Trung Quốc vừa bắt tay vào một nỗ lực công nghiệp độc đáo bằng cách tung ra sản xuất hàng loạt chip máy tính phi nhị phân. Một sáng kiến có thể giúp đa dạng hóa hệ sinh thái máy tính của chúng ta và thậm chí có thể dẫn đến sự xuất hiện của các công nghệ mới.
Ngày nay, phần lớn các chip trong các thiết bị mà chúng ta sử dụng hàng ngày đều được chế tạo dựa trên cái gọi là logic nhị phân, được triển khai bằng cách sử dụng các bóng bán dẫn có thể thay đổi giữa hai trạng thái riêng biệt—thường là 0 và 1.
Học máy là một ví dụ điển hình. Xin nhắc lại, các mô hình AI hiện tại được xây dựng xung quanh các mạng nơ-ron nhân tạo có thể được kích thích bằng cách giải quyết chúng bằng giá trị 1 hoặc 0. Với một hệ thống ba ngôi có khả năng sử dụng ba giá trị (-1, 0 và 1 thay vì 0 và 1), chúng ta cũng có thể ức chế một số nơ-ron nhất định bằng giá trị -1 để cải thiện hiệu quả của quá trình suy luận.
Và đây chỉ là phần nổi của tảng băng chìm khổng lồ; Một số nhà nghiên cứu thậm chí còn tin rằng sẽ rất thú vị khi phát triển các phương pháp tiếp cận thay thế, ví dụ như dựa trên hệ thống phi nhị phân, để thúc đẩy hệ sinh thái công nghệ của chúng ta. Và đây chính xác là những gì các binh lính tại Đại học Beihang của Trung Quốc ở Bắc Kinh hiện đang làm việc.
Trong thế giới nhị phân, mỗi giá trị tương ứng với một chuỗi bit rất cụ thể; 1000 trong hệ nhị phân tương ứng với, ví dụ, số 8. Nhưng bạn chỉ cần thay đổi vị trí của một trong những bit này để thay đổi bản chất của thông tin. Ví dụ, dịch chuyển bit đầu tiên để có được 0100, và bạn sẽ có được 4 thay vì 8.
Đây vừa là một lợi thế vừa là một bất lợi. Một mặt, đây là một cách tiếp cận hoàn toàn có tính xác định; cùng một phép toán luôn tạo ra cùng một kết quả. Nhưng mặt khác, điều này cũng có nghĩa là nhị phân vừa rất nhạy cảm với lỗi vừa không nhất thiết phải rất hiệu quả, vì đôi khi một số phép toán phải được nối lại với nhau để thực hiện một sửa đổi đơn giản.
Để tránh những thiếu sót này, chúng ta cũng có thể sử dụng phương pháp tiếp cận ngẫu nhiên, tức là phương pháp dựa trên các khái niệm về tính ngẫu nhiên và xác suất. Ví dụ, chúng ta có thể tùy ý quyết định rằng số lượng 1 trong chuỗi 10 bit biểu diễn một chữ số từ 0 đến 9. Trong trường hợp này, số 8 của chúng ta sẽ được biểu diễn bằng một chuỗi như 0110111111… nhưng cũng có thể là 1111101011. Ở đây, điều quan trọng không phải là giá trị chính xác của từng bit mà là phân phối thống kê của chúng.
Một lần nữa, đây vừa là ưu điểm vừa là nhược điểm. Mối quan tâm chính là phương pháp tiếp cận tương đối cũ này, được hình thành từ những năm 1960, không hoàn toàn mang tính xác định. Không thể tin cậy vào từng thông tin riêng lẻ và giá trị thực chỉ có thể xuất hiện từ một tập hợp bit đủ lớn. Rõ ràng điều này có thể gây ra vấn đề trong các ứng dụng dựa trên độ chính xác số học thuần túy. Nhưng mặt khác, việc không phụ thuộc vào các giá trị tuyệt đối khiến cách tiếp cận này có khả năng chống lỗi hơn. Nó cũng cho phép thực hiện một số thao tác nhanh hơn nhiều, và thậm chí song song.
Bằng cách làm cho hai công nghệ cùng tồn tại và tương tác trên cùng một giá đỡ, nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã có thể thiết kế một loại chip mới. Nhờ tính bổ sung của phương pháp nhị phân và phương pháp ngẫu nhiên, nhóm nghiên cứu có thể khai thác các ưu điểm tương ứng của hai phương pháp tiếp cận này đồng thời hạn chế các nhược điểm của chúng.
Ví dụ, một số chức năng nhất định, chẳng hạn như tính toán tọa độ pixel, yêu cầu toán học chính xác; do đó, chúng được xử lý bởi phần nhị phân. Nhưng đồng thời, màn hình cảm ứng cũng tạo ra một lượng lớn "tiếng ồn nền" điện tử mà chắc chắn phải được lọc ra, ví dụ như để xác định xem người dùng có đang nhấn vào màn hình hay chỉ chạm vào màn hình. Đây là một nhiệm vụ tương đối khó đối với một hệ thống nhị phân, nhưng một hệ thống ngẫu nhiên có thể thực hiện rất dễ dàng. Với hệ thống lai này, cả hai phần đều có thể được xử lý rất hiệu quả bởi một hệ thống có công suất tính toán thấp.
"Con chip hiện tại đã đạt được độ trễ tính toán trên chip ở mức micro giây, tạo nên sự cân bằng giữa khả năng tăng tốc phần cứng hiệu suất cao và khả năng lập trình phần mềm linh hoạt," các tác giả giải thích.
Phải thừa nhận rằng, khả năng cách tiếp cận này trở nên phổ biến trong tương lai gần là rất thấp; Nhị phân đã ăn sâu vào xã hội của chúng ta đến mức không thể xem xét thay thế hoàn toàn. Nhưng sẽ rất thú vị khi xem liệu sáng kiến này có được bắt chước hay không.
Chúng ta đang sống trong thời đại mà các giới hạn vật lý quyết định khả năng tính toán của chúng ta (kích thước bóng bán dẫn, quản lý nhiệt độ và năng lượng, v.v.) đang trở nên ngày càng khó đẩy lùi để đáp ứng nhu cầu của xã hội. Càng tiến gần đến những giới hạn này, chúng ta càng thấy thú vị khi thoát khỏi nhị phân và ủng hộ các phương pháp tiếp cận kết hợp như thế này; không phải là không thể ngày càng có nhiều công ty và tổ chức bắt đầu khám phá chân trời này, điều này có thể biến đổi đáng kể hệ sinh thái công nghệ của chúng ta. Hẹn gặp lại các bạn sau vài năm nữa, hay đúng hơn là vài thập kỷ nữa, để có một đánh giá mới!
Ngày nay, phần lớn các chip trong các thiết bị mà chúng ta sử dụng hàng ngày đều được chế tạo dựa trên cái gọi là logic nhị phân, được triển khai bằng cách sử dụng các bóng bán dẫn có thể thay đổi giữa hai trạng thái riêng biệt—thường là 0 và 1.
Nhị phân: Vấn đề thỏa hiệp
Nếu nhị phân phổ biến như vậy ngày nay, thì chủ yếu là vì nó đại diện cho một sự thỏa hiệp lý tưởng vào buổi bình minh của máy tính. Về mặt khái niệm, đây là một cách tiếp cận cực kỳ đơn giản, giúp tạo điều kiện thuận lợi rất nhiều cho việc triển khai nó trong các hệ thống máy tính ban đầu. Hơn nữa, sự đơn giản này khiến nhị phân trở thành sự kết hợp hoàn hảo với đại số Boolean, một hệ thống toán học hoàn toàn dựa trên logic đúng hoặc sai. Điều này đã tạo ra một liên kết trực quan và thanh lịch giữa logic toán học trừu tượng và triển khai vật lý, do đó mở đường cho những chiếc máy tính hiện đại đầu tiên. Nhưng mặc dù logic nhị phân là một nền tảng cực kỳ đáng tin cậy, mạnh mẽ và dễ xử lý, điều đó không có nghĩa là nó hoàn hảo. Ngày nay, nó vẫn là tiêu chuẩn vì toàn bộ ngành công nghiệp đã phát triển xung quanh cách tiếp cận này, đến mức gần như không thể chia tay nó vì cả lý do hậu cần và kinh tế. Tuy nhiên, vẫn có những giải pháp thay thế và thậm chí có nhiều trường hợp các hệ thống khác sẽ hiệu quả hơn.
Học máy là một ví dụ điển hình. Xin nhắc lại, các mô hình AI hiện tại được xây dựng xung quanh các mạng nơ-ron nhân tạo có thể được kích thích bằng cách giải quyết chúng bằng giá trị 1 hoặc 0. Với một hệ thống ba ngôi có khả năng sử dụng ba giá trị (-1, 0 và 1 thay vì 0 và 1), chúng ta cũng có thể ức chế một số nơ-ron nhất định bằng giá trị -1 để cải thiện hiệu quả của quá trình suy luận.
Và đây chỉ là phần nổi của tảng băng chìm khổng lồ; Một số nhà nghiên cứu thậm chí còn tin rằng sẽ rất thú vị khi phát triển các phương pháp tiếp cận thay thế, ví dụ như dựa trên hệ thống phi nhị phân, để thúc đẩy hệ sinh thái công nghệ của chúng ta. Và đây chính xác là những gì các binh lính tại Đại học Beihang của Trung Quốc ở Bắc Kinh hiện đang làm việc.
Một con chip lai dựa trên xác suất
Theo SCMP, nhóm của Giáo sư Li Hongge đã phát triển một hệ thống lai có tên là HSN, viết tắt của Hybrid Stochastic Number. Ý tưởng chính là sử dụng hệ nhị phân cũ tốt này cùng với một phương pháp tiếp cận khác có tên là stochastic để thiết kế một con chip vừa có hiệu suất cao vừa có tính linh hoạt đặc biệt.Trong thế giới nhị phân, mỗi giá trị tương ứng với một chuỗi bit rất cụ thể; 1000 trong hệ nhị phân tương ứng với, ví dụ, số 8. Nhưng bạn chỉ cần thay đổi vị trí của một trong những bit này để thay đổi bản chất của thông tin. Ví dụ, dịch chuyển bit đầu tiên để có được 0100, và bạn sẽ có được 4 thay vì 8.
Đây vừa là một lợi thế vừa là một bất lợi. Một mặt, đây là một cách tiếp cận hoàn toàn có tính xác định; cùng một phép toán luôn tạo ra cùng một kết quả. Nhưng mặt khác, điều này cũng có nghĩa là nhị phân vừa rất nhạy cảm với lỗi vừa không nhất thiết phải rất hiệu quả, vì đôi khi một số phép toán phải được nối lại với nhau để thực hiện một sửa đổi đơn giản.
Để tránh những thiếu sót này, chúng ta cũng có thể sử dụng phương pháp tiếp cận ngẫu nhiên, tức là phương pháp dựa trên các khái niệm về tính ngẫu nhiên và xác suất. Ví dụ, chúng ta có thể tùy ý quyết định rằng số lượng 1 trong chuỗi 10 bit biểu diễn một chữ số từ 0 đến 9. Trong trường hợp này, số 8 của chúng ta sẽ được biểu diễn bằng một chuỗi như 0110111111… nhưng cũng có thể là 1111101011. Ở đây, điều quan trọng không phải là giá trị chính xác của từng bit mà là phân phối thống kê của chúng.
Một lần nữa, đây vừa là ưu điểm vừa là nhược điểm. Mối quan tâm chính là phương pháp tiếp cận tương đối cũ này, được hình thành từ những năm 1960, không hoàn toàn mang tính xác định. Không thể tin cậy vào từng thông tin riêng lẻ và giá trị thực chỉ có thể xuất hiện từ một tập hợp bit đủ lớn. Rõ ràng điều này có thể gây ra vấn đề trong các ứng dụng dựa trên độ chính xác số học thuần túy. Nhưng mặt khác, việc không phụ thuộc vào các giá trị tuyệt đối khiến cách tiếp cận này có khả năng chống lỗi hơn. Nó cũng cho phép thực hiện một số thao tác nhanh hơn nhiều, và thậm chí song song.
Bằng cách làm cho hai công nghệ cùng tồn tại và tương tác trên cùng một giá đỡ, nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã có thể thiết kế một loại chip mới. Nhờ tính bổ sung của phương pháp nhị phân và phương pháp ngẫu nhiên, nhóm nghiên cứu có thể khai thác các ưu điểm tương ứng của hai phương pháp tiếp cận này đồng thời hạn chế các nhược điểm của chúng.
Một thành phần đã được sản xuất hàng loạt
Hệ thống này đã được triển khai trên một con chip hiện đang được SMIC, một xưởng đúc hàng đầu của Trung Quốc, sản xuất hàng loạt. Hiện nay, nó được sử dụng trong màn hình cảm ứng, một công nghệ đặc biệt phù hợp với cách tiếp cận kết hợp này.Ví dụ, một số chức năng nhất định, chẳng hạn như tính toán tọa độ pixel, yêu cầu toán học chính xác; do đó, chúng được xử lý bởi phần nhị phân. Nhưng đồng thời, màn hình cảm ứng cũng tạo ra một lượng lớn "tiếng ồn nền" điện tử mà chắc chắn phải được lọc ra, ví dụ như để xác định xem người dùng có đang nhấn vào màn hình hay chỉ chạm vào màn hình. Đây là một nhiệm vụ tương đối khó đối với một hệ thống nhị phân, nhưng một hệ thống ngẫu nhiên có thể thực hiện rất dễ dàng. Với hệ thống lai này, cả hai phần đều có thể được xử lý rất hiệu quả bởi một hệ thống có công suất tính toán thấp.
"Con chip hiện tại đã đạt được độ trễ tính toán trên chip ở mức micro giây, tạo nên sự cân bằng giữa khả năng tăng tốc phần cứng hiệu suất cao và khả năng lập trình phần mềm linh hoạt," các tác giả giải thích.
Liệu ngành công nghiệp này có đang ở bờ vực của một sự thay đổi lớn không?
Và đây có thể chỉ là sự khởi đầu. Nhóm đang phát triển một bộ hướng dẫn (các lệnh cơ bản cho bộ xử lý biết phải làm gì) được thiết kế riêng cho phương pháp ngẫu nhiên lai này. Khi đã trưởng thành, điều này có thể giúp thiết kế các hệ thống điều khiển hiệu suất cực cao cho các ứng dụng rất cụ thể, đặc biệt là trong các lĩnh vực như học máy.Phải thừa nhận rằng, khả năng cách tiếp cận này trở nên phổ biến trong tương lai gần là rất thấp; Nhị phân đã ăn sâu vào xã hội của chúng ta đến mức không thể xem xét thay thế hoàn toàn. Nhưng sẽ rất thú vị khi xem liệu sáng kiến này có được bắt chước hay không.
Chúng ta đang sống trong thời đại mà các giới hạn vật lý quyết định khả năng tính toán của chúng ta (kích thước bóng bán dẫn, quản lý nhiệt độ và năng lượng, v.v.) đang trở nên ngày càng khó đẩy lùi để đáp ứng nhu cầu của xã hội. Càng tiến gần đến những giới hạn này, chúng ta càng thấy thú vị khi thoát khỏi nhị phân và ủng hộ các phương pháp tiếp cận kết hợp như thế này; không phải là không thể ngày càng có nhiều công ty và tổ chức bắt đầu khám phá chân trời này, điều này có thể biến đổi đáng kể hệ sinh thái công nghệ của chúng ta. Hẹn gặp lại các bạn sau vài năm nữa, hay đúng hơn là vài thập kỷ nữa, để có một đánh giá mới!
