Các nhà khoa học Trung Quốc vừa công bố một công nghệ chế tạo chip quang tử mới có thể rút ngắn thời gian sản xuất các cấu trúc quang học 3D từ nhiều giờ xuống chỉ còn vài giây. Thành tựu này được đánh giá có thể tháo gỡ một trong những nút thắt lớn nhất của ngành chip quang tử – lĩnh vực đang được xem là nền tảng cho thế hệ phần cứng AI tương lai.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí khoa học Advanced Materials ngày 4/7, do nhóm nghiên cứu thuộc Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) chủ trì, phối hợp với Đại học Hong Kong cùng nhiều đơn vị nghiên cứu khác.
Chip quang tử – "vũ khí" mới trong cuộc đua AI
Sự bùng nổ của trí tuệ nhân tạo đang khiến nhu cầu về năng lực tính toán tăng với tốc độ chưa từng có. Trong bối cảnh đó, chip quang tử (photonic chip) được nhiều chuyên gia coi là một trong những hướng đi quan trọng nhất để vượt qua các giới hạn của chip điện tử truyền thống.
Khác với chip thông thường truyền dữ liệu bằng dòng điện, chip quang tử sử dụng ánh sáng để xử lý và truyền thông tin. Cách tiếp cận này giúp tăng băng thông, giảm tiêu thụ điện năng và hạn chế lượng nhiệt phát sinh – những yếu tố đang trở thành rào cản lớn đối với các trung tâm dữ liệu AI hiện đại.
Tuy nhiên, dù thiết kế của chip quang tử ngày càng tiên tiến, việc sản xuất hàng loạt vẫn gặp nhiều khó khăn do quy trình chế tạo các cấu trúc quang học ba chiều quá chậm và phức tạp.
Theo nhóm nghiên cứu Trung Quốc, đây chính là điểm nghẽn lớn nhất cản trở việc thương mại hóa rộng rãi loại chip này.
Từ nhiều giờ xuống vài giây nhờ công nghệ sản xuất song song
Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã phát triển một phương pháp chế tạo hoàn toàn khác so với quy trình truyền thống.
Thông thường, các phòng thí nghiệm sử dụng chùm ion hội tụ (Focused Ion Beam - FIB) để khắc từng cấu trúc nano một cách tuần tự với độ chính xác cực cao.
Phương pháp này mang lại chất lượng rất tốt nhưng lại có nhược điểm lớn là cực kỳ chậm, chi phí cao và gần như không thể áp dụng để sản xuất hàng loạt trên quy mô công nghiệp.
Nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã thay thế quy trình tuần tự bằng công nghệ gia công song song.
Thay vì khắc từng chi tiết riêng lẻ, toàn bộ tấm wafer đường kính 10 cm được xử lý đồng thời bằng một chùm ion diện rộng.
Các cấu trúc nano hai chiều đã được thiết kế sẵn sau đó tự gấp lại thành những cấu trúc ba chiều theo cơ chế giống như nghệ thuật origami của Nhật Bản.
Theo nhóm nghiên cứu, phương pháp này giúp toàn bộ hàng nghìn cấu trúc trên cùng một wafer được hình thành đồng thời chỉ trong vài giây.
Độ đồng đều về góc của các cấu trúc đạt trên 97%, trong khi thời gian chế tạo giảm hơn 100 lần so với phương pháp FIB truyền thống.
Nhóm tác giả nhận định: "Nền tảng của chúng tôi giúp thu hẹp khoảng cách giữa những thiết kế quang học cực kỳ phức tạp và khả năng sản xuất quy mô lớn cho thế hệ chip quang tử tích hợp 3D tiếp theo."
Giải bài toán lớn nhất của ngành chip quang tử
Các chuyên gia cho rằng vấn đề lớn nhất của chip quang tử hiện nay không còn nằm ở thiết kế mà ở khả năng sản xuất hàng loạt.
Trong nhiều năm qua, các công ty và viện nghiên cứu trên thế giới đã phát triển được nhiều kiến trúc quang học tiên tiến nhưng rất ít trong số đó có thể bước sang giai đoạn thương mại vì quy trình chế tạo quá tốn thời gian.
Phương pháp mới của nhóm Trung Quốc giải quyết trực tiếp điểm yếu này bằng cách xử lý đồng thời toàn bộ wafer thay vì từng linh kiện riêng biệt.
Nếu quy trình truyền thống được ví như việc ngồi viết từng chữ của cả một tờ báo, thì công nghệ mới giống như in toàn bộ trang báo chỉ trong một lần.
Nhờ đó, chi phí sản xuất có thể giảm mạnh, đồng thời mở đường cho việc sản xuất chip quang tử ở quy mô công nghiệp.
Thế giới tăng tốc cuộc đua chip quang tử AI
Đột phá của Trung Quốc xuất hiện trong bối cảnh cuộc cạnh tranh toàn cầu về công nghệ quang tử đang nóng lên từng ngày.
Nhiều tập đoàn công nghệ lớn như Intel, TSMC, Ayar Labs hay Lightmatter đang đầu tư hàng tỷ USD để phát triển chip quang tử và các công nghệ kết nối quang học phục vụ AI.
Bên cạnh đó, các tổ chức nghiên cứu hàng đầu như Imec (Bỉ) hay NTT (Nhật Bản) cũng đang theo đuổi những nền tảng tích hợp quang tử thế hệ mới.
Tại Trung Quốc, chính phủ cùng các viện nghiên cứu thuộc CAS và nhiều doanh nghiệp công nghệ như Huawei đã tăng cường đầu tư vào lĩnh vực này trong những năm gần đây nhằm giảm phụ thuộc vào công nghệ bán dẫn nước ngoài.
Theo giới chuyên môn, khi các mô hình AI ngày càng lớn và đòi hỏi năng lực xử lý khổng lồ, chip quang tử có thể trở thành lời giải cho những giới hạn về băng thông, điện năng và hiệu suất mà chip điện tử đang gặp phải.
Hai nguyên mẫu cho thấy tiềm năng thực tế
Để chứng minh hiệu quả của công nghệ mới, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công hai thiết bị quang tử khác nhau.
Thiết bị đầu tiên là một siêu bề mặt uốn cong ba chiều dạng chiral, có khả năng điều khiển rất mạnh ánh sáng phân cực tròn trong vùng hồng ngoại trung.
Thiết bị thứ hai là lưới plasmonic ba chiều, trong đó bước sóng cộng hưởng quang học có thể điều chỉnh tới 150 nanomet trong vùng ánh sáng khả kiến chỉ bằng cách thay đổi độ cong của cấu trúc.
Theo các tác giả, đây mới chỉ là những minh chứng ban đầu. Công nghệ sản xuất song song bằng chùm ion diện rộng có thể được mở rộng để chế tạo nhiều loại linh kiện quang tử phức tạp hơn trong tương lai.
Nếu tiếp tục được hoàn thiện và thương mại hóa, phương pháp này có thể giúp chip quang tử bước ra khỏi phòng thí nghiệm để trở thành nền tảng phần cứng cho các hệ thống AI thế hệ tiếp theo, nơi tốc độ xử lý và hiệu quả năng lượng đóng vai trò quyết định.
Theo SCMP
