Trí tuệ nhân tạo (AI) đã trở thành một phần cốt lõi của công nghệ hiện đại, vận hành mọi thứ, từ nhận diện khuôn mặt trên điện thoại thông minh đến hình ảnh y tế, dịch thuật trực tuyến, xe tự lái. Nhưng có một vấn đề, các hệ thống AI ngày nay sử dụng một lượng điện năng khổng lồ.

Mới đây, nhóm nghiên cứu tại Đại học Florida công bố con chip máy tính mới, có thể giảm đáng kể nhu cầu điện năng này. Chip này sử dụng ánh sáng, thay vì chỉ dùng điện, để thực hiện một trong những hoạt động tốn điện nhất của AI: tìm các mẫu trong dữ liệu, như hình ảnh, video, văn bản.

Bằng cách kết hợp thành phần quang học với thiết bị điện tử truyền thống, chip mới có thể thực hiện các tác vụ này với hiệu suất cao hơn từ 10 đến 100 lần so với chip hiện tại. Trọng tâm của tiến bộ này là cách con chip thực hiện cái gọi là phép toán tích chập.

Đây là các khối xây dựng toán học, cho phép hệ thống AI nhận dạng các mẫu hình, chẳng hạn phân biệt chó với mèo trong ảnh. Thông thường, các phép toán này đòi hỏi rất nhiều sức mạnh xử lý, nhưng nhóm nghiên cứu tại Đại học Florida chứng minh việc sử dụng ánh sáng để thực hiện chúng hiệu quả hơn nhiều.

Con chip hoạt động bằng cách tích hợp các thấu kính siêu nhỏ trực tiếp lên tấm silicon, được chế tạo bằng phương pháp tiêu chuẩn tương tự dùng để chế tạo chất bán dẫn. Đây là các thấu kính Fresnel phẳng, lấy cảm hứng từ thấu kính thủy tinh khổng lồ, từng sử dụng trong các ngọn hải đăng nhưng được thu nhỏ lại đến kích thước nhỏ hơn cả sợi tóc người.

Khi ánh sáng laser đi qua thấu kính, chúng tự động thực hiện phép biến đổi toán học cần thiết cho một phép tích chập. Kết quả sau đó, được chuyển đổi trở lại thành tín hiệu điện tử, hoàn thành nhiệm vụ AI.

Trong quá trình thử nghiệm, chip nguyên mẫu phân loại thành công các chữ số viết tay với độ chính xác khoảng 98%, tương đương hiệu suất của chip điện tử thông thường, nhưng chỉ tiêu thụ một phần nhỏ điện năng.

Ấn tượng hơn nữa, nhóm nghiên cứu chứng minh chip có thể xử lý nhiều luồng dữ liệu cùng lúc, bằng cách chiếu các màu ánh sáng laser khác nhau qua thấu kính. Phương pháp này, được gọi là ghép kênh bước sóng, tận dụng một trong những điểm mạnh của ánh sáng là khả năng truyền nhiều tín hiệu đồng thời mà không bị nhiễu.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Advanced Photonics. Theo Giáo sư Volker J. Sorger tại Đại học Florida, người dẫn đầu nghiên cứu, đột phá này đại diện cho bước tiến nhảy vọt cho hệ thống AI trong tương lai, giúp tiếp tục nâng cao năng lực mà không làm quá tải nguồn cung cấp điện của thế giới.

Công trình thực hiện với sự hợp tác của Viện bán dẫn Florida, UCLA, Đại học George Washington. Giáo sư Sorger lưu ý các nhà sản xuất chip lớn như NVIDIA đã sử dụng một số linh kiện quang học trong sản phẩm của họ, điều này có thể giúp đẩy nhanh việc áp dụng công nghệ mới này.

Trong tương lai gần, quang học trên chip sẽ trở thành một phần quan trọng của mọi chip AI mà chúng ta sử dụng hằng ngày, Giáo sư Sorger dự đoán. Nếu tầm nhìn này trở thành hiện thực, thế hệ AI tiếp theo có thể không chỉ thông minh và nhanh hơn mà còn thân thiện hơn với môi trường, bởi sử dụng năng lượng từ ánh sáng thay vì chỉ dùng điện.