Chip Quang Tử: Tăng Hiệu Năng, Tiết Kiệm Năng Lượng Cho Các Trung Tâm Dữ Liệu AI

Con chip máy tính vận hành hoàn toàn bằng ánh sáng, được kỳ vọng sẽ trở thành “trái tim” cho các trung tâm dữ liệu Trí Tuệ Nhân Tạo (AI) và thúc đẩy tính toán hiệu năng cao (high-performance computing, HPC) theo hướng bền vững hơn, đã chính thức bước vào giai đoạn sản xuất. Đây được xem là vi mạch thần kinh nhân tạo (hay Bộ tăng tốc mạng nơ-ron, tiếng Anh là Neural processing units, NPU) dựa trên ánh sáng đầu tiên trên thế giới.

Trong thông cáo báo chí ngày 24 tháng 2, đại diện của Q.ANT, công ty tiên phong trong lĩnh vực tính toán lượng tử (quantum computing), đã tự hào công bố những con số đầy ấn tượng. Theo đó, chip AI quang tử (photonic AI chip) của họ không chỉ mang lại hiệu quả sử dụng năng lượng cao hơn tới 30 lần, mà còn sở hữu tốc độ tính toán nhanh hơn gấp 50 lần so với các chip máy tính dựa trên công nghệ silicon truyền thống đang được sử dụng rộng rãi hiện nay.

Hiện dây chuyền sản xuất thử nghiệm của con chip mới này đang được khẩn trương triển khai tại cơ sở của IMS Chips ở Stuttgart, Đức. Q.ANT đã mạnh dạn đầu tư 14 triệu euro (khoảng 15.1 triệu MK) để chuyển đổi một nhà máy bán dẫn hiện có thành cơ sở chuyên sản xuất chip quang tử.

Nhờ tận dụng lại nhà máy bán dẫn cũ thay vì phải xây dựng dây chuyền sản xuất mới từ đầu, Q.ANT tin rằng họ có thể rút ngắn thời gian đưa công nghệ chip quang tử ra thị trường. Không những thế, con chip này còn có thể tích hợp trực tiếp vào các máy chủ điện toán hiệu năng cao (HPC) hiện có, giúp thúc đẩy nhanh quá trình áp dụng công nghệ mới trên diện rộng.

Michael Förtsch, Giám đốc điều hành của Q.ANT, cho biết trong thông cáo: “Đến năm 2030, chúng tôi đặt mục tiêu đưa con chip quang tử của mình trở thành một nền tảng cốt lõi cho cơ sở hạ tầng AI, với khả năng mở rộng linh hoạt và hiệu quả sử dụng năng lượng vượt trội.”

Sức mạnh của tính toán quang tử

Vậy điều gì làm nên sự khác biệt của chip quang tử? Công nghệ này ra đời để giải quyết một thách thức lớn mà các con chip hiện tại đang phải đối mặt: sự bùng nổ của AI và các ứng dụng đòi hỏi phải giải quyết lượng dữ liệu khổng lồ đang tạo ra áp lực ngày càng lớn lên khả năng tính toán và tiêu thụ năng lượng.



Hãy hình dung thế này: chip silicon truyền thống hoạt động dựa trên việc điều khiển dòng chảy của các electron thông qua hàng tỷ công tắc siêu nhỏ gọi là transistor. Quá trình này không tránh khỏi sự tỏa nhiệt và tốc độ có giới hạn.

Ngược lại, chip quang tử sử dụng các hạt ánh sáng (photon) để giải quyết dữ liệu. Photon là những hạt không có khối lượng, di chuyển với tốc độ ánh sáng và quan trọng là không tỏa nhiệt như electron mang điện tích. Nhờ đó, khi được áp dụng vào những nhiệm vụ phức tạp và tiêu tốn nhiều năng lượng như AI, chip quang tử có thể vượt qua các giới hạn cố hữu của kiến trúc silicon – từ đó giúp máy tính hoạt động nhanh hơn và tiết kiệm điện năng đáng kể.

Giáo sư Jens Anders từ Đại học Stuttgart, đồng thời là Giám đốc của IMS Chips, cho biết: “Công nghệ này ra đời đúng lúc ngành công nghiệp máy tính đang bước vào giai đoạn quan trọng: AI và các ứng dụng ngốn dữ liệu đang phát triển với tốc độ chóng mặt, và chẳng mấy chốc nữa các trung tâm dữ liệu hiện nay sẽ quá tải.” Ông cũng cho biết thêm, mục tiêu của hai công ty là tạo ra một mô hình tính toán “vừa tiết kiệm năng lượng, vừa có thể mở rộng quy mô trong tương lai.”

Bí mật đằng sau hiệu năng của chip quang tử của Q.ANT nằm ở vật liệu lithium niobatedạng màng mỏng (thin-film lithium niobate, TFLN). Đây là một hợp chất tinh thể đặc biệt được phủ lên tấm wafer nền. TFLN đang ngày càng thu hút sự quan tâm của giới nghiên cứu quang tử học và khoa học lượng tử nhờ tiềm năng ứng dụng trong thế hệ máy tính tương lai. Khi có điện trường tác động vào, TFLN cho phép kiểm soát tốc độ và pha của sóng ánh sáng, từ đó điều biến tín hiệu quang học với độ chính xác rất cao.

Dây chuyền sản xuất thử nghiệm tại IMS Chips được thiết kế chuyên biệt để chế tạo các chip tích hợp công nghệ TFLN, với mục tiêu sản lượng ban đầu là 1,000 tấm wafer mỗi năm.

Förtsch giải thích: “Trước áp lực từ AI và những ứng dụng giải quyết dữ liệu chuyên sâu, các công nghệ bán dẫn hiện nay rất dễ bị quá tải. Chúng ta cần phải nhìn lại cách ta xây dựng công nghệ máy tính từ tầng cơ bản nhất. Dây chuyền thử nghiệm của chúng tôi là bước nhảy mở màn: rút ngắn thời gian đưa sản phẩm ra thị trường, và đặt nền móng để chip quang tử trở thành chuẩn mực mới trong hệ sinh thái tính toán hiệu năng cao.”