Chip quang học sử dụng ánh sáng để phá nút thắt cổ chai máy tính như thế nào

[Mr. Macho]

Chip hay còn gọi là mạch tích hợp có thể chứa hàng tỷ linh kiện điện tử trong một không gian có kích thước bằng móng tay, tạo thành một cấu trúc mạch cực kỳ phức tạp. Chip được sử dụng trong nhiều khía cạnh khác nhau như xử lý dữ liệu, lưu trữ, điều khiển, liên lạc và nhận thức. Máy tính, điện thoại di động, ô tô và các thiết bị khác đều dựa vào chip để xử lý dữ liệu, thực thi thuật toán và chạy các chương trình phần mềm. Đối mặt với nhiều nhu cầu khác nhau, con người đã sản xuất hàng trăm nghìn con chip.

Gần đây, một nhóm hợp tác bao gồm Viện Hệ thống vi mô và Công nghệ thông tin Thượng Hải thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (Viện Hệ thống vi mô Thượng Hải) và Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne ở Thụy Sĩ đã thực hiện một cách tiếp cận mới trên phạm vi quốc tế và đạt được tiến bộ đột phá trong lĩnh vực chuẩn bị chip quang tử hiệu suất cao, hứa hẹn chip quang tử mới được sản xuất hàng loạt. Các kết quả và bài báo liên quan đã được công bố trên tạp chí quốc tế nổi tiếng Nature.

Chip quang tử khác như thế nào?​

Chip dựa vào hoạt động của các electron trong mạch tích hợp để đạt được nhiều chức năng phức tạp khác nhau. Có nhiều dây bên trong chip để các electron di chuyển. Chip quang sử dụng sự truyền ánh sáng trong các mạch quang tích hợp để đạt được nhiều chức năng phức tạp khác nhau. Chip quang chủ yếu bao gồm các thiết bị phát sáng (tạo ra ánh sáng) và ống dẫn sóng quang (thiết bị dẫn đường truyền ánh sáng).

Ống dẫn sóng quang học là hiện tượng phản xạ toàn phần đôi khi xảy ra khi ánh sáng truyền từ môi trường này sang môi trường khác. Ví dụ, khi ánh sáng truyền từ nước sang không khí, miễn là góc giữa ánh sáng và môi trường đạt đến một phạm vi nhất định, hiện tượng phản xạ toàn phần sẽ xảy ra để tạo ra một cấu trúc hướng sóng ánh sáng về phía trước, đó là hiện tượng phản xạ toàn phần gọi là ống dẫn sóng quang.

Các loại và chức năng của chip hiện tại đã rất đầy đủ. Tại sao chúng ta nên sử dụng chip quang tử để thay thế chip truyền thống? Điều này là do hiệu suất của con chip không còn có thể đáp ứng được nhu cầu liên lạc tốc độ cao và trí tuệ nhân tạo của con người.

Đặc điểm của chip quang tử​

So với chip truyền thống, chip quang tử giống như đường truyền cáp quang so với cáp truyền thông truyền thống. Sợi quang có thể truyền tải nhiều dữ liệu hơn Lượng dữ liệu được truyền bởi một sợi quang tương đương với hàng chục sợi cáp tín hiệu truyền thống .

Tín hiệu quang trong truyền dẫn cáp quang có thể duy trì chất lượng cao trong quá trình truyền dẫn đường dài. Trong khi đó, cáp tín hiệu tiêu thụ nhiều năng lượng hơn và chất lượng tín hiệu cũng sẽ giảm. Chip quang tử cũng có lợi thế lớn so với chip truyền thống về tốc độ truyền tải và mức tiêu thụ năng lượng.

Tốc độ cao​

Tốc độ lan truyền của ánh sáng là nhanh nhất trong tự nhiên. Ánh sáng có thể truyền 299792,458 nghìn lần mỗi giây trong chân không. Để so sánh, tín hiệu điện truyền qua các mạch với tốc độ khoảng 2/3 đến 3/4 tốc độ ánh sáng và tốc độ giảm khi nhiệt độ của mạch tăng.

Số lượng người dùng Internet toàn cầu đạt con số hàng tỉ. Internet đã sản xuất ra nhiều phần mềm khác nhau và lượng dữ liệu được tạo ra khi sử dụng những phần mềm này là rất lớn. Một lượng lớn dữ liệu được tải lên các trung tâm dữ liệu do các công ty phần mềm thiết lập để xử lý. Các trung tâm dữ liệu bao gồm nhiều máy tính hiệu suất cao (còn gọi là máy chủ) và lượng lớn dữ liệu cần được trao đổi nhanh chóng giữa các máy chủ.

So sánh máy chủ với một bể nước. Cần có chip truyền thông giữa các bể nước như những “ống dẫn nước” để kết nối các bể nước với nhau. Nếu các ống nước quá mỏng (tốc độ của chip truyền thông không thể đáp ứng được nhu cầu) thì nước trong bể nước không thể chảy vào hoặc xả ra kịp thời. Khi các bể nước riêng lẻ bị tràn, máy chủ bị treo (phần mềm không sử dụng được). Sự xuất hiện của chip quang cho phép trao đổi dữ liệu nhanh chóng giữa các máy chủ và giữa các trung tâm dữ liệu với thế giới bên ngoài.

Tiêu thụ năng lượng thấp​

Khi các chip truyền thống thực hiện tính toán, chuyển động của các electron trong mạch tạo ra nhiệt. Các chip điện toán hiệu suất cao tiêu thụ điện năng rất cao, hiện là nguyên nhân chính hạn chế khả năng tính toán của chip. Mức tiêu thụ điện năng của chip tăng gấp trăm lần và hiệu suất chỉ có thể được cải thiện gấp mười lần. Phần lớn năng lượng được sử dụng để điều khiển các bộ phận tản nhiệt. Để tản nhiệt, một số công ty thậm chí còn xây dựng trung tâm dữ liệu dưới biển, giúp nước biển làm mát các thiết bị điện tử.

Hiện tại, việc đào tạo các mô hình trí tuệ nhân tạo lớn cũng đang phải đối mặt với những hạn chế về hiệu suất chip và mức tiêu thụ điện năng. Để giải quyết vấn đề này, hiện có hai ý tưởng. Đầu tiên là sự tích hợp lai giữa chip quang và chip truyền thống. Chip truyền thống đóng vai trò là một đơn vị tính toán duy nhất và chip quang chịu trách nhiệm làm cầu nối truyền thông tốc độ cao giữa các đơn vị tính toán, thiết lập tính toán cụm, cải thiện hiệu quả tốc độ tính toán và đồng thời mức tăng tiêu thụ điện năng nằm trong phạm vi chấp nhận được. Thứ hai là thiết kế và sản xuất chip điện toán quang học để vượt qua nút thắt hiệu suất của chip xử lý vi điện tử truyền thống.

Nhìn chung, chip quang là một hỗ trợ quan trọng khác cho công nghệ thông tin sau chip vi điện tử truyền thống có tiềm năng lớn về mức tiêu thụ điện năng, tốc độ, kích thước, v.v.