Mr. Macho
Writer
Các nhà khoa học Đại học Thanh Hoa (Trung Quốc) gần đây đã đề xuất một kiến trúc máy tính mới có thể "thoát khỏi" Định luật Moore - một con chip mô phỏng quang điện tử!
Con chip thông minh quang điện tử mô phỏng đầy đủ ACCEL (All-Analogue Chip Combining Electronics and Light) và các kết quả liên quan đã được công bố trên tạp chí Nature với tiêu đề "Chip điện toán quang điện tử tương tự hoàn chỉnh cho các nhiệm vụ thị giác tốc độ cao". Đây được cho là giải pháp giúp Trung Quốc thoát khỏi sự kìm kẹp của Mỹ trong việc phát triển chip do Mỹ cấm xuất máy in thạch bản sang nước này.
Bây giờ chúng ta hãy tìm hiểu về đột phá mới của Trung Quốc trong lĩnh vực bán dẫn: chip quang.
Chip quang, còn được gọi là Mạch tích hợp quang tử (PIC), là một thiết bị quang học mới thực hiện tính toán song song ma trận dựa trên công nghệ tích hợp quang tử dựa trên silicon, sử dụng sóng ánh sáng (sóng điện từ) làm vật mang truyền thông tin hoặc tính toán dữ liệu. Thay vì sử dụng điện làm vật mang tín hiệu như chip điện tử truyền thống.
So với chip điện tử, ưu điểm lớn đầu tiên của chip quang tử là tốc độ tính toán. Tốc độ tính toán của nó gấp ba bậc độ lớn so với chip điện tử, khoảng 1.000 lần. Tốc độ tính toán của một chip điện tử là khoảng 7,8TFlops, trong khi tốc độ tính toán tốc độ của chip quang tử Khoảng 3200TFlops.
FYI: TFlops là một đơn vị quan trọng để đo hiệu suất máy tính, tức là số phép tính dấu phẩy động trong một giây. Nó chủ yếu được sử dụng để đo hiệu suất tính toán của đơn vị dấu phẩy động của CPU. ITFlops có nghĩa là bộ xử lý tính toán 1 nghìn tỷ phép tính dấu phẩy động mỗi giây.
Chip dò xác định tín hiệu ánh sáng thông qua hiệu ứng quang điện và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Hiệu ứng quang điện có nghĩa là các electron trong vật liệu hấp thụ năng lượng của photon khi được chiếu sáng, nếu năng lượng hấp thụ vượt quá công năng của vật liệu thì các electron sẽ thoát ra khỏi vật liệu tạo thành các electron quang điện và sẽ tạo ra một lỗ trống tích điện dương tại cùng lúc.
Tuy nhiên, do bản thân các photon khó điều khiển linh hoạt các công tắc đường dẫn ánh sáng và không thể được sử dụng làm bộ lưu trữ tương tự như các thiết bị vi điện tử nên các thiết bị quang tử thuần túy khó đạt được chức năng xử lý thông tin hoàn chỉnh. Ánh sáng điện môi trong quang điện tử dựa trên silicon. Ống dẫn sóng được sử dụng để truyền tín hiệu quang chế độ dẫn hướng, và việc điều chế, truyền tải, giải điều chế, v.v. của tín hiệu quang và tín hiệu điện được tích hợp trên cùng một đế hoặc chip để tạo thành một "mô-đun quang".
Sơ đồ nguyên lý làm việc của module quang
Bề ngoài của "mô-đun quang" có phần giống với đĩa "U" mà chúng ta thấy trong cuộc sống hàng ngày. Nguyên lý làm việc của nó không phức tạp. Đầu phát của mô-đun quang sẽ chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang. Sau khi truyền qua cáp quang, đầu thu chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện để hoàn tất việc truyền tải thông tin.
Lấy chip ACCEL do Đại học Thanh Hoa phát triển gần đây làm ví dụ, độ rộng đường tối thiểu để xử lý phần quang học của nó chỉ là một trăm nanomet, trong khi phần mạch chỉ sử dụng quy trình bán dẫn oxit kim loại bổ sung 180nm (CMOS, Chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung), vốn đã lớn hơn 7nm. GPU của quy trình đã đạt được những cải tiến về hiệu suất ở nhiều cấp độ lớn.
Ngoài ngưỡng sản xuất thấp hơn, nguyên liệu sản xuất chip quang là vật liệu bán dẫn phức hợp thế hệ thứ hai như InP và GaAS,Trung Quốc cũng có hệ thống dây chuyền công nghiệp hoàn chỉnh để cung cấp chúng. So với các tấm silicon dùng trong mạch tích hợp, chúng dễ dàng có được hơn và chi phí thấp hơn.
Trong lĩnh vực chip quang từ trung cấp đến thấp, Trung Quốc có dây chuyền công nghiệp hoàn chỉnh.
Ngoài ra, ngành công nghiệp chip quang thường áp dụng mô hình IDM (mô hình sản xuất tích hợp theo chiều dọc), công ty có một chuỗi sản xuất hoàn chỉnh, bao gồm thiết kế, sản xuất, đóng gói và thử nghiệm, đồng thời duy trì năng lực nghiên cứu và phát triển và sản xuất độc lập, giúp tạo ra quy trình sản xuất độc lập và có thể kiểm soát được, cũng có thể đáp ứng kịp thời các nhu cầu khác nhau của thị trường, điều chỉnh linh hoạt các thông số quy trình của thiết kế sản phẩm và liên kết sản xuất để đáp ứng nhu cầu thị trường, đồng thời mang lại khả năng vượt qua các đường cong trong ngành bán dẫn của Trung Quốc.
>> Chip do Đại học Thanh Hoa phát triển có sức mạnh tính toán gấp 3000 lần A100 của Nvidia!
Con chip thông minh quang điện tử mô phỏng đầy đủ ACCEL (All-Analogue Chip Combining Electronics and Light) và các kết quả liên quan đã được công bố trên tạp chí Nature với tiêu đề "Chip điện toán quang điện tử tương tự hoàn chỉnh cho các nhiệm vụ thị giác tốc độ cao". Đây được cho là giải pháp giúp Trung Quốc thoát khỏi sự kìm kẹp của Mỹ trong việc phát triển chip do Mỹ cấm xuất máy in thạch bản sang nước này.
Bây giờ chúng ta hãy tìm hiểu về đột phá mới của Trung Quốc trong lĩnh vực bán dẫn: chip quang.
Chip quang là gì?
So với chip điện tử, ưu điểm lớn đầu tiên của chip quang tử là tốc độ tính toán. Tốc độ tính toán của nó gấp ba bậc độ lớn so với chip điện tử, khoảng 1.000 lần. Tốc độ tính toán của một chip điện tử là khoảng 7,8TFlops, trong khi tốc độ tính toán tốc độ của chip quang tử Khoảng 3200TFlops.
FYI: TFlops là một đơn vị quan trọng để đo hiệu suất máy tính, tức là số phép tính dấu phẩy động trong một giây. Nó chủ yếu được sử dụng để đo hiệu suất tính toán của đơn vị dấu phẩy động của CPU. ITFlops có nghĩa là bộ xử lý tính toán 1 nghìn tỷ phép tính dấu phẩy động mỗi giây.
Chip quang học hoạt động như thế nào?
Chip quang học có thể được chia thành hai loại theo chức năng của chúng: chip laser và chip dò. Chip laser sử dụng vật liệu bán dẫn làm phương tiện khuếch đại để kích thích năng lượng điện đưa vào dòng điện, từ đó đạt được khuếch đại cộng hưởng và laser đầu ra chọn chế độ, và đạt được chuyển đổi quang điện.Chip dò xác định tín hiệu ánh sáng thông qua hiệu ứng quang điện và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Hiệu ứng quang điện có nghĩa là các electron trong vật liệu hấp thụ năng lượng của photon khi được chiếu sáng, nếu năng lượng hấp thụ vượt quá công năng của vật liệu thì các electron sẽ thoát ra khỏi vật liệu tạo thành các electron quang điện và sẽ tạo ra một lỗ trống tích điện dương tại cùng lúc.
Tuy nhiên, do bản thân các photon khó điều khiển linh hoạt các công tắc đường dẫn ánh sáng và không thể được sử dụng làm bộ lưu trữ tương tự như các thiết bị vi điện tử nên các thiết bị quang tử thuần túy khó đạt được chức năng xử lý thông tin hoàn chỉnh. Ánh sáng điện môi trong quang điện tử dựa trên silicon. Ống dẫn sóng được sử dụng để truyền tín hiệu quang chế độ dẫn hướng, và việc điều chế, truyền tải, giải điều chế, v.v. của tín hiệu quang và tín hiệu điện được tích hợp trên cùng một đế hoặc chip để tạo thành một "mô-đun quang".
Bề ngoài của "mô-đun quang" có phần giống với đĩa "U" mà chúng ta thấy trong cuộc sống hàng ngày. Nguyên lý làm việc của nó không phức tạp. Đầu phát của mô-đun quang sẽ chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang. Sau khi truyền qua cáp quang, đầu thu chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện để hoàn tất việc truyền tải thông tin.
Chip quang học có thể được sản xuất độc lập?
Chip quang học được gọi là "chip có thể vượt qua máy in thạch bản EUV". So với chip điện tử, chip quang có yêu cầu về cấu trúc thấp hơn, thường ở mức hàng trăm nanomet, vì vậy chúng có thể đạt được bằng cách sử dụng nguyên liệu và thiết bị thô tương đối trưởng thành của Trung Quốc. Sản xuất, không giống như chip điện tử, phải sử dụng máy in thạch bản cực kỳ cao cấp như EUV, đồng nghĩa với việc chip quang có cơ hội thoát khỏi vấn đề “kẹt cổ” của máy in thạch bản.Lấy chip ACCEL do Đại học Thanh Hoa phát triển gần đây làm ví dụ, độ rộng đường tối thiểu để xử lý phần quang học của nó chỉ là một trăm nanomet, trong khi phần mạch chỉ sử dụng quy trình bán dẫn oxit kim loại bổ sung 180nm (CMOS, Chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung), vốn đã lớn hơn 7nm. GPU của quy trình đã đạt được những cải tiến về hiệu suất ở nhiều cấp độ lớn.
Ngoài ngưỡng sản xuất thấp hơn, nguyên liệu sản xuất chip quang là vật liệu bán dẫn phức hợp thế hệ thứ hai như InP và GaAS,Trung Quốc cũng có hệ thống dây chuyền công nghiệp hoàn chỉnh để cung cấp chúng. So với các tấm silicon dùng trong mạch tích hợp, chúng dễ dàng có được hơn và chi phí thấp hơn.
Ngoài ra, ngành công nghiệp chip quang thường áp dụng mô hình IDM (mô hình sản xuất tích hợp theo chiều dọc), công ty có một chuỗi sản xuất hoàn chỉnh, bao gồm thiết kế, sản xuất, đóng gói và thử nghiệm, đồng thời duy trì năng lực nghiên cứu và phát triển và sản xuất độc lập, giúp tạo ra quy trình sản xuất độc lập và có thể kiểm soát được, cũng có thể đáp ứng kịp thời các nhu cầu khác nhau của thị trường, điều chỉnh linh hoạt các thông số quy trình của thiết kế sản phẩm và liên kết sản xuất để đáp ứng nhu cầu thị trường, đồng thời mang lại khả năng vượt qua các đường cong trong ngành bán dẫn của Trung Quốc.
>> Chip do Đại học Thanh Hoa phát triển có sức mạnh tính toán gấp 3000 lần A100 của Nvidia!
