Chip Trung Quốc đạt tốc độ 100 GHz mà không cần điện, chỉ cần ánh sáng

Một nhóm các nhà khoa học quốc tế do các nhà nghiên cứu tại Đại học Bắc Kinh, Trung Quốc, dẫn đầu vừa công bố một bước tiến mang tính cách mạng trong công nghệ vi xử lý. Họ đã thiết kế thành công một chip "toàn quang" (all-optical chip), sử dụng ánh sáng thay vì điện để đồng bộ hóa tốc độ xử lý và có khả năng đạt tới 100 GHz – một con số vượt xa các con chip truyền thống vốn chỉ giới hạn trong khoảng 2-3 GHz, thậm chí những con chip mạnh nhất cũng mới chỉ chạm ngưỡng 6 GHz.

Công nghệ chip quang học hoạt động như thế nào?

Mọi thiết bị điện tử mà chúng ta sử dụng hàng ngày, từ điện thoại thông minh, máy tính đến chatbot AI, đều cần một bộ vi xử lý (CPU) để thực hiện các tác vụ một cách nhanh chóng và hiệu quả. Bộ vi xử lý hoạt động dựa trên xung nhịp đồng hồ để đồng bộ hóa các hoạt động bên trong, và tốc độ xử lý của nó thường được đo bằng đơn vị gigahertz (GHz), nghĩa là số tỷ chu kỳ xử lý mỗi giây.

Theo giáo sư Chang Lin tại Viện Công nghệ Thông tin và Truyền thông của Đại học Bắc Kinh, các con chip truyền thống sử dụng bộ dao động điện tử để tạo ra tín hiệu đồng hồ. Tuy nhiên, cách tiếp cận này có nhiều hạn chế, bao gồm tiêu thụ năng lượng quá lớn, tỏa nhiệt cao và khó tăng tốc độ xung nhịp lên mức cao hơn. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng ánh sáng thay vì điện để truyền tải và xử lý thông tin.

Do tốc độ của ánh sáng nhanh hơn điện, các photon có thể tạo ra tín hiệu đồng hồ với độ chính xác cao hơn nhiều. Các nhà nghiên cứu đã thiết kế một vòng quang học trên chip, giống như một đường đua, nơi ánh sáng di chuyển vòng quanh và thời gian hoàn thành mỗi vòng sẽ được dùng làm tiêu chuẩn đo lường xung nhịp. Vì photon di chuyển với tốc độ ánh sáng, mỗi vòng chỉ mất vài phần tỷ giây, giúp chip có thể đạt được tốc độ xung nhịp cực cao.

Ứng dụng của công nghệ chip quang học

Một trong những nhược điểm lớn của chip truyền thống là mỗi chip chỉ hoạt động ở một tần số xung nhịp cố định. Điều này khiến các hệ thống cần đồng bộ hóa với tốc độ khác nhau phải sử dụng nhiều loại chip riêng biệt, làm tăng chi phí sản xuất và vận hành.

Nhóm nghiên cứu đã phát triển một "microcomb trên chip", cho phép tạo ra cả tín hiệu đơn tần số và tín hiệu băng tần rộng, giúp cung cấp xung nhịp tham chiếu cho nhiều thành phần điện tử khác nhau trong một hệ thống. Nhờ đó, có thể sản xuất hàng loạt các con chip này trên một tấm wafer 8 inch (khoảng 20 cm), giúp việc triển khai công nghệ này vào thực tế trở nên dễ dàng hơn.

Ứng dụng của chip quang học có thể thay đổi nhiều lĩnh vực công nghệ hiện nay. Trong ngành viễn thông, chip này có thể giúp nâng cao hiệu suất của mạng 5G và 6G mà không cần thay đổi phần cứng điện thoại di động, đồng nghĩa với việc người dùng có thể tận hưởng tốc độ mạng nhanh hơn mà không cần mua thiết bị mới. Trong lĩnh vực trạm thu phát sóng di động, chip quang học có thể giúp giảm chi phí thiết bị và tiết kiệm năng lượng, nhờ vào khả năng xử lý nhanh hơn và hiệu suất cao hơn.

Không chỉ trong viễn thông, công nghệ này còn có thể mang lại những đột phá lớn trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo (AI). Việc đạt được tốc độ xử lý 100 GHz sẽ giúp tăng cường khả năng tính toán của AI trong khi vẫn tiết kiệm năng lượng hơn so với các hệ thống hiện tại. Ngoài ra, chip quang học còn có tiềm năng ứng dụng trong xe tự lái, giúp cải thiện độ chính xác và tốc độ phản ứng, từ đó tăng cường an toàn và hiệu suất vận hành của các phương tiện tự động.

Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Nature Electronics, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong công nghệ vi xử lý. Nếu công nghệ này được triển khai rộng rãi, nó có thể thay đổi hoàn toàn cách chúng ta tiếp cận máy tính, viễn thông, AI và các hệ thống điều khiển thông minh.

Anh Việt