Tích hợp chip quang học, CPU của tương lai có thể nhanh hơn hàng trăm lần hiện tại

Đối lập với xu hướng hiện tại, CPU tương lại sẽ ngày càng lớn hơn. Tất nhiên nó cũng sẽ có nhiều bóng bán dẫn (transistor) hơn, nhưng như vậy mật độ transitor cũng sẽ thấp hơn nhiều so với hiện nay. Tại sao lại như vậy? Bởi vì chúng dùng ánh sáng.

Ý tưởng về một máy tính hoàn toàn bằng áng sáng – hay lai giữa điện và ánh sáng không mới, nhưng các tiến bộ gần đây nhất của công nghệ cho thấy, một kỷ nguyên mới với nhiều chức năng được xử lý bằng quang học đang đến gần.

Khả năng xử lý tốc độ ánh sáng

Có hai đặc tính làm cho các máy tính quang học trở nên hấp dẫn. Đầu tiên là nó sẽ đặc biệt nhanh – với tốc độ di chuyển của ánh sáng. Và khi bật tắt ánh sáng – một đặc tính tương đương với bóng bán dẫn trong chip quang học – nó sẽ xảy ra rất nhanh (hãy nghĩ đến con số femto giây, bằng chỉ 1/1.000.000 nano giây). Kết hợp hai đặc tính này có thể tạo nên những máy tính quang học nhanh hơn nhiều so với máy tính điện tử.

Những mặt tiêu cực của nó cũng liên quan trực tiếp tới mặt tích cực. Sử dụng ánh sáng để bật tắt ánh sáng thường không hiệu quả, nghĩa là bạn dành ra nhiều năng lượng hơn cho việc tính toán. Hơn nữa, ánh sáng di chuyển nhanh nhưng cũng dễ tản xạ ra xung quanh, nghĩa là các bộ phận cũng phải phân chia thành khoảng cách lớn hơn.

Phần trung tâm ở giữa là một thiết bị lai. Ánh sáng mang thông tin, nhưng việc bật tắt được thực hiện bằng điện. Về cơ bản, ánh sáng phải được hấp thụ để tạo ra dòng điện. Sau đó, dòng điện tạo ra sẽ được sử dụng để điều biến một tín hiệu quang học khác nhằm tạo ra một bóng bán dẫn quang học.

Ánh sáng mang thông tin, nhưng việc bật tắt được thực hiện bằng điện.

Các vật liệu có khả năng hấp thụ ánh sáng (và tạo ra dòng điện) thường có kích thước khá lớn, để dành chỗ cho một tụ điện lớn. Tốc độ phản hồi của dòng điện sẽ bị giới hạn bởi tốc độ nạp xả của của tụ điện. Điều này sẽ lặp lại khi điều biến dòng ánh sáng: một khối vật liệu phải liên tục nạp và xả điện.

Không chỉ việc nạp và xả tụ điện gây tiêu tốn thời gian, nó cũng tiêu tốn cả năng lượng. Trong khi một bóng bán dẫn trên chip silicon có thể sử dụng khoảng một femto Joule (10-15 J) năng lượng cho mỗi bit, một hệ thống quang học có thể sử dụng năng lượng gấp hàng nghìn lần so với con số đó.

Đó là lý do tại sao các kết nối quang học chỉ có ý nghĩa đối với các máy tính trong trung tâm dữ liệu (hoặc trong các hệ thống lớn). Nhưng khi hiệu suất cao thắng thế so với hiệu quả năng lượng, các kết nối quang học sẽ có ý nghĩa với kích thước của bảng mạch chủ. Cho dù vậy, đó là một giới hạn tuyệt đối.

Diode quang học thay thế cho tụ điện

Tuy nhiên, những tiến bộ mới nhất của các nhà nghiên cứu thuộc trung tâm Nanophotonics Center thuộc hãng NTT Corporation, Nhật Bản, với người đi đầu là Kengo Nozaki, đã giải quyết được nút thắt nói trên đối với các tụ điện và giúp mang lại tốc độ ánh sáng cho những con chip mới này.

Các nhà nghiên cứu của dự án đã sử dụng công nghệ tinh thể photon (photonic crystal). Trong trường hợp này, một tinh thể photon về cơ bản là một phiến silicon mỏng với rất nhiều lỗ được khoan bên trong nó.

Ánh sáng khi đi xuyên qua phiến silicon này sẽ đâm vào các lỗ trên và bị tán xạ. Nhưng không gian và kích thước các lỗ nghĩa là cho dù sóng ánh sáng đến từ hướng nào đi nữa, nó sẽ gặp phải một sóng tương tự như vậy lệch pha với nó. Kết quả là ánh sáng sẽ bị triệt tiêu. Nói cách khác, phiến silicon đầy lỗ này giống như một tấm gương hoàn hảo.

Hình ảnh minh họa cho diode quang học và hình ảnh dưới kính hiển vi.

Nếu một dòng các lỗ duy nhất được loại bỏ khỏi phiến silicon, ánh sáng sẽ được dẫn hướng đi theo hướng của các lỗ bị biến mất. Các nhà nghiên cứu đặt một mẩu nhỏ loại vật liệu hấp thụ ánh sáng ở cuối bộ dẫn sóng. Khi ánh sáng đi tới vật liệu hấp thụ ánh sáng, nó sẽ tạo ra rất nhiều electron. Điều này sẽ biến bộ dẫn sóng thành một diode quang học (photodiode - PD) tốc độ cao (diode là loại linh kiện chỉ cho dòng điện đi qua nó theo một chiều nhất định).

Các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách tăng tốc độ truyền tải lên 40 Gb/giây, ngang với tiêu chuẩn dành cho một đường dẫn đa bước sóng dung lượng cao. Điều đáng chú ý ở đây là điều này được làm với bước sóng duy nhất, và tốc độ này đạt được chỉ bằng một mức điện dung nhỏ của vật liệu hấp thụ ánh sáng.

Bóng bán dẫn quang học

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu có thể làm nhiều thứ hơn chỉ là tăng dung lượng dữ liệu truyền tải. Họ còn tạo ra một thiết bị với diode quang học siêu nhanh của mình. Để làm được điều đó, họ còn đặt một loại vật liệu linh động với các lỗ hoàn toàn bao quanh nó, để tạo ra một tia laser thứ cấp.

Bộ biến điệu điện quang EOM (Electro Optical Modulator), chuyển từ tín hiệu điện thành tín hiệu quang học.

Khi được cấp điện, tia laser phát ra từ vật liệu linh động này sẽ làm rò rỉ ánh sáng vào đường dẫn sóng thứ hai. Ngược lại, khi một khu vực linh động của tia laser không có electron nào trong đó, nó sẽ hoạt động như một chất hấp thụ và hút ánh sáng về đường dẫn sóng.

Khu vực linh động được kết nối điện với diode quang học (kết nối trên con chip, không cần dây dẫn). Khi diode quang học hấp thụ ánh sáng, nó sẽ gửi các electron tới khu vực linh động, nơi nó khuếch đại bất kỳ tín hiệu nào vào đường dẫn sóng thứ hai. Khi không có ánh sáng nào đi tới diode quang học, ánh sáng sẽ bị hấp thụ trong đường dẫn sóng thứ hai.

Sơ đồ hoạt động của bóng bán dẫn quang học. (Với PD là diode quang học, EOM là bộ biến điệu quang học).

Điều này cũng tương tự như cách hoạt động của bóng bán dẫn silicon, khi tín hiệu điện có thể dùng để điều khiển việc bật tắt tín hiệu quang học đầu ra, cũng như khuếch đại tín hiệu đó lên một mức cao hơn. Kết hợp diode quang học và bộ biến điệu này, nó sẽ hoạt động giống như một bóng bán dẫn quang học.

Các nhà nghiên cứu cho thấy, họ có thể điều biến một tín hiệu với tốc độ 10 Gb/giây, tương đương với tốc độ tiêu chuẩn của các phương tiện liên lạc quang học. Họ cũng nhận ra điện dung của diode quang học và bộ biến điệu đều dưới 2fF (femto Faraday), nhỏ hơn bất cứ thứ gì khác cho đến nay. Điện dung nhỏ hơn, cũng giúp tốc độ xử lý nhanh hơn. Tuy nhiên, dường như việc tối ưu hóa dòng tải điện sẽ cho phép tốc độ dữ liệu tăng lên đáng kể.

Còn hơn nữa, nó còn có mức hiệu quả năng lượng khá cao. Các nhà nghiên cứu cho thấy rằng công nghệ của họ tiêu thụ chưa đến 0,1 fJ/bit (femto Joule cho mỗi bit), còn nhỏ hơn cả các chip silicon.

Điều này không có nghĩa bạn sẽ sớm thấy những chip quang học như trên – bước tiếp theo của điều này sẽ là một chip lai. Các nhà nghiên cứu cho rằng bóng bán dẫn quang học của họ sẽ rất hữu dụng trong việc duy trì sự gắn kết giữa các bộ nhớ đệm trong các CPU đa lõi.

Điều đó cũng có nghĩa là các chip trong tương lai sẽ lớn hơn. Trong tương lai không xa lắm, có lẽ người ta sẽ chuyển một số chức năng nhất định tới các bộ phận điện toán dựa trên những bóng bán dẫn quang học này. Nhưng chắc chắn không phải tất cả các chức năng – nếu một bộ xử lý Intel Core i7 (với 1,9 tỷ bóng bán dẫn) được chuyển thành quang học, con chip này sẽ có diện tích tới 48m². Việc cân bằng giữa tốc độ, năng lượng và kích thước sẽ cần được cân nhắc kỹ càng khi kết hợp quang học và điện tử.