PGS.TS. Phạm Kim Ngọc

Khi trí tuệ nhân tạo (AI) ngày càng được ứng dụng rộng rãi, nhu cầu về năng lực tính toán cũng tăng nhanh. Các mô hình AI hiện đại phải xử lý khối lượng dữ liệu lớn, đòi hỏi hệ thống máy tính không chỉ mạnh hơn mà còn phải sử dụng năng lượng hiệu quả hơn.

Đây cũng là bài toán được PGS.TS. Phạm Kim Ngọc, giảng viên Khoa Khoa học và Công nghệ Vật liệu, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG TP. Hồ Chí Minh, theo đuổi trong nhiều năm.

Theo nữ nhà khoa học, một hạn chế đáng chú ý của kiến trúc máy tính truyền thống là dữ liệu phải liên tục di chuyển giữa bộ nhớ và bộ xử lý. Khi khối lượng dữ liệu tăng lên, quá trình này trở thành một trong những yếu tố làm giảm hiệu quả tính toán và gia tăng mức tiêu thụ năng lượng.

Từ vấn đề đó, nhóm nghiên cứu của PGS.TS. Phạm Kim Ngọc tập trung vào trở nhớ (memristor)một loại linh kiện điện tử có khả năng thay đổi và duy trì trạng thái điện trở, đồng thời có thể đảm nhiệm cả chức năng lưu trữ và xử lý thông tin. Đặc tính này khiến memristor được quan tâm trong các kiến trúc tính toán mô phỏng hoạt động của mạng thần kinh sinh học.

Thay vì tách biệt hoàn toàn nơi lưu trữ và nơi xử lý dữ liệu, các hệ thống dựa trên memristor có thể thực hiện một phần hoạt động tính toán trực tiếp trong bộ nhớ. Cách tiếp cận này, được gọi là tính toán trong bộ nhớ (in-memory computing), được kỳ vọng giúp giảm lượng dữ liệu phải truyền qua lại giữa các thành phần của hệ thống, qua đó nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

Từ vật liệu màng mỏng đến linh kiện cho AI

Hướng nghiên cứu hiện nay của PGS.TS. Phạm Kim Ngọc được hình thành từ quá trình theo đuổi khoa học vật liệu từ khá sớm. Năm 2002, chị bắt đầu học ngành Khoa học vật liệu tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Đến năm 2009, nhóm nghiên cứu bắt đầu phát triển các lớp màng mỏng bằng kỹ thuật lắng đọng hơi vật lý (PVD) và nghiên cứu khả năng ứng dụng trong bộ nhớ lưu trữ dữ liệu.

Nền tảng về vật liệu màng mỏng, vật liệu nano và bộ nhớ điện trở sau đó trở thành cơ sở để nhóm chuyển sang nghiên cứu các linh kiện bán dẫn và kiến trúc phần cứng phục vụ tính toán thế hệ mới.

Trong quá trình này, nhóm đã nghiên cứu nhiều hệ vật liệu khác nhau, trong đó có TiO₂, ZnO, WO₃ và CrOₓ. Các nghiên cứu tập trung vào kiểm soát tính chất chuyển mạch điện trở, chế tạo linh kiện và tìm hiểu cơ chế vật lý - hóa học bên trong thiết bị.

Một dấu mốc đáng chú ý là đề tài về chế tạo và khảo sát tính chất đảo điện trở thuận nghịch của linh kiện bộ nhớ trên nền vật liệu perovskite do PGS.TS. Phạm Kim Ngọc chủ nhiệm, thực hiện trong giai đoạn 2022-2024. Đề tài được nghiệm thu tại ĐHQG-HCM vào tháng 3/2024.

Những nghiên cứu tích lũy trong nhiều năm giúp nhóm từng bước chuyển từ việc tìm hiểu vật liệu sang chế tạo linh kiện và xây dựng các mảng linh kiện có khả năng thực hiện những chức năng gần với mạng thần kinh nhân tạo.

Mảng trở nhớ 16 × 16 mô phỏng chức năng khớp thần kinh

Năm 2025, nhóm nghiên cứu của PGS.TS. Phạm Kim Ngọc và PGS.TS. Nguyễn Trần Thuật cùng các cộng sự công bố công trình trên Advanced Functional Materials, tạp chí quốc tế chuyên về khoa học vật liệu và vật lý chất rắn.

Công trình mang tên “Selector-Free 16 × 16 CrOx/TiO₂-Based Memristor Array for Synaptic Dynamics and LTP/LTD Emulation: Experimental–Computational Correlation”, tập trung vào mảng trở nhớ 16 × 16 dựa trên hệ vật liệu CrOₓ/TiO₂. Nghiên cứu là sản phẩm của dự án được Quỹ Đổi mới sáng tạo VinIF tài trợ, với PGS.TS. Phạm Kim Ngọc là chủ nhiệm và PGS.TS. Nguyễn Trần Thuật là đồng chủ nhiệm.

Điểm đáng chú ý của công trình nằm ở khả năng mô phỏng một số cơ chế của khớp thần kinh sinh học. Các linh kiện có thể tái hiện hiện tượng tăng cường độ dẫn dài hạn (LTP) và suy giảm độ dẫn dài hạn (LTD), vốn liên quan đến quá trình học tập và ghi nhớ trong hệ thần kinh.

Nhóm cũng kết hợp thực nghiệm với mô phỏng lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) để phân tích cơ chế hoạt động của linh kiện. Kết quả mô phỏng về cấu trúc điện tử và sự dịch chuyển của khuyết tật oxy tương thích với các quan sát thực nghiệm, qua đó giúp làm rõ cơ chế chuyển mạch của vật liệu.

Mảng trở nhớ được chế tạo tại Khoa Khoa học và Công nghệ Vật liệu bằng phương pháp phún xạ DC kết hợp kỹ thuật stencil lithography ở nhiệt độ phòng. Theo nhóm nghiên cứu, quy trình này có ưu điểm đơn giản, tiết kiệm và tương thích với công nghệ CMOS. Mảng 16 × 16 cho thấy độ đồng đều và độ ổn định trong hoạt động, trong khi dòng rò xuyên mảng được duy trì ở mức nanoampe.

Những kết quả này cho thấy hướng nghiên cứu không dừng ở việc chế tạo một linh kiện đơn lẻ mà tiến tới xây dựng các mảng linh kiện có thể mở rộng, một yêu cầu quan trọng đối với phần cứng tính toán mô phỏng thần kinh.

Từ phòng thí nghiệm đến bằng sáng chế Hoa Kỳ

Năm 2026, hướng nghiên cứu về memristor của PGS.TS. Phạm Kim Ngọc tiếp tục ghi nhận một kết quả đáng chú ý khi nhóm được Văn phòng Sáng chế và Nhãn hiệu Hoa Kỳ (USPTO) cấp bằng sáng chế US 12,670,378 B2 cho công nghệ “Memristor Structures with Analog Switching Characteristics and Method for Fabricating the Same”. Bằng sáng chế được cấp ngày 30/6/2026.

Nhóm tác giả gồm PGS.TS. Phạm Kim Ngọc, ThS. Phạm Phú Quân, GS.TS. Phan Bách Thắng và PGS.TS. Nguyễn Trần Thuật. Công nghệ được bảo hộ tập trung vào cấu trúc memristor có đặc tính chuyển mạch tương tự, dựa trên nền tảng vật liệu oxit crom (CrOₓ).

Theo thông tin từ ĐHQG-HCM, nghiên cứu này tiếp cận CrOₓ như một nền tảng vật liệu chức năng cho memristor, thay vì chỉ tập trung vào một cấu trúc linh kiện cụ thể. Vật liệu này có thể được kết hợp với các lớp oxit và điện cực kim loại khác nhau để phát triển các cấu trúc memristor mới.

Việc được cấp bằng sáng chế tại Mỹ là kết quả tiếp nối chuỗi nghiên cứu kéo dài nhiều năm về vật liệu và linh kiện nhớ điện trở của nhóm. Đây cũng là cơ sở để nhóm tiếp tục hướng tới những kiến trúc phần cứng AI tích hợp trong tương lai.

Đáng chú ý, nghiên cứu của nhóm không được thực hiện đơn lẻ. Các công trình gần đây có sự phối hợp giữa Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM, ĐHQG Hà Nội và các đối tác quốc tế như EPFL của Thụy Sĩ và Đại học Tohoku của Nhật Bản. Sự kết hợp giữa thực nghiệm vật liệu, chế tạo linh kiện và mô phỏng lý thuyết giúp nhóm tiếp cận bài toán từ nhiều góc độ.

Kiên trì với hướng nghiên cứu dài hạn

Đằng sau những kết quả được công bố và bảo hộ quốc tế là một quá trình nghiên cứu không ít trở ngại. Hạn chế về trang thiết bị, kinh nghiệm thực tiễn cũng như những gián đoạn do đại dịch COVID-19 từng ảnh hưởng đến tiến độ của nhóm.

PGS.TS. Phạm Kim Ngọc từng chia sẻ rằng sự kiên trì là yếu tố giúp chị tiếp tục theo đuổi nghiên cứu trong những giai đoạn khó khăn. Với đặc thù của khoa học vật liệu và công nghệ bán dẫn, từ một ý tưởng ban đầu đến khi có linh kiện hoạt động ổn định cần trải qua nhiều vòng thử nghiệm, điều chỉnh vật liệu, tối ưu quy trình chế tạo và đánh giá đặc tính.

Năm 2025, PGS.TS. Phạm Kim Ngọc được trao Học bổng Quốc gia L’Oréal-UNESCO Vì sự phát triển phụ nữ trong khoa học, cùng PGS.TS. Tô Thị Mai Hương và TS. Lê Linh. Mỗi học bổng trị giá 150 triệu đồng. Chương trình năm đó ghi nhận ba nhà khoa học nữ có những hướng nghiên cứu liên quan đến các thách thức lớn như AI, biến đổi khí hậu và an ninh năng lượng.

Với PGS.TS. Phạm Kim Ngọc, sự ghi nhận này không chỉ mang ý nghĩa hỗ trợ cho một đề tài cụ thể mà còn là động lực để các nhà khoa học nữ tiếp tục theo đuổi những lĩnh vực đòi hỏi thời gian nghiên cứu dài và nguồn lực lớn.

“Giải thưởng là lời động viên mạnh mẽ dành cho các nhà khoa học nữ Việt Nam, đồng thời tiếp thêm niềm tin cho các bạn trẻ, đặc biệt là nữ sinh trên con đường nghiên cứu của mình”, chị chia sẻ.

Hướng tới chip trở nhớ do Việt Nam phát triển

Mục tiêu tiếp theo của nhóm là tiếp tục hoàn thiện quy trình chế tạo chip trở nhớ, từng bước chuyển kết quả nghiên cứu từ quy mô phòng thí nghiệm sang các nền tảng có khả năng ứng dụng.

Nếu memristor có thể đảm nhiệm đồng thời chức năng lưu trữ và xử lý thông tin, những linh kiện này có thể trở thành thành phần quan trọng trong các kiến trúc tính toán mới, đặc biệt là tính toán mô phỏng thần kinh và AI biên - những hệ thống cần xử lý dữ liệu nhanh ngay tại thiết bị với yêu cầu hạn chế về năng lượng.

Tuy nhiên, từ một mảng linh kiện trong phòng thí nghiệm đến một chip AI thương mại vẫn còn khoảng cách lớn. Các yêu cầu về độ ổn định, độ tin cậy, khả năng mở rộng, kiểm soát sai số, quy trình sản xuất và khả năng tích hợp với các công nghệ bán dẫn hiện hành đều cần tiếp tục được giải quyết.

Việc nhóm đã chế tạo được mảng memristor 16 × 16, công bố kết quả trên Advanced Functional Materials và được cấp bằng sáng chế Hoa Kỳ cho một cấu trúc memristor dựa trên CrOₓ cho thấy hướng nghiên cứu đã có những kết quả cụ thể cả về học thuật lẫn công nghệ.

Trong bối cảnh Việt Nam đang quan tâm phát triển vật liệu mới, công nghệ bán dẫn và năng lực nghiên cứu phần cứng AI, những nhóm nghiên cứu theo hướng kết nối từ vật liệu, linh kiện đến kiến trúc tính toán có thể đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành năng lực công nghệ trong nước.

“Tôi tin rằng tinh thần dám nghĩ dám làm sẽ giúp các nhà khoa học nữ khẳng định vai trò của mình trong việc đóng góp vào sự phát triển của khoa học công nghệ và sự phát triển của nước nhà”, PGS.TS. Phạm Kim Ngọc nhắn nhủ.

Câu chuyện của nữ nhà khoa học này cũng cho thấy một hướng đi đặc thù của nghiên cứu công nghệ cao: những kết quả có giá trị thường được tích lũy qua nhiều năm, từ việc làm chủ vật liệu, hiểu cơ chế vật lý, chế tạo linh kiện đến xây dựng nguyên mẫu và bảo hộ sở hữu trí tuệ. Với nhóm nghiên cứu của PGS.TS. Phạm Kim Ngọc, mục tiêu trước mắt là tiếp tục rút ngắn khoảng cách từ những linh kiện được chế tạo trong phòng thí nghiệm đến một nền tảng phần cứng AI có khả năng ứng dụng thực tế tại Việt Nam.

Trong năm 2026, Chương trình L’Oréal-UNESCO Vì sự phát triển phụ nữ trong khoa học tiếp tục tìm kiếm các nhà khoa học nữ Việt Nam trong hai lĩnh vực Khoa học Sự sống và Khoa học Vật lý. Ba ứng viên được lựa chọn sẽ nhận học bổng 150 triệu đồng/người để tiếp tục triển khai nghiên cứu. Chương trình nhận hồ sơ đến 18h ngày 30/9/2026.