Đại học Tokyo tạo ra công tắc từ tính siêu tốc, nhanh hơn GPU AI hiện nay tới 1.000 lần

Trong bối cảnh ngành công nghệ đang vật lộn với bài toán điện năng và nhiệt lượng do AI tạo ra, các nhà nghiên cứu tại The University of Tokyo vừa công bố một bước đột phá có thể thay đổi tương lai của ngành điện toán hiệu năng cao.

Theo nghiên cứu đăng tải trên tạp chí Science, nhóm khoa học gia Nhật Bản đã phát triển thành công một thiết bị chuyển mạch từ tính mới có khả năng hoạt động nhanh hơn tới 1.000 lần so với các bộ tăng tốc AI hiện đại, đồng thời chỉ tiêu thụ một phần nhỏ điện năng và gần như không tạo ra nhiệt dư thừa.

Công nghệ này được xây dựng dựa trên lĩnh vực spintronic — hướng tiếp cận điện toán sử dụng không chỉ điện tích mà còn khai thác spin của electron để xử lý và lưu trữ dữ liệu. Khác với các transistor silicon truyền thống vốn ngày càng gặp giới hạn về nhiệt và hiệu suất, thiết bị mới sử dụng hợp chất mangan-thiếc (Mn3Sn), một loại vật liệu phản từ đặc biệt.

Điểm đáng chú ý nhất nằm ở tốc độ chuyển trạng thái nhị phân. Trong khi các bộ xử lý hiện đại hoạt động ở cấp độ nanogiây, thiết bị mới có thể đảo trạng thái từ tính chỉ trong khoảng 40 picogiây.

Để dễ hình dung, một picogiây chỉ bằng một phần nghìn tỷ giây — nhanh hơn nanogiây tới 1.000 lần.

Theo nhóm nghiên cứu, khi gửi xung điện cực ngắn qua vật liệu Mn3Sn, trạng thái từ tính có thể thay đổi gần như tức thì mà không tạo ra lượng nhiệt điện trở lớn như transistor silicon hiện nay. Điều này mở ra tiềm năng cực lớn cho các hệ thống AI tương lai, nơi hiệu năng đang ngày càng bị giới hạn bởi điện năng tiêu thụ và khả năng tản nhiệt.

Hiện nay, các trung tâm dữ liệu AI khổng lồ tiêu tốn lượng điện năng khổng lồ không chỉ cho xử lý mà còn cho hệ thống làm mát. Các GPU AI hiện đại càng mạnh thì càng tạo ra nhiều nhiệt, kéo theo chi phí vận hành tăng vọt. Đó cũng là lý do các công ty công nghệ lớn liên tục tìm kiếm những kiến trúc phần cứng thay thế sau nhiều thập kỷ phụ thuộc vào silicon truyền thống.

Theo giáo sư Tomo Nakatsuji của Đại học Tokyo, công nghệ mới thậm chí có thể tạo ra những bước nhảy vọt về tốc độ xử lý dữ liệu trong tương lai.

Ông cho rằng các tác vụ hiện mất hàng giờ để tải xuống hoặc xử lý có thể chỉ cần vài giây nếu những hệ thống dạng này được thương mại hóa thành công.

Dù vậy, các nhà nghiên cứu cũng nhấn mạnh rằng việc tăng tốc độ chuyển mạch không đồng nghĩa toàn bộ máy tính sẽ nhanh hơn 1.000 lần. Hiệu năng tổng thể còn phụ thuộc vào rất nhiều thành phần khác như bộ nhớ, bus dữ liệu, phần mềm và kiến trúc hệ thống.

Ngoài AI, công nghệ spintronic tốc độ cao còn được kỳ vọng sẽ đóng vai trò quan trọng trong điện toán lượng tử, thiết bị di động siêu tiết kiệm pin và các hệ thống điện toán đám mây thế hệ mới.

Tuy nhiên, giống nhiều đột phá trong phòng thí nghiệm khác, thách thức lớn nhất vẫn là khả năng thương mại hóa. Việc đưa công nghệ từ môi trường nghiên cứu sang quy trình sản xuất hàng loạt với chi phí hợp lý có thể sẽ cần thêm nhiều năm phát triển nữa.