Trong bối cảnh nhu cầu tính toán và tiêu thụ điện của trí tuệ nhân tạo đang tăng nhanh, các kỹ sư tại MIT cho rằng việc xếp chồng các thành phần mạch điện lên nhau thay vì bố trí rời rạc, có thể mở ra hướng mới để tạo ra các con chip AI tiết kiệm năng lượng hơn.

Trong các con chip hiện nay, khối xử lý (logic) và bộ nhớ thường được đặt tách biệt. Dữ liệu phải liên tục di chuyển giữa hai khối này thông qua các đường dẫn và liên kết kim loại, gây tiêu tốn nhiều năng lượng. Theo các kỹ sư MIT, nếu bộ nhớ và logic được đặt sát nhau hoặc xếp chồng trực tiếp, dữ liệu sẽ không cần “đi xa”, từ đó giảm lãng phí năng lượng.

Nhóm nghiên cứu đã phát triển một thiết bị mới ở quy mô nano, được gọi là “transistor bộ nhớ”, một linh kiện kết hợp chức năng tính toán và lưu trữ dữ liệu trong cùng một cấu trúc. Thiết bị này có rất ít khuyết tật điện, cho phép hoạt động nhanh hơn và tiêu thụ ít điện năng hơn.

 

Đột phá này đặc biệt có ý nghĩa với các ứng dụng “ngốn điện” như AI, học sâu và thị giác máy tính. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế, lượng điện tiêu thụ toàn cầu của các trung tâm dữ liệu dự kiến sẽ tăng khoảng 130%, đạt gần 945 terawatt-giờ vào năm 2030, chủ yếu do sự phụ thuộc ngày càng lớn vào AI.

Các nhà khoa học lưu ý rằng phần lớn năng lượng trong các hệ thống AI không dùng cho tính toán, mà để truyền dữ liệu giữa các thành phần. Ngay cả một mức tiết kiệm nhỏ ngay trên con chip cũng có thể tạo ra tác động rất lớn ở quy mô toàn cầu.

Yanjie Shao, tác giả chính của nghiên cứu và là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại MIT, cho rằng chúng ta phải giảm lượng năng lượng dùng cho AI và các phép tính lấy dữ liệu làm trung tâm, vì cách tiếp cận hiện nay không bền vững. Theo ông, những công nghệ tích hợp mới như thế này sẽ là chìa khóa để tiếp tục đạt những bước tiến mới.

Xếp chồng để tiết kiệm năng lượng - kỹ thuật không đơn giản

Về mặt kỹ thuật, việc xếp chồng các linh kiện không hề dễ dàng. Quá trình tạo các lớp vật liệu siêu mỏng thường phải diễn ra ở nhiệt độ thấp, bởi nhiều transistor không thể chịu được nhiệt độ cao.

Để vượt qua rào cản này, nhóm MIT đã chế tạo transistor logic với lớp dẫn điện bằng oxit indium, có thể được tạo thành ở nhiệt độ chỉ khoảng 150°C, đủ thấp để không làm hỏng các linh kiện khác. Trên đó, họ xếp thêm một lớp bộ nhớ dày 10 nanomet làm từ oxit hafnium - zirconium có tính sắt điện, cho phép thiết bị vừa xử lý vừa lưu trữ dữ liệu.

Kết quả là một “transistor bộ nhớ” có thể bật - tắt chỉ trong 10 nanô-giây, hoạt động ở điện áp dưới 1,8 volt, đạt mức vượt trội so với nhiều transistor bộ nhớ sắt điện hiện nay vốn chậm hơn và cần điện áp cao hơn.

Đáng chú ý, linh kiện này được đặt ở “phần sau” của con chip, nơi tập trung các dây dẫn và liên kết kim loại, giúp tăng mật độ tích hợp tổng thể của chip. Theo Shao, cách làm này mở ra khả năng xây dựng các hệ điện tử đa chức năng, hiệu quả năng lượng cao trên những con chip rất nhỏ.

Hiện tại, “transistor bộ nhớ” mới chỉ được thử nghiệm trên cấu trúc mô phỏng chip, chưa tích hợp vào mạch hoàn chỉnh. Nhóm nghiên cứu kỳ vọng sẽ tiếp tục cải thiện hiệu năng để đưa công nghệ này vào các mạch đơn lẻ, rồi tiến tới những hệ thống điện tử quy mô lớn hơn.

N.P.A (NASTIS), theo Livescience