chúng. Theo lời ông, đó là công trình của Earley.
Từ luận án tiến sĩ đến Vaire Computing
Sau khi hoàn thành bằng tiến sĩ vào năm 2021, Earley gặp doanh nhân công nghệ kiêm nhà đầu tư Rodolfo Rosini. Hai người đồng sáng lập Vaire trong cùng năm. Theo MIT Technology Review, công ty đã huy động hơn 12 triệu USD, tuyển Michael Frank làm nhà khoa học cấp cao và bắt đầu chuyển điện toán thuận nghịch từ ý tưởng thành phần cứng.
Mùa đông năm 2022 tại Grinnell, bang Iowa, Earley dành nhiều tuần trong căn hộ tầng hầm của người hiện là vợ cô. Khi nhiệt độ cảm nhận ngoài trời xuống khoảng −40°F, cô liên tục phủ kín bảng trắng bằng các sơ đồ cho phần mạch cốt lõi cần thiết để logic thuận nghịch hoạt động.
Thiết kế chỉ hoàn chỉnh sau khi hai người rời thời tiết lạnh để đến Las Vegas. Earley không trải qua một khoảnh khắc lóe sáng đột ngột. Cảm giác đến từ từ, giống sự nhẹ nhõm khi cô nhận ra mình không hoàn toàn vượt quá khả năng của bản thân.
Thách thức tiếp theo nằm ở sản xuất
Vaire vẫn phải làm cho thiết kế chip khác biệt này tương thích với các thiết bị và hệ thống sản xuất quen thuộc. Earley tin rằng tương lai không nằm ở việc tiếp tục tinh chỉnh chip hiện có, mà ở việc xây dựng lại chúng từ đầu với khả năng vận hành thuận nghịch.
Cô muốn xem xét lại mọi phần trong cách máy tính được chế tạo theo nguyên lý đó. Thành tựu của bộ cộng hưởng mới chỉ là bước chứng minh ban đầu. Để đi đến thương mại hóa, Vaire còn phải cho thấy thiết kế có thể hoạt động trong những điều kiện ngày càng gần với sản phẩm thực tế.
Hãy tiếp tục theo dõi Sine để cập nhật những hướng thiết kế phần cứng có thể thay đổi cách máy tính sử dụng năng lượng.
