Phát minh mới: Chip quang học giúp lưu trữ thông tin vĩnh viễn

Nền công nghệ thế giới đang đạt ở mức độ đỉnh cao, chinh phục các cột mốc mà trước đây con người không thực hiện được. Mới đây nhất, các nhà khoa học ở Anh đã phát triển một thế hệ chip điện tử đầu tiên hoàn toàn dựa trên công nghệ ánh sáng, có khả năng lưu trữ dữ liệu vĩnh viễn...

Được biết, loại chip điện tử này có thể làm thay đổi toàn bộ cấu trúc thiết kế cơ bản của các máy tính hiện nay và trong tương lai, nhờ loại chip này mà chúng ta có thể nhận và gửi dữ liệu với tốc độ ánh sáng.

Máy tính hoạt động dựa trên công nghệ ánh sáng

Các máy tính hoạt động dựa trên công nghệ ánh sáng hiện đang được các nhà khoa học và công nghệ cố gắng phát triển. Vì công nghệ ánh sáng chính là bước đột phá mạnh mẽ nhất của chúng ta nhằm vượt qua rào cản lớn nhất trong việc tạo ra các máy tính nhanh và mạnh hơn: tình trạng “thắt cổ chai von-Neumann” (the von-Neumann bottleneck).
 

Chip quang học lưu trữ thông tin vĩnh viễn

Hiện tại, tốc độ truyền dữ liệu của các máy tính chúng ta có luôn chậm hơn tốc độ truyền dữ liệu thật sự mà các máy tính này có thể vận hành. Điều này có thể lý giải bởi chúng ta đã chạm tới giới hạn cuối cùng trong việc gia tăng tốc độ chuyển động của các hạt electron giữa bộ xử lý và bộ nhớ.

“Sẽ chẳng có tác dụng gì nếu chúng ta cố gắng tạo ra những bộ xử lý mạnh  hơn trong khi yếu tố giới hạn cần được giải quyết ở đây chính là tốc độ thông tin truyền và gửi bởi bộ nhớ. Đây chính là điều được gọi là tình trạng “thắt cổ chai von-Neumann”, theo lời một trong những nhà nghiên cứu, kĩ sư Harish Bhaskaran đến từ Đại học Oxford nói. “Nhưng chúng tôi nghĩ rằng, việc sử dụng ánh sáng sẽ làm gia tăng vượt bậc tốc độ truyền thông tin giữa bộ xử lý và bộ nhớ, đồng thời hoàn toàn khắc phục được tình trạng “thắt cổ chai von-Neumann”.    

Việc tạo ra các máy tính vận hành bằng công nghệ ánh sáng không hề đơn giản chỉ là việc thay thế các điện tử electron trong các máy tính hiện tại bằng các phân tử ánh sáng – photon. Nếu thực hiện được điều này, tốc độ truyền thông tin sẽ được tăng lên rất lớn, nhưng những con chip điện tử được làm bằng silicon mà chúng ta có hiện nay vẫn phải yêu cầu chuyển đổi từ thông tin ánh sáng (hạt photon) thành thông tin điện tử (hạt electron) khi dữ liệu được truyền đến máy tính. Quá trình này lại khiến cho tốc độ truyền thông tin chậm lại một lần nữa và tiêu tốn rất nhiều năng lượng.

So sánh máy tính kiểu cũ và mới

Khi đó, so sánh giữa hai kết quả thì phương pháp sử dụng thông tin ánh sáng (photon) kết hợp với các chip silicon lại tỏ ra ít hiệu quả hơn hẳn so với phương pháp chỉ sử dụng thông tin điện tử (electron) như ban đầu.

Chính vì thế, các nhà khoa học cần phải thiết kế lại toàn bộ hệ thống cơ bản của các máy tính, vận hành chúng dựa trên ánh sáng thay vì là tín hiệu điện tử như hiện nay. Thế hệ chíp máy tính dựa trên công nghệ ánh sáng mới được phát triển này sẽ đưa chúng ta đến gần hơn mục tiêu trên.

Được biết đến với một tên gọi khác là “bộ nhớ tạo thành từ các hạt photon”, bộ nhớ dựa trên công nghệ ánh sáng này không phải là một ý tưởng hoàn toàn mới mẻ. Nhưng đối với các kĩ sư công nghệ lúc trước, việc tạo ra các những con chip này thật sự là một thử thách khó khăn. 

Họ không những phải cố gắng làm cho những con chip dựa trên công nghệ ánh sáng này hoạt động ổn định hơn, đồng thời, khắc phục tình trạng phải giữ một nguồn năng lượng kéo dài nhằm lưu trữ dữ liệu. Điều này đồng nghĩa với việc, nếu sử dụng loại chip này, chúng ta phải bật nguồn máy tính mãi mãi, nếu không toàn bộ dự liệu sẽ bị biến mất. Tất nhiên, đây không phải là kết quả trong thực tế mà các nhà nghiên cứu muốn có.
Ra đời con chip thông minh

Bhaskaran và những đồng sự đã thông báo về một thiết bị được gọi là “con chip bộ nhớ đầu tiên trên thế giới được làm hoàn toàn bằng phân tử ánh sáng cố định” (the world’s first all-photonic nonvolatile memory chip). Con chip này lưu trữ dữ liệu bằng một loại chất liệu tương tự như trong các đĩa CD hay DVD: một loại hợp kim có khả năng đổi pha (phase-change alloy) làm từ hỗn hợp gecmani-antimon-telua (GST).

Khi sử dụng các kích thích bằng ánh sáng hay điện tử, vật liệu này có thể thay đổi từ trạng thái không kết tinh giống như kính thủy tinh sang trạng thái kết tinh giống như kim loại, hoặc ngược lại.

“Hai trạng thái này có những tính chất vật lý hoàn toàn khác nhau”, Bhaskaran giải thích. “Và điều này có nghĩa là bạn có thể dùng sự khác nhau giữa hai dạng trạng thái này của vật liệu để lưu trữ thông tin.”

Con chip được tạo thành bằng cách đặt một lát cắt nhỏ của hợp kim gecmani-antimon-telua (GST) lên trên bề mặt của các chân cắm làm từ chất silicon nitrit (silicon nitride ridge). Cấu trúc này sẽ tạo nên một đường ống dẫn sóng mang các phân tử ánh sáng (photon) đến nơi cần được chuyển đến. “Kênh dẫn sóng này có chức năng tương tự như một dạng sợi cáp quang có thể mang ánh sáng. Tần số dao động của ánh sáng laser sẽ được gửi theo các kênh này. Tại đây, ánh sáng sẽ tương tác với hợp kim GST tạo thành các chuỗi thông tin dữ liệu,” theo lời của Condlife.

Các nhà khoa học giải thích rằng, khi tần số dao động của ánh sáng chuyển qua các kênh dẫn sóng trở nên dày đặc, chúng sẽ làm thay đổi trạng thái của hợp kim GST. Hợp kim sẽ bị nóng chảy trong một thời gian cực ngắn và trở nên nguội đi. Lúc đó, hợp kim sẽ chuyển sang trạng thái không kết tinh. Khi tần số ánh sáng yếu đi, hợp kim sẽ lại trở về trạng thái kết tinh.

Chính vì thế, tần số và lượng ánh sáng truyền qua các kênh dẫn sóng hoàn toàn phải phụ thuộc vào trạng thái hiện tại của hợp kim GST. Sự thay đổi tính mạnh yếu của cường độ tín hiệu ánh sáng này được dùng để mô tả cho cách mã hóa dùng 0 và 1 giống như trong các bộ nhớ thông thường.

"Đây là lần đầu tiên một bộ nhớ quang học dựa trên sự thống nhất các hạt photon cố định được tạo ra”, theo lời của một nhà khoa học trong nhóm nghiên cứu. “Điều mấu chốt ở đây chính là vật liệu. Nó có khả năng lưu trữ thông tin trong khoảng thời gian rất dài. Hợp kim GST dùng trong loại chip này hoàn toàn không bị thay đổi trạng thái cho dù sau nhiều thập kỷ.”

Các nhà khoa học đang tìm cách thiết kế lại toàn bộ cấu trúc của máy tính nhằm tương hợp với con chip bộ nhớ dùng công nghệ quang. Các bộ phận khác của máy tính cũng phải được thiết kế sao cho tương tác được ngay lập tức với con chip. Điều này chỉ có thể xảy ra khi chúng cũng sử dụng công nghệ ánh sáng thay cho các tín hiệu điện tử như hiện nay.

Tổng hợp (theo sciencealert)