Xuất hiện chip ‘khủng’ tăng tốc độ máy tính lên 20 lần

Các nhà khoa học tại Đại học Glasgow và Đại học Massachusetts vừa tạo ra một bộ xử lý đặc biệt, gồm tới 1.000 nhân trên cùng một con chip đơn. Kết quả thử nghiệm cho thấy công nghệ này có thể nâng tốc độ xử lý lên hơn 20 lần, đồng thời duy trì mức tiêu thụ năng lượng rất thấp. Đây được xem là bước tiến đáng chú ý trong cuộc đua phát triển những hệ thống máy tính mạnh hơn, nhanh hơn và thân thiện hơn với môi trường. Trong máy tính hiện đại, việc trang bị ít nhất hai bộ xử lý đã trở nên phổ biến, còn các hệ thống cao cấp thường sở hữu khoảng 16 nhân xử lý. Tuy nhiên, con số 1.000 nhân trên một chip đơn do tiến sĩ Wim Vanderbauwhede cùng đồng sự Lowell tại Đại học Massachusetts phát triển vẫn tạo khác biệt rất lớn. Thành công này mở ra một hướng tiếp cận mới, thay vì chỉ tiếp tục tăng sức mạnh cho số ít nhân xử lý vốn đang dùng trong máy tính hiện nay. Nền tảng của thiết kế mới là FPGA, viết tắt của Field Programmable Gate Array, một loại chip có thể lập trình theo yêu cầu sử dụng. FPGA vẫn chứa các bóng bán dẫn, hay transistor, giống những vi mạch khác, nhưng các chức năng bên trong không bị cố định hoàn toàn ngay từ dây chuyền sản xuất. Những mạch cơ bản của FPGA được để ở trạng thái có thể tùy chỉnh, cho phép người dùng cấu hình chúng phù hợp với từng nhiệm vụ cụ thể. Giáo sư Vanderbauwhede đã tận dụng đặc điểm này để chia các transistor thành nhiều nhóm nhỏ, sau đó phân công mỗi nhóm đảm nhiệm một tác vụ riêng. Cách tổ chức ấy tạo ra 1.000 mạch nhỏ nằm trên cùng một chip, hình thành bộ xử lý 1.000 nhân với khả năng hoạt động song song. Mỗi nhân được thiết lập để thực hiện những chỉ dẫn ban đầu, giúp toàn bộ hệ thống xử lý nhiều phần việc đồng thời thay vì lần lượt chờ đợi. Sức mạnh này thể hiện rõ trong thử nghiệm xử lý thuật toán truyền video MPEG từ một trung tâm, dạng tác vụ quen thuộc với các dịch vụ như YouTube. Con chip đạt tốc độ 5GB mỗi giây trong thử nghiệm, nhanh hơn 20 lần so với tốc độ của bộ xử lý hiện đại nhất tại thời điểm được công bố. Con số trên cho thấy thiết kế nhiều nhân không chỉ tạo ấn tượng về số lượng, mà còn có thể đem lại lợi ích thực tế trong những tác vụ truyền dữ liệu lớn. Dù vậy, máy tính đa nhân thông thường vẫn gặp một điểm nghẽn quan trọng, bởi nhiều nhân phải cùng chia sẻ một nguồn tài nguyên bộ nhớ. Khi các nhân cùng truy cập bộ nhớ chung, hoạt động của chúng dễ bị chậm lại, khiến năng lực xử lý lý thuyết không chuyển hoàn toàn thành tốc độ thực tế. Nhóm nghiên cứu đã giải quyết hạn chế này bằng cách trang bị cho mỗi nhân một bộ nhớ riêng biệt, giúp các mạch nhỏ chủ động xử lý dữ liệu cần thiết. Thiết kế bộ nhớ phân tách làm giảm sự tranh chấp tài nguyên, đồng thời cho phép 1.000 nhân phối hợp hiệu quả hơn trong những nhiệm vụ được phân chia sẵn. Tuy nhiên, FPGA chưa được sử dụng rộng rãi trong máy tính tiêu chuẩn, nguyên nhân chính nằm ở việc lập trình loại chip này tương đối khó. Người phát triển phải xác định cách phân chia nhiệm vụ, tổ chức các mạch và thiết lập chỉ dẫn phù hợp, thay vì chỉ cài đặt phần mềm theo phương pháp quen thuộc. Đổi lại, FPGA mang đến ưu điểm lớn về hiệu suất trên năng lượng, vì bộ xử lý có thể tập trung phần cứng vào đúng nhiệm vụ cần thực hiện. Giáo sư Vanderbauwhede đánh giá đặc điểm tiêu thụ năng lượng thấp khiến công nghệ này trở thành thêm một lựa chọn đáng chú ý cho lĩnh vực máy tính xanh. Hiện giáo sư cùng nhóm cộng sự lên kế hoạch trình diễn công nghệ tại International Symposium on Applied Reconfiguable Computing vào tháng 3/2011. Buổi trình diễn được kỳ vọng cho thấy rõ hơn tiềm năng của chip 1.000 nhân, dù việc đưa FPGA vào máy tính phổ thông vẫn cần vượt qua nhiều khó khăn lập trình.