PGS.TS Phạm Kim Ngọc: Thành quả ngọt ngào cho những ai đủ đam mê và kiên trì với khoa học

Năm 2025, PGS.TS Phạm Kim Ngọc là một trong ba nhà khoa học nữ Việt Nam được trao Học bổng L’Oréal - UNESCO "Vì sự phát triển phụ nữ trong khoa học" với đề án "Nghiên cứu và chế tạo linh kiện, vi mạch trở nhớ, ứng dụng làm khớp thần kinh nhân tạo trong hệ thống tính toán mô phỏng não".

Phóng viên Tạp chí Khoa học phổ thông đã có cuộc trao đổi với PGS.TS Phạm Kim Ngọc xoay quanh hành trình gần 20 năm làm khoa học, niềm đam mê với vật liệu nano và hướng nghiên cứu bán dẫn trong kỷ nguyên AI.

Tin tưởng vào con đường đã chọn

Cảm xúc của bà khi biết bản thân là một trong ba nhà khoa học nhận học bổng L’Oréal - UNESCO, học bổng vì sự phát triển phụ nữ trong khoa học?

- PGS.TS Phạm Kim Ngọc: Tôi cảm thấy vô cùng vinh dự và hạnh phúc khi nhận được thông tin mình là một trong ba nhà khoa học nữ được nhận học bổng L’Oréal - UNESCO của năm nay. Đó là hành trình gần 20 năm theo đuổi con đường nghiên cứu về vật liệu mới cùng với tập thể các thầy cô, đồng nghiệp và các em học viên, sinh viên trong nhóm.

Giải thưởng không chỉ là sự ghi nhận sự cố gắng của cá nhân tôi mà còn là một lời nhắc nhở về trách nhiệm của tôi trên con đường phía trước: phải vững vàng hơn và tiếp tục truyền động lực cho các nhà khoa học trẻ, đặc biệt là nhà khoa học nữ.

Cơ duyên nào đã đưa bà đến với lĩnh vực khoa học vật liệu - một ngành còn khá mới ở Việt Nam vào thời điểm bà bắt đầu?

- Từ năm 2002, tôi bắt đầu học ngành Khoa học vật liệu tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên và bắt đầu tiếp cận với những điều hấp dẫn từ lĩnh vực này. Các vật liệu cấu trúc nano với các đặc tính mới mẻ và mang đến hiệu quả vượt trội trong mọi lĩnh vực của đời sống. Trong đó, vật liệu màng mỏng (thin film) dạng lớp phủ có độ dày từ vài nanomet đến micromet đã đưa sự phát triển của lĩnh vực linh kiện và thiết bị quang - điện tử bước lên một tầm cao mới.

Năm 2009, nhóm nghiên cứu của tôi bắt đầu nghiên cứu chế tạo các lớp màng mỏng bằng kỹ thuật lắng đọng hơi vật lý (Physical Vapor Deposition - PVD) và ứng dụng trong bộ nhớ lưu trữ dữ liệu. Các kết quả nghiên cứu của nhóm được đăng trên các tạp chí quốc tế uy tín trong lĩnh vực về khoa học vật liệu, vật lý đã khẳng định tính mới và giá trị của nghiên cứu.

Mặc dù lĩnh vực công nghệ bán dẫn vẫn còn khá mới mẻ ở Việt Nam nhưng với nền tảng đã được nhóm xây dựng từ trước đó, nên việc tiếp cận và phát triển các linh kiện bán dẫn của nhóm khá thuận lợi. Hơn nữa, cùng với Nghị quyết 57 và các chính sách phát triển về khoa học công nghệ gần đây thì vật liệu mới và công nghệ bán dẫn đang là những lĩnh vực đang được quan tâm và đẩy mạnh. Điều đó càng làm cho chúng tôi tin rằng hướng đi của nhóm là hoàn toàn đúng đắn.

Từng bước xây dựng nền tảng cho hệ thống tính toán mô phỏng não

Lý do nào khiến bà lựa chọn thực hiện đề án “Nghiên cứu và chế tạo linh kiện, vi mạch trở nhớ, ứng dụng làm khớp thần kinh nhân tạo trong hệ thống tính toán mô phỏng não”, công trình được trao Giải thưởng L’Oréal - UNESCO?

- Hiện nay, sự phát triển bùng nổ của trí tuệ nhân tạo (AI) đang kéo theo nhu cầu tính toán khổng lồ. Tuy nhiên, kiến trúc máy tính truyền thống, gọi là kiến trúc von-Neumann, với bộ xử lý và bộ nhớ tách biệt đã bắt đầu bộc lộ giới hạn. Dữ liệu liên tục chuyển qua lại giữa hai thành phần này tạo nên cái gọi là “nút thắt cổ chai von-Neumann”. Điều này khiến quá trình huấn luyện và vận hành các mô hình AI vừa tốn kém năng lượng, vừa không đạt tốc độ mong muốn.

Đề án của chúng tôi tiếp cận một hướng đi đột phá hơn: tính toán trong bộ nhớ (In-Memory Computing - IMC). Ở kiến trúc này, việc xử lý được thực hiện ngay trong bộ nhớ thay vì phải di chuyển dữ liệu liên tục, từ đó tiết kiệm năng lượng và tăng tốc độ tính toán đáng kể.

Trọng tâm của nghiên cứu là trở nhớ (memristor), một thiết bị điện tử có khả năng lưu trữ nhiều mức trạng thái tương tự khớp thần kinh trong não bộ. Điểm mạnh của trở nhớ là kích thước nhỏ, khả năng lưu trữ trạng thái liên tục (analog), tiêu thụ năng lượng thấp và dễ dàng tích hợp thành mảng lớn để mô phỏng mạng nơ-ron.

Nhóm tập trung vào loại trở nhớ tự chỉnh lưu (self-rectifying memristor - SRM), giúp tăng độ tin cậy, hạn chế dòng rò và nâng cao hiệu suất của mạch. Nghiên cứu được triển khai từ cấp độ vật liệu, lựa chọn, chế tạo và đặc trưng đến cấu trúc linh kiện và cuối cùng là tích hợp thành vi mạch mẫu.

Mục tiêu của chúng tôi là từng bước xây dựng nền tảng cho hệ thống tính toán mô phỏng não, vốn được xem là tương lai của trí tuệ nhân tạo hiệu năng cao.

Công trình này có thể mang lại những ứng dụng gì trong tương lai?

- Nếu vi mạch trở nhớ được ứng dụng rộng rãi, hệ thống tính toán sẽ chuyển sang một hướng hoàn toàn mới - phi von-Neumann. Khi đó, phần cứng AI có thể học và xử lý thông tin theo cách gần với não bộ hơn: song song, nhanh chóng và tiêu thụ năng lượng cực thấp.

Tiềm năng ứng dụng trải rộng ở nhiều lĩnh vực, như: Thiết bị AI nhúng trong điện thoại, cảm biến thông minh, thiết bị IoT; Robot học tập và điều chỉnh hành vi theo môi trường; Hệ thống phân tích dữ liệu lớn trong an ninh, giao thông, y tế; AI xanh, bền vững, giúp giảm lượng năng lượng tiêu thụ trong các trung tâm dữ liệu.

Đối với Việt Nam, việc phát triển hướng nghiên cứu này sẽ góp phần hình thành năng lực nội địa về thiết kế và chế tạo linh kiện mới. Chúng tôi luôn ấp ủ hy vọng có thể chế tạo được một chip trở nhớ "Made in Vietnam", dù hành trình đó chắc chắn còn dài và đòi hỏi nỗ lực của nhiều thế hệ.

Bà có thể chia sẻ về hướng nghiên cứu sắp tới?

- Trong tương lai tôi vẫn tiếp tục hướng nghiên cứu về linh kiện bán dẫn, cụ thể là chế tạo chip trở nhớ (memristor chip) và ứng dụng làm khớp thần kinh nhân tạo, mô phỏng hoạt động của khớp thần kinh sinh học trong bộ não con người. Đây là một hướng nghiên cứu liên ngành của khoa học và công nghệ vật liệu, vật lý, vi mạch, bán dẫn và trí tuệ nhân tạo. Sự mở rộng kết nối và hợp tác trong quá trình nghiên cứu sẽ giúp chúng tôi thực hiện dự án liên ngành như thế này.

Tinh thần kiên trì của nhà khoa học nữ

Theo đuổi con đường khoa học công nghệ nhiều thách thức, đâu là những điểm tựa tinh thần để bà vượt qua khó khăn?

- Niềm vui khi đạt được các kết quả mới trong nghiên cứu, được làm việc chung với các nhà khoa học đi trước và các học viên, sinh viên đã tạo thêm động lực cho tôi trong những lúc khó khăn. Bên cạnh đó, sự ủng hộ và chia sẻ của gia đình và đồng nghiệp luôn là chỗ dựa vững chắc để tôi yên tâm trong công việc và cuộc sống của mình.

Với tôi, khoa học là hành trình khám phá không ngừng. Mỗi loại vật liệu, mỗi cấu trúc linh kiện đều ẩn chứa những điều mới mẻ, càng tìm hiểu càng thấy say mê. Hơn nữa, trong môi trường nghiên cứu tại trường, chúng tôi có sự tự do học thuật, có tinh thần nhiệt quyết của các bạn trẻ và có sự định hướng sâu sát từ các thầy cô có nhiều kinh nghiệm. Tất cả những điều đó làm cho chúng tôi đồng lòng vượt qua những khó khăn, thử thách và kiên trì cho đến hôm nay.

Bà có lời nhắn nhủ nào dành cho giới nữ khi theo đuổi đam mê khoa học?

- Phụ nữ hoàn toàn có thể khẳng định mình trong khoa học nếu đủ đam mê và kiên trì. Con đường này không dễ, nhưng thành quả ngọt ngào luôn ở phía trước, dành cho những ai tin vào lựa chọn của mình và bền bỉ theo đuổi đến cùng.

Xin cảm ơn PGS.TS Phạm Kim Ngọc đã chia sẻ.