Các nhà khoa học Hàn Quốc đã phát triển một mạch tích hợp quang tử có thể lập trình, cho phép điều khiển tốc độ truyền của ánh sáng ngay trên một con chip. Công nghệ này có tiềm năng giúp xây dựng các hệ thống điện toán quang học tiết kiệm năng lượng hơn cho máy chủ AI và các hệ thống truyền thông quang học thế hệ mới.
Nghiên cứu do các giáo sư Namkyoo Park và Sunkyu Yu thuộc Đại học Quốc gia Seoul phối hợp với giáo sư Xianji Piao thuộc Đại học Seoul thực hiện. Kết quả được công bố trên tạp chí Advanced Science.
Khi ánh sáng cần “đi chậm” hơn
Ánh sáng truyền dữ liệu cực nhanh, nhưng tốc độ cao không phải lúc nào cũng là lợi thế. Trong một hệ thống máy tính hoặc trung tâm dữ liệu, các tín hiệu cần đến đúng thời điểm, đôi khi phải được giữ lại trong một khoảng thời gian ngắn để chờ các tín hiệu khác.
Với các hệ thống điện tử truyền thống, việc này tương đối đơn giản nhờ bộ nhớ và bộ đệm. Nhưng trong điện toán quang học – lĩnh vực sử dụng ánh sáng để truyền và xử lý dữ liệu – việc tạo ra những chức năng tương tự khó khăn hơn nhiều.
AI tạo sinh và các mô hình AI quy mô lớn đang làm nhu cầu xử lý dữ liệu tăng mạnh. Các hệ thống điện tử truyền thống phải đối mặt với mức tiêu thụ năng lượng lớn và những giới hạn về tốc độ truyền dữ liệu. Vì vậy, điện toán quang học đang được xem là một hướng đi tiềm năng để xử lý lượng dữ liệu khổng lồ nhanh hơn và hiệu quả hơn về năng lượng.
Tuy nhiên, ánh sáng tự nhiên truyền đi với tốc độ gần như cố định. Muốn sử dụng ánh sáng để xử lý thông tin một cách linh hoạt, các nhà nghiên cứu cần tìm cách kiểm soát tốc độ và thời điểm tín hiệu quang học di chuyển.
Từ mạch cố định đến “ánh sáng có thể lập trình”
Một trong những giải pháp trước đây dựa trên hiện tượng gọi là tính trong suốt do cộng hưởng liên kết (CRIT). Công nghệ này sử dụng sự giao thoa giữa nhiều bộ cộng hưởng quang học để cho phép một dải tần ánh sáng đi qua với tốc độ chậm hơn.
Vấn đề là đặc tính của các thiết bị CRIT truyền thống thường được cố định ngay sau khi chế tạo. Nếu muốn thay đổi dải tần hoạt động hoặc điều chỉnh thời gian trì hoãn tín hiệu, các nhà nghiên cứu thường phải chế tạo một thiết bị mới.
Nhóm nghiên cứu Hàn Quốc đã tìm cách biến cấu trúc này trở nên linh hoạt hơn. Họ bổ sung hai bộ ghép vòng có thể điều chỉnh, cho phép thay đổi cách các bộ cộng hưởng tương tác với nhau ngay cả sau khi mạch đã được chế tạo. Nói đơn giản, thay vì tạo ra một con chip chỉ có thể làm một nhiệm vụ cố định, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một mạch có thể được “lập trình” để thay đổi cách xử lý ánh sáng tùy theo nhu cầu.
Các mô phỏng cho thấy hệ thống có thể điều chỉnh thời gian tín hiệu bị trì hoãn, thay đổi tốc độ truyền của các xung ánh sáng và kiểm soát dải tần được truyền qua mạch. Những thay đổi này có thể được thực hiện linh hoạt trong quá trình mạch hoạt động.
Nhờ đó, một hệ thống gồm nhiều bộ cộng hưởng liên kết có thể được cấu hình lại để thực hiện những chức năng khác nhau, thay vì mỗi chức năng phải cần một linh kiện chuyên dụng riêng.
Một chip có thể thay thế nhiều linh kiện
Các mô phỏng điện từ 3D cho thấy thiết kế này có thể được chế tạo trên nền tảng mạch tích hợp quang tử silicon nitride (Si₃N₄). Nhóm nghiên cứu cũng kiểm tra nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến hoạt động thực tế, như tổn hao vật liệu, sai số chế tạo, tán xạ ngược và nhiễu nhiệt.
Kết quả cho thấy thiết kế vẫn có thể hoạt động ổn định trong những điều kiện gần với môi trường thực tế của các mạch quang tử.
Theo các nhà nghiên cứu, cùng một kiến trúc chip có thể tích hợp nhiều chức năng quan trọng, như đồng bộ tín hiệu, tạo đường trễ có thể điều chỉnh, làm bộ đệm quang học và chuyển đổi tần số.
Nếu được phát triển thành sản phẩm thương mại, một chip quang học có thể lập trình sẽ hoạt động tương tự một hệ thống phần cứng được điều khiển bằng phần mềm. Thay vì phải thay thế linh kiện khi cần một chức năng mới, người vận hành có thể cấu hình lại cách chip xử lý tín hiệu.
Việc tích hợp nhiều chức năng trên cùng một chip có thể giúp giảm số lượng linh kiện, thu nhỏ thiết bị và giảm mức tiêu thụ năng lượng trong các trung tâm dữ liệu cũng như máy chủ AI. Công nghệ này cũng có thể được ứng dụng trong các hệ thống truyền thông quang học và cảm biến.
Về lâu dài, các nhà nghiên cứu cho rằng phương pháp này có thể hỗ trợ những lĩnh vực đòi hỏi xử lý dữ liệu cực nhanh, như xe tự hành, mạng truyền thông thế hệ mới và công nghệ lượng tử.
“Ý nghĩa của nghiên cứu này nằm ở việc đề xuất một nguyên lý thiết kế mới, cho phép cấu hình lại dòng ánh sáng trong các mạch tích hợp quang tử theo nhu cầu, qua đó tăng đáng kể tính linh hoạt trong thiết kế,” giáo sư Namkyoo Park, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết.
Nhóm nghiên cứu cho biết sẽ tiếp tục phát triển công nghệ hướng tới các mạch tích hợp quang tử có thể lập trình quy mô lớn, dựa trên công nghệ quang tử silicon và AI quang tử.
Sơ đồ khái niệm về mạch tích hợp quang tử CRIT có thể lập trình, minh họa cách các xung quang học thay đổi đặc tính thời gian trễ và tần số khi truyền qua mạch. Ảnh: Trường Kỹ thuật, Đại học Quốc gia Seoul
