Hoạt động bằng ánh sáng, tốc độ máy tính nhanh hơn gấp 20 lần

Việc sử dụng ánh sáng - được làm từ các hạt photon thay cho điện, sẽ tạo nên các bán bóng dẫn hoạt động nhanh hơn. Điều này sẽ cho ra đời các mẫu máy tính chạy nhanh hơn các máy tính thường ít nhất 20 lần.

Trong 4 thập kỉ qua, ngành công nghiệp điện tử đã phát triển một cách mạnh mẽ bởi định luật Moore. Nhờ vào nó mà cứ hai năm một lần, các thiết bị điện tử lại tăng gấp đôi tốc độ hoạt động và có nhiều tính năng hơn.

Quả thực mỗi năm, các công ty công nghệ đều cho ra mắt những mẫu máy nhanh, tiện ích, thông minh hơn

Cụ thể, luật Moore, như trình bày của Gordon Moore - đồng sáng lập của Intel là "số lượng bóng bán dẫn trên mỗi đơn vị inch vuông sẽ tăng lên gấp đôi sau mỗi năm". Bóng bán dẫn là một công tắc điện nhỏ. Nó là đơn vị cơ bản để vận hành tất cả các thiết bị điện tử.

Khi chúng trở nên nhỏ hơn, chúng sẽ hoạt động nhanh hơn và tiêu thụ ít điện hơn. Trong thế giới công nghệ, một trong những câu hỏi lớn nhất của thế kỷ 21 là: Làm thế nào để tạo ra các bóng bán dẫn nhỏ? Đây là ngành công nghiệp có doanh thu mỗi năm 200 tỉ đô, chỉ tính riêng ở Mỹ. Và nó vẫn đang phát triển mạnh mẽ.

Công nghệ quang tử sẽ là tương lai của máy tính. (Ảnh: Steve Jurvetson).

Hiện tại, các công ty như Intel là nơi sản xuất bóng bán dẫn 14 nanomet với số lượng lớn. Bóng được làm bằng silicon. Đây là vật liệu dồi dào thứ hai trên hành tinh của chúng ta. Kích thước của nguyên tử silicon khoảng 0.2 nanomet.

Các bóng bán dẫn hiện nay có chiều rộng bằng khoảng 70 nguyên tử silicon. Đây là kích thước rất nhỏ, và khó có khả năng để làm cho chúng nhỏ hơn nữa. Vào thời điểm này, các bóng bán dẫn sử dụng các tín hiệu điện - điện tử di chuyển từ nơi này sang nơi khác - để tương tác với nhau.

Nhưng nếu chúng ta có thể sử dụng ánh sáng, được làm từ các hạt photon - thay cho điện, chúng ta có thể tạo các bóng bán dẫn nhanh hơn. Các nhà nghiên cứu đang nỗ lực tìm cách để tích hợp ánh sáng vào trong các con chip.

Một bóng bán dẫn có ba phần, giống như các bộ phận của một máy ảnh kỹ thuật số.

Đầu tiên, thông tin đi vào ống kính, tương tự như nguồn của một bóng bán dẫn. Sau đó, nó đi qua một kênh từ các cảm biến hình ảnh đến các dây dẫn bên trong máy ảnh. Cuối cùng, thông tin được lưu trữ trên thẻ nhớ của máy ảnh.

Tất cả những cơ chế này hoạt động dựa trên sự di chuyển xung quanh của các electron. Để máy tính hoạt động nhanh hơn, cần thiết phải thay thế electron bằng các photon.

Các hạt nguyên tử như electron và photon di chuyển theo hình dạng sóng. Chúng dao động lên xuống, ngay cả khi di chuyển theo một hướng. Chiều dài của mỗi sóng phụ thuộc vào thứ mà nó đi qua.

Với silicon, bước sóng hiệu quả nhất đối với các photon là 1.3 micromet. Con số này rất nhỏ. Bình thường thì một sợi tóc của con người cũng chỉ vào khoảng 100 micromet.

Nhưng những electron trong silicon thậm chí còn nhỏ hơn. Nó có bước sóng từ 50 đến 1.000 lần, ngắn hơn so với các photon.

Điều này có nghĩa là các thiết bị xử lý photon phải lớn hơn so với các thiết bị xử lý electron mà chúng ta đang có. Vì vậy, giới nghiên cứu buộc phải tạo ra các bóng bán dẫn lớn hơn, chứ không phải càng ngày càng nhỏ - như chúng ta mong muốn.

Tuy nhiên, có thể giữ cho con chip ở một kích thước nhỏ nhưng vẫn có khả năng xử lý tốt hơn. Đầu tiên, một con chip quang tử chỉ cần một vài nguồn ánh sáng để tạo ra photon. Thứ hai, ánh sáng di chuyển nhanh hơn so với các electron. Trung bình, một photon di chuyển nhanh gấp 20 lần so với các electron trong một con chip. Qua đó, các máy tính sẽ chạy nhanh hơn gấp 20 lần.

Tốc độ kể trên - nếu theo đúng trình tự phát triển công nghệ như hiện nay thì phải tốn đến 15 năm.

Tương lai, các thiết bị quang tử này có thể thực hiện nhiều công việc phức tạp hơn so với các máy móc tốt nhất hiện nay. (Ảnh minh họa).

Các nhà khoa học đã chứng minh được sự hiệu quả khi dùng các con chip quang tử trong những năm gần đây. Một thách thức quan trọng cho giới nghiên cứu, chính là đảm bảo các con chip hoạt động nhờ ánh sáng có thể tương thích với tất cả các chip điện tử hiện có.

Nếu những nhà nghiên cứu có thể tìm ra cách để sử dụng các bóng bán dẫn dựa trên ánh sáng nhằm tăng cường khả năng hoạt động của electron, hiệu suất của máy tính sẽ được cải thiện rất nhiều.

Bóng bán dẫn đã có nhiều sự thay đổi đáng kể qua thời gian. Các bóng bán dẫn đầu tiên được chế tạo vào năm 1907 sử dụng ống chân không, cao từ 1 đến 6 inch (trung bình 100 mm). Tới năm 1947, tạo ra loại bóng bán dẫn dài 40 micromet (dài hơn gấp 3.000 lần so với hiện tại).

Vào năm 1971, bộ vi xử lý thương mại đầu tiên (nguồn điện chính của tất cả các thiết bị điện tử) ra đời. Nó lớn hơn gấp 1.000 lần so với thiết bị hiện nay.

Các nỗ lực nghiên cứu của các nhà khoa học và những thành quả vượt bậc trong ngành công nghiệp điện tử mà chúng ta thấy được, chỉ là bước khởi đầu trong ngành công nghiệp quang tử. Tương lai, các thiết bị quang tử này có thể thực hiện nhiều công việc phức tạp hơn so với các máy móc tốt nhất hiện nay.

Trong giai đoạn sắp tới, công nghệ dựa vào ánh sáng chắc chắn sẽ bắt kịp và vượt qua tốc độ điện tử.