Chip 1.000 lõi đầu tiên trên thế giới ra mắt

Tại hội nghị Chuyên đề về công nghệ VLSI và Mạch 2016 (2016 Symposium on VLSI Technology và Circuits) trong tuần này, các kỹ sư của Đại học California tại Davis (trường UC Davis) đã ra mắt con chip nghìn lõi – chip KiloCore – đầu tiên trên thế giới.

Với 1.000 bộ xử lý độc lập có thể lập trình được, con chip này có khả năng thực hiện tới 1,78 nghìn tỷ câu lệnh trong một giây và chứa tổng cộng 621 triệu bóng bán dẫn. Được tài trợ một phần bởi Bộ Quốc phòng Mỹ và do IBM chế tạo, con chip KiloCore này sử dụng công nghệ gia công chip bán dẫn 32nm hiện tại.

Con chip nghìn lõi đầu tiên trên thế giới của Đại học UC Davis.

Thật không may, con chip 1.000 lõi này không phải thứ gì đó có thể cắm vào các thế hệ tiếp theo của máy tính MacBook Pro. Thậm chí nó không thực sự ngang bằng với một bộ xử lý đồ họa, nơi điện toán song song đã trở thành điều bình thường. Trên thực tế, nhiều GPU còn vượt quá con số 1.000 lõi của con chip này, nhưng việc xử lý của các lõi độc lập được thực hiện qua một bộ điều khiển trung tâm. Còn ngược lại, chip KiloCore, được tạo ra từ các lõi hoàn toàn độc lập, có khả năng chạy hoàn toàn độc lập các chương trình máy tính.

Các lõi độc lập của chip KiloCore biến nó thành một máy tính song song thực sự (mô hình đa luồng, đa dữ liệu – multiple instruction, multiple data MIMD). Điều này còn trái ngược với nhiều loại điện toán song song về dữ liệu (mô hình đơn luồng, đa dữ liệu – single instruction, multiple data SIMD) điển hình hiện tại, như thường thấy trong một bộ xử lý đồ họa.

Một máy tính song song phiên bản SIMD thực hiện cùng một phép tính đơn lẻ trên nhiều lõi khác nhau – điều này được thực hiện tương tự với nhiều đơn vị khác nhau của dữ liệu. Ví dụ, đây là một chuẩn mực trong xử lý hình ảnh, khi hàng loạt các điểm ảnh (pixel) khác nhau nắm giữ rất nhiều các giá trị khác nhau, được cập nhật theo cùng một cách. Một máy tính MIMD được kỳ vọng có thể thực hiện nhiều phép tính phức tạp hơn nữa.

“Có thể so sánh một con chip này như một căn phòng với 1.000 máy tính, dù điều này hơi cường điệu.” Ông Bevan Baas, một giáo sư về kỹ thuật máy tính và là người lãnh đạo nhóm của trường UC Davis phát triển con chip này, cho biết.

Theo các nhà nghiên cứu, chip KiloCore này là bộ xử lý “nhiều lõi” tiết kiệm năng lượng nhất từ trước đến giờ. Mỗi lõi có tốc độ tối đa khoảng 1,78 GHz và bởi vì tất cả chúng đều có xung nhịp độc lập, mỗi lõi có thể tắt một cách riêng biệt khi không sử dụng. Cùng với nhau, bộ xử lý 1.000 lõi độc lập này có thể thực hiện 115 tỷ câu lệnh mỗi giây, trong khi chỉ tiêu thụ 0,7 Watt. Trong thông cáo báo chí của UC Davis, mức tiêu thụ điện năng này thấp đến mức chỉ cần một cục pin tiểu AA là đủ để cấp năng lượng cho nó, đạt được hiệu suất năng lượng gấp 100 lần so với bộ xử lý laptop thông thường.

Việc tiết kiệm năng lượng có được phần lớn là do từ bỏ cấu trúc bộ nhớ hệ thống truyền thống, trong đó dữ liệu cho đa luồng được lưu trữ trong một đơn vị RAM trung tâm. Thay vì chia sẻ dữ liệu theo cách này, chip KiloCore sử dụng một giản đồ liên kết mạng bên trong con chip, để dữ liệu được trực tiếp giữa các bộ xử lý khác nhau bằng cách sử dụng dạng gói dữ liệu và mạng chuyển mạch.

“Các lõi không sử dụng các bộ nhớ đệm phần cứng rõ rệt, và chúng hoạt động giống như các máy tính tự động hơn, khi chúng chuyển đổi thông tin bằng các tin nhắn thay vì cách tiếp cận chia sẻ bộ nhớ với các bộ nhớ đệm.” Ông Baas giải thích.

“Từ góc nhìn ở cấp độ chip, việc chia sẻ bộ nhớ giống như các nút lưu trữ trên mạng lưới, có thể sử dụng để lưu trữ dữ liệu hay câu lệnh, và trên thực tế có thể sử dụng trong liên kết với một lõi, để nó có thể thực thi một chương trình lớn hơn nhiều so với những gì nó có thể bên trong một lõi duy nhất.”

Nhóm của trường UC Davis đã phát triển sẵn một số ứng dụng cho KiloCore, bao gồm việc viết mã và giải mã không dây, xử lý video, và mã hóa bảo mật. Nó rất phù hợp để giải quyết các vấn đề liên quan đến số lượng lớn các dữ liệu song song, ví dụ trong các ứng dụng dữ liệu khoa học và xử lý các bản ghi của trung tâm dữ liệu. Nhưng đừng kỳ vọng điều này sẽ sớm xuất hiện trên kệ nhà bạn.

“Tôi không thể nói nhiều vì nó vẫn chưa được công bố, nhưng đang có một thiết kế dựa trên chip này, và chúng tôi hy vọng kết quả sẽ được công bố vào năm sau.” Ông Baas cho biết. “Còn một thiết kế khác đã được lên kế hoạch sau đó, mà chắc chắn nó sẽ được chế tạo. Hiện nay, không có kế hoạch nào về một phiên bản thương mại hóa – tuy nhiên tôi vẫn giữ liên lạc với một số các công ty.”

Tham khảo Motherboard