Để giúp các nhà khoa học quản lý tốt hơn lượng dữ liệu khổng lồ này, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã phát triển một con chip máy tính mới có khả năng nén và xử lý nhanh chóng lượng dữ liệu khổng lồ được tạo ra bởi các máy dò tia X tiên tiến, như những máy tại Nguồn Photon Tiên tiến (APS), một cơ sở nghiên cứu của Văn phòng Khoa học DOE tại Argonne. Bằng cách nén dữ liệu ngay tại nguồn, giống như thu nhỏ một bộ phim hoặc bài hát để dễ dàng gửi đi, công nghệ này giúp các thí nghiệm nhanh hơn, hiệu quả hơn và mang lại nhiều thông tin hữu ích hơn bao giờ hết.

Con chip silicon tích hợp cả cảm biến hình ảnh và nén dữ liệu, được trưng bày bên cạnh một đồng xu Mỹ và đặt trên những hạt cát. Con chip này được thiết kế chung bởi Argonne và SLAC. Nguồn ảnh: Antonino Miceli/Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne.

Khi tia X hoặc electron chiếu vào mẫu vật, các bộ детектор sẽ thu nhận tín hiệu tạo ra—tương tự như máy ảnh kỹ thuật số thu nhận ánh sáng để tạo ra ảnh. Những tín hiệu này được chuyển đổi thành xung điện và sau đó được số hóa thành các con số mà máy tính có thể xử lý. Nhưng với các bộ детектор hiện đại, lượng dữ liệu được tạo ra là rất lớn. Mỗi khung hình, ngay cả những khung hình chứa ít thông tin hữu ích, đều được gửi đi để lưu trữ và phân tích. Điều này có thể làm quá tải hệ thống máy tính và làm chậm quá trình nghiên cứu, khiến các nhà khoa học khó tìm ra những gì quan trọng nhất.

"Mục tiêu của chúng tôi là đưa khả năng tính toán đến ngay nơi dữ liệu được tạo ra," nhà vật lý Antonino Miceli thuộc Viện Argonne và Đại học Chicago cho biết. "Trong công trình nghiên cứu trước đây , chúng tôi đã chỉ ra cách các kỹ thuật toán học tiên tiến có thể thu nhỏ dữ liệu trong khi vẫn giữ lại các phần quan trọng để phân tích. Giờ đây, bằng cách sử dụng công nghệ chip mới và những cải tiến trong vi điện tử, chúng tôi đã chế tạo một con chip tích hợp toán học ngay bên trong bộ детектор. Sử dụng dữ liệu thu thập được tại đường truyền tia APS 8-ID, bộ детектор có thể nén dữ liệu ngay lập tức khi thu thập được."

Điều này có nghĩa là các nhà khoa học có thể thực hiện các phép tính quan trọng trực tiếp trên dữ liệu đã nén mà không cần phải giải nén trước. Do đó, họ có thể phân tích kết quả và nhận phản hồi nhanh hơn nhiều, ngay cả khi thí nghiệm vẫn đang diễn ra.

Được định hướng bởi dữ liệu: Các chip học hỏi từ các thí nghiệm

Tiếp nối công trình nghiên cứu trước đó, nhóm nghiên cứu đã tích hợp một bộ xử lý ma trận toán học nhanh và nhỏ gọn vào chính chip cảm biến. Thay vì gửi từng pixel ra khỏi thiết bị, chip này chắt lọc mỗi hình ảnh thành một tập hợp các con số nhỏ gọn, giữ lại những đặc điểm quan trọng nhất cho các nhà khoa học. Kết quả đầu ra luôn có cùng kích thước và được truyền tải theo thời gian thực, giúp việc quản lý và gửi dữ liệu dễ dàng hơn.

Để làm cho con chip trở nên hữu ích và linh hoạt hơn nữa, nó có thể được tùy chỉnh cho từng thí nghiệm. Trước hoặc trong quá trình thí nghiệm, các nhà khoa học có thể tải lên các "trọng số" được thiết lập sẵn—các cài đặt cho biết con chip cần giữ lại những đặc điểm nào. Quá trình này tương tự như việc huấn luyện một mô hình trí tuệ nhân tạo (AI). Sử dụng dữ liệu mẫu, con chip có thể được lập trình để tập trung vào những gì phù hợp nhất cho mỗi thí nghiệm. Kết quả nghiên cứu này đã được công bố trên Tạp chí Instrumentation .

“Về bản chất, các chip có thể được huấn luyện để tập trung vào những gì quan trọng nhất cho thí nghiệm, do đó chúng có thể nén và giảm dữ liệu ngay lập tức,” Tao Zhou, một nhà khoa học tại Argonne làm việc trên đường truyền tia X được chia sẻ bởi APS và Trung tâm Vật liệu Nano (CNM) giải thích. “Phần cứng rất linh hoạt và có thể được điều chỉnh cho các loại nén hoặc giảm dữ liệu khác nhau, chẳng hạn như tích phân xuyên tâm.” CNM là một cơ sở nghiên cứu của Văn phòng Khoa học DOE tại Argonne.

Các thử nghiệm và nghiên cứu thiết kế cho thấy phương pháp xử lý trên chip này có thể giảm lượng dữ liệu xuống khoảng 100 đến 200 lần, trong khi vẫn hoạt động với tốc độ lên đến một triệu khung hình mỗi giây. Điều đó có nghĩa là ít dữ liệu cần truyền tải hơn, tiêu thụ điện năng thấp hơn và ít dây cáp hơn, giúp các thí nghiệm trở nên rẻ hơn, hiệu quả hơn và dễ dàng mở rộng quy mô hơn.

Bằng cách kết hợp nén dữ liệu thông minh với phần cứng tốc độ cao, các nhà khoa học có thể nhận được câu trả lời trong thời gian thực và điều chỉnh thí nghiệm ngay lập tức. Điều này giúp tăng tốc chu kỳ khám phá và tận dụng tối đa từng phút tại trạm chiếu tia. Nhóm nghiên cứu Argonne hiện đang nỗ lực chuyển chip này từ giai đoạn thiết kế sang sản xuất quy mô lớn và sử dụng trong các thí nghiệm thực tế.

"Các thí nghiệm tại APS sẽ được hưởng lợi đáng kể từ công nghệ này," Miceli nói. "Thông thường, bộ phận dò chứ không phải nguồn tia X mới là yếu tố hạn chế. Để tận dụng tối đa khả năng của nguồn tia X, chúng ta cần công nghệ như thế này. Nghiên cứu này cũng cho thấy sự hợp tác giữa các nhà phát triển bộ phận dò và các nhà khoa học chuyên ngành có thể mang lại hiệu quả rất lớn."

https://techxplore.com/news/2026-03-detector-chip-compresses-ray-real.html (ctngoc)