Một nhóm các nhà khoa học từ Đại học Texas A&M, Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia và Đại học Stanford đã nghiên cứu và phát triển một lớp vật liệu mới. Lớp vật liệu này hoạt động giống như các sợi trục (axon) trong tế bào thần kinh (neuron), có khả năng tự động khuếch đại xung điện khi truyền qua dây dẫn. Phát hiện này được coi là bước đột phá quan trọng trong lĩnh vực máy tính và trí tuệ nhân tạo.
Vật liệu lấy cảm hứng tế bào não có khả năng truyền tín hiệu điện một cách hiệu quả bằng cách tăng cường hiệu suất và giảm mức tiêu thụ năng lượng. Hứa hẹn sẽ cách mạng hóa các công nghệ máy tính trong tương lai.
Thách Thức Trong Việc Truyền Tín Hiệu Điện
Một thách thức lớn trong việc truyền tín hiệu điện là sự suy giảm độ lớn của tín hiệu khi nó di chuyển qua các dây dẫn kim loại. Các đơn vị xử lý trung tâm (CPU) và các đơn vị xử lý đồ họa (GPU) hiện đại thường chứa hàng chục dặm dây đồng mỏng để truyền tín hiệu điện bên trong chip. Tuy nhiên, khi tín hiệu đi qua, nó sẽ bị hao hụt, dẫn đến việc cần phải sử dụng các bộ khuếch đại để duy trì độ nguyên vẹn của tín hiệu. Sự hạn chế này ảnh hưởng đến hiệu suất của các chip có mật độ kết nối cao hiện nay.
Sợi Trục và Sự Khuếch Đại Tín Hiệu
Nhà nghiên cứu chính, Tiến sĩ Tim Brown, cho biết: “Chúng ta thường muốn truyền một tín hiệu dữ liệu từ một vị trí này đến một vị trí khác xa hơn. Ví dụ, chúng ta cần truyền một xung điện từ cạnh ngoài của chip CPU đến các transistor gần trung tâm. Ngay cả với các kim loại dẫn điện tốt nhất, sự cản trở tại nhiệt độ phòng liên tục tiêu hao các tín hiệu được truyền, vì vậy chúng ta thường phải cắt vào dây dẫn và khuếch đại tín hiệu, điều này tiêu tốn năng lượng, thời gian và không gian.”
Ngược lại, trong cơ thể con người, một số tín hiệu trong não bộ cũng được truyền qua khoảng cách tương đối xa nhưng thông qua các sợi trục, mà không cần phải cắt đứt và khuếch đại tín hiệu.
Vật Liệu Mới và Tính Năng Đặc Biệt
Theo Tiến sĩ Patrick Shamberger, phó giáo sư tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu tại Texas A&M, các sợi trục được coi như “đường cao tốc” giao tiếp, truyền tín hiệu từ neuron này sang neuron khác. Các vật liệu mới được phát hiện trong nghiên cứu này tồn tại trong trạng thái “Goldilocks” (trạng thái cân bằng), cho phép chúng khuếch đại xung điện khi nó di chuyển qua.
Nghiên cứu đã tận dụng một quá trình chuyển pha điện tử trong oxit cobalt lanthanum, cho phép vật liệu này trở nên dẫn điện hơn khi nóng lên. Tính chất này tương tác với lượng nhiệt nhỏ phát sinh khi tín hiệu đi qua vật liệu, tạo ra một vòng phản hồi tích cực.
Kết quả là, nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy một loạt các hành vi kỳ lạ không có trong các thành phần điện thụ động thông thường như điện trở, tụ điện và cuộn cảm. Những hành vi này bao gồm khuếch đại các dao động nhỏ, trở kháng điện âm và sự dịch pha lớn không bình thường trong tín hiệu xoay chiều.
Ứng Dụng Trong Tương Lai và Hỗ Trợ Nghiên Cứu
Phát hiện này có thể rất quan trọng cho tương lai của công nghệ máy tính, đặc biệt là khi nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng. Dự báo, các trung tâm dữ liệu sẽ tiêu thụ 8% năng lượng của Hoa Kỳ vào năm 2030, và trí tuệ nhân tạo có thể làm gia tăng đáng kể mức tiêu thụ này. Trong dài hạn, nghiên cứu này là một bước tiến quan trọng hướng tới việc hiểu biết về các vật liệu động và sử dụng cảm hứng sinh học để thúc đẩy sự phát triển của máy tính hiệu quả hơn.
Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ thông qua Trung tâm Nghiên cứu Tiên tiến Vật liệu Điện tử Tái cấu hình, lấy cảm hứng từ Động học Neuron Phi tuyến (REMIND).
Tiến sĩ Stan Williams, một đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết: “Tôi đã có ý tưởng về một đường truyền hoạt động ở rìa hỗn loạn từ 12 năm trước. Để biến nó thành hiện thực cần có tài nguyên, chuyên môn và sự hợp tác từ REMIND.”
REMIND EFRC, được thành lập vào năm 2022, nhằm phát triển kiến thức khoa học cơ bản về chức năng của các kiến trúc máy tính có khả năng tái cấu hình lớn, tiếp cận các giới hạn cơ bản về hiệu suất năng lượng và tốc độ, cho phép học tập theo thời gian thực và trí thông minh nhúng mô phỏng các chức năng cụ thể của tế bào thần kinh và synap trong não người.
Kết Luận
Nghiên cứu này không chỉ góp phần làm rõ thêm sự hoạt động của các sợi trục trong cơ thể mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu và công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực điện tử. Những hiểu biết mới mẻ này sẽ giúp xây dựng nền tảng cho các máy tính hiệu quả và bền vững hơn trong tương lai.
Tài liệu tham khảo:
“Axon-like active signal transmission” của Timothy D. Brown, Alan Zhang, Frederick U. Nitta, Elliot D. Grant, Jenny L. Chong, Jacklyn Zhu, Sritharini Radhakrishnan, Mahnaz Islam, Elliot J. Fuller, A. Alec Talin, Patrick J. Shamberger, Eric Pop, R. Stanley Williams và Suhas Kumar, ngày 11 tháng 9 năm 2024, Nature. DOI: 10.1038/s41586-024-07921-z
Chú thích:
- Sợi trục (Axon): Là phần của tế bào thần kinh giúp dẫn truyền xung điện từ thân tế bào ra bên ngoài.
- Tín hiệu điện (Electrical Signal): Dòng điện di chuyển trong dây dẫn để truyền đạt thông tin.
- Trung tâm dữ liệu (Data Center): Nơi lưu trữ và quản lý dữ liệu cho các tổ chức và doanh nghiệp.