CPU tam phân quay trở lại: nhà nghiên cứu độc lập dựng bộ xử lý 24 trit trên FPGA, mở đường cho máy tính vượt khỏi nhị phân

Nhà nghiên cứu độc lập Claudio Lorenzo La Rosa vừa công bố 5500FP, một CPU tam phân dạng RISC 24 trit được hiện thực trên FPGA. FPGA, viết tắt của Field-Programmable Gate Array, là loại chip có thể cấu hình lại sau khi sản xuất, thường được dùng để thử nghiệm kiến trúc phần cứng mới mà không phải chế tạo chip silicon riêng. 5500FP không phải bộ xử lý tốc độ cao, nhưng giá trị lớn nhất của nó nằm ở chỗ tạo ra một nền tảng thực tế để nghiên cứu máy tính không dựa hoàn toàn trên logic nhị phân truyền thống.

Hầu hết máy tính ngày nay dùng hệ nhị phân, tức mọi dữ liệu được biểu diễn bằng bit, đơn vị chỉ có hai trạng thái. Trái lại, máy tính tam phân dùng trit, tức “chữ số tam phân”, có thể mang ba giá trị khác nhau. Trong biến thể balanced ternary, hay tam phân cân bằng, mỗi trit có thể là -1, 0 hoặc 1. Cách biểu diễn này từ lâu được xem là thanh lịch về mặt toán học và trong một số bối cảnh còn có thể hiệu quả hơn nhị phân, vì một trit chứa lượng thông tin lớn hơn một bit. Nói ngắn gọn, đây là nỗ lực xây dựng máy tính theo cách gần với một thế giới không chỉ có hai trạng thái bật và tắt.

Theo mô tả kỹ thuật, 5500FP là bộ xử lý RISC tam phân cân bằng 24 trit với ISA gồm 120 lệnh. RISC là triết lý thiết kế CPU ưu tiên tập lệnh gọn, đơn giản và tối ưu cho thực thi nhanh; còn ISA, hay Instruction Set Architecture, là “ngôn ngữ” lệnh mà phần mềm dùng để giao tiếp với bộ xử lý. Dự án cũng hỗ trợ các primitive đồng bộ nguyên tử gốc, tức những thao tác phần cứng giúp nhiều tiến trình hoặc luồng xử lý phối hợp an toàn mà không làm hỏng dữ liệu dùng chung. Điểm quan trọng là nhà phát triển còn mở cả bo mạch phần cứng, giúp cộng đồng có thể tiếp cận và thử nghiệm dễ dàng hơn.

Dù mang tư tưởng vượt khỏi nhị phân, 5500FP vẫn được triển khai trên FPGA thương mại vốn được xây dựng bằng logic nhị phân. Điều này dẫn tới một nghịch lý quen thuộc của máy tính tam phân: mỗi trit thường phải được ánh xạ bằng hai trạng thái nhị phân ở tầng phần cứng. Về lý thuyết, một trit chứa khoảng 1,58 lần lượng thông tin của một bit, nhưng nếu cần tới hai bit để biểu diễn một trit thì lợi thế đó bị hao hụt đáng kể. Hai bit có thể biểu diễn bốn trạng thái, trong khi một trit chỉ dùng ba, nên sẽ có phần dung lượng bị lãng phí. Tuy nhiên, cách làm này lại có ưu điểm thực tế rất lớn: tận dụng linh kiện sẵn có và tương thích tốt hơn với toàn bộ hệ sinh thái phần cứng hiện nay vốn đều là nhị phân.

Máy tính tam phân không phải khái niệm mới. Từ cuối thập niên 1950, Đại học Quốc gia Moscow đã phát triển Setun, một trong những máy tính tam phân nổi tiếng nhất, dưới sự dẫn dắt của Sergei Sobolev và Nikolay Brusentsov. Sau đó, Mỹ cũng có TERNAC, một hệ thống tam phân khác, nhưng thực chất chỉ là mô phỏng chạy bằng Fortran trên một máy nhị phân của Burroughs. Fortran là một ngôn ngữ lập trình đời đầu, rất phổ biến trong tính toán khoa học. Những dự án đó cho thấy tam phân từng được xem là một hướng đi nghiêm túc, dù cuối cùng không thắng được đà phát triển mạnh mẽ của nhị phân.

Một trong những lý do lớn là chi phí hiện thực. Nhiều hệ thống tam phân trong lịch sử rốt cuộc vẫn phải dựa vào phần cứng nhị phân ở tầng dưới, khiến lợi ích lý thuyết không chuyển hóa trọn vẹn thành hiệu năng hay hiệu quả kinh tế. Trong khi đó, toàn bộ ngành công nghiệp bán dẫn lại phát triển xoay quanh transistor nhị phân, quy trình sản xuất, công cụ thiết kế, bộ nhớ, bus dữ liệu và thiết bị ngoại vi đều tối ưu cho 0 và 1. Khi một hệ sinh thái đã đạt quy mô khổng lồ, bất kỳ kiến trúc thay thế nào cũng phải vượt qua rào cản tương thích và chi phí cực lớn.

Điểm đáng giá của 5500FP không nằm ở việc nó sắp thay thế CPU hiện đại, mà ở chỗ nó biến một ý tưởng lâu nay chủ yếu tồn tại trong sách vở và mô phỏng thành phần cứng có thể chạy thật. Điều này đặc biệt quan trọng với giới nghiên cứu kiến trúc máy tính, vì họ có thể kiểm chứng giả thuyết về tập lệnh, mô hình bộ nhớ, đồng bộ hóa hay biên dịch trên một nền tảng tam phân thực sự. Thay vì phải đầu tư chế tạo silicon tùy biến, vốn cực đắt đỏ và rủi ro, họ chỉ cần dùng FPGA để tạo nguyên mẫu, thử nghiệm rồi cải tiến.

Hiện chưa có dấu hiệu cho thấy tam phân sẽ sớm bước vào thị trường đại trà. Nhưng trong bối cảnh ngành phần cứng ngày càng quan tâm tới các kiến trúc phi truyền thống, từ tăng tốc AI đến điện toán chuyên biệt, những dự án như 5500FP có thể đóng vai trò chất xúc tác quan trọng. Chúng nhắc lại rằng nhị phân không phải lựa chọn duy nhất về mặt lý thuyết. Và dù con đường thương mại hóa còn xa, việc xuất hiện một nền tảng tam phân đa dụng “mua được, chạy được, nghiên cứu được” đầu tiên sau nhiều thập kỷ vẫn là một cột mốc đáng chú ý trong lịch sử kiến trúc máy tính.