Bill Dally,
Phó chủ tịch phụ trách công nghệ của hãng chế tạo vi xử lý Nvidia.
Ông còn là giáo sư công nghệ tại đại


Bill Dally, Phó chủ tịch phụ trách công nghệ của hãng Nvidia, phân tích về giai đoạn chuyển đổi quan trọng của ngành vi xử lý.
Bốn thập kỷ qua chứng kiến sự phát triển bùng nổ về sức mạnh máy tính, tạo tiền đề cho những bước tiến chưa từng thấy về phát minh, năng suất lao động và phúc lợi cho con người. Nhưng quá trình đó giờ đây đứng trước một trở ngại mà ít ai nghĩ đến: sự kết thúc của quá trình mở rộng sức mạnh điện toán.
Ngành tin học đã đạt đến giới hạn của những gì từng khả thi với một hay hai vi xử lý trung tâm hoạt động theo chuỗi truyền thống (serial processing). Ngành nào vẫn dựa vào mô hình đó để tiếp tục phát triển năng suất, tăng trưởng kinh tế và phát triển xã hội thì cần phải bắt đầu một bước nhảy mới vào điện toán xử lý song song (parallel processing).
Minh họa một cách đơn giản, điện toán truyền thống giống như việc một người đọc bài văn theo kiểu tuần tự từ đầu đến cuối, còn điện toán song song thì giống như tách bài văn đó thành các phần và cho nhiều người khác nhau cùng đọc một lúc để có kết quả nhanh hơn.
Năm 1965, nhà đồng sáng lập hãng Intel là Gordon Moore đăng một bài viết trong đó dự báo số bóng bán dẫn transistor trên mạch tích hợp sẽ tăng gấp đôi mỗi năm (về sau điều chỉnh lại là "tăng gấp đôi theo chu kỳ 18 tháng"). Lý luận này đã trở thành nền móng cho một dự báo khác: việc tăng gấp đôi số bóng bán dẫn sẽ đồng nghĩa với việc tăng gấp đôi hiệu suất của CPU theo chu kỳ 18 tháng. Và nó đã trở thành cái gọi là "Định luật Moore", chứng minh sự đúng đắn trong suốt thập niên 80 và 90 của thế kỷ trước, tạo động lực phát triển cho nhiều lĩnh vực, từ kinh tế, sản xuất, dịch vụ... cho tới công nghiệp, truyền thông, mở đường cho nhiều lĩnh vực kinh doanh mới ra đời như thương mại điện tử, mạng xã hội và thiết bị di động...



Định luật Moore qua từng thời kỳ. Trong tài liệu của Gordon Moore 45 năm trước còn có một dự báo ít được chú ý hơn. Ông cho rằng mức năng lượng mà mỗi đơn vị điện toán tiêu thụ sẽ giảm đi khi số bóng bán dẫn tăng lên. Điều này giúp hoạt động điện toán mở rộng quy mô trong khi mức tiêu thụ điện năng không bị biến động. Mức sử dụng năng lượng và khả năng tăng số bóng bán dẫn là những yếu tố cần thiết để mở rộng hiệu năng của CPU. Tuy nhiên, trong một tiến trình phát triển mà điều này gần như ít được lưu tâm, quy luật về mức tiêu thụ năng lượng đã chấm dứt. Và do đó, tính quy mô của CPU mà định luật Moore dự báo giờ đây cũng không còn tồn tại. Sức mạnh của CPU không còn tăng gấp đôi theo chu kỳ 18 tháng. Điều đó đặt ra một thách thức to lớn đối với nhiều ngành vốn dựa trên sự phát triển mang tính truyền thống của công nghệ điện toán.

Ví dụ, các cơ quan khí tượng cần thêm năng lực tính toán để dự báo biến cố thời tiết và sự biến đổi khí hậu trong tương lai. Các công ty năng lượng cần đánh giá những khối lượng dữ liệu khổng lồ về địa chất để tìm ra cách thức mới trong việc khai thác một cách an toàn dầu khí từ những nguồn hiện có. Giới y học cần thêm sức mạnh tính toán để điều chế ra những thành phần thuốc ứng dụng cho từng đơn vị tế bào hoặc xử lý tốt hơn trong kỹ thuật hình ảnh để điều trị ung thư....

Tất cả những nhu cầu này sẽ không được đáp ứng trừ khi có sự thay đổi căn bản trong quan niệm về điện toán. Và điện toán song song sẽ có thể đem đến một nền tảng phát triển mới. Thách thức lớn nhất đối với ngành công nghiệp vi xử lý là từ bỏ những quan niệm đã tồn tại hàng chục năm qua và thích nghi với cái mới.

Nhu cầu cấp thiết nhất trước mắt là việc xây dựng được những máy tính với cơ chế xử lý song song và tiết kiệm năng lượng, trong đó chứa đựng nhiều lõi xử lý, mỗi lõi được tối ưu về hiệu suất hoạt động chứ không phải là tốc độ xử lý theo chuỗi. Tất cả các lõi hoạt động song hành để giải quyết từng vấn đề. Một ưu điểm căn bản của máy tính song song là chúng có thể tận dụng một cách rất hiệu quả sự gia tăng transistor để nâng cao hiệu suất hoạt động. Việc tăng gấp đôi số bộ vi xử lý sẽ giúp nhiều chương trình chạy nhanh gấp đôi. Trong khi đó, việc tăng gấp đôi số bóng bán dẫn trong một CPU hoạt động theo kiểu chuỗi như trước chỉ thu được kết quả rất khiêm tốt về hiệu suất và lại tốn kém hơn về điện năng.

Quan trọng hơn, máy tính song song tạo thuận lợi cho việc tiếp tục mở rộng về quy mô hoạt động điện toán trong môi trường ngày càng nhiều áp lực về năng lượng như hiện nay. Theo chu kỳ 3 năm, có thể tăng số bóng bán dẫn (và số lõi) lên gấp 4. Bằng cách vận hành mỗi lõi chậm hơn một chút và hiệu quả hơn, người ta có thể tăng gấp 3 hiệu suất hoạt động với cùng một mức tiêu hao năng lượng.
Chuyển đổi một khối lượng khổng lồ các chương trình hoạt động theo kiểu chuỗi hiện nay sang mô hình song song là một nhiệm vụ vô cùng to lớn và thậm chí còn khó hơn nữa khi số lập trình viên điện toán song song còn khan hiếm.

Tuy nhiên, xử lý song song là cách duy nhất để duy trì sự phát triển điện toán, phục vụ cho việc cải tổ công nghiệp, kinh tế, phúc lợi xã hội trên thế giới. Ngành công nghiệp điện toán phải nắm lấy cơ hội này để thoát khỏi sự trì trệ. Tương lai của ngành điện toán phải là chiếc máy bay thực thụ chứ không phải tàu hỏa gắn thêm cánh.