Chúng ta 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 con người không thể tiếp tục thu nhỏ chip nữa, không thể đẩy sức mạnh lên thêm, tức là chúng ta cần một giải pháp mới và đó là cơ hội để các con chip dùng ánh sáng phát triển.
Máy tính dùng chip ánh sáng sẽ nhanh hơn ít nhất 20 lần so với hiện nay
Thay vì sử dụng điện (các dòng electron) để chuyển thông tin, chip ánh sáng sẽ dùng photon. Mà như bạn đã biết, truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhanh hơn nhiều so với bằng điện nên các con chip mạnh hơn sẽ xuất hiện.
Chạm tới giới hạn
Trong 40 năm qua, người ta sử dụng bóng bán dẫn (transistor) làm từ chất liệu bán dẫn để sản xuất CPU - bộ não của mọi chiếc máy vi tính trên thế giới này. Transistor càng lúc càng thu nhỏ để tăng sức mạnh, giảm kích thước chip và tiết kiệm điện hơn.
Hiện Intel đang sản xuất chip 14nm, đó là những con CPU thế hệ mới nhất đang dùng trong những cái máy tính xách tay, máy để bàn hay tablet của bạn. Samsung và Qualcomm thì có Snapdragon 835 dùng bóng bán dẫn chỉ 10nm mà thôi. Những bóng bán dẫn này được chết tạo từ silicon, và kích thước của một nguyên tử silicon vào khoảng 0,2nm.
Transitor 22nm của Intel trên một con chip
Như vậy, các bóng bán dẫn ngày nay lớn hơn khoảng 70 lần so với nguyên tử silicon nên chúng ta vẫn có thể thu nhỏ tiếp. 10nm đã có, sắp tới Intel dự tính sẽ làm chip 7nm rồi 5nm. Sự thu nhỏ này có quan hệ mật thiết với định luật Moore. Ông Moore nói rằng cứ một năm thì mật độ bóng bán dẫn trên chip tăng gấp đôi.
Nhưng sẽ chẳng mấy chốc chúng ta chạm tới ngưỡng 0,2nm. Bạn 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.
Bên cạnh đó, bóng bán dẫn hiện tại sử dụng tín hiệu điện - là các dòng electron di chuyển từ nơi này sang nơi khác - để nói chuyện với nhau. Nếu chúng ta có thể sử dụng ánh sáng - được cấu thành từ các photon - thay cho dòng điện thì chúng ta sẽ giúp transistor chạy nhanh hơn vì tốc độ di chuyển của ánh sáng rất cao.
Đó là lý do vì sao người ta nghĩ ra chip ánh sáng.
Chip ánh sáng là gì?
Trước khi đi sâu hơn, các bạn cần biết là transistor có 3 phần: nguồn (source), kênh (channel) và rãnh (drain). Nó tương tự cách hoạt động của camera: thông tin sẽ đi vào chip thông qua nguồn, sau đó đi qua một cái kênh để tới cảm biến, và cuối cùng thông tin được lưu lại trên thẻ nhớ, tương ứng với cái rãnh của transistor.
Hiện tại các electron đang chạy dọc theo con đường như thế, còn nếu muốn dùng ánh sáng thì chúng ta phải thay electron bằng photon. Các hạt nhỏ này di chuyển theo kiểu sóng, chúng dao động lên xuống khi đi về một hướng như hình GIF bên dưới. Bước sóng của các con sóng này sẽ phụ thuộc vào chất liệu mà chúng đi xuyên qua.
Trong silicon, bước sóng hiệu quả cho photon là 1,3 micromet. Con số này bé tí, để bạn dễ so sánh thì tóc người cũng còn được tới 100 micromet lận. 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 bự hơn so với chip dùng điện để có thể xử lý được mớ photon đó. Vậy theo lý thuyết chúng ta sẽ cần làm ra những con CPU to hơn.
Nhưng khoan, có 2 lý do mà chúng ta 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. Thậm chí bạn còn có thể làm ra một con chip nhỏ hơn và mạnh hơn cũng được. 2 lý do đó là:
1. Chip photon cần ít nguồn ánh sáng nên chỉ cần những thấu kính và hệ thống gương cỡ rất nhỏ là đủ. Bạn sẽ không cần cả một lens to như camera.
2. Ánh sáng nhanh hơn điện khoảng 20 lần trong môi trường của chip, nên xem như chip xử lý cũng nhanh hơn 20 lần. Điều này có nghĩa là để chip quang đạt tốc độ bằng với chip điện thì chúng ta cần ít bóng bán dẫn hơn nên sẽ tiết kiệm không gian hơn. Để đạt được con số 20 lần đó nếu tiếp tục dùng công nghệ hiện tại thì phải chờ thêm 15 năm nữa mới có.
Thách thức lúc này nằm ở chỗ các nhà khoa học cần đảm bảo rằng chip ánh sáng có thể chạy chung với chip điện vì chắc chắn các linh kiện trong một cái máy tính sẽ không thể nào đổi mới hết 1 lần. CPU ánh sáng có thể sẽ ra đời trước, vậy còn các chip cầu, RAM, bộ nhớ cache thì sao? Bạn cần phải thay thế từng thứ một chứ không thể làm một cái rụp bỏ hết từ đầu đến cuối. Đây là điều rất tối kị trong các môi trường doanh nghiệp vì rủi ro hỏng hệ thống cao, kéo theo thất thoát doanh thu và danh tiếng.
Nếu chúng ta tìm được cách giải quyết cho vấn đề này, hoặc nghĩ được cách dùng ánh sáng để cải thiện chip điện chứ không nhất thiết phải bỏ hết làm lại từ đầu, thì chúng ta sẽ có được những chiếc máy tính chạy nhanh hơn, mạnh hơn đáng kể.
Khi nào thì bạn có thể xài được laptop, smartphone dùng chip ánh sáng?
Transistor ra đời năm 1907 và chúng được làm từ các ống chân không. Năm 1947, transistor hiện đại được phát minh và có kích thước 40 micromet (lớn hơn khoảng 3.000 lần so với chip 14nm). Năm 1971, vi xử lý thương mại đầu tiên vẫn còn to hơn hiện nay 1.000 lần.
Cũng như vậy, chip ánh sáng là một lĩnh vực mới, do đó anh em đừng hi vọng rằng dòng chip này sẽ sớm xuất hiện, nhất là trong những thiết bị điện tử tiêu dùng. Chưa kể đến việc những thiết bị dùng điện ngày nay vẫn có khả năng xử lý cao hơn so với những thiết bị dùng quang học nên sẽ còn lâu lắm.
Nhưng theo thời gian, công nghệ quang học sẽ bắt kịp với công nghệ bán dẫn điện, và cuối cùng vượt qua tốc độ của chip điện. Hi vọng các nhà khoa học sẽ sớm biến điều đó thành hiện thực.
