Sự phát triển nhanh chóng của trí tuệ nhân tạo tạo sinh (generative AI) và các mô hình AI quy mô lớn đã làm tăng sức mạnh tính toán cho các trung tâm dữ liệu và máy chủ. Các chất bán dẫn điện tử truyền thống đang gặp khó khăn trong việc theo kịp vì chúng tiêu thụ lượng năng lượng lớn và có những hạn chế về tốc độ truyền dữ liệu.

Những thách thức này đã làm gia tăng sự quan tâm đến điện toán quang học, lĩnh vực sử dụng ánh sáng thay vì tín hiệu điện để xử lý thông tin. Các hệ thống quang học có tiềm năng truyền dữ liệu với tốc độ cực cao trong khi tiêu thụ ít năng lượng hơn.

Tuy nhiên, ánh sáng cũng đặt ra một thách thức lớn. Vì nó di chuyển với tốc độ cố định trong tự nhiên, nên rất khó để làm chậm tín hiệu quang học hoặc tạm thời giữ chúng ở một vị trí nhất định.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một mạch quang học lập trình được, có khả năng điều khiển cả tốc độ và hình dạng của tín hiệu quang học.

Vì sao tín hiệu cần phải chờ đợi

Trong các trung tâm dữ liệu, mạng truyền thông quang học và các hệ thống điện toán tương lai, việc truyền tín hiệu nhanh chóng chỉ là một phần của thách thức.

Các hệ thống cũng phải đảm bảo rằng các tín hiệu khác nhau đến đúng thời điểm. Đây là lý do chúng ta thấy các đường dẫn trong mạch điện tử gia dụng hay ngoằn ngoèo.

Đó là để các sợi đồng kết nối này có độ dài tương đương ở mức chấp nhận được để tín hiệu đến không quá lệch. Tuy nhiên, đó là với các thiết bị truyền dẫn điện tử, việc truyền dẫn quang tử lại khó khăn hơn rất nhiều.

Việc làm chậm tín hiệu ánh sáng không phải là quá khó, nhưng các phương pháp vốn có đều tạo ra một chiếc phanh hãm cố định. Một phương pháp tạo ra độ trễ này dựa trên hiện tượng trong suốt do cộng hưởng ghép nối (CRIT), sử dụng sự giao thoa giữa nhiều bộ cộng hưởng quang học.

Công nghệ CRIT (mặt nạ tinh thể lỏng) cho phép ánh sáng trong một dải tần số nhất định đi qua thiết bị đồng thời giảm tốc độ truyền tín hiệu quang học. CRT giam giữ và lưu thông ánh sáng ở một tần số nhất định trong khoảng thời gian ngắn trên chip silic.

Nhưng các thiết bị CRIT truyền thống thường có các đặc tính hoạt động không thay đổi sau khi được sản xuất.

Thiết kế có thể lập trình để điều khiển ánh sáng

Nhóm nghiên cứu đã phát triển một chiến lược khác bằng cách coi hai trạng thái quang học trong hệ thống CRIT, được gọi là chế độ sáng và chế độ tối, như một mức độ tự do thống nhất. Các nhà nghiên cứu cũng đã bổ sung thêm hai bộ ghép vòng điều khiển được.

Những thay đổi này đã tạo ra một nguyên tắc thiết kế mới cho các mạch tích hợp quang tử lập trình được.

Sử dụng cấu trúc CRIT mới, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng chuyển động của ánh sáng có thể được trì hoãn và kiểm soát theo nhu cầu. Họ cũng chứng minh rằng sự giao thoa giữa chế độ sáng và tối có thể được xử lý như một tham số thiết kế tích hợp duy nhất.

Nghiên cứu này giới thiệu một nền tảng quang tử lập trình được, có khả năng kiểm soát cả thuộc tính thời gian và tần số của tín hiệu ánh sáng trong thời gian thực.

Thiết kế này có thể khắc phục những hạn chế của các thiết bị trễ quang học thông thường, vốn thường chỉ thực hiện các chức năng cố định bao gồm đồng bộ tín hiệu, đường trễ điều chỉnh được, bộ đệm quang học và chuyển đổi tần số.

Các nhà nghiên cứu tin rằng phương pháp này có thể được áp dụng cho nhiều loại mạch quang dựa trên bộ cộng hưởng, có khả năng tạo nền tảng cho các công nghệ xử lý tín hiệu quang linh hoạt hơn.

Nếu công nghệ này được thương mại hóa, một chip quang học lập trình được duy nhất có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ, bao gồm điều khiển tốc độ tín hiệu và chuyển đổi giữa các chức năng khác nhau.

Tính linh hoạt này có thể giúp các trung tâm dữ liệu và máy chủ AI xử lý thông tin hiệu quả hơn đồng thời giảm mức tiêu thụ năng lượng.

Về lâu dài, công nghệ này có thể hỗ trợ các ngành công nghiệp phụ thuộc vào việc xử lý thông tin cực nhanh, bao gồm lái xe tự hành, truyền thông thế hệ mới và công nghệ lượng tử.