Chế tạo thành công chip quang-điện tử đầu tiên trên thế giới

Một chip xử lý điện tử thông thường sẽ có những giới hạn về tốc độ và nhiệt độ hoạt động, do vậy từ lâu các nhà nghiên cứu đã nỗ lực làm ra một con chip xử lý hoạt động bằng ánh sáng, nhằm giải quyết cùng lúc tất cả các vấn đề trên.

Di chuyển dữ liệu bên trong máy tính nghĩa là đẩy các tín hiệu kỹ thuật số đó qua các đoạn dây điện, với những giới hạn hẹp về băng thông và còn sản sinh ra rất nhiều nhiệt. Tuy nhiên, khi các dữ liệu đó được đưa lên trên mạng internet, các tín hiệu kỹ thuật số đó sẽ được chạy trong các đoạn cáp quang học, với khả năng truyền tải đi xa và băng thông cực lớn mà không cần một nhà máy điện nguyên tử để cung cấp năng lượng cho hệ thống đó.

Sự đối nghịch giữa hai phương pháp này đã làm phần lớn các công ty tìm cách đưa các kết nối quang học vào bên trong máy tính, và cuối cùng là bên trong bản thân các con chip. Điều này đặt ra một thách thức đáng kể cho các nhà nghiên cứu. Mặc dù công nghệ hiện tại cho phép sử dụng silicon có khả năng xử lý ánh sáng, nhưng bộ xử lý như vậy không tương thích với kỹ thuật CMOS được sử dụng trong các mạch điện. Kết quả là, hầu hết các nỗ lực trong lĩnh vực này đều phải sử dụng hai con chip riêng biệt, một con chip cho bộ xử lý thông thường, một chip khác dành cho kết nối quang học.

Chip xử lý điện tử.

Nhưng giờ một nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc tạo ra một chip duy nhất có thể xử lý cả kết nối quang học cũng như kết nối điện, và được kết nối với bộ nhớ chính bằng quang học. Mặc dù băng thông vẫn còn tương đối thấp, nhưng toàn bộ hệ thống đã được sản xuất bằng các quy trình chuẩn của chip CMOS, do vậy các nhà sản xuất sẽ không phải thay đổi một quy trình mới để sản xuất loại chip này. Chip này được tích hợp với một bộ xử lý nhỏ, với kiến trúc RISC, nhằm cung cấp khả năng chạy các văn bản chuẩn và các chương trình đồ họa.

Nguyên lý của chip quang điện tử mới

Mặc dù có nhiều điều tương đồng, một điều khác biệt của con chip này với các nỗ lực trước đây là sự xuất hiện của nguồn phát tia laser. Đó là một phần cứng riêng biệt, với ánh sáng đầu ra hướng vào bên trong chip. Tuy nhiên, khi ánh sáng đến chip, mọi bộ phận để xử lý ánh sáng đó, phải được làm bằng silicon. Các bộ phận đó bao gồm các ống dẫn sóng để hướng ánh sáng đến một vị trí cụ thể, các bộ biến điệu quang học để chia nhỏ ánh sáng đó thành từng bit, và các bộ tách sóng quang học để ghi lại các bit này.

Trong trường hợp này, tia laser là một nguồn sáng ở bước sóng ánh sáng 1180 nanomet. Đó là tần số có thể truyền qua được silicon, nhưng các nhà nghiên cứu đã thực hiện một số chỉnh sửa để có thể thay đổi thuộc tính của tia laser đó. Ví dụ, một hợp kim silicon – germanium có thể hoạt động như một bộ tách sóng ánh sáng, tiếp nhận các hạt photon và chuyển đổi chúng thành các xung điện.

Nỗ lực kết hợp chip điện tử và chip quang học trên một chip duy nhất đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải hình dung ra hàng loạt các cách tiếp cận khác nhau để làm việc trên một không gian giới hạn. Ví dụ, phải khắc vùng vạt liệu bao quanh vật liệu như thế nào để ánh sáng, qua các ống dẫn sóng bằng silicon, đi vào vùng vật liệu bao quanh đó. Hiệu suất của các bộ biến điệu biến đổi theo nhiệt độ, vốn thay đổi theo khối lượng dữ liệu mà chip phải xử lý. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một hệ thống phản hồi thông tin để phát hiện sự sụt giảm của cường độ sáng, và kích hoạt bộ cấp nhiệt điện trở nhằm giữ nhiệt độ ở mức cần thiết.

Kết quả thử nghiệm

Với tất cả các vấn đề đã được xử lý, các tác giả của dự án đã có thể làm một con chip, kết hợp điện tử và quang tử, bao gồm 70 triệu bóng bán dẫn và 850 linh kiện quang tử. Bản thân bộ xử lý này là một chip lõi kép, với kiến trúc RISC-V, một kiến trúc đã được giới nghiên cứu sử dụng, do phù hợp với khả năng hoạt động ở tần số Gigahertz. Bộ nhớ là một con chip riêng biệt, được đặt ở một khoảng cách tùy ý, nhưng giới hạn bởi chiều dài sợi cáp quang.

Một điều khác biệt của con chip này với các nỗ lực trước đây là sự xuất hiện của nguồn phát tia laser.

Cả chip xử lý và chip nhớ đều có ba lớp chuyển tiếp quang học bên ngoài. Lớp chuyển tiếp đầu tiên chỉ đơn giản là nhận ánh sáng từ một nguồn sáng laser. Lớp chuyển tiếp thứ hai làm nhiệm vụ chuyển dữ liệu từ chip xử lý đến chip nhớ. Lớp thứ ba sẽ chuyển dữ liệu ngược lại từ chip nhớ đến chip xử lý. Mỗi đường dẫn trong các liên kết này có băng thông lên tới 2,5 Gb/giây, tạo ra một băng thông tổng hợp tới 5 Gb/giây. Băng thông đó tương đương với băng thông bộ nhớ điện thoại hiện nay và cũng thấp hơn nhiều so với với các hệ thống quang học, vì vậy vẫn còn rất nhiều việc phải làm. Khi chip xử lý bị khóa, không cho truy cập đến nhân của bộ nhớ, nghĩa là chip xử lý sẽ bị hãm ở tốc độ 31 Mhz, khi chỉ sử dụng bộ nhớ quang học.

Dù sao đi nữa, hệ thống đã thực sự vận hành được. Như video trên cho thấy, các bus quang học có thể hỗ trợ mọi thứ, từ chương trình "hello world" đơn giản đến các chương trình phức tạp để chiết xuất (render) một ấm trà trong hình ảnh 3D.

Trong khi vẫn còn rất nhiều việc phải làm để đưa công nghệ này lên đúng tiềm năng của nó, các phần cứng quang học đã bắt đầu tiến gần hơn đến việc trở thành một CPU, dựa trên các chip quang học riêng biệt. Bước đi tiếp theo sẽ là bắt đầu liên kết phần cứng bên trong các chip này với nhau, thông qua các cáp kết nối quang học (hơn là dây đồng), và một số công ty đã bắt đầu thử nghiệm hệ thống phần cứng này. Bước tiếp theo, cần phải có một hệ thống lưu trữ mới cho các kết nối quang học này, trước khi triển khai các công việc tiếp theo.

Dù theo cách nào đi nữa, nhưng nghiên cứu này thực sự đang đạt được những bước tiến rõ rệt. Tuy nhiên, đây cũng là một bước đi sớm cho một vấn đề, mà hiện tại chúng ta chưa thực sự cần phải giải quyết ngay lập tức. Dù vậy, bằng việc xác định một cách tiếp cận thông qua kỹ thuật CMOS cũng như các hạn chế và những vấn đề gây bế tắc, nhóm nghiên cứu đã có thể đặt ra con đường sẽ đưa chúng ta đến nơi chúng ta muốn đến.