Sau 50 Năm Nỗ Lực, Nhà Nghiên Cứu Tạo Ra Silic Phát Sáng

Gần năm mươi năm trước, Gordon Moore, người đồng sáng lập Intel, dự đoán rằng số lượng transistor trên vi mạch máy tính sẽ tăng gấp đôi mỗi hai năm. Dự báo nổi tiếng này, được biết đến với tên gọi là Định luật Moore, đã khá ổn định. Khi Intel phát hành bộ xử lý đầu tiên vào đầu những năm 1970, nó chỉ có hơn 2,000 transistor; ngày nay, bộ xử lý trong một chiếc iPhone có vài tỷ transistor. Nhưng mọi thứ đều có cái kết, và Định luật Moore không phải là một ngoại lệ.

Các transistor hiện đại, chúng hoạt động như tế bào não của máy tính, chỉ có vài nguyên tử chiều dài. Nếu chúng được đóng gói quá chặt, điều đó có thể gây ra nhiều vấn đề: tắc nghẽn electron, quá nhiệt và các hiệu ứng lượng tử kỳ lạ. Một giải pháp là thay thế một số mạch điện tử bằng kết nối quang học sử dụng photon thay vì electron để truyền dữ liệu quanh một vi mạch. Chỉ có một vấn đề: Silic, vật liệu chính trong vi mạch máy tính, kém chất phát sáng.

Bây giờ, một nhóm nghiên cứu châu Âu cho biết họ đã vượt qua được rào cản này. Vào thứ Tư, một nhóm nghiên cứu do Erik Bakkers, một nhà vật lý tại Đại học Công nghệ Eindhoven ở Hà Lan, dẫn đầu, đã công bố một bài báo trong Tự nhiên mô tả cách họ tạo ra nanodrát hợp kim silic có thể phát sáng. Đây là một vấn đề mà các nhà vật lý đã gặp phải trong suốt nhiều thập kỷ, nhưng Bakkers cho biết phòng thí nghiệm của ông đã sử dụng phương pháp này để phát triển một chiếc laser silic nhỏ có thể được tích hợp vào vi mạch máy tính. Tích hợp mạch quang học trên vi mạch điện tử thông thường sẽ giúp truyền dữ liệu nhanh hơn và tiêu tốn năng lượng thấp mà không làm tăng nhiệt độ của vi mạch, điều này có thể làm cho nó đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng đòi hỏi nhiều dữ liệu như máy học.

“Điều quan trọng là họ đã thành công trong việc chứng minh khả năng phát quang từ nanodrát được tạo ra từ hợp kim silic, vì những vật liệu này tương thích với quy trình sản xuất được sử dụng trong ngành công nghiệp vi mạch máy tính,” nói Pascal Del’Haye, người dẫn dắt nhóm vi phát quang tại Viện Max Planck về Khoa học về Ánh sáng và không tham gia vào nghiên cứu. “Trong tương lai, điều này có thể cho phép sản xuất vi mạch kết hợp cả mạch quang học và điện tử.”

Khi nói đến việc kích thích silic phát ra photon, Bakkers nói rằng đó là về cấu trúc. Một vi mạch máy tính điển hình được xây dựng trên một lớp silic mỏng được gọi là wafer. Silic là một môi trường lý tưởng cho vi mạch máy tính vì nó là chất bán dẫn - một chất chỉ dẫn điện dưới điều kiện nhất định. Điều này làm cho bán dẫn có thể hoạt động như công tắc kỹ thuật số mặc dù chúng không có bất kỳ bộ phận chuyển động nào. Thay vào đó, chúng mở và đóng chỉ khi một điện áp nhất định được áp dụng vào transistor.

Trong wafer, các nguyên tử silic được sắp xếp dưới dạng một cấu trúc lập phương tinh thể cubic cho phép electron di chuyển trong tinh thể dưới điều kiện điện áp nhất định. Nhưng nó không cho phép chuyển động tương tự cho photons, và đó là lý do tại sao ánh sáng không thể di chuyển qua silic một cách dễ dàng. Các nhà vật lý đã giả định rằng việc thay đổi hình dạng của lưới tinh thể silic sao cho nó được tạo thành từ các hình vuông lặp lại thay vì lập phương sẽ cho phép photons truyền qua vật liệu. Nhưng việc tạo ra lưới tinh thể hình vuông này thật sự khó khăn, vì silic muốn tinh chế ở dạng cubic ổn định nhất của nó. “Mọi người đã cố gắng làm silic hình vuông trong bốn thập kỷ và không thành công,” Bakkers nói.

Bakkers và đồng nghiệp tại Eindhoven đã làm việc để tạo ra lưới tinh thể silic hình vuông trong khoảng một thập kỷ. Một phần của giải pháp của họ liên quan đến việc sử dụng nanodrát làm từ arsenide galium như một kết cấu để tạo ra nanodrát từ hợp kim silic-germanium có cấu trúc hình vuông mong muốn. Việc thêm germanium vào silic là quan trọng để điều chỉnh bước sóng của ánh sáng và các tính chất quang học khác của vật liệu. “Nó mất thời gian hơn tôi dự kiến,” Bakkers nói. “Tôi dự kiến sẽ ở đây năm ngoái, nhưng có rất nhiều điều chỉnh tinh xảo cho toàn bộ quy trình.”

Để kiểm tra xem nanodrát hợp kim silic của họ có phát sáng hay không, Bakkers và đồng nghiệp đã ném chúng bằng một tia laser hồng ngoại và đo lường lượng ánh sáng hồng ngoại đi qua phía bên kia. Lượng năng lượng mà Bakkers và đồng nghiệp của ông phát hiện ra từ nanodrát dưới dạng ánh sáng hồng ngoại gần bằng lượng năng lượng mà tia laser đổ vào hệ thống, điều này ngụ ý rằng nanodrát silic rất hiệu quả trong việc truyền dẫn photon.

Bước tiếp theo, theo Bakkers, sẽ là sử dụng kỹ thuật mà họ đã phát triển để tạo ra một chiếc laser nhỏ từ hợp kim silic. Bakkers cho biết phòng thí nghiệm của ông đã bắt đầu công việc này và có thể sẽ có một chiếc laser silic hoạt động vào cuối năm. Sau đó, thách thức tiếp theo sẽ là tìm cách tích hợp laser với vi mạch máy tính điện tử truyền thống. “Điều đó sẽ là rất nghiêm túc, nhưng cũng rất khó khăn,” Bakkers nói. “Chúng tôi đang nghĩ cách để thực hiện điều này.”

Bakkers cho biết ông không dự đoán rằng trong tương lai, vi mạch máy tính sẽ hoàn toàn sử dụng quang học. Trong một thành phần như bộ xử lý, vẫn là hợp lý sử dụng electron để di chuyển khoảng cách ngắn giữa các transistor. Nhưng đối với khoảng cách “dài,” chẳng hạn như giữa CPU và bộ nhớ của máy tính hoặc giữa các cụm nhỏ của transistor, việc sử dụng photon thay vì electron có thể tăng tốc độ tính toán trong khi giảm tiêu thụ năng lượng và loại bỏ nhiệt từ hệ thống. Trong khi electron phải truyền dữ liệu theo cách tuần tự, từng electron sau một, tín hiệu quang có thể truyền dữ liệu trên nhiều kênh cùng một lúc với tốc độ tối đa có thể - tốc độ của ánh sáng.

Vì mạch quang học có thể nhanh chóng di chuyển lượng lớn dữ liệu trên một vi mạch máy tính, chúng có khả năng sẽ được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đòi hỏi nhiều dữ liệu. Ví dụ, chúng có thể là một lợi ích đối với máy tính trong các xe tự lái, cần xử lý một lượng lớn dữ liệu từ các cảm biến trên bảng điều khiển trong thời gian thực. Chip quang học cũng có thể có ứng dụng phổ biến hơn. Vì chúng sẽ không tạo ra nhiệt độ nhiều như chip điện tử, các trung tâm dữ liệu sẽ không cần cơ sở hạ tầng làm mát nhiều, điều này có thể giúp giảm độ lớn tiêu thụ năng lượng khổng lồ của chúng.

Nhà nghiên cứu và các công ty đã thành công tích hợp laser vào mạch điện tử đơn giản, nhưng quy trình quá phức tạp và đắt đỏ để triển khai quy mô lớn, vì vậy các thiết bị chỉ có ứng dụng chuyên sâu. Năm 2015, một nhóm nghiên cứu từ MIT, UC Berkeley và Đại học Colorado đã tích hợp thành công mạch quang và mạch điện tử trong một bộ xử lý vi mạch đơn đầu tiên. “Bản chứng minh này có thể đại diện cho sự bắt đầu của một kỷ nguyên của các hệ thống điện tử - quang điều chỉnh kích thước chip với khả năng biến đổi kiến trúc hệ thống máy tính, giúp máy tính mạnh mẽ hơn, từ cơ sở hạ tầng mạng đến trung tâm dữ liệu và siêu máy tính,” các nhà nghiên cứu viết trong bài báo.

Bằng cách thể hiện ứng dụng trong thành phần chính của vi mạch máy tính thông thường, Bakkers và đồng nghiệp của ông đã thực hiện một bước tiến lớn khác đối với tính ứng dụng thực tế của việc sử dụng ánh sáng trong tính toán. Mạch vi xử lý điện tử đã phục vụ nhu cầu máy tính của chúng ta trong nửa thế kỷ, nhưng trong thế giới đòi hỏi nhiều dữ liệu của chúng ta, đã đến lúc đẩy xử lý của chúng ta lên tới tốc độ ánh sáng.

• Vấn đề đặc biệt: Làm thế nào chúng ta sẽ giải quyết khủng hoảng khí hậu
• Tại sao cuộc sống trong đại dịch cảm giác đến thế kỳ lạ
• OK, Zoomer! Làm thế nào để trở thành người dùng mạnh mẽ của video họp
• Vai trò bất ngờ của Dịch vụ Bưu điện trong việc tồn tại trong ngày tận thế
• Những người lao động Amazon đối mặt với rủi ro cao và ít lựa chọn
• 👁 Tại sao trí tuệ nhân tạo không thể nắm bắt nguyên nhân và kết quả? Ngoài ra: Đọc tin tức trí tuệ nhân tạo mới nhất
• 🏃🏽‍♀️ Muốn có những công cụ tốt nhất để duy trì sức khỏe? Kiểm tra lựa chọn của đội ngũ Gear chúng tôi cho các bộ theo dõi sức khỏe tốt nhất, trang thiết bị chạy bộ (bao gồm giày dép và tất), và tai nghe tốt nhất