Sự bùng nổ của AI đang đẩy nhu cầu về năng lực tính toán lên mức chưa từng có, đưa chip quang tử trở thành một trong những công nghệ trọng tâm trong cuộc đua phát triển phần cứng AI thế hệ mới.

Bằng cách truyền dữ liệu bằng ánh sáng thay vì dòng điện, công nghệ quang tử được kỳ vọng sẽ giúp vượt qua những giới hạn về băng thông và mức tiêu thụ năng lượng. Tuy nhiên, việc chuyển đổi tiềm năng này thành các sản phẩm có thể sản xuất hàng loạt vẫn gặp trở ngại do quy trình chế tạo phức tạp và mất nhiều thời gian.

Một nhóm nghiên cứu Trung Quốc cho biết họ đã giải quyết được một trong những nút thắt lớn nhất của lĩnh vực này khi phát triển phương pháp chế tạo mới, giúp rút ngắn thời gian sản xuất các cấu trúc quang học 3 chiều phức tạp từ hàng giờ xuống chỉ còn vài giây.

Nghiên cứu do các nhà khoa học từ Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) chủ trì, phối hợp với Đại học Hồng Kông cùng nhiều tổ chức nghiên cứu khác của Trung Quốc.

Thay đổi phương pháp chế tạo để tăng tốc sản xuất

Thay vì sử dụng chùm ion hội tụ (FIB) để gia công từng cấu trúc riêng lẻ, nhóm đã phát triển quy trình sản xuất song song, cho phép biến đổi đồng thời các mẫu thiết kế hai chiều thành cấu trúc ba chiều trên toàn bộ tấm wafer đường kính 10cm.

Nhờ đó, hệ thống đạt độ đồng đều góc trên 97% và rút ngắn thời gian chế tạo hơn 100 lần so với phương pháp FIB truyền thống.

Theo các nhà nghiên cứu, điểm nghẽn lớn nhất của chip quang học hiện nay không còn nằm ở khâu thiết kế mà ở khả năng sản xuất hàng loạt. Trong khi FIB có độ chính xác ở cấp độ nanomet, quy trình này diễn ra tuần tự, chi phí cao và quá chậm để phục vụ sản xuất công nghiệp.

Phương pháp mới khắc phục hạn chế đó bằng cách sử dụng chùm ion diện rộng tác động lên toàn bộ wafer cùng lúc, giúp hàng nghìn cấu trúc nano hai chiều đã được thiết kế sẵn tự gấp thành hình dạng 3 chiều theo cơ chế tương tự nghệ thuật gấp giấy origami.

Nhóm nghiên cứu ví quy trình này giống như việc in nguyên một trang báo trong một lần, thay vì phải vẽ từng chữ riêng lẻ.

Cuộc đua chip quang học phục vụ AI ngày càng nóng lên

Chip quang học được xem là giải pháp tiềm năng cho các hệ thống AI thế hệ mới vì truyền dữ liệu bằng ánh sáng thay vì tín hiệu điện, từ đó mang lại băng thông cao hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn.

Việc mở rộng cấu trúc sang không gian ba chiều còn giúp tăng mật độ tích hợp, giảm nhiễu tín hiệu và tạo ra những chức năng khó thực hiện trên các thiết kế hai chiều.

Trong bối cảnh các mô hình AI ngày càng lớn, nhiều tập đoàn như Intel, TSMC, Ayar Labs và Lightmatter đang đẩy mạnh đầu tư vào công nghệ silicon photonics và kết nối quang học. Các tổ chức nghiên cứu như Imec (Bỉ) và NTT (Nhật Bản) cũng phát triển các nền tảng chip quang thế hệ mới, trong khi Trung Quốc tăng cường đầu tư thông qua CAS và Huawei.

Để kiểm chứng công nghệ, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công hai thiết bị quang học khác nhau. Một thiết bị cho thấy khả năng kiểm soát hiệu quả ánh sáng phân cực tròn trong dải hồng ngoại trung, trong khi thiết bị còn lại có thể điều chỉnh cộng hưởng quang học trong vùng ánh sáng khả kiến bằng cách thay đổi độ cong của cấu trúc.