Đột phá trong chế tạo chip ánh sáng, có khả năng tính toán nhanh gấp hàng triệu lần máy tính thông thường

Trong khi khả năng xử lý của chip bán dẫn đang đi dần tới giới hạn của mình, nhu cầu xử lý lại đang vươn tới các tầm cao mới với yêu cầu từ thuật toán xử lý dữ liệu lớn, trí tuệ nhân tạo cũng như đồ họa 3D. Các máy tính lượng tử có tốc độ xử lý lớn gấp hàng trăm triệu lần các siêu máy tính hiện nay nhưng nó lại dùng kiến trúc tính toán hoàn toàn khác và có thể phải viết lại toàn bộ các thuật toán nếu muốn khai thác được sức mạnh của nó.

Nhưng các nhà khoa học máy tính tại Đại học Aalto, Phần Lan đã tìm ra một giải pháp mới có thể vượt qua trở ngại này: các chip ánh sáng với những cổng logic quang học – tương tự như các cổng logic trên chip bán dẫn hiện tại vận hành dựa trên dòng điện – có thể mang lại tốc độ xử lý nhanh gấp 1 triệu lần so với máy tính truyền thống hiện nay.

Trước đây đã có nhiều thiết kế máy tính quang học khác nhưng chúng thường kèm theo các phần cứng phức tạp và bị giới hạn trong một số ứng dụng cụ thể. Nhưng nghiên cứu mới của các nhà khoa học tại Đại học Aalto đã tạo ra được các cổng logic từ một lớp tinh thể Molybden di-Sulfide với độ dày chỉ 0,65 nm bằng các công nghệ sản xuất hiện tại. Hơn thế nữa con chip mới cũng có thể thực hiện các tác vụ phổ thông trong quy mô nhỏ.

Một điều dễ thấy là các photon ánh sáng di chuyển nhanh hơn nhiều so với các hạt mang điện do vậy nó sẽ gia tăng đáng kể tốc độ tính toán và vì ánh sáng không bị ảnh hưởng bởi điện trở, nó có thể hoàn thành một tác vụ với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn nhiều so với chip điện truyền thống.

Cách tiếp cận của nhóm nghiên cứu là dùng ánh sáng phân cực tròn khi một sóng ánh sáng cho thấy di chuyển xoay tròn quanh trục chuyển động của nó với hướng quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ. Hướng quay của ánh sáng phân cực có thể được điều chỉnh bằng hình dáng của vật liệu tinh thể mà nó đi qua.

Đối với một bit máy tính truyền thống, nó sẽ có 2 trạng thái 0 hoặc 1 – biểu hiện cho việc dòng điện đi qua nó là dòng điện âm hoặc dương – điều tương tự cũng có thể được biểu diễn bằng chip ánh sáng nói trên khi ánh sáng phân cực đi qua nó thuận chiều hoặc ngược chiều kim đồng hồ.

Trong máy tính quang học, các cổng logic được làm từ vật liệu tinh thể nói trên, vốn đặc biệt nhạy với hướng quay của các chùm sáng phân cực này. Sử dụng các bộ lọc quang học và những thành phần khác, các cổng logic này có thể tái tạo lại chức năng tương ứng như trên chip bán dẫn truyền thống.

Nhóm nghiên cứu đã trình diễn hoạt động của các nguyên mẫu cổng logic quang học khi tái tạo lại chức năng của các cổng logic truyền thống như XNOR, NOR, AND, XOR, OR và NAND – đây là các cổng logic giúp thực hiện các phép tính khác nhau đối với dữ liệu nhận được. Không chỉ nhanh hơn, các phép tính đối với dữ liệu còn được thực hiện song song nhau thay vì tuần tự như thường thấy, giúp mở đường cho các cải tiến lớn về hiệu quả năng lượng và tốc độ tính toán.

Yi Zhang, người đứng đầu nghiên cứu này, cho biết: "Chúng tôi hy vọng rằng các máy tính quang học hoàn toàn có thể được tạo ra trong tương lai. Ưu điểm lớn nhất ở đây là tốc độ tính toán siêu nhanh của chip quang học so với chip truyền thống. Bên cạnh đó, ánh sáng có khả năng xử lý song song và tiêu thụ ít năng lượng hơn, trong khi các thiết bị điện tử tiêu thụ nhiều năng lượng hơn do gặp phải điện trở."

Yếu tố then chốt cho việc điều khiển ánh sáng là các bộ điều biến quang học, giúp điều chỉnh mật độ, pha sáng hoặc độ phân cực. Trong khi các bộ điều biến quang học hiện tại chủ yếu dùng hiệu ứng điện hoặc âm thanh để gián tiếp điều khiển các thuộc tính ánh sáng, ông Zhang cho biết:

"Hai công nghệ điều biến quang học truyền thống này có thể điều khiển các thuộc tính ánh sáng ở tốc độ nano giây. Nhưng bộ điều biến quang học hoàn toàn của chúng tôi, sử dụng quy trình quang học liền mạch, có thể hoạt động ở tốc độ femto giây, nhanh hơn hiện tại gấp một triệu lần."

Không dừng lại ở đây, ông Zhang cho biết nghiên cứu tương lai sẽ hướng đến việc tìm hiểu xem liệu các cổng logic quang học có thể được sử dụng để tạo ra các máy tính lai giữa lượng tử với truyền thống hoặc tạo ra các cổng logic lượng tử quang học được hay không. Điều này là vì một điểm chung giữa các máy tính lượng tử và chip quang học là ở chỗ đều dùng các photon để truyền dữ liệu.

Tham khảo Interesting Engineer, SciTech Daily, Aalto