Một cột mốc mang tính đột phá vừa được thiết lập trong lĩnh vực tính toán quang học. Các nhà nghiên cứu thuộc Viện Quang học và Cơ học Chính xác Thượng Hải (SIOM), thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, đã phát triển thành công con chip tích hợp tính toán quang học siêu song song đầu tiên trên thế giới, có tên là “Meteor One.” Lần đầu tiên, các nhà khoa học đã đạt được mức độ song song hơn 100 lần trong tính toán quang tử trên chip, thiết lập một chuẩn mực mới trên toàn cầu về hiệu suất tính toán.

Con chip đột phá này cho thấy hiệu suất đỉnh lý thuyết là 2.560 TOPS với tần số đồng hồ quang học 50 GHz — tương đương với một số chip GPU tiên tiến nhất của NVIDIA. Quan trọng hơn, công nghệ này mở ra một hướng đi kỹ thuật mới để mở rộng sức mạnh tính toán bằng cách tận dụng những ưu điểm vốn có của công nghệ quang tử: băng thông cực cao, khả năng song song hóa quy mô lớn và độ trễ thấp.

Tiến sĩ Peng Xie, người đứng đầu dự án, đã giải thích với Công nghệ tiên tiến:

“Chúng tôi đã thực hiện thành công việc tương tác và tính toán thông tin được ghép kênh trên hơn 100 bước sóng trực tiếp trên một chip quang tử. Điều này chứng minh tính khả thi của việc xử lý song song mật độ cao trên chip và mở ra một hướng đi mới để mở rộng quy mô sức mạnh tính toán quang học.”

Vượt qua ranh giới của chip điện tử

Trong nhiều thập kỷ qua, Định luật Moore đã thúc đẩy những bước tiến trong lĩnh vực công nghệ thông tin, nhưng các thiết bị điện tử dựa trên silicon đang dần chạm đến giới hạn vật lý của mình. Các vấn đề như tản nhiệt, hiệu ứng lượng tử và mức tiêu thụ điện năng ngày càng tăng đang trở thành những rào cản lớn, đặc biệt là trong việc hỗ trợ sự tăng trưởng theo cấp số nhân của khối lượng công việc liên quan đến trí tuệ nhân tạo.

Công nghệ quang tử mang đến một giải pháp thay thế đầy tiềm năng. Khác với electron, photon – với tư cách là các hạt boson – có thể di chuyển với tốc độ ánh sáng, truyền tải lượng thông tin khổng lồ cùng lúc và hoạt động với độ trễ cũng như mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn nhiều. Bằng cách mở rộng khả năng xử lý song song thông qua kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng, chip Meteor One đạt được tăng gấp hai bậc về công suất tính toán, báo hiệu một sự thay đổi cơ bản trong cách thức triển khai tính toán hiệu suất cao trong tương lai.

Một kiến trúc mới cho tính toán quang học siêu song song

Nhóm nghiên cứu đã giải quyết “vấn đề tắc nghẽn song song” tồn tại từ lâu bằng cách thiết kế một kiến trúc tính toán quang học đa bước sóng sáng tạo. Họ đã tích hợp nhiều hệ thống con quan trọng, bao gồm nguồn quang học vi lược soliton do chính họ phát triển (phổ >80 nm, >200 kênh), chip tính toán quang học băng rộng có thể tái cấu hình, và mảng bộ điều khiển ma trận quang học có độ chính xác cao với hơn 256 kênh có thể mở rộng.

Sự tích hợp ở cấp độ hệ thống này đã cho phép thực hiện buổi trình diễn nguyên mẫu đầu tiên trên thế giới về >Tương tác và tính toán quang học đa kênh (100 kênh) dựa trên công nghệ ghép kênh theo bước sóng. So với phương pháp tính toán quang học đơn bước sóng truyền thống, phương pháp này đạt được thông lượng cao hơn gấp hai bậc độ lớn ở cùng tần số chip và kích thước ma trận.

Tiến sĩ Xilin Han đã minh họa khái niệm này bằng một ví dụ:

“Điều này giống như việc nâng cấp một con đường một làn xe thành một tuyến đường cao tốc có thể chứa hàng trăm phương tiện lưu thông song song, giúp tăng cường đáng kể lưu lượng giao thông mà không cần thay đổi chiều dài con đường.”

Các ứng dụng mang tính đột phá trong lĩnh vực Trí tuệ nhân tạo, trung tâm dữ liệu và hơn thế nữa

Tác động của bước đột phá này là vô cùng sâu rộng. Tính toán quang học siêu song song có thể đẩy nhanh đáng kể tốc độ xử lý các tác vụ phụ thuộc nhiều vào phép nhân ma trận quy mô lớn — chẳng hạn như mạng nơ-ron sâu, trí tuệ tích hợp, mô phỏng vật lý và xử lý hình ảnh thời gian thực.

Độ trễ cực thấp của nó cũng khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác về thời gian với khối lượng dữ liệu nhỏ, bao gồm chuyển mạch truyền thông, trí tuệ nhân tạo (AI) tại biên và điều phối máy bay không người lái tự động. Khi nhu cầu về tính toán tiết kiệm năng lượng, công suất xử lý cao với sự phát triển không ngừng, các chip quang tử như Meteor One có thể trở thành yếu tố không thể thiếu đối với các trung tâm dữ liệu thế hệ mới và hạ tầng trí tuệ nhân tạo.

Vượt qua “ba rào cản” của tính toán quang học

Để khai thác hết tiềm năng của điện toán quang tử, các nhà nghiên cứu phải vượt qua ba rào cản quan trọng:

1. Tường thang ma trận – Mở rộng kích thước ma trận của chip quang tử để tăng mật độ tính toán.
2. Bức tường tần số quang học – Tăng tần số xung nhịp mà vẫn đảm bảo hiệu suất của thiết bị.
3. Bức tường song song – Tận dụng kỹ thuật ghép kênh đa chiều để tối đa hóa thông lượng.

Trong khi các tập đoàn toàn cầu như TSMC và Caltech đã đạt được những bước đột phá về kích thước ma trận chip (512×512) và tần số quang học (>100 GHz), thì sự đổi mới của nhóm SIOM nằm ở giải quyết điểm nghẽn về song song hóa.Đây là con đường thực tiễn nhất để mở rộng hiệu suất trong ngắn hạn, có khả năng giúp sức mạnh tính toán quang học vượt bậc 2–3 bậc độ lớn.

Một đội ngũ trẻ trung, đầy nhiệt huyết đang tiên phong mở đường

Thành tựu này được ghi nhận là nhờ SIOM’s Nhóm Quang tử học và Tính toán quang học, do Tiến sĩ Peng Xie dẫn dắt, người từng làm việc tại MIT, Đại học Oxford và Đại học Công nghệ Nanyang trước khi trở về Trung Quốc. Nhóm nghiên cứu này, với độ tuổi trung bình chỉ 28, quy tụ các chuyên gia trong các lĩnh vực quang học, điện tử, toán học và trí tuệ nhân tạo để thúc đẩy sự đổi mới nhanh chóng.

Đáng chú ý, mọi thành phần cốt lõi của hệ thống — bao gồm nguồn sáng, chip tương tác, chip xử lý, bo mạch điều khiển và các thuật toán — đều được phát triển nội bộ. Sự tự chủ toàn diện này không chỉ đảm bảo khả năng kiểm soát kỹ thuật hoàn toàn mà còn nhấn mạnh điểm mạnh về mặt tổ chức của mô hình nghiên cứu phối hợp của CAS.

Nhìn về tương lai: Hướng tới một kỷ nguyên mới của siêu máy tính quang tử

Mẫu thử nghiệm Meteor One đánh dấu bước đi quan trọng đầu tiên hướng tới việc xây dựng một hệ sinh thái tính toán quang học hoàn chỉnh. Hiện tại, nhóm nghiên cứu đang tập trung vào việc biến những ưu điểm của công nghệ quang học thành những lợi ích tính toán thực tế bằng cách liên tục mở rộng quy mô ma trận, tần số và khả năng song song.

Về lâu dài, các nhà nghiên cứu đặt mục tiêu tích hợp tính toán quang học với các kiến trúc mạng nơ-ron, mở đường cho siêu máy tính quang tử có khả năng xử lý trí tuệ nhân tạo, dữ liệu lớn và các mô phỏng khoa học phức tạp với hiệu quả chưa từng có. Với tiềm năng lý thuyết vượt quá 5.000 người (tương đương với tổng công suất của 1.000 GPU hàng đầu), tính toán quang học có thể sớm trở thành một giải pháp thay thế mang tính đột phá cho chip điện tử trong kỷ nguyên hậu Định luật Moore.

Khi nhu cầu toàn cầu về công nghệ máy tính tăng vọt, sự ra mắt của Meteor One không chỉ đánh dấu một bước đột phá công nghệ, mà còn báo hiệu sự khởi đầu của một mô hình mới—một tương lai nơi ánh sáng, chứ không phải electron, trở thành động lực của trí tuệ.