Các nhà nghiên cứu đã phát triển một chip quang tử có thể lập trình tiên tiến có khả năng làm chậm ánh sáng khi cần thiết, mở đường cho sự phát triển của máy tính quang học hiệu quả hơn và nhanh hơn đáng kể. Khám phá này được công bố vào thứ Ba, ngày 21 tháng 7 năm 2026, hứa hẹn sẽ cách mạng hóa ngành điện toán, đặc biệt là trong các hệ thống trí tuệ nhân tạo.
Chip mới có thể làm chậm tốc độ ánh sáng theo lệnh
Các nhà khoa học từ một số tổ chức đã tạo ra một mạch tích hợp quang tử có thể điều khiển tốc độ ánh sáng, mang lại cho các kỹ sư khả năng kiểm soát chưa từng có đối với việc truyền tín hiệu quang trong mạch. Sự đổi mới này có thể mang lại khả năng trì hoãn, đồng bộ hóa và lưu vào bộ nhớ đệm cần thiết để biến điện toán dựa trên ánh sáng thành hiện thực.
Một đơn vị chip này trong tương lai có thể thực hiện nhiều chức năng hiện yêu cầu các thành phần riêng biệt, điều này có thể giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng, chi phí và độ phức tạp trong các máy chủ trí tuệ nhân tạo và trung tâm dữ liệu lớn.
Nghiên cứu được thực hiện bởi một nhóm do các giáo sư Namkyoo Park và Sunkyu Yu từ Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính tại Đại học Quốc gia Seoul dẫn đầu, phối hợp với giáo sư Xianji Piao từ Trường Kỹ thuật Điện và Máy tính tại Đại học Seoul.
Giảm tốc độ ánh sáng có thể giúp giải quyết nút thắt cổ chai máy tính
Sự tăng trưởng theo cấp số nhân của trí tuệ nhân tạo tổng hợp và các mô hình quy mô lớn đã làm tăng đáng kể nhu cầu về sức mạnh tính toán trong các trung tâm dữ liệu và máy chủ. Chất bán dẫn điện tử thông thường gặp khó khăn trong việc đáp ứng nhu cầu này do mức tiêu thụ năng lượng cao và hạn chế về tốc độ truyền dữ liệu.
Những thách thức này đã làm tăng thêm sự quan tâm đến điện toán quang học, vốn sử dụng ánh sáng thay vì tín hiệu điện để xử lý thông tin. Hệ thống quang học hứa hẹn truyền dữ liệu ở tốc độ rất cao với mức tiêu thụ năng lượng ít hơn.
Tuy nhiên, ánh sáng đặt ra một thách thức lớn: tốc độ cố định và không đổi của nó gây khó khăn cho việc trì hoãn hoặc lưu trữ tạm thời các tín hiệu quang, những khả năng quan trọng để tạo bộ đệm và bộ nhớ trong máy tính quang.
Để vượt qua rào cản này, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một mạch quang tử lập trình có khả năng kiểm soát tốc độ và hình dạng của tín hiệu quang. Cách tiếp cận này mang lại sự linh hoạt cao hơn nhiều trong việc xử lý “ánh sáng chậm” so với các phương pháp trước đây.
Nghiên cứu chi tiết về đổi mới đã được công bố trên tạp chí quốc tế uy tín Advanced Science.
Tại sao tín hiệu quang đôi khi phải chờ?
Mạch quang tử tích hợp đang nổi lên như một công nghệ đầy hứa hẹn để xử lý thông tin nhanh chóng và hiệu quả bằng ánh sáng. Trong các trung tâm dữ liệu, mạng truyền thông quang học và hệ thống máy tính trong tương lai, việc truyền tín hiệu nhanh chỉ là một phần của giải pháp.
Điều quan trọng là các hệ thống này đảm bảo rằng các tín hiệu khác nhau đến vào đúng thời điểm. Trong một số trường hợp nhất định, tín hiệu ánh sáng cần được trì hoãn để duy trì sự đồng bộ hóa với các thông tin khác lưu chuyển trong hệ thống.
Một trong những phương pháp tạo ra những độ trễ này dựa trên độ trong suốt do bộ cộng hưởng ghép (CRIT), tận dụng sự giao thoa giữa nhiều bộ cộng hưởng quang.
Công nghệ CRIT cho phép ánh sáng trong một dải tần số cụ thể đi qua thiết bị đồng thời giảm tốc độ truyền của tín hiệu quang.
- Độ trong suốt cảm ứng của bộ cộng hưởng ghép nối (CRIT):Một hiện tượng quang học truyền và làm trễ ánh sáng có chọn lọc trong một dải tần số cụ thể thông qua sự giao thoa giữa nhiều bộ cộng hưởng.
- Bộ cộng hưởng quang học:Thiết bị quang tử có chức năng giam giữ hoặc luân chuyển ánh sáng có tần số cụ thể trong một khoảng thời gian xác định; được sử dụng để làm trễ tín hiệu, lọc và điều chế.
Thiết bị quang cố định hạn chế tính linh hoạt
Các thiết bị CRIT truyền thống có xu hướng có các đặc tính hoạt động vĩnh viễn sau khi sản xuất, khiến mọi thay đổi đối với hoạt động của chúng trở nên khó khăn sau khi sản xuất.
Ví dụ, các kỹ sư muốn tạo ra độ trễ tín hiệu lớn hơn hoặc làm việc với dải tần số khác thường cần thiết kế và chế tạo một thiết bị quang tử hoàn toàn mới.
Việc thiếu khả năng thích ứng này làm tăng tính phức tạp của cơ sở hạ tầng trung tâm dữ liệu và phần cứng truyền thông quang học, ngoài ra còn làm tăng chi phí và kéo dài thời hạn phát triển bất cứ khi nào cần các tính năng mới.
Vấn đề này đặc biệt liên quan đến các máy chủ trí tuệ nhân tạo và trung tâm dữ liệu thế hệ tiếp theo, nơi xử lý khối lượng thông tin khổng lồ trong thời gian thực. Do đó, các thành phần quang học cố định là trở ngại lớn cho các hệ thống máy tính quang học thực tế và linh hoạt hơn.
Một thiết kế có thể lập trình để điều khiển ánh sáng
Nhóm nghiên cứu đã phát triển một chiến lược đổi mới, xử lý hai trạng thái quang học trong hệ thống CRIT – chế độ sáng và chế độ tối – như một bậc tự do duy nhất. Các nhà nghiên cứu cũng bổ sung thêm hai bộ ghép vòng lặp có thể điều khiển được.
Những sửa đổi này cùng nhau dẫn đến một nguyên tắc thiết kế mới cho các mạch quang tử tích hợp có thể lập trình được. Các mảng cộng hưởng trước đây được cố định trong một cấu hình duy nhất sau khi sản xuất giờ đây có thể được điều chỉnh cho các mục đích khác nhau.
Sử dụng kiến trúc CRIT mới này, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng chuyển động của ánh sáng có thể bị trì hoãn và được kiểm soát khi cần thiết. Họ cũng chỉ ra rằng sự giao thoa giữa chế độ sáng và tối có thể được coi là một tham số thiết kế tích hợp duy nhất.
Cách tiếp cận này đã mở rộng đáng kể tính linh hoạt của các mạch cộng hưởng quang tử, vốn trước đây bị hạn chế bởi các thiết kế không linh hoạt.
Kiểm soát độ trễ, băng thông và hình dạng tín hiệu
Về mặt lý thuyết, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng hai bộ ghép vòng lặp có thể được sử dụng để điều chỉnh băng thông và hình dạng của băng thông. Họ cũng có thể kiểm soát thời gian trễ của tín hiệu và hiệu suất truyền các tín hiệu này qua mạch.
Điều này có nghĩa là cả tốc độ và cách truyền tín hiệu quang đều có thể được cấu hình lại trong các hệ thống hoàn chỉnh chứa nhiều bộ cộng hưởng, thay vì chỉ trong một thành phần duy nhất.
Mô phỏng số cũng chỉ ra rằng tốc độ của các xung quang học có thể được điều chỉnh linh hoạt trong khi mạch đang hoạt động.
Kết quả cho thấy thời gian trễ tín hiệu có thể được thay đổi mà không ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý. Hệ thống này còn có khả năng chuyển đổi tần số ánh sáng mà không cần thêm các bộ phận chuyên dụng.
- Xung quang:Sự phát xạ ánh sáng ngắn được sử dụng như một đơn vị cơ bản để truyền thông tin trong hệ thống máy tính và truyền thông quang học.
Mô phỏng cho thấy con chip này có thể thực tế
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng mô phỏng điện từ ba chiều để xác minh tính khả thi của việc chế tạo thiết bị CRIT trên nền tảng mạch tích hợp quang tử silicon nitride (Si3N4).
Họ cũng đánh giá một số thách thức thực tế có thể ảnh hưởng đến thiết bị trong quá trình sản xuất và sử dụng. Chúng bao gồm tổn thất vật liệu, sự thay đổi về chất lượng bộ cộng hưởng, tán xạ ngược, dao động khớp nối, lỗi pha trong bộ ghép vòng và nhiễu nhiệt.
Các mô phỏng chỉ ra rằng cấu trúc được đề xuất có khả năng hoạt động đáng tin cậy trong điều kiện thực tế.
- Mạch tích hợp quang tử silicon nitride (Si3N4):Nền tảng ống dẫn sóng có độ suy hao thấp và độ ổn định cao, được sử dụng rộng rãi để xử lý tín hiệu quang và các thiết bị quang tử tích hợp.
- Nhiễu nhiệt:Hiện tượng nhiệt sinh ra ở một phần của mạch ảnh hưởng đến các bộ phận lân cận, có khả năng làm thay đổi hiệu suất của thiết bị.
Một con chip có thể thực hiện nhiều chức năng quang học
Nghiên cứu giới thiệu một nền tảng quang tử có thể lập trình có thể kiểm soát các đặc tính thời gian và tần số của tín hiệu ánh sáng trong thời gian thực.
Thiết kế này có khả năng khắc phục những hạn chế của các thiết bị trễ quang thông thường, thường chỉ thực hiện các chức năng cố định. Nó cũng gợi ý rằng một số khả năng quan trọng cuối cùng có thể được kết hợp thành một mạch quang tử duy nhất.
Các chức năng này bao gồm đồng bộ hóa tín hiệu, đường trễ có thể điều chỉnh, bộ đệm quang và chuyển đổi tần số.
Các nguyên tắc thiết kế tương tự có thể hữu ích ngoài các hệ thống CRIT. Các nhà nghiên cứu tin rằng phương pháp này có thể được áp dụng cho nhiều loại mạch quang tử dựa trên bộ cộng hưởng, có thể dùng làm cơ sở cho các công nghệ xử lý tín hiệu quang có khả năng thích ứng cao hơn.
Lợi ích tiềm năng cho AI và trung tâm dữ liệu
Nếu công nghệ này được thương mại hóa, một chip quang lập trình duy nhất có thể thực hiện nhiều tác vụ, bao gồm kiểm soát tốc độ tín hiệu và chuyển đổi giữa các chức năng khác nhau.
Theo nghĩa này, con chip có thể hoạt động theo cách tương tự như một hệ thống được xác định bằng phần mềm, với hành vi của nó được điều chỉnh theo nhu cầu thay đổi.
Tính linh hoạt này có thể giúp các trung tâm dữ liệu và máy chủ trí tuệ nhân tạo xử lý thông tin hiệu quả hơn, giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng.
Việc tích hợp nhiều chức năng xử lý tín hiệu trên một con chip cũng có thể làm cho thiết bị liên lạc quang học và hệ thống cảm biến trở nên nhỏ gọn hơn và ít tốn kém hơn.
Về lâu dài, công nghệ này có thể hỗ trợ các ngành công nghiệp dựa vào khả năng xử lý thông tin cực nhanh, chẳng hạn như xe tự lái, truyền thông thế hệ tiếp theo và công nghệ lượng tử.
Các nhà nghiên cứu lên kế hoạch cho các hệ thống quang tử có thể lập trình lớn hơn
Giáo sư Namkyoo Park, đồng tác giả của nghiên cứu và giáo sư tại Đại học Quốc gia Seoul, cho biết: “Nghiên cứu này rất có ý nghĩa vì nó đề xuất một nguyên tắc thiết kế mới cho phép cấu hình lại dòng ánh sáng trong các mạch tích hợp quang tử khi cần thiết, làm tăng đáng kể tính linh hoạt của thiết kế. Chúng tôi dự định mở rộng công nghệ này sang các mạch tích hợp quang tử có thể lập trình quy mô lớn dựa trên quang tử silicon và công nghệ AI quang tử.”
Đồng tác giả đầu tiên, Tiến sĩ Seungkyun Park và nghiên cứu sinh tiến sĩ Beomjoon Chae, người đứng đầu khung lý thuyết và phân tích số, nói thêm: “Qua nghiên cứu này, chúng tôi nhận ra rằng việc diễn giải lại vật lý thông thường của bộ cộng hưởng quang tử từ một góc nhìn khác có thể đóng vai trò là điểm khởi đầu để khám phá các chức năng mới trong mạch tích hợp quang tử. Chúng tôi dự định phát triển hơn nữa nghiên cứu này theo hướng triển khai thực tế trong các thiết bị và xác nhận thử nghiệm.”
Tiến sĩ Seungkyun Park liên kết với Trung tâm InnoCORE PICORE của KAIST và hiện đang tiến hành nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo quang tử và quang học lượng tử tại Phòng thí nghiệm Hệ thống Quang tử tại Đại học Quốc gia Seoul.
Nghiên cứu sinh tiến sĩ Beomjoon Chae đang thực hiện nghiên cứu về các mạch quang tử tích hợp có thể lập trình tại Phòng thí nghiệm Hệ thống Sóng Thông minh SNU (Đại học Quốc gia Seoul).
Nghiên cứu nhận được sự hỗ trợ từ Bộ Khoa học và CNTT thông qua chương trình Trung tâm Nghiên cứu Đổi mới (IRC), chương trình Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Cơ bản (BRL) và Chương trình Nhà nghiên cứu Trẻ.