Hannah Earley: Dạy chip tái chế năng lượng — bước đột phá cho điện toán đảo ngược

Trong suốt lịch sử phát triển của vi xử lý máy tính, các kỹ sư luôn coi nhiệt lượng thải ra là cái giá phải trả không thể tránh khỏi cho mỗi phép tính. Nhưng Hannah Earley, 31 tuổi, đồng sáng lập kiêm Giám đốc công nghệ của Vaire Computing, lại tin rằng đó là một lựa chọn thiết kế — và cô đang xây dựng những con chip có khả năng tái chế năng lượng thay vì vứt bỏ dưới dạng nhiệt.

Điện toán đảo ngược: Giữ "đà" cho dòng điện

Các vi xử lý truyền thống khi thực hiện phép tính sẽ xóa bỏ thông tin không cần thiết trong quá trình xử lý, khiến năng lượng bị tiêu tán dưới dạng nhiệt. Earley ví von cách này giống như việc lao xe qua thành phố rồi phanh gấp ở mọi ngã tư — chiếc xe mất đà và phải đốt thêm nhiên liệu để tăng tốc trở lại. Điện toán đảo ngược (reversible computing) ra đời để giải quyết vấn đề này: thay vì xóa bỏ thông tin trung gian, mạch điện sẽ giữ lại chúng, cho phép chạy ngược phép tính và thu hồi một phần năng lượng.

Ý tưởng này được đề xuất từ hơn 50 năm trước nhưng không khả thi với transistor và mạch điện truyền thống. Earley đã hoàn toàn thiết kế lại phần cứng cần thiết cho việc thu hồi năng lượng. Cô tạo ra một loại resonator (bộ cộng hưởng) — linh kiện siêu nhỏ có nhiệm vụ lưu trữ năng lượng đã thu hồi để tái sử dụng.

"Nó thực chất là một con lắc hào nhoáng," — Hannah Earley mô tả về phát minh của mình.

Bước tiến mang tính "bằng chứng sống"

Năm ngoái, Vaire công bố một cột mốc quan trọng: một con chip với resonator thu hồi được nhiều năng lượng hơn lượng tiêu hao, ngay cả khi đã tính cả năng lượng cần để vận hành linh kiện. Với một lĩnh vực từng chỉ tồn tại trên lý thuyết, kết quả này giống như "bằng chứng cho thấy sự sống đang tồn tại".

Igor Markov, nhà nghiên cứu về tự động hóa thiết kế điện tử, cựu giáo sư tại Đại học Michigan, nhận định:

"Rõ ràng họ đang có thứ gì đó thú vị. Nhưng công nghệ này vẫn còn ở giai đoạn rất sớm; công ty sẽ cần chuỗi các minh chứng ngày càng thực tế và thuyết phục để thu hút sự hỗ trợ của ngành công nghiệp phục vụ cho thương mại hóa."

Hành trình từ lập trình viên 9 tuổi đến nhà đổi mới chip

Earley bắt đầu lập trình từ năm 9 tuổi với các ngôn ngữ web cấp cao, sau đó chuyển sang Perl và Java, rồi lần lượt khám phá các lớp trừu tượng sâu hơn của máy tính cho đến khi chạm tới transistor. Trong chương trình tiến sĩ tại Đại học Cambridge dưới sự hướng dẫn của nhà sinh học tính toán Gos Micklem, cô ban đầu nghiên cứu về tính toán dựa trên DNA. Nhưng chỉ vài tháng sau, Micklem gửi cho cô luận án tiến sĩ năm 1999 của Michael Frank — một người tiên phong trong lĩnh vực điện toán đảo ngược.

Earley đọc lần đầu với sự hoài nghi, đọc lại lần hai, rồi ngẫm nghĩ suốt nhiều tuần. Dần dần, cô bị thuyết phục rằng mối liên hệ giữa thông tin, năng lượng và nhiệt có thể thay đổi máy tính mãi mãi. Niềm đam mê này đã chuyển hướng hoàn toàn luận án tiến sĩ của cô — cô nghiên cứu giới hạn vật lý của tính toán và xây dựng phần mềm biến các chương trình thông thường thành phiên bản đảo ngược.

Micklem nhớ lại: "Đến cuối cùng, tôi không cho phép cô ấy đưa tên tôi vào bất kỳ bài báo nào của cô ấy nữa, vì tôi cảm thấy mình không thể đứng ra trình bày về chúng một cách đàng hoàng. Đó là thành quả của cô ấy."

Từ nhà để xe ở Iowa đến tham vọng thay đổi cả ngành

Sau khi hoàn thành tiến sĩ năm 2021, Earley gặp Rodolfo Rosini — doanh nhân công nghệ và nhà đầu tư. Cả hai đồng sáng lập Vaire cùng năm đó. Công ty đã huy động được hơn 12 triệu USD, tuyển Michael Frank làm nhà khoa học cấp cao, và bắt đầu biến tầm nhìn về điện toán đảo ngược thành phần cứng thực tế.

Nhưng đổi mới không đến trong một sớm một chiều. Mùa đông năm 2022 tại Grinnell, Iowa, Earley dành nhiều tuần trong căn hộ tầng hầm của bạn đời (nay là vợ cô) khi nhiệt độ ngoài trời chạm mức −40°F, vẽ đi vẽ lại trên bảng trắng các sơ đồ cho mạch điện cốt lõi của logic đảo ngược. Khi bản thiết kế cuối cùng hoàn thiện — ngay sau khi cả hai rời khỏi nơi lạnh giá để đến Las Vegas — cảm giác không phải là khoảnh khắc "aha" chói lọi mà là làn sóng nhẹ nhõm dâng trào từ từ.

"Tôi không hoàn toàn lạc lối," cô nhớ lại cảm giác lúc đó.

Thách thức tiếp theo: Tích hợp vào thế giới thực

Thách thức sắp tới của Earley và cộng sự là làm cho con chip khác biệt hoàn toàn này tương thích với các thiết bị và dây chuyền sản xuất quen thuộc. Cô tin rằng tương lai không nằm ở việc cải tiến chip hiện có mà ở việc xây dựng lại từ nền tảng với định hướng đảo ngược năng lượng.

"Tôi muốn tiếp cận mọi phần của cách máy tính được tạo ra và nghĩ lại về chúng dưới góc độ này," — Hannah Earley khẳng định.

Với tốc độ phát triển nhanh chóng của trí tuệ nhân tạo và hạ tầng dữ liệu — nơi tiêu thụ điện năng ngày càng khổng lồ — công nghệ điện toán đảo ngược của Vaire có thể trở thành chìa khóa giúp ngành công nghệ giảm đáng kể dấu chân năng lượng, một vấn đề đặc biệt cấp thiết trong bối cảnh biến đổi khí hậu và chi phí điện leo thang. Đối với độc giả Việt Nam, nơi các trung tâm dữ liệu đang phát triển mạnh nhờ làn sóng chuyển đổi số quốc gia, những cải tiến như thế này hứa hẹn mở ra cơ hội vận hành hạ tầng số bền vững và tiết kiệm hơn trong tương lai.