Hàn Quốc đặt mục tiêu nâng hiệu suất chip AI lên gấp 100 lần vào năm 2035

Sứ mệnh bán dẫn đặt trọng tâm vào tiết kiệm năng lượng

Hàn Quốc đặt mục tiêu nâng hiệu suất tính toán AI từ khoảng 2 token trên mỗi watt hiện nay lên 200 vào năm 2035, với sự tham gia của Samsung Electronics, SK hynix và nhà sản xuất thiết bị bán dẫn Jusung Engineering trong một sứ mệnh nghiên cứu của chính phủ. Kế hoạch kết hợp mức cải thiện hiệu suất tính toán gấp 8,8 lần với mức giảm tiêu thụ điện năng 11,4 lần, hướng tới sản lượng tính toán trên mỗi watt cao hơn khoảng 100 lần.

Ngày 14 tháng 10, Bộ Khoa học và ICT thành lập các ủy ban điều hành và kỹ thuật cho sứ mệnh bán dẫn K Moonshot tại Seoul. Hơn 20 chuyên gia từ chính phủ, doanh nghiệp, trường đại học và các viện nghiên cứu tham gia. Nhiệm vụ của họ là phát triển các công nghệ nền tảng nhằm giải quyết hai giới hạn liên quan của tính toán AI: năng lượng tiêu hao khi di chuyển dữ liệu và khó khăn trong việc cung cấp dữ liệu cho bộ xử lý đủ nhanh.

Nỗ lực về bán dẫn là một trong 12 sứ mệnh thuộc K Moonshot, chương trình kết hợp AI với khoa học và công nghệ để giải quyết các thách thức quốc gia. Tham vọng cốt lõi của chương trình là xây dựng các hệ thống tính toán lấy bộ nhớ làm trung tâm, thay vì coi bộ nhớ là nơi lưu trữ riêng biệt phải liên tục gửi thông tin đến bộ xử lý.

Bộ đã phân bổ 25 tỷ won cho các dự án trọng điểm trong năm sau khi chương trình khởi động. Đây là khoản phân bổ ban đầu, không phải ngân sách được công bố cho toàn bộ chương trình đến năm 2035. Sự phân biệt này quan trọng vì công việc đề xuất bao trùm từ thiết bị và quy trình sản xuất đến các cấu trúc bộ nhớ xếp chồng, đóng gói và nền tảng tính toán hoàn chỉnh.

Mục tiêu gấp 100 lần thực sự có nghĩa gì

Sứ mệnh đo lường tham vọng bằng số token trên mỗi watt. Token là đơn vị văn bản được nhiều mô hình AI tạo sinh xử lý, đôi khi là cả từ, đôi khi chỉ là một phần của từ. Trong trường hợp này, chỉ số nhằm thể hiện lượng xử lý AI mà một hệ thống có thể thực hiện với mức điện năng tiêu thụ.

Cách tính đằng sau mục tiêu nhất quán: 8,8 nhân với 11,4 bằng 100,32. Do đó, việc tăng hiệu suất đồng thời giảm lượng điện cần thiết để đạt được hiệu suất đó sẽ tạo ra mức cải thiện xấp xỉ như đã nêu. Tăng từ 2 lên 200 token trên mỗi watt cũng tương đương mức tăng gấp 100 lần.

Đây là các mục tiêu nghiên cứu, không phải kết quả từ một chip đã hoàn thiện. Thông báo chưa xác định mô hình AI, khối lượng công việc hay cấu hình tính toán nào sẽ được dùng để đo lường thành công. Thông báo cũng không nêu rõ phép đo điện năng sẽ áp dụng cho từng chip riêng lẻ hay cho hệ thống rộng hơn. Những lựa chọn này sẽ ảnh hưởng đến việc so sánh các thử nghiệm trong tương lai với mốc ban đầu.

Tăng hiệu suất không đồng nghĩa tự động với việc tổng lượng điện tiêu thụ giảm tương ứng. Nếu khối lượng công việc AI tăng đáng kể, tổng mức tiêu thụ vẫn có thể tăng. Cam kết có thể đo lường của sứ mệnh là thực hiện nhiều phép tính hơn trên mỗi watt, với các mục tiêu riêng về hiệu suất và mức sử dụng điện năng.

Vì sao bộ nhớ là trọng tâm

Bộ nhận định các nút thắt về bộ nhớ và mức tiêu thụ điện ngày càng tăng là những hạn chế cốt lõi. Trong máy tính thông thường, bộ xử lý liên tục lấy dữ liệu từ bộ nhớ rồi gửi kết quả trở lại. Khi bộ xử lý có thể làm việc nhanh hơn tốc độ dữ liệu được truyền đến, một phần năng lực của nó không được sử dụng. Việc di chuyển dữ liệu cũng tiêu hao năng lượng.

Tính toán lấy bộ nhớ làm trung tâm hướng tới giảm gánh nặng đó bằng cách đặt hoạt động tính toán bên trong hoặc gần bộ nhớ hơn. Mục tiêu rộng hơn việc làm cho chip nhớ nhanh hơn: cách tiếp cận này đòi hỏi thay đổi cách xử lý, lưu trữ và di chuyển dữ liệu phối hợp với nhau.

Cách tiếp cận này liên kết hai mục tiêu định lượng của sứ mệnh. Giảm độ trễ khi di chuyển dữ liệu có thể giúp bộ xử lý hoàn thành nhiều công việc hơn, trong khi rút ngắn hoặc loại bỏ các lần truyền dữ liệu có thể giảm tiêu hao năng lượng. Cần có các thử nghiệm để xác định liệu những công nghệ được lên kế hoạch có mang lại cả hai lợi ích ở quy mô cần thiết hay không.

Trọng tâm của bộ cũng phản ánh việc AI ngày càng mở rộng ra ngoài các mô hình tạo sinh chạy trong những cơ sở tính toán lớn. AI hoạt động trực tiếp trên thiết bị phải đáp ứng giới hạn về pin và nhiệt. AI vật lý, bao gồm robot, phải kết hợp xử lý kịp thời với quản lý điện năng. Thông báo không đặt ra mục tiêu hiệu suất riêng cho những ứng dụng này, nhưng xem đà phát triển của chúng là lý do để theo đuổi các chip tiết kiệm năng lượng hơn.

Cấu trúc bộ nhớ kết hợp DRAM và NAND

Một trong những dự án trọng điểm của sứ mệnh là đề xuất một dạng bộ nhớ băng thông cao mới, hay HBM. Công nghệ này sẽ kết hợp theo chiều dọc HBD, một thành phần bộ nhớ dựa trên DRAM, với HBF, một thành phần dựa trên bộ nhớ flash NAND. Mục tiêu là kết hợp tốc độ của DRAM với dung lượng lưu trữ lớn hơn vốn gắn liền với NAND.

DRAM cho phép truy cập nhanh vào dữ liệu đang được xử lý, trong khi bộ nhớ flash NAND lưu trữ dữ liệu mà không cần cấp điện liên tục. Chúng phục vụ các mục đích khác nhau và có đặc tính hoạt động khác nhau. Vì vậy, việc kết hợp chúng phức tạp hơn nhiều so với chỉ thêm các lớp vào một cấu trúc bộ nhớ hiện có.

Thiết kế được đề xuất nhằm đáp ứng nhu cầu duy trì khả năng truy cập lượng dữ liệu AI lớn hơn, đồng thời tránh để việc truyền dữ liệu giữa bộ lưu trữ, bộ nhớ và bộ xử lý chi phối hiệu suất và mức tiêu thụ năng lượng. Việc xếp chồng theo chiều dọc nhằm đưa các chức năng này lại gần nhau trong một cấu trúc nhỏ gọn hơn.

Thông báo không đưa ra mục tiêu về dung lượng, băng thông, tỷ lệ sản xuất thành công hay thời điểm thương mại hóa cho dự án bộ nhớ này. Vì vậy, nên hiểu đây là định hướng phát triển chứ không phải thông báo ra mắt sản phẩm. Giá trị của công nghệ sẽ phụ thuộc vào mức độ phối hợp thành công giữa các loại bộ nhớ khác nhau và hiệu suất của cấu trúc xếp chồng trong một hệ thống hoàn chỉnh.

Ba giai đoạn hướng tới năm 2035

Lộ trình chia quá trình phát triển thành ba giai đoạn, từ các thiết bị bán dẫn cực nhỏ đến chip xếp chồng rồi các nền tảng tích hợp. Trình tự được đề ra như sau:

• Ngày 14 tháng 10: Bộ thành lập các ủy ban điều hành và kỹ thuật tại Seoul.
• Giai đoạn 2026 đến 2029: Tập trung phát triển thiết bị và quy trình bán dẫn có kích thước cực nhỏ.
• Giai đoạn 2030 đến 2032: Chương trình thúc đẩy các công nghệ bán dẫn xếp chồng.
• Giai đoạn 2033 đến 2035: Tập trung vào các nền tảng tích hợp và thử nghiệm ở cấp độ hệ thống.
• Năm 2035: Sứ mệnh đặt mục tiêu đạt 200 token trên mỗi watt, so với mức ban đầu được nêu là khoảng 2.

Các nguồn tin đưa ra mốc thời gian khác nhau về ngày khởi động. Một bài viết nêu rõ ngày 14 tháng 10 năm 2026, trong khi các bài khác chỉ ghi ngày 14 tháng 10 mà không nêu năm. Vì vậy, cần phân biệt ngày khởi động với lộ trình, thay vì dùng một năm chưa chắc chắn để xác định ngày cụ thể cho khoản tài trợ được mô tả là dành cho năm sau.

Giai đoạn đầu bao gồm công nghệ thiết bị và quy trình cho các mạch có kích thước dưới một nanomet. Một nanomet bằng một phần tỷ mét. Thông báo đặt ra định hướng nghiên cứu ở quy mô cực nhỏ, nhưng không giải thích chính xác mục tiêu này đề cập đến kích thước đặc trưng nào hoặc đưa ra lịch trình sản xuất.

Giai đoạn cuối đặc biệt quan trọng đối với mục đích đã nêu của sứ mệnh. Một thiết bị hay thành phần bộ nhớ đầy triển vọng tự nó không thể chứng minh hiệu suất tính toán cao hơn gấp 100 lần. Các công nghệ phải được tích hợp và thử nghiệm cùng nhau để xác định khả năng thực tế của chúng khi vận hành như một nền tảng hoàn chỉnh.

Đóng gói trở thành một phần của kế hoạch tính toán

Bộ cũng lên kế hoạch phát triển công nghệ đóng gói tiên tiến kết hợp đế kính, truyền thông quang học và chip tính toán. Đóng gói là cấu trúc kết nối và nâng đỡ các chip, giúp chúng trao đổi dữ liệu và hoạt động như một hệ thống. Trong sứ mệnh này, đây là một phần của công nghệ đang được phát triển, chứ không chỉ là công đoạn cuối sau khi sản xuất chip.

Truyền thông quang học dùng ánh sáng để truyền tải thông tin. Việc đưa công nghệ này vào kế hoạch cho thấy các kết nối giữa linh kiện cũng là một lĩnh vực nghiên cứu, bên cạnh thiết bị và bộ nhớ. Đế kính cũng nằm trong kế hoạch tích hợp, dù thông báo không đưa ra thông số kỹ thuật hay lợi thế đã được đo lường của các thiết kế đề xuất.

Chiến lược rộng hơn phản ánh sự chuyển dịch được bộ mô tả: cạnh tranh không còn chỉ xoay quanh việc thu nhỏ một chip đơn lẻ, mà chuyển sang tích hợp thiết bị, quy trình sản xuất, bộ nhớ, đóng gói và hệ thống. Cải thiện một linh kiện có thể chỉ đem lại lợi ích hạn chế nếu một linh kiện khác vẫn cản trở việc di chuyển dữ liệu hoặc tiêu thụ quá nhiều điện năng.

Đó là lý do sứ mệnh bao gồm các thử nghiệm tích hợp phản ánh nhu cầu công nghiệp. Mục tiêu là kiểm tra xem các tiến bộ có phối hợp hiệu quả trong điều kiện tính toán hữu ích hay không, thay vì chỉ đánh giá từng kết quả nghiên cứu dựa trên hiệu suất riêng lẻ.

Ai sẽ định hướng nghiên cứu

Kim Ji-young, giám đốc chương trình bán dẫn, chủ trì ủy ban điều hành. Những người tham gia gồm Bộ Khoa học và ICT, Quỹ Nghiên cứu Quốc gia Hàn Quốc, Samsung Electronics, SK hynix và Jusung Engineering, cùng các chuyên gia học thuật và nghiên cứu.

Ủy ban điều hành sẽ xây dựng và điều chỉnh kế hoạch dự án nghiên cứu, xem xét các vấn đề triển khai quan trọng và phối hợp các quyết định. Một ủy ban kỹ thuật riêng sẽ xây dựng lộ trình công nghệ, lập kế hoạch cho các dự án cụ thể, theo dõi tiến độ nghiên cứu và quản lý các mục tiêu. Cách phân công này tách biệt trách nhiệm định hướng chương trình với triển khai kỹ thuật.

Tại cuộc họp khởi động, các thành viên đã thảo luận về ưu tiên cho công nghệ cốt lõi, mục tiêu của từng giai đoạn, mối liên hệ với các chương trình nghiên cứu bán dẫn hiện có và các thử nghiệm được định hình theo nhu cầu của ngành. Jusung Engineering dự kiến đóng góp vào phát triển thiết bị và quy trình, đưa góc nhìn của một công ty thiết bị vào nhóm có cả những nhà sản xuất bộ nhớ lớn.

Kim Sung-soo, quan chức của bộ phụ trách chính sách nghiên cứu và phát triển, cho biết sứ mệnh cần kết nối nghiên cứu nền tảng với năng lực cạnh tranh công nghiệp:

Chúng tôi sẽ tập trung năng lực của doanh nghiệp, giới học thuật và các viện nghiên cứu để chủ động nắm bắt các công nghệ nền tảng cho ngành bán dẫn tương lai, đồng thời bảo đảm kết quả nghiên cứu chuyển hóa thành năng lực cạnh tranh công nghiệp thông qua sứ mệnh bán dẫn K-Moonshot.

Việc thành lập các ủy ban thiết lập cơ cấu quản trị. Bản thân việc này không chứng minh rằng các công nghệ đề xuất đã sẵn sàng đưa vào sản xuất hay các công ty tham gia đã cam kết phát triển những sản phẩm thương mại cụ thể.

Nguồn vốn công và những quyết định còn ở phía trước

Bộ kỳ vọng đầu tư công sẽ hỗ trợ các công nghệ tốn kém, có rủi ro kỹ thuật đáng kể, bao gồm những nghiên cứu mà doanh nghiệp có thể khó tự tài trợ. Các trường đại học, doanh nghiệp và viện nghiên cứu sẽ phát triển công nghệ nền tảng, còn chính phủ và ngành công nghiệp sẽ cùng xác thực chúng thông qua các dự án nghiên cứu.

Khoản phân bổ 25 tỷ won tạo cam kết tài trợ ban đầu cho sứ mệnh. Thông báo không nêu tổng ngân sách đến năm 2035, phân bổ kinh phí giữa các bên tham gia hay mức đầu tư đối ứng của doanh nghiệp. Những thông tin còn thiếu này hạn chế khả năng đánh giá quy mô toàn bộ nỗ lực.

Một số chi tiết kỹ thuật cũng chưa được công bố: chuẩn đo lường số token trên mỗi watt, phạm vi chính xác của phép đo điện năng, thông số của cấu trúc kết hợp DRAM và NAND, cũng như tiêu chí nghiệm thu các thử nghiệm tích hợp. Đây là những quyết định thực tế sẽ xác định liệu tiến độ có thể được đo lường nhất quán so với mục tiêu nổi bật của chương trình hay không.

Lộ trình đưa ra các giai đoạn phát triển khái quát nhưng không nêu ngày cụ thể cho các phiên điều trần tiếp theo, quyết định tài trợ hay thời điểm ra mắt sản phẩm. Công việc thực chất tiếp theo thuộc về các ủy ban: chuyển sứ mệnh thành các dự án cụ thể, đặt ra mục tiêu có thể đo lường và kết nối nghiên cứu với các chương trình hiện có. Phép thử cốt lõi là liệu những tiến bộ về bộ nhớ, thiết bị và đóng gói khi kết hợp có tạo ra mức hiệu suất như cam kết hay không.

Điểm chính

• Hàn Quốc đặt mục tiêu nâng hiệu suất tính toán AI từ khoảng 2 lên 200 token trên mỗi watt vào năm 2035.
• Mục tiêu kết hợp mức cải thiện hiệu suất 8,8 lần với mức giảm tiêu thụ điện năng 11,4 lần.
• Samsung Electronics, SK hynix và Jusung Engineering tham gia cùng chính phủ, các trường đại học và viện nghiên cứu.
• Cấu trúc bộ nhớ được đề xuất sẽ kết hợp HBD dựa trên DRAM với HBF dựa trên NAND.
• Lộ trình bao gồm công nghệ bán dẫn kích thước nhỏ trong giai đoạn 2026 đến 2029, chip xếp chồng trong giai đoạn 2030 đến 2032 và nền tảng tích hợp trong giai đoạn 2033 đến 2035.
• Bộ đã phân bổ 25 tỷ won cho các dự án trọng điểm ban đầu, nhưng chưa công bố tổng ngân sách đến năm 2035.
• Chưa có thông tin cụ thể về chuẩn đo lường và thời điểm thương mại hóa.