Mỗi chấm nhỏ trong con chip là rất nhiều bộ não nhân tạo, chúng kết nối với nhau tạo nên sức mạnh rất lớn. Ảnh: Peng Lin/MIT News.

Các kỹ sư tại MIT vừa thiết kế một con chip điện tử bằng hợp kim đồng và bạc, nhỏ hơn mảnh kim tuyến giấy nhưng chứa đến 10.000 bộ não nhân tạo. Hàng vạn hệ thần kinh này được kết nối với nhau bằng dây silicon thu nhỏ, giống hệt cách não người hoạt động để xử lý và truyền nhận thông tin.

Trong bài nghiên cứu đăng trên tạp chí Nature Nanotechnology, nhóm nghiên cứu trình bày sản phẩm mới của mình không chỉ mô phỏng cách hoạt động của não, mà còn thu nhỏ kích thước đến mức nằm gọn trên đầu ngón tay, cũng như dùng các loại hợp chất giúp truyền dẫn nhanh chóng.

Chip điện tử ngoài ghi nhớ và lưu trữ thông tin, hình ảnh ở chất lượng cao hơn so với những thế hệ chip trước đó, còn có thể thực hiện một số tác vụ trực quan và không bị vật liệu tạo thành gây cản trở, giúp hoạt động thông suốt và nhạy nhất.

Con chip thử nghiệm ghi nhớ hình ảnh một tòa nhà, cho thấy độ sắc nét và khả năng lưu trữ thông tin rất cao của nó. Ảnh: Jennifer Chu/MIT News.

Phó Giáo sư Jeehwan Kim ngành kỹ thuật cơ khí tại MIT chia sẻ: “Cho tới nay, hệ thống thần kinh nhân tạo chỉ mới được thiết kế trên phần mềm máy tính, chúng tôi muốn biến nó thành một sản phẩm vật lý bên ngoài, giúp tích hợp vào máy móc cần tư duy như con người.”

Việc kết hợp hàng vạn bộ xử lý vào một thiết bị nhỏ gọn, có thể ứng dụng được rất nhiều. Ông Kim dẫn ví dụ, chẳng hạn con chip được gắn vào camera hành trình trên xe, nó sẽ tự quan sát và đưa ra quyết định để tự động lái mà không cần kết nối đến internet.

“Tiềm năng của sản phẩm này chính là sự nhanh gọn và tại chỗ, có thể giải quyết được nhiều vấn đề ngay trước mắt mà không cần mất thời gian kết nối đến máy chủ nhằm sử dụng tài nguyên chung,” ông chia sẻ.

Ion lang thang đóng vai tế bào não

Memristor hay bộ nhớ bán dẫn là một chi tiết thiết yếu, có mặt trong mọi hệ thống thần kinh nhân tạo. Chúng đóng vai trò như khớp thần kinh trong não, nhận tín hiệu từ noron rồi gửi đến noron tiếp theo. Trong hệ thống máy, thông tin được gửi đi dưới dạng ion, vì thế độ dẫn của memristor đóng vai trò quan trọng.

Một thiết bị bán dẫn thông thường chỉ gửi nhận thông tin dưới dạng 0 và 1 thông qua dòng điện, rất đơn giản dẫn tới mức độ thông tin truyền đi không nhiều. Trong khi đó memristor đưa thông tin ở dạng phức tạp hơn, mật độ thông tin dày hơn và mô phỏng khớp thần kinh não chân thật nhất.

Ảnh a: Con chip nhìn từ bên ngoài. Ảnh b, c: Khi phóng to lên nhiều lần và thấy được những memristor rất nhỏ được liên kết chặt chẽ với nhau. Ảnh d: So sánh khả năng ghi nhớ hình ảnh giữa các loại vật liệu, cho thấy hợp kim bạc đồng giúp lưu dữ liệu đến 60 giây mà vẫn không bị phai mờ.

Ngoài giúp thông tin lưu thông, các memristor cũng ghi nhận và ghi nhớ cường độ của dòng điện, từ đó sẽ tự động điều chỉnh lượng thông tin cho cường độ dòng điện tương ứng của lần sau. Việc này giúp thông tin gửi đi liên tục mà không bị yếu tố bên ngoài gây gián đoạn.

Và điều quan trọng cuối cùng mà nhóm nghiên cứu mong muốn thực hiện, đó là các memristor với khả năng lưu trữ cùng truyền dẫn tốt, giúp một con chip nhỏ cũng có sức mạnh ngang ngửa siêu máy tính, có thể giải quyết nhiều vấn đề lớn ngay tại chỗ mà không cần kết nối internet.

Siêu vật liệu tạo não nhân tạo

Thiết kế ra memristor rất khó bởi vì tốc độ dẫn và sự lưu thông tin tỷ lệ nghịch với nhau. Khi có thông tin truyền qua, ion sẽ di chuyển dọc theo hệ thống được liên kết với nhau nhưng cũng nhanh chóng rã vào môi trường xung quanh.

Vì thế nếu dùng dây có độ dẫn cao thì ion nhanh tan và ngược lại. Nhận thấy vấn đề này, PGS Kim cùng nhóm nghiên cứu tìm đến kỹ thuật luyện kim để tạo ra hợp chất trộn giữa nhiều kim loại.

Não nhân tạo giúp máy tính xử lý vấn đề giống như con người, nhưng nhanh chóng và chính xác hơn.

“Các nhà luyện kim thời trung cổ thường tăng giảm tỷ lệ của kim loại đầu vào để tạo ra một dụng cụ cơ khí có tính chất vượt trội. Lấy cảm hứng từ đó, chúng tôi cũng điều chỉnh mức độ phân tử để tạo một dây siêu dẫn, giúp bộ nhớ nhân tạo truyền nhận tín hiệu cực nhanh,” ông Kim nói.

Nhưng khác với luyện kim tạo vũ khí, nhóm nghiên cứu điều chỉnh sâu hơn vào phân tử, tác động đến điện cực của chúng nhằm tạo ra môi trường giữ điện không rã ion. Sau nhiều thử nghiệm, nhóm ông Kim chọn hợp kim đồng bởi nó có thể liên kết với bạc và silicon.

Sau khi tạo ra vật liệu, các nhà nghiên cứu đặt điện cực xung quanh và tạo ra con chip thu nhỏ với sức mạnh tương đương 10.000 bộ não. Từng pixel trong chip tương ứng với một memristor, chúng nằm sát cạnh và tương tác rất tốt với nhau.

Không chỉ hoạt động bên trong máy tính, não nhân tạo đang được các nhà khoa học đưa ra thế giới ngoài để đặt vào những cỗ máy, như xe tự lái, robot tự động.

Nhóm của ông Kim bắt đầu chạy nhiều thử nghiệm để đánh giá khả năng truyền dẫn, ghi nhớ của nó. Kết quả rất đáng ngạc nhiên, nó nhớ được hình ảnh với độ phân giải cao và đưa ra phân tích chính xác. Thiết kế của nhóm đã tạo ra một memristor tốt nhất.

Công nghệ này đang được hoàn thiện hóa vì đã trải qua quá trình đánh giá thử nghiệm ấn tượng. PGS Kim cho biết khi được áp dụng vào thực tế, con chip sẽ thực hiện được rất nhiều nhiệm vụ liên quan đến ghi nhớ và xử lý thông tin, giúp giải quyết vấn đề mà một siêu máy tính đồ sộ hoặc phải kết nối mạng mới làm được.

Quang Niên (Theo MIT Tech)