Máy tính quang học – Công cụ giải quyết các bài toán lớn với tốc độ ánh sáng

Máy tính quang học – Công cụ giải quyết các bài toán lớn với tốc độ ánh sáng

Trong những ngày gần đây khi việc học trực tuyến đang trở thành thói quen hàng ngày thì tốc độ mạng, tốc độ đường truyền, dây cáp quang là một trong những vấn đề được quan tâm nhiều nhất. Chúng ta đã thấy và thực sự cảm nhận sự thay đổi rõ ràng khi thay thế các dây cáp đồng truyền thống bằng dây cáp quang trong việc truyền tải tín hiệu internet. Băng thông của internet đã tăng từ 10 Gbps (10 Gigabit trên một giây) đến 60 Tbps (60 Tetrabit trên một giây trong đó 1Tetrabit = 1024 Gigabit) tức tăng khoảng 60 nghìn lần khi đổi từ dây cáp đồng sang dây cáp quang. Vậy nếu chúng ta tiếp tục thay thế các linh kiện hoạt động dựa trên sự vận chuyển điện tử (electron) trong các linh kiện bằng sự truyền của quang tử (photon) trong các linh kiện thì tốc độ tính toán cũng như khối lượng tính toán sẽ tăng đột biến thế nào. Trong bài này, chúng tôi sẽ giới thiệu những cơ sở công nghệ đầu tiên của một máy tính quang học. Bài đăng trên tạp chí Open Mind. (Trong bài dịch này người dịch dùng từ máy tính thay cho từ tính toán – computing – để người đọc dễ hình dung hơn).

Theo định luật Moore – thực tế nó là một dự đoán được đưa ra vào năm 1965 bởi Gordon Moore, người đồng sáng lập Intel – số lượng transistor (linh kiện chủ yếu trong một chip – bộ óc của các thiết bị điện tử) trong một mạch vi xử lý sẽ tăng gấp đôi sau mỗi hai năm, đồng thời làm tăng công suất tính toán mà không làm tăng lượng năng lượng tiêu thụ. Trong suốt nửa thế kỷ, những tiến bộ ngoạn mục trong thế giới điện toán và công nghệ vi điện tử đã nghiệm đúng với các dự đoán của Moore. Tuy nhiên, vào năm 2015, ông dự đoán rằng, với công nghệ hiện nay, chúng ta đang đạt đến tới hạn, mật độ các transistor đã đạt đến bão hòa và không thể nâng cao hơn được nữa. Ngày nay, máy tính lượng tử mang đến hy vọng cho một bước nhảy vọt công nghệ mới để phá vỡ giới hạn trên, nhưng có một lựa chọn khác mà nhiều nhà khoa học đang đặt hy vọng đó là máy tính quang học trong đó các điện tử (electron) trong các mạch điện tử sẽ được thay thế bởi các quang tử ánh sáng (photon).

Sự kết thúc trong định luật Moore là kết quả tự nhiên của vật lý: để tích hợp nhiều hơn transistor vào trong cùng khoảng không gian, chúng phải được thu nhỏ lại, giúp tăng tốc độ của chúng đồng thời giảm mức tiêu thụ năng lượng. Việc thu nhỏ các transistor silic đã thành công trong việc phá vỡ mốc kích thước 7 nm – kích thước được coi là giới hạn, nhưng việc giảm này không thể tiếp tục mãi. Mặc dù hệ thống có thể mạnh hơn bằng cách tăng số lượng transistor, nhưng khi làm như vậy tốc độ xử lí sẽ giảm và nhiệt độ của chip sẽ tăng lên làm ảnh hưởng tới tính ổn định của thiết bị.

Sự Lai hóa giữa điện tử và quang học

Máy tính quang học hứa hẹn những ưu điểm sau đây: các photon chuyển động với tốc độ ánh sáng, nhanh hơn các electron chuyển động trong dây dẫn. Công nghệ quang điện tử không phải là một điều mới mẻ đối với cuộc sống của chúng ta: hiện nay một lượng lớn thông tin trên thế giới được truyền tải trong các mạng cáp quang dưới đáy đại dương, và trong nhiều năm chúng ta đã dùng các đầu đọc quang để ghi và đọc đĩa CD, DVD và Blu-ray. Tuy nhiên, bản chất của các hệ thống này vẫn hoạt động dựa trên việc xử lý các tín hiệu điện tử, các quang tử (photon) đi qua cáp quang rồi sau đó được chuyển đổi thành các điện tử để có thể xử lý trong các vi mạch, và ngược lại điện tử trong các vi mạch này phải được chuyển đổi thành các quang tử (photon) trong đầu đọc quang, các quá trình chuyển đổi này góp phần làm chậm quá trình xử lý và truyền tải thông tin.

Ảnh chụp một bộ chia tín hiệu sử dụng trong các bộ vi sử lí quang tử Silic có kích thước bằng một phần năm đường kính sợi tóc.
Nguồn ảnh: Dan Hixson/University of Utah College of Engineering

Vì vậy, có thể nói rằng công nghệ chúng ta đang sử dụng hiện nay đã là công nghệ lai hóa giữa điện tử và quang học. “Trong thời gian tới, rõ ràng rằng các hệ thống lai giữa quang học và điện tử sẽ chiếm ưu thế”, ông Raj Rajesh Menon, một kỹ sư máy tính tại Đại học Utah, Mỹ chia sẻ . “Ví dụ, phần lớn dữ liệu được truyền qua các kênh dưới dạng quang tử (photon), trong khi hầu hết tất cả các tính toán và logic được thực hiện bởi các điện tử (electron).” Cũng theo Menon, “có những lý do cơ bản cho sự phân công lao động đó”, bởi vì để truyền thông tin dưới dạng photon thì cần ít năng lượng hơn so với điện tử, nhưng sóng liên kết với các electron lại nhỏ hơn (do lưỡng tính sóng hạt của cả photon và điện tử – electron, bước sóng của photon dùng trong truyền tải là dài – vùng hồng ngoại, trong khi bước sóng ứng với chuyển động của điện tử lại rất ngắn); nghĩa là, tốc độ cao hơn của các thiết bị quang tử yêu cầu linh kiện có kích thước lớn hơn.

Đây là lý do tại sao một số chuyên gia nhìn thấy những hạn chế trong việc ứng dụng quang học vào trong điện toán (chế tạo máy tính). Đối với Caroline Ross, một Kỹ sư Vật liệu điện tử tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), cũng là người đã chế tạo ra đi-ốt quang học thực hiện việc biến đổi tín hiệu quang tử – điện tử nhận định: “ứng dụng quan trọng nhất trong tương lai gần [đối với quang học] là truyền thông – quản lý luồng tín hiệu quang từ các sợi cáp quang đến các thiết bị điện tử”. Ông cũng cho rằng “việc sử dụng ánh sáng để xử lý dữ liệu vẫn cần thêm một thời gian nữa để trở thành hiện thực”.

Transitor laser (Bóng bán dẫn laser)

Mặc dù việc tạo ra được một hệ thống hoạt động 100% dựa trên microchip quang học (hệ thống hoạt động mà chỉ sử dụng các photon) vẫn còn khá xa, các tiến bộ về công nghệ ngày nay đang tăng dần tỉ lệ hiện diện của quang tử (photon) trong máy tính. Năm 2004, các nhà nghiên cứu của Đại học Illinois là Milton Feng và Nick Holonyak Jr. đã phát triển khái niệm transistor laser (bóng bán dẫn laser). Đây là thiết bị mà trong đó một trong hai đầu đưa tín hiệu ra dưới dạng điện của tranzito (bóng bán dẫn) thông thường được thay thế bằng tín hiệu ánh sáng dưới dạng laser cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ cao hơn.

Ví dụ, ngày nay chúng ta chưa thể sử dụng ánh sáng để truyền thông tin giữa phần khác nhau trong máy tính do thiếu thiết bị chuyển đổi tín hiệu điện thành quang và ngược lại; các tranzito laser (bóng bán dẫn laser) này có thể làm điều đó trở thành hiện thực. “Tương tự như các linh kiện transistor (bóng bán dẫn) trong mạch tích hợp, chúng tôi hy vọng tranzito laser (bóng bán dẫn laser) sẽ [được sử dụng cho] các mạch tích hợp quang-điện cho tính toán quang học” Feng chia sẻ với OpenMind. Theo Feng, ông sẽ đặt cược vào máy tính quang học hơn là vào máy tính lượng tử, vì máy tính quang học không yêu cầu phải làm việc ở nhiệt độ thấp như máy tính lượng tử (ở nhiệt độ thấp các chất siêu dẫn lượng tử mới phát huy tính ưu việt).

Các sinh viên sau đại học Junyi Wu và Curtis Wang và GS. Milton Feng ghi nhận hiện tượng ánh sáng kích thích tốc độ chuyển mạch trong tranzito laser.
Ảnh: L. Brian Stauffer

Sự quan tâm về thế hệ thiết bị quang tử (photon) được thể hiện ở sự tăng mạnh mẽ các nghiên cứu trong lĩnh vực này, bao gồm các vật liệu điện tử có khả năng hỗ trợ cho các linh kiện máy tính quang học.  Raj Rajesh Menon (ĐH bang Utah, Mỹ) chỉ ra rằng một trong những thách thức lớn nhất trong việc chế tạo chip quang học là tăng mật độ tích hợp của các linh kiện để giảm kích thước, trong việc giải quyết vấn đề này phòng thí nghiệm của ông là những người tiên phong, cũng như “có những hiểu biết rõ hơn về tương tác giữa ánh sáng và vật chất ánh ở cấp độ nano”.

Mặc dù vậy, chúng ta không nên quá tin tưởng rằng một chiếc máy tính xách tay quang học sẽ đến tay người tiêu dùng trong một tương lai gần. Theo nhận định của ông Mo Steinman, phó chủ tịch kỹ thuật tại Lightelligence, một công ty khởi nghiệp từ phòng thí nghiệm quang tử do Marin Soljačić điều hành tại MIT, “chúng ta không hy vọng máy tính quang học sẽ thay thế máy tính điện tử trong thời gian gần, nhưng nó là một sự thay thế tiềm năng”.

Hiện tại và tương lai của Quang tử

Dù khó có thể thay thế máy tính điện tử trong thời gian tới, tuy nhiên, thực tế là ngày nay, máy tính (tính toán) quang học đã dần thay thế máy tính điện tử ở một số lĩnh vực. Raj Rajesh Menon (Kĩ sư máy tính tại Đại học bang Utah, Mỹ) cho biết, “ứng dụng của quang tử đã thực sự hiện diện, đặc biệt là ở các trung tâm dữ liệu lớn và gần đây là trong ứng dụng học máy (machine learning)”. Trên thực tế, mạng nơ-ron Trí tuệ nhân tạo (AI) đang là một trong những ứng dụng thể hiện ưu thế tuyệt đối của máy tính quang học so với máy tính điện tử truyền thống bằng việc tăng hiệu quả tính toán lên tới 10 triệu lần. Ông Mo Steinman (Công ty start up Lightelligence, MIT) cho biết thêm”máy tính quang học là hoàn toàn phù hợp với khối lượng công việc thống kê khổng lồ cũng như những công việc được sử dụng trong các thuật toán AI”.

Chính vì vậy, máy tính quang học có thể giải quyết các vấn đề tối ưu hóa mạng phức tạp mà với máy tính điện tử mạnh nhất hiện nay cũng cần đến hàng thế kỷ để tính toán. Tại Nhật Bản, công ty NTT đang xây dựng một máy tính quang học khổng lồ chứa 5 km sợi quang trong một không gian có kích thước như một căn phòng, và nó sẽ được sử dụng cho các nhiệm vụ tính toán tối ưu phức tạp hoặc tăng cường các hệ thống truyền tải tín hiệu.

Một mạch tích hợp quang.
Ảnh: JonathanMarks

“Trong tương lai, chúng tôi tin rằng chúng ta có thể tận dụng hệ sinh thái được tạo bởi hạ tầng viễn thông quang học (optical telecommunications ) vào trong các lĩnh vực thiết kế mạch, chế tạo và đóng gói tích hợp, và tối ưu hóa cho các mục đích sử dụng cụ thể theo yêu cầu của máy tính quang học”, ông Mo Steinman dự đoán. Tuy nhiên, ông thừa nhận rằng việc chuyển từ mẫu thử nghiệm (prototype) sang sản xuất quy mô lớn sẽ là một thách thức khó khăn.

Tóm lại, có nhiều lý do để lạc quan về sự phát triển của máy tính quang học, nhưng không nên đánh giá quá cao khả năng đó: khi nhà khoa học máy tính Dror Feitelson xuất bản cuốn sách Máy tính quang học (MIT Press) năm 1988, người ta đã nói về sự ra đời của một lĩnh vực mới và tin rằng lĩnh vực này sẽ có những phát triển rực rỡ. Hơn 30 năm sau, “máy tính quang học vẫn đang ở dạng hứa hẹn hơn là trở thành một công nghệ chủ đạo”, tác giả bài viết chia sẻ. Có những thách thức phải vượt qua bên cạnh các chướng ngại khác là quán tính công nghệ (technological inertia). Feitelson nhắc lại cảnh báo được đưa ra từ những ngày đầu tiên bởi nhà nghiên cứu Robert Keyes thuộc công ty IBM: với kinh nghiệm, thành tựu cũng như sự đầu tư khổng lồ vào lĩnh vực vi điện tử mà chúng ta đã biết thì “sẽ khó có một công nghệ khác nào có thể bắt kịp được ưu thế mà nó đang nắm hiện nay”.

Lời bình:

Tuy không thể thay thế hoàn toàn máy tính điện tử truyền thống, nhưng giống như việc thay dây cáp đồng bằng dây cáp quang, những điều bất ngờ việc phát triển và ứng dụng những công nghệ vẫn đang chờ chúng ta khám phá.

Bài viết gốc của tác giả Javier Yanes: https://www.bbvaopenmind.com/en/technology/future/optical-computing-solving-problems-at-the-speed-of-light/

Thực hiện: Tô Thị Nguyệt, Hoàng Thu Phương (dịch) Nguyễn Công Tú (hiệu đính)