Đột phá lịch sử: Trung Quốc chế tạo được chip quang học đầu tiên có hiệu năng tương đương RTX 5090 của NVIDIA, mở ra tương lai mới cho AI

Khi Mỹ siết chặt lệnh trừng phạt, cấm xuất khẩu chip AI cao cấp sang Trung Quốc, đã thúc đẩy giới nghiên cứu nước này tìm kiếm các giải pháp thay thế. Mới đây nhất, các nhà khoa học Trung Quốc vừa công bố thành công phát triển chip tính toán quang học tích hợp song song đầu tiên trên thế giới, được đặt tên “Meteor-1”.

Meteor-1 đạt công suất tính toán lý thuyết 2.560 TOPS tại tần số quang học 50GHz, hiệu năng tương đương với GPU cao cấp của NVIDIA. So sánh cụ thể, GeForce RTX 5090 mới nhất của NVIDIA đạt 3.352 TOPS, trong khi RTX 4090 chỉ đạt 1.321 TOPS. Đáng chú ý, cả hai dòng GPU này đều bị cấm xuất khẩu sang Trung Quốc do lệnh kiểm soát của Mỹ nhằm ngăn Bắc Kinh phát triển năng lực quân sự.

Điều đáng chú ý là trong quá khứ, các chip quang học chỉ tồn tại trong môi trường phòng thí nghiệm và không thể sánh được với các GPU thương mại trong các tác vụ thực tế. Meteor-1 đã phá vỡ rào cản này, trở thành chip quang học đầu tiên có hiệu năng thực sự cạnh tranh với những sản phẩm hàng đầu của ngành.

Sự ra đời của Meteor-1 không phải là một sự trùng hợp. Khi các chip điện tử truyền thống đang đạt đến giới hạn vật lý cơ bản – từ việc tích tụ nhiệt, hiệu ứng lượng tử đến tiêu thụ điện năng không bền vững – các bộ xử lý quang học đang nổi lên như một hướng phát triển quan trọng của tương lai. Công nghệ này mang trong mình những ưu điểm vượt trội như tốc độ cực cao, băng thông rộng, tiêu thụ điện năng thấp và độ trễ tối thiểu, giúp vượt qua những rào cản mà chip điện tử đang gặp phải.

Cho đến nay, tiến bộ trong tính toán quang học chủ yếu tập trung vào hai thách thức chính: mở rộng kích thước ma trận và tăng tần số quang học. Các mô hình hàng đầu hiện tại, bao gồm những nguyên mẫu từ TSMC và Viện Công nghệ California, đang đẩy đến cả giới hạn kỹ thuật và vật lý. Nhận thấy điều này, nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã chọn con đường thứ ba: mở rộng tính song song tính toán, hay khả năng đa nhiệm của chip.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí eLight ngày 17 tháng 6 bởi nhóm gồm Xie Peng và Han Xilin từ Viện Quang học và Cơ học Tinh vi Thượng Hải, cùng với Hu Guangwei từ Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore. Họ đã chi tiết hóa một hệ thống tính toán quang học mới có thể chứa hơn 100 kênh tần số trong một chip photonic duy nhất.

“Thành tựu này cho phép tăng khả năng tính toán quang học lên 100 lần (và thậm chí còn hơn) thông qua tính song song cực cao mà không cần mở rộng kích thước chip, mở ra một con đường công nghệ mới cho máy tính quang học tương lai,” các nhà nghiên cứu viết trong bài báo. Han Xilin cũng chia sẻ về tiềm năng kinh tế: “Đột phá này hứa hẹn sẽ nâng tính toán quang học lên mức hiệu suất chi phí cạnh tranh với chip điện tử.”

Hệ thống Meteor-1 tích hợp có kiến trúc được tự phát triển hoàn toàn, bao gồm chip nguồn sáng, chip tương tác quang học, chip tính toán quang học và bảng điều khiển ma trận điều chế. Chip nguồn sáng sử dụng lược tần số quang học vi hốc tích hợp với phổ đầu ra vượt quá 80 nanometer, hỗ trợ hơn 200 bước sóng. Chip nguồn đa bước sóng quy mô chip này thay thế hàng trăm laser riêng lẻ, giảm đáng kể kích thước hệ thống, tiêu thụ điện năng và chi phí đồng thời tăng cường tích hợp.

Ưu điểm nổi bật của chip xử lý quang học là có băng thông truyền cao hơn 40nm, cho phép xử lý song song độ trễ thấp. Bổ sung cho điều này, bảng điều khiển được thiết kế tùy chỉnh của nhóm có hơn 256 kênh để kiểm soát tín hiệu quang học chính xác và xử lý hiệu quả.

Tận dụng hệ thống này, nhóm đã lập kỷ lục thế giới khi chạy hơn 100 tác vụ cùng lúc trên hệ thống. Hoạt động ở 50GHz, chip đơn lẻ cung cấp công suất tính toán đỉnh lý thuyết hơn 2.560 TOPS. Đây là minh chứng rõ ràng cho khả năng đa nhiệm vượt trội của công nghệ tính toán quang học song song.

Nhà nghiên cứu dẫn đầu Xie Peng có bằng Tiến sĩ tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) ở Mỹ và sau đó tiến hành nghiên cứu tại Đại học Oxford và Đại học Công nghệ Nanyang Singapore trước khi dựa trên những nền tảng nghiên cứu đó để thành lập nhóm chip quang học và tính toán photonic tại Viện Quang học và Cơ học Tinh vi Thượng Hải năm ngoái.

Ông Xie đã nhấn mạnh ưu thế của cấu trúc nhóm tại Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc: “Trong nhóm của chúng tôi, mỗi điểm kỹ thuật chính đều có các chuyên gia chuyên trách thúc đẩy nghiên cứu sâu. Phương pháp từ mô-đun đến tích hợp này cho phép chúng tôi hoàn thành đổi mới chuỗi đầy đủ, từ nghiên cứu cơ bản đến tích hợp hệ thống, trong khung thời gian tương đối ngắn. Điều này cũng giải thích tại sao những thách thức chưa được giải quyết ở nước ngoài trong nhiều năm lại có đột phá nhanh chóng sau khi tôi trở về.”

“Dưới sơ đồ tính toán quang học song song của chúng tôi, các chỉ số chính như hiệu quả tính toán, tiêu thụ điện năng và độ trễ có tiềm năng vượt qua tính toán điện tử truyền thống,” ông Xie chia sẻ. “Chúng tôi tin chắc rằng tính toán quang học, với thách thức về khả năng mở rộng có thể được giải quyết bằng phương pháp của chúng tôi, có thể đáp ứng nhu cầu tính toán ngày càng tăng của AI và giải phóng một làn sóng ứng dụng mới.”

 (Theo SCMP)