Chip Ánh Sáng Sẽ Giúp Máy Tính Chạy Nhanh Gấp 20 Lần Chip Thường

Công nghệ đang gần chạm đến giới hạn 0.2nm của nguyên tử silicon - thứ cấu tạo nên các bóng bán dẫn dùng trong CPU. Khi đó, các con chip sẽ không thể được thu nhỏ nữa, cũng không thể tăng sức mạnh thêm, giải pháp mới sẽ là các con chip dùng ánh sáng phát triển. Thay vì sử dụng điện để chuyển thông tin, chip ánh sáng sẽ dùng photon. Truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhanh hơn nhiều so với bằng điện, nên các con chip ánh sáng sẽ mạnh mẽ hơn nhiều.

Trong 40 năm, các nhà sản xuất đã sử dụng bóng bán dẫn (transistor) làm từ chất liệu bán dẫn để sản xuất CPU. Transistor càng lúc càng thu nhỏ để tăng sức mạnh, giảm kích thước chip và tiết kiệm điện hơn.

Intel hiện đang sản xuất chip 14nm, những con CPU thế hệ mới nhất đang dùng trong những cái máy tính xách tay, máy để bàn hay tablet. Samsung và Qualcomm có Snapdragon 835 dùng bóng bán dẫn chỉ 10nm.

Các bóng bán dẫn được chế tạo từ silicon, và kích thước của một nguyên tử silicon vào khoảng 0.2nm. Như vậy, các bóng bán dẫn hiện lớn hơn khoảng 70 lần so với nguyên tử silicon, nên vẫn còn có thể thu nhỏ tiếp. Quy trình 10nm đã có, Intel dự tính sẽ tiến lên quy trình 7nm rồi tới 5nm. Sự thu nhỏ có quan hệ chặt chẽ với định luật Moore, theo đó nói rằng cứ một năm thì mật độ bóng bán dẫn trên chip tăng gấp đôi. Công nghệ rồi sẽ tới lúc chạm tới ngưỡng 0.2nm, và người ta sẽ không thể làm ra bóng bán dẫn nhỏ hơn được trong khi nhu cầu tính toán của con người càng lúc càng mở rộng hơn, đòi hỏi máy tính phải mạnh hơn, nhanh hơn. Đó là lúc CPU làm từ silicon không còn đủ đáp ứng cho nhu cầu của con người.

Ngoài ra, các bóng bán dẫn hiện tại sử dụng tín hiệu điện - là các dòng electron di chuyển từ nơi này sang nơi khác để truyền dữ liệu. Nếu có thể sử dụng ánh sáng, được cấu thành từ các photon, thay cho dòng điện, transistor sẽ chạy nhanh hơn vì tốc độ di chuyển của ánh sáng rất cao.

Transistor có 3 phần: nguồn (source), kênh (channel) và rãnh (drain), tương tự cách hoạt động của camera: thông tin sẽ đi vào chip thông qua nguồn (source), sau đó đi qua một kênh (channel) để tới cảm biến, và cuối cùng thông tin được lưu lại trên thẻ nhớ, tương ứng với rãnh (drain) của transistor. Hiện tại các electron đang chạy dọc theo lộ trình như trên, nếu muốn dùng ánh sáng thì phải thay electron bằng photon. Các hạt nhỏ sẽ di chuyển theo kiểu sóng, dao động lên xuống khi đi về một hướng. Bước sóng của các con sóng sẽ phụ thuộc vào chất liệu mà chúng đi xuyên qua.

Trong silicon, bước sóng hiệu quả cho photon là 1.3 micromet. Nhưng vấn đề là bước sóng của elctron trong silicon thậm chí còn ngắn hơn khoảng 50 đến 1000 lần so với photon! Điều này có nghĩa là linh kiện dùng trong chip ánh sáng phải lớn hơn so với chip dùng điện để có thể xử lý được các photon. Tuy nhiên, các nhà sản xuất vẫn có thể giữ cho kích thước chip ở mức như hiện nay trong khi vẫn tăng được tốc độ, hoặc giảm kích thước chip nhưng giữ sức mạnh như bây giờ. Bởi vì chip photon cần ít nguồn ánh sáng nên chỉ cần những thấu kính và hệ thống gương cỡ rất nhỏ. Ngoài ra, ánh sáng nhanh hơn điện khoảng 20 lần trong môi trường của chip, nên chip xử lý cũng nhanh hơn 20 lần. Điều này có nghĩa là để chip quang đạt tốc độ bằng với chip điện thì sẽ cần ít bóng bán dẫn hơn nên sẽ tiết kiệm không gian hơn. Để đạt được con số 20 lần, nếu tiếp tục dùng công nghệ hiện nay thì phải mất khoảng 15 năm nữa.

Thách thức cho các nhà khoa học là cần đảm bảo rằng chip ánh sáng có thể chạy chung với chip điện, vì chắc chắn người ta sẽ không thể ngay lập tức thay mới hoàn toàn các linh kiện trong một máy tính. Đây là điều rất tối kị, vì rủi ro hỏng hệ thống cao, kéo theo thất thoát doanh thu và danh tiếng cho các doanh nghiệp.

Transistor ra đời năm 1907 và chúng được làm từ các ống chân không. Đến năm 1947, transistor hiện đại được phát minh và có kích thước 40 micromet. Năm 1971, vi xử lý thương mại đầu tiên vẫn còn lớn hơn vi xử lý hiện nay 1,000 lần. Vì vậy, chip ánh sáng hiện vẫn là một lĩnh vực mới mẻ,sẽ còn rất lâu mới đến lúc chúng được áp dụng phổ biến. Nhưng theo thời gian, công nghệ quang học sẽ bắt kịp với công nghệ bán dẫn điện, và cuối cùng sẽ vượt qua tốc độ của chip điện.