Trong 4 thập kỷ qua, ngành công nghiệp điện tử đã được thúc đẩy và phát triển dựa trên một nguyên tắc. Đó chính là định luật Moore, mà theo đó thì các con chip xử lý sẽ tăng gấp đôi tốc độ và hiệu năng mỗi 2 năm.
Cụ thể hơn, ông Gordon Moore cho rằng: “Số lượng các bóng bán dẫn trong một con chip xử lý sẽ tăng gấp đôi sau 24 tháng”. Bóng bán dẫn là đơn vị cơ bản nhất tạo nên một con chip xử lý trong máy tính hoặc smartphone.
“Số lượng các bóng bán dẫn trong một con chip xử lý sẽ tăng gấp đôi sau 24 tháng”.
Để có thể tăng số lượng bóng bán dẫn trong một con chip, mà không làm tăng kích thước con chip, các nhà nghiên cứu phải tìm cách chế tạo bóng bán dẫn ngày một nhỏ hơn.
Đó là lý do vì sao chúng ta có các quy trình sản xuất chip 22 nanomet, 16 nanomet, 14 nanomet, 10 nanomet và sắp tới sẽ là 7 nanomet và có thể là 5 nanomet.
Tuy nhiên có một giới hạn không thể phá bỏ
Các nhà nghiên cứu đang gần đạt đến giới hạn của những chiếc bóng bán dẫn, bởi chúng đã có kích thước vô cùng nhỏ. Hãy tưởng tượng một bóng bán dẫn 14 nm, tức là chỉ lớn hơn một phân tử ADN khoảng 14 lần.
Các bóng bán dẫn được chế tạo từ Silicon, kích thước của một phân tử Silicon là 0,2 nm. Có nghĩa là bề ngang của một bóng bán dẫn tương đương với khoảng 70 phân tử Silicon. Khi chế tạo các bóng bán dẫn 10 nm hay 7 nm, con số này càng thu hẹp lại.
Chúng ta đang dần tiến tới giới hạn không thể phá bỏ của vật lý.
Trong khi đó, các bóng bán dẫn phải đảm bảo số lượng phân tử Silicon nhất định và khó có thể tiếp tục thu hẹp hơn nữa. Đó là giới hạn vật lý mà các nhà nghiên cứu đang phải đối mặt và khiến cho Định luật Moore có khả năng không còn đúng nữa.
Tuy nhiên có một giải pháp có thể phá vỡ giới hạn đó. Thay vì sử dụng các tín hiệu điện - điện tử thông qua các bóng bán dẫn, các nhà nghiên cứu có thể thay thế bằng ánh sáng. Từ đó, một con chip mới dựa trên sự luân chuyển các hạt photon có thể giúp tốc độ xử lý và hiệu năng tăng lên một cách đáng kể.
Đưa ánh sáng vào trong một con chip xử lý
Một bóng bán dẫn trong chip xử lý hoạt động dựa trên sự luân chuyển dòng điện, mà cơ bản chính là các hạt electron. Nếu muốn đưa ánh sáng vào trong một con chip, các nhà nghiên cứu sẽ phải thay thế các dòng luân chuyển electron bằng các dòng luân chuyển hạt photon ánh sáng.
Các hạt electron và photon đều chuyển động theo dạng sóng, dao động lên xuống, ngay cả khi chúng di chuyển tiến thẳng về phía trước. Hiểu một cách đơn giản là khi đi từ điểm A đến điểm B, các hạt này không đi theo một đường thẳng mà sẽ vòng vèo như thế này.
Điểm khác biệt là các photon có bước sóng 1,3 micromet. Nghĩa là nó rất nhỏ, một sợi tóc con người có đường kính khoảng 100 micromet. Thế nhưng các electron còn có bước sóng nhỏ hơn rất nhiều, chỉ bằng 1 phần 50 đến 1.000 lần so với photon.
Và chúng ta dẫn đến một kết luận, đó là các bóng bán dẫn ánh sáng phải có kích thước lớn hơn so với các bóng bán dẫn điện truyền thống. Nó đi ngược lại truyền thống và mục tiêu của các nhà nghiên cứu, khi cố gắng tạo ra các bóng bán dẫn càng nhỏ càng tốt.
Thế nhưng bóng bán dẫn ánh sáng vẫn có thể phá vỡ giới hạn, theo một cách khác. Đó là tăng tốc độ xử lý, thay vì tăng số lượng bóng bán dẫn như định luật Moore nêu ra. Tốc độ ánh sáng là nhanh hơn rất nhiều so với tốc độ chuyền các điện tử.
Về cơ bản các hạt photon có thể di chuyển nhanh hơn 20 lần so với các electron. Điều đó cũng đồng nghĩa với các con chip ánh sáng sẽ có tốc độ cao hơn 20 lần so với chip xử lý truyền thống, với cùng số lượng bóng bán dẫn.
Nghĩa là chúng ta có thể đi trước tới 15 năm so với việc cứ tiếp tục bám vào định luật Moore như hiện nay. Những con chip quang tử này không cần quá nhiều bóng bán dẫn, cũng không cần các bóng bán dẫn siêu nhỏ, nhưng vẫn có thể phá vỡ giới hạn tốc độ và hiệu năng xử lý.
Tuy nhiên các nhà nghiên cứu vẫn chưa ấn định một thời điểm mà những con chip quang tử này sẽ được đưa vào sử dụng trong máy tính hoặc smartphone. Họ chỉ khẳng định rằng tương lai đó đang đến rất gần, dựa trên tốc độ phát triển của khoa học công nghệ hiện nay.
Nguồn: Sciencealert