Cuộc chiến chip vượt ra ngoài Trái đất lên không gian, Trung Quốc đạt được lợi thế so với Mỹ

Theo các nhà khoa học trực tiếp tham gia chương trình chip ngoài Trái đất của Trung Quốc, trạm vũ trụ Thiên Cung của Trung Quốc hiện có thể kiểm tra đồng thời hơn 100 chip máy tính. Hơn 20 chip hiệu suất cao mới trải rộng từ quy trình 28 đến 16 nanomet đã vượt qua thử nghiệm. Chúng tiên tiến hơn đáng kể so với loại chip được các quốc gia khác sử dụng trong không gian.

NASA (Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ) cho biết những chip mà họ đang sử dụng trong không gian đều dựa trên công nghệ 30 năm tuổi. Ví dụ bộ xử lý RAD750 được sử dụng trong Kính viễn vọng Không gian James Webb, kính viễn vọng không gian mạnh nhất phóng vào năm 2021, được sản xuất bằng công nghệ 250 nanomet lỗi thời và có tần số xung nhịp chỉ 118 MHz (thấp hơn một phần nhỏ so với chip smartphone thông thường).

Các nhà khoa học cho biết những chip được thử nghiệm trên trạm vũ trụ Thiên Cung được thiết kế và sản xuất hoàn toàn tại Trung Quốc. Trong quá trình thử nghiệm, chúng được chạy trên hệ điều hành SpaceOS do Trung Quốc phát triển độc lập. SpaceOS được sử dụng rộng rãi trên trạm vũ trụ Thiên Cung và các cơ sở không gian khác.

Dự kiến nhiều nhà sản xuất chip ở Trung Quốc sẽ sớm xếp hàng để đưa ra các sản phẩm hàng đầu vượt qua sự khắc nghiệt của thử nghiệm không gian, theo đội ngũ dự án do Liu Hongjin, thuộc Học viện Công nghệ Vũ trụ Trung Quốc, dẫn đầu.

Tiến hành thử nghiệm chip quy mô lớn trên quỹ đạo là một nhiệm vụ to lớn và đầy thách thức nhưng rất quan trọng với tham vọng không gian đang phát triển nhanh chóng của Trung Quốc.

Theo đội của Liu Hongjin, quy mô công việc này trên trạm vũ trụ Thiên Cung lớn hơn nhiều so với các nền tảng thử nghiệm trước đây của Trung Quốc được thực hiện bằng vệ tinh.

Trong các nhiệm vụ cung cấp thường xuyên đến Thiên Cung, một số lượng lớn các chip bí mật mới dành cho mục đích dân sự hoặc quân sự có thể được đưa vào không gian để các phi hành gia lắp đặt bên ngoài trạm vũ trụ với mục đích kiểm tra bức xạ nghiêm ngặt trong không gian.

Những chip này phải chạy nhiều chương trình phần mềm khác nhau và dữ liệu tạo ra có thể được truyền trở lại Trái đất thông qua hệ thống liên lạc mạnh mẽ của trạm vũ trụ Thiên Cung. Nếu cần, những chip này có thể được đưa trở lại Trái đất cùng các phi hành gia để thử nghiệm chuyên sâu hơn.

Theo Liu Hongjin và các đồng nghiệp của ông từ Tập đoàn Khoa học và Công nghệ Hàng không Vũ trụ Trung Quốc, cuộc thử nghiệm quy mô lớn này có thể nhanh chóng cải thiện công nghệ, cắt giảm chi phí nghiên cứu và phát triển các chip cấp không gian của Trung Quốc. Tuy nhiên, họ không tiết lộ nhà sản xuất, chi tiết thiết kế và thông số hiệu năng của chip.

Trung Quốc nắm lợi thế từ việc sở hữu một trạm vũ trụ mà nước này hoàn toàn tự xây dựng. Dù Trạm vũ trụ Quốc tế (ISS) lớn hơn Thiên Cung và có thể tiến hành các thí nghiệm tương tự nhưng các quy tắc của nó quy định rằng 15 quốc gia tham gia có quyền biết thông tin chi tiết về tất cả hàng hóa được gửi lên ISS. Điều này sẽ gây bất tiện cho việc kiểm tra chip liên quan đến an ninh quốc gia và bí mật kỹ thuật.

Điều lệ của ISS cũng nghiêm cấm các thí nghiệm liên quan đến công nghệ quân sự. Năm 2017, một tàu vũ trụ chở hàng của Nga đã bị NASA và truyền thông Mỹ chất vấn vì mang theo thiết bị với mục đích không rõ ràng.

Chỉ đến năm 2023, NASA mới quyết định thuê hai nhà thầu tư nhân thiết kế và sản xuất một chip mới cho các sứ mệnh không gian quan trọng trong tương lai của mình, chẳng hạn như việc đưa người lên Mặt trăng và thám hiểm sao Hỏa. Chip mới này, dựa trên kiến trúc RISC-V nguồn mở, sẽ nhanh hơn 100 lần so với các bộ xử lý trước đó và dự kiến sẽ được đưa vào không gian trong năm 2025.

Trung Quốc tin rằng áp lực cạnh tranh lớn nhất của họ không còn đến từ NASA mà từ các công ty vũ trụ tư nhân, điển hình là SpaceX (Mỹ) do Elon Musk điều hành. Ví dụ các vệ tinh Starlink của SpaceX sử dụng chip thương mại giá rẻ vì có số lượng lớn và tuổi thọ dự kiến ngắn.

Theo bài báo của Liu Hongjin, các kỹ sư hàng không vũ trụ Trung Quốc đang mắc kẹt trong nghịch lý tiến bộ và thận trọng. Họ háo hức áp dụng những tiến bộ như trí tuệ nhân tạo (AI), mong muốn có được sức mạnh xử lý cao hơn đáp ứng cho các ứng dụng không gian mới. Tuy nhiên, khi số lượng bóng bán dẫn trên chip tăng lên, chúng trở nên dễ bị tấn công hơn từ các hạt năng lượng cao của vũ trụ. Hiện tượng này gọi là single-event upset, có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của việc tính toán và lưu trữ thông tin.

Liu Hongjin cho biết Trung Quốc đặt mục tiêu phát triển nhiều loại chip hiệu suất cao có thể duy trì hoạt động ổn định và đáng tin cậy trên quỹ đạo trong thời gian dài.

Các nhà khoa học dự đoán những thách thức tiềm ẩn như sự cố xảy ra trong single-event upset với sự kết hợp giữa thiết kế chống bức xạ, bố cục được tối ưu hóa và chất lượng cải thiện.

Song như đội của Liu Hongjin chứng minh, bức xạ không gian không thể được tái tạo hoàn toàn trên Trái đất. Đôi khi một hạt năng lượng cao bất thường chọc thủng nhiều lớp phòng thủ, tấn công bóng bán dẫn ở một góc không lường trước được. Nó có thể xảy ra vài tháng một lần hoặc vài lần trong ngày, đặt ra nhiệm vụ khó khăn cho các nhà thiết kế chip.

Các nhà nghiên cứu cho biết thử nghiệm quy mô lớn trên trạm vũ trụ sẽ giúp Trung Quốc phát triển những công nghệ bảo vệ tiên tiến và cho phép càng nhiều nhà cung cấp cạnh tranh bình đẳng trên một nền tảng, thay vì lựa chọn nhà cung cấp trước rồi mới thử nghiệm chip của họ.

Thế hệ chip không gian mới của Trung Quốc chủ yếu được sản xuất bằng các quy trình hoàn thiện có kích thước từ 28 đến 16 nanomet. Trung Quốc có một số lượng lớn máy quang khắc cực tím sâu, cho phép nước này sản xuất số lượng chip đáng kể với chi phí thấp.

Trung Quốc có kế hoạch xây dựng một chòm sao internet vệ tinh có thể so sánh với Starlink. Các vệ tinh của Trung Quốc sẽ không chỉ đảm nhiệm chức năng liên lạc mà còn mang theo các cảm biến để giám sát Trái đất và không gian.

Một số chuyên gia vũ trụ Trung Quốc tin rằng sẽ có nhu cầu bùng nổ trên toàn thế giới về chip không gian hiệu suất cao, chi phí thấp trong những năm tới.