Cuộc đua năng lực tính toán không gian đã trở thành một cuộc chạy đua vũ trang thực sự.
Musk nhận định, đến năm 2032, vệ tinh AI không gian chạy bằng năng lượng mặt trời sẽ trở thành giải pháp tính toán có chi phí tối ưu nhất toàn cầu.
Nhận định của CEO Nvidia Hoàng Nhân Huân vào tháng 3 năm nay, cũng đã định tính phần nào cho cuộc đua này – bất cứ nơi nào tạo ra dữ liệu, đều phải có trí tuệ tồn tại.
Sau khi hai gã khổng lồ ra tay, chiến trường năng lực tính toán không gian đã được đẩy lên độ cao chưa từng có, nhưng những thách thức kỹ thuật mà việc tính toán trong không gian phải đối mặt vẫn khắc nghiệt hơn nhiều so với trên mặt đất.
Không có đối lưu không khí, chip không thể tản nhiệt; Trong vũ trụ tồn tại các hạt năng lượng cao, có thể khiến chip xảy ra lỗi bất cứ lúc nào...
△Vệ tinh tính toán trong và ngoài nước (được hỗ trợ tạo bởi AI)
Musk ở phía bên kia, cũng bị tiết lộ có động thái mới – Công ty SpaceX dưới quyền ông đang cân nhắc việc mua lại công ty mô-đun quang Mesh.
Mesh được Musk để mắt đến, hoạt động kinh doanh chính là sản xuất hàng loạt bộ thu phát quang (optical transceiver) để nâng cao hiệu quả truyền thông của trung tâm dữ liệu AI, từ đó cải thiện chất lượng và hiệu quả.
Tại sao tính toán bằng ánh sáng (quang tính) tự nhiên phù hợp với không gian
Trong cuộc đua năng lực tính toán không gian, thử thách mà chip phải đối mặt khắc nghiệt hơn nhiều so với mặt đất, tải trọng tính toán phải vượt qua ba rào cản – bức xạ, tản nhiệt, công suất tiêu thụ.
Chip điện tử truyền thống phụ thuộc vào lưu trữ điện tích và hoạt động của bóng bán dẫn nền silicon, trong khi không gian tràn ngập một lượng lớn các hạt năng lượng cao của vũ trụ.
Khi các hạt năng lượng cao va chạm vào chip, chúng sẽ gây ra các hiệu ứng như lật bit đơn hạt (SEU), khóa chốt đơn hạt (SEL), dẫn đến tính toán sai lầm thậm chí thiết bị hỏng hóc.
Chip quang tính về cơ bản đã vượt qua rào cản này.
Quang tính sử dụng photon làm phương tiện mang thông tin tính toán, bản thân photon không mang điện tích, tự nhiên miễn nhiễm với sự nhiễu loạn trực tiếp từ va chạm của hạt năng lượng cao, không cần thiết kế bảo vệ bức xạ đặc biệt.
Tản nhiệt là rào cản thứ hai, cũng là rào cản hóc búa nhất.
Khi chip điện tử truyền thống hoạt động, việc truyền dẫn điện tử trong dây dẫn và chuyển mạch của bóng bán dẫn tất nhiên sẽ tạo ra nhiệt, trong khi nhiệm vụ AI có nhu cầu cực lớn về vận chuyển dữ liệu và tính toán, điều này khiến công suất tiêu thụ và lượng nhiệt tỏa ra của chip điện tử luôn ở mức cao.
Không gian là môi trường chân không, không có đối lưu không khí, chỉ có hai con đường tản nhiệt là dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt.
Những hạn chế khắc nghiệt về điều kiện tản nhiệt, rất dễ dẫn đến việc chip truyền thống bị giảm tần số hoặc thậm chí hỏng hóc.
Cách thức hoạt động của chip quang tính hoàn toàn khác biệt, ánh sáng truyền trong ống dẫn sóng để hoàn thành tính toán, quá trình này hầu như không tạo ra nhiệt.
Rào cản thứ ba là công suất tiêu thụ.
Vệ tinh khi hoạt động trên quỹ đạo phụ thuộc rất nhiều vào nguồn cung cấp điện từ tấm pin mặt trời, khi vào khu vực bóng tối của quỹ đạo chỉ duy trì bằng pin tích hợp trên vệ tinh, nguồn cung cấp năng lượng cực kỳ hạn chế.
Mức tiêu thụ năng lượng của chip có năng lực tính toán cao càng lớn, thì diện tích tấm pin mặt trời cần thiết càng lớn, từ đó đẩy cao trọng lượng, kích thước và chi phí phóng vệ tinh.
Công suất tiêu thụ tĩnh lý thuyết của chip quang tính tiến gần đến 0, phù hợp một cách tự nhiên với ràng buộc khắc nghiệt về nguồn năng lượng hạn chế của vệ tinh, coi như đã vượt qua được một nửa rào cản này.
Ba đặc tính chống bức xạ, tỏa nhiệt thấp, tiêu thụ ít điện năng của quang tính, trong môi trường không gian là những "vũ khí bí mật" giúp việc tính toán không gian trực tiếp vượt qua các trở ngại kỹ thuật ở giai đoạn đầu.
Sau khi vượt qua ba rào cản này, quang tính trong kịch bản không gian còn có một lợi thế cấp hệ thống mà tính toán điện tử khó có thể đạt tới –
Với cùng trọng lượng tải trọng, quang tính có thể đạt được tổng năng lực tính toán cao hơn.
Việc đưa trung tâm dữ liệu mặt đất lên trời, ràng buộc cốt lõi là trọng lượng và thể tích của tải trọng.
Toàn bộ kiến trúc của máy chủ truyền thống được thiết kế cho hình thái mặt đất, đưa năng lực tính toán lên trời, chip tính toán, bộ nhớ, CPU cũng như hệ thống tản nhiệt đi kèm, lớp che chắn chống bức xạ... mỗi thành phần đều chiếm dụng không gian tải trọng quý giá, khiến không gian thực sự dành cho việc tính toán còn lại rất ít.
Giải pháp mà Nvidia đưa ra là tích hợp CPU và GPU trên một tấm, đạt được năng lực tính toán tương đối khả quan với kích thước và trọng lượng cực nhỏ, mô-đun Space-1 Vera Rubin chính là sự tiếp nối của hướng tư duy này.
Nhưng quang tính có thể đi xa hơn.
Do bản thân chip quang tính tỏa nhiệt thấp, tiêu thụ ít điện năng, cấu trúc tản nhiệt và hệ thống năng lượng đi kèm cần thiết có thể được làm nhẹ hơn, nhỏ hơn, trong cùng trọng lượng tải trọng, quang tính có thể chứa được nhiều năng lực tính toán hơn.
Vì vậy, trong điều kiện cung cấp năng lượng và tản nhiệt như nhau, tổng năng lực tính toán mà quang tính đạt được cao hơn so với tính toán điện tử.
△Ba lợi thế của quang tính trong kịch bản không gian (được hỗ trợ tạo bởi AI)
Theo quan điểm của Phó viện trưởng Viện Nghiên cứu Công nghệ Quang Bản Vị, Phổ Hoa Nam, đằng sau lợi thế này có động lực nội sinh sâu sắc.
Sự tiến bộ về hiệu suất của chip tính toán điện tử, từ lâu phụ thuộc vào quy trình vi thu nhỏ – tích hợp nhiều bóng bán dẫn hơn trên cùng diện tích, nâng cao mật độ tính toán thông qua các đường kết nối mảnh hơn.
Tuy nhiên, con đường này có giới hạn vật lý, khi khoảng cách cực gate của bóng bán dẫn thu nhỏ đến một mức độ nhất định, hiệu ứng đường hầm lượng tử sẽ xuất hiện một cách không thể tránh khỏi.
Điện tử sẽ xuyên qua hàng rào thế năng lẽ ra không thể vượt qua về mặt lý thuyết, dẫn đến rò rỉ điện và tính toán sai lầm, đây là trần nhà về mặt vật lý mà tính toán điện tử không thể tránh khỏi.
Quang tính đi trên một con đường hoàn toàn khác.
Việc chế tạo chip quang tính không phụ thuộc vào hệ thống quy trình tiên tiến do máy khắc quang cực tím chi phối, các quy trình trên 45 nanomet hiện có thậm chí quy trình cấp dưới micromet đã có thể đáp ứng nhu cầu chế tạo chip quang tính.
Việc nâng cao năng lực tính toán quang tính, dựa vào việc mở rộng quy mô tính toán quang học, cũng như tận dụng triệt để nhiều chiều dữ liệu đa hợp mà bản thân photon sở hữu như bước sóng, phân cực, chế độ quang học.
Trên con đường này, lượng nhiệt tỏa ra và công suất tiêu thụ của quang tính duy trì ổn định, chi phí có thể được kiểm soát hiệu quả, trần nhà của năng lực tính toán cũng chưa chạm tới.
Photon phá vỡ cục diện, từ mặt đất đến suy luận trên quỹ đạo không gian
Photon, là phương tiện lõi của quang tính.
Ý tưởng cơ bản của quang tính là sử dụng photon thay thế điện tử để hoàn thành phần cốt lõi nhất trong tính toán suy luận AI, tức là một lượng lớn phép tính ma trận.
Lợi thế của chip quang tính nằm ở chỗ, một lần truyền dẫn tia sáng có thể đồng thời hoàn thành một loạt lớn các phép nhân như vậy, tốc độ cực nhanh, và hầu như không tạo ra nhiệt.
Tuy nhiên, nhìn ra toàn ngành, hầu hết các giải pháp quang tính so với tính toán điện tử, vẫn còn một khoảng cách nhất định so với việc thực sự có thể triển khai quy mô lớn, thông dụng, ổn định.
Trong đó, vấn đề nổi bật nhất có hai:
Một là bộ nhớ và tính toán vẫn tách rời, khi suy luận AI, tham số mô hình cần được di chuyển thường xuyên từ bộ nhớ ngoài vào đơn vị tính toán, băng thông bộ nhớ trở thành nút cổ chai của toàn hệ thống;
Hai là khó khăn trong tích hợp quy mô hóa, bị hạn chế bởi các ràng buộc vật lý về kích thước chip, biến dạng cong vênh và mật độ kết nối của nền tảng silicon photonics, các giải pháp quang tính truyền thống không dễ dàng mở rộng quy mô năng lực tính toán.
Hai ngưỡng cửa này, khiến quang tính vẫn còn một khoảng cách so với hệ sinh thái tính toán trưởng thành, hoàn chỉnh như chip điện tử.
△Kiến trúc tính toán trong bộ nhớ quang của Công nghệ Quang Bản Vị
△Hệ thống tính toán quang nền thủy tinh đóng gói nhiều lớp của Công nghệ Quang Bản Vị
Nhưng từ mặt đất đến không gian, Phổ Hoa Nam cho rằng "quang tính cần phải vượt qua một rào cản công nghiệp hóa nữa".
Giai đoạn phóng tên lửa rung động cực mạnh, cấu trúc quang học so với chip điện tử thuần túy đã đưa vào nhiều đóng gói hơn, độ ổn định cấu trúc của chip trong điều kiện rung động cường độ cao phải đối mặt với những thử thách bổ sung.
Sau khi vào quỹ đạo, hệ thống quang tính còn cần hoàn thành xác minh cấp hệ thống về năng lượng, kiểm soát nhiệt, truyền thông trong môi trường không gian thực tế.
Quang tính & Liên kết quang, lá bài tẩy tiếp theo của năng lực tính toán không gian
Con đường này tương đồng với logic tiến hóa từ một GPU đơn lẻ đến giải pháp cấp cụm của Nvidia, nhưng đường hướng công nghệ cốt lõi hoàn toàn khác biệt.
Nhìn ra toàn ngành công nghiệp tính toán thiên cơ, sự phát triển hiện tại vẫn ở giai đoạn cực kỳ sớm, khoảng cách đến triển khai thương mại hóa quy mô còn khá dài.
Xác minh công nghệ, tích hợp hệ thống, triển khai quy mô, mỗi khâu đều còn rất nhiều vấn đề kỹ thuật chờ đợi được đột phá.
Tài nguyên cung cấp năng lượng của nền tải vệ tinh bị hạn chế, chu kỳ lặp lại của chip không gian, đưa vào quỹ đạo quy mô với chi phí thấp, đây đều là những ngưỡng cửa mà tính toán thiên cơ phải vượt qua để đi từ thử nghiệm đến thương mại hóa.
Chỉ khi chi phí tổng hợp của tính toán thiên cơ thấp hơn tính toán mặt đất, hoặc kịch bản thiên cơ có thể cung cấp dịch vụ giá trị cao mà mặt đất không thể thay thế, thì sự phổ cập thương mại hóa mới có động lực thực sự.
Đường đua năng lực tính toán không gian mới chỉ vừa mở ra, việc lựa chọn công nghệ nào cho chip tính toán và hệ thống, sẽ quyết định trần năng lực của chòm sao năng lực tính toán trong tương lai.
Tính toán điện tử đang dần chạm trần trước giới hạn quy trình, quang tính và liên kết quang có lẽ chính là lá bài then chốt trong cuộc đua này để vượt qua các ràng buộc vật lý và tạo ra sự khác biệt.
Bài viết này từ tài khoản WeChat công chúng: Quantum Bits , tác giả: Quan tâm công nghệ tiên phong, tiêu đề gốc:《Câu trả lời nội địa cho năng lực tính toán không gian: Sử dụng photon hiệu quả hơn! Musk và Hoàng Nhân Huân đều quá rắc rối》
