Bước đột phá trong việc chế tạo chip sáng, có khả năng tính toán nhanh gấp hàng triệu lần so với máy tính thông thường

(Tổ Quốc) - Không chỉ vượt trội về khả năng tính toán so với các máy tính thông thường, các máy tính sử dụng chip quang học này vẫn có thể áp dụng các thuật toán hiện tại mà không cần phải viết lại toàn bộ.

Trong khi khả năng xử lý của chip bán dẫn đang dần đến giới hạn, nhu cầu xử lý đang tăng cao với yêu cầu từ thuật toán xử lý dữ liệu lớn, trí tuệ nhân tạo và 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 lại sử dụng kiến trúc tính toán khác biệt và có thể phải viết lại toàn bộ thuật toán để khai thác sức mạnh của chúng.

Nhóm nghiên cứu máy tính tại Đại học Aalto, Phần Lan, đã tìm ra một giải pháp mới có thể vượt qua trở ngại này: các chip sáng với cổng logic quang học – tương tự như cổng logic trên chip bán dẫn hiện tại hoạt động dựa trên dòng điện – có thể mang lại tốc độ xử lý nhanh gấp 1 triệu lần so với máy tính thông thường hiện nay.

Trước đây đã có nhiều thiết kế máy tính quang học khác nhau nhưng thường đi kèm với phần cứng phức tạp và bị hạn chế trong một số ứng dụng cụ thể. Tuy nhiên, nghiên cứu mới của nhóm nghiên cứu tại Đại học Aalto đã tạo ra các cổng logic từ một lớp tinh thể Molybden di-Sulfide có độ dày chỉ 0,65 nm bằng công nghệ sản xuất hiện nay. Hơn 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 nên sẽ tăng đáng kể tốc độ tính toán và vì ánh sáng không chịu ảnh hưởng từ 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 sử dụng ánh sáng phân cực tròn, khi một sóng ánh sáng di chuyển xoay quanh trục chuyển động của nó theo hướng quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ. Hướng quay của ánh sáng phân cực có thể điều chỉnh được bằng hình dáng của vật liệu tinh thể mà nó đi qua.

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 theo hướng 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 các 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 thể hiện 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 thay vì tuần tự như thường thấy, giúp tạo điều kiện cho các cải tiến lớn về hiệu suất năng lượng và tốc độ tính toán.

Yi Zhang, người đứng đầu nghiên cứu này, cho biết: 'Chúng tôi mong muốn rằng các máy tính quang học hoàn toàn có thể được phát triển 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. Ngoài ra, 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 quyết định 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 thường sử dụng hiệu ứng điện hoặc âm thanh để điều khiển gián tiếp các thuộc tính ánh sáng, ông Zhang nói:

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

Không chỉ dừng lại ở đó, ông Zhang cũng tiết lộ rằng nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc khám phá xem liệu các cổng logic quang học có thể được áp dụng để tạo ra các máy tính kết hợp giữa lượng tử và truyền thống hoặc tạo ra các cổng logic lượng tử quang học. Điều này là vì một điểm chung giữa các máy tính lượng tử và chip quang học là việc cả hai đều sử dụng các photon để truyền dữ liệu.

Tham khảo từ Interesting Engineer, SciTech Daily, Aalto