Một nhóm nhà khoa học Trung Quốc vừa công bố bước tiến mới trong lĩnh vực chế tạo chip quang học khi phát triển thành công phương pháp sản xuất có thể biến các cấu trúc hai chiều (2D) thành cấu trúc quang học ba chiều (3D) trên toàn bộ tấm wafer chỉ trong vài giây.
Nghiên cứu do các nhà khoa học thuộc Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) phối hợp với Đại học Hong Kong và nhiều tổ chức nghiên cứu trong nước thực hiện. Nếu được thương mại hóa thành công, công nghệ này có thể tháo gỡ một trong những nút thắt lớn nhất của ngành quang tử tích hợp, đồng thời mở đường cho thế hệ chip AI và điện toán hiệu năng cao trong tương lai.
Từ nhiều giờ xuống chỉ còn vài giây
Theo nhóm nghiên cứu, quy trình chế tạo chip hiện nay chủ yếu dựa trên kỹ thuật chùm ion tập trung (Focused Ion Beam – FIB). Đây là phương pháp có độ chính xác rất cao nhưng chỉ có thể gia công từng cấu trúc nano riêng lẻ.
Chính vì phải xử lý tuần tự từng linh kiện nên quá trình chế tạo các cấu trúc quang học 3D trên diện tích lớn thường mất nhiều giờ, thậm chí lâu hơn đối với các thiết kế phức tạp. Điều này trở thành rào cản lớn trong việc đưa chip quang học từ phòng thí nghiệm sang sản xuất hàng loạt.
Nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã lựa chọn cách tiếp cận hoàn toàn khác.
Thay vì sử dụng chùm ion tập trung để xử lý từng điểm, công nghệ mới ứng dụng chùm ion diện rộng kết hợp kỹ thuật tự gấp theo nguyên lý “origami” ở cấp độ nano. Phương pháp này cho phép hàng nghìn cấu trúc 2D trên toàn bộ wafer 4 inch đồng thời biến đổi thành các cấu trúc quang học 3D chỉ trong một quy trình sản xuất chip duy nhất.
Theo nghiên cứu sinh tiến sĩ Wang Yi, trưởng nhóm dự án, nền tảng mới có thể giải quyết bài toán “nút thắt cổ chai” trong sản xuất quang tử tích hợp khi vừa duy trì độ chính xác cao, vừa nâng hiệu suất lên mức đủ để phục vụ sản xuất quy mô lớn.
Độ chính xác cao, hiệu suất tăng hơn 100 lần
Không chỉ rút ngắn thời gian chế tạo, phương pháp mới còn đạt độ đồng nhất góc trên 97%, yếu tố đặc biệt quan trọng đối với các linh kiện quang học. Nhóm nghiên cứu cho biết hiệu suất chế tạo được cải thiện hơn 100 lần so với quy trình FIB truyền thống.
Điều này đồng nghĩa việc sản xuất các cấu trúc nano phức tạp vốn cần nhiều giờ hoặc lâu hơn có thể hoàn thành chỉ trong vài giây, đồng thời giảm đáng kể chi phí sản xuất nếu công nghệ được triển khai trên quy mô công nghiệp.
Theo các nhà khoa học, nền tảng này có thể thu hẹp khoảng cách giữa những thiết kế quang tử mang tính tùy biến cao trong phòng nghiên cứu với khả năng sản xuất hàng loạt của ngành công nghiệp bán dẫn.
Chip quang học trở thành cuộc đua mới của AI
Đột phá xuất hiện trong bối cảnh ngành bán dẫn toàn cầu đang bước vào cuộc cạnh tranh mới xoay quanh điện toán quang học.
Khi các mô hình AI ngày càng lớn, lượng dữ liệu cần truyền giữa các bộ xử lý tăng theo cấp số nhân. Hệ thống kết nối điện truyền thống bằng dây đồng đang dần bộc lộ giới hạn về băng thông, độ trễ và mức tiêu thụ điện năng.
Trong khi đó, kết nối quang học có thể truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn, khoảng cách xa hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn. Đây cũng là lý do các tập đoàn như Intel, TSMC, Ayar Labs, Lightmatter hay nhiều viện nghiên cứu lớn như Imec (Bỉ) và NTT (Nhật Bản) đều đang đầu tư mạnh vào công nghệ quang tử silicon.
Trung Quốc cũng tăng tốc trong lĩnh vực chip này với sự tham gia của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS), Huawei cùng nhiều doanh nghiệp công nghệ nội địa.
Mở đường cho chip AI thế hệ mới
Một trong những ưu điểm lớn nhất của cấu trúc quang học 3D là cho phép bố trí linh kiện dày đặc hơn nhiều so với kiến trúc phẳng truyền thống. Việc mở rộng sang không gian ba chiều giúp giảm nhiễu tín hiệu, cải thiện khả năng truyền dữ liệu và tích hợp nhiều chức năng hơn trên cùng diện tích chip.
Đối với các trung tâm dữ liệu AI, nơi hàng nghìn GPU phải liên tục trao đổi dữ liệu với nhau, công nghệ này được kỳ vọng sẽ góp phần giảm mức tiêu thụ điện, đồng thời tăng tốc độ xử lý.
Theo nhóm nghiên cứu, phương pháp chế tạo mới không chỉ phù hợp với điện toán AI mà còn có tiềm năng ứng dụng trong viễn thông tốc độ cao, cảm biến quang học, thiết bị y tế và nhiều lĩnh vực công nghệ khác.
Vẫn còn chặng đường dài để thương mại hóa
Dù mang lại nhiều triển vọng, công nghệ chip hiện vẫn mới dừng ở giai đoạn nghiên cứu. Các nhà khoa học chưa công bố kế hoạch thương mại hóa cũng như chi phí triển khai trên dây chuyền sản xuất thực tế.
Tuy nhiên, việc rút ngắn thời gian chế tạo từ nhiều giờ xuống chỉ còn vài giây được xem là một trong những bước tiến đáng chú ý nhất của lĩnh vực quang tử tích hợp trong thời gian gần đây.
Trong bối cảnh cuộc đua AI đang thúc đẩy nhu cầu về những nền tảng điện toán nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn, các đột phá trong công nghệ sản xuất như nghiên cứu của Trung Quốc có thể trở thành nền tảng quan trọng cho thế hệ chip quang học tiếp theo, nơi hiệu năng không chỉ phụ thuộc vào kiến trúc xử lý mà còn đến từ khả năng sản xuất nhanh, chính xác và ở quy mô công nghiệp.
