MỸ – Các nhà khoa học tại Trường Kỹ thuật và Khoa học ứng dụng John A. Paulson (SEAS – Harvard John A. Paulson School of engineering and applied sciences) thuộc Đại học Harvard, đã tạo ra một thiết bị có khả năng kết nối liền mạch các tín hiệu điện tử kỹ thuật số và tín hiệu ánh sáng tương tự chỉ trong một bước duy nhất. Thiết bị này nhằm giải quyết một trở ngại lớn trong các hệ thống xử lý tín hiệu và điện toán quang học (photonic computing) (*) thế hệ tiếp theo.
(*) Điện toán quang học: là công nghệ xử lý dữ liệu và lưu trữ thông tin bằng sóng ánh sáng (photon) thay vì điện tử (electron).

Thiết bị mới này được chế tạo dựa trên các chip làm từ lithium niobate (1), một vật liệu chính của ngành quang điện tử, thiết bị này có khả năng thay thế cho các hệ thống chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự (digital-to-analog converter) (2) và hệ thống điều biến điện quang (electro-optic modulator) (3) phổ biến nhưng tiêu tốn nhiều năng lượng được sử dụng trong các mạng dữ liệu tốc độ cao hiện nay.
(1) Lithium niobate: là một vật liệu tinh thể có đặc tính quang học, thường được dùng để điều khiển ánh sáng bằng tín hiệu điện.
(2) Hệ thống chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự: trong mạng dữ liệu, đây là bước cần thiết để chuyển dữ liệu nhị phân (0s và 1s) thành tín hiệu điện hoặc ánh sáng liên tục.
(3) Hệ thống điều biến điện quang: là quá trình sử dụng tín hiệu điện để điều khiển các đặc tính của sóng ánh sáng (như cường độ, pha) để mã hóa dữ liệu.

Tác giả chính của dự án nghiên cứu, ông Marko Lončar, Giáo sư kỹ thuật điện Tiantsai Lin tại trường SEAS, chia sẻ: “Truyền thông quang học và điện toán hiệu năng cao, bao gồm các mô hình ngôn ngữ lớn, yêu cầu liên tục chuyển đổi lượng lớn dữ liệu giữa hai miền: miền điện (electrical domain) được sử dụng để lưu trữ và tính toán, và miền quang (optical domain) được sử dụng để truyền tải dữ liệu. Để các công nghệ quang tử có thể tích hợp liền mạch với các công nghệ điện tử, các giao diện giữa chúng phải đảm hai yêu tố then chốt: bảo tốc độ xử lý dữ liệu cao và giảm thiểu tiêu thụ điện năng.”

Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Nature Photonics.

Những rào cản hiện nay của điện toán quang học
Ngày nay, nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu điện tử số sang tín hiệu quang tử tương tự, được thực hiện bởi một quy trình gồm hai bước chính, là nền tảng của các hệ thống thu phát hiện đại trong các trung tâm dữ liệu: bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự, tiếp theo là bộ điều biến điện quang. Tuy nhiên, quy trình làm việc này có những hạn chế lớn: cần nhiều bước và nhiều thành phần khác nhau để hoàn thành việc chuyển đổi, và tiêu tốn nhiều năng lượng.

Đồng tác giả – cô Yunxiang Song, nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm Lončar (Lončar Lab), chia sẻ: “Khi tính toán bằng ánh sáng, tất cả năng lượng tiết kiệm được, tất cả tốc độ đạt được, thường bị triệt tiêu bởi những hộp điện tử cồng kềnh, đắt tiền và kém hiệu quả mà khách hàng cần để lấy các số 0, số 1, và biến chúng thành sóng sin, sóng vuông, sóng tam giác hoặc bất kỳ dạng sóng có ý nghĩa nào khác. Những điều này là rào cản trong nhiều loại hình điện toán quang học … Vậy nên, câu hỏi đặt ra là, liệu có thể thiết kế một loại bộ điều biến quang tử mới nào đó để loại bỏ hoàn toàn nhu cầu sử dụng các bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự điện tử hay không?”

Thiết bị mới của đại học Harvard đã đáp ứng được nhu cầu trên. Bằng cách tận dụng các đặc tính quang điện hiệu quả của lithium niobate màng mỏng, thiết bị có khả năng chuyển đổi trực tiếp đầu vào điện tử hoàn toàn là kỹ thuật số thành tín hiệu quang học tương tự, với tốc độ thông tin lên đến 186 gigabit/ giây, nhanh hơn gấp nhiều lần so với tốc độ internet gia đình thông thường. Thiết bị này còn có thể thúc đẩy những tiến bộ trong lĩnh vực quang tử vi sóng (microwave photonics) (*), ví dụ như trong truyền thông không dây hoặc radar, vì nó có thể kết hợp với công nghệ phát hiện quang để thực hiện quá trình chuyển đổi từ quang sang điện, giúp tạo ra các tín hiệu tần số vô tuyến.
(*) Quang tử vi sóng: là một lĩnh vực nghiên cứu liên ngành, kết hợp giữa kỹ thuật tần số vô tuyến hay vi sóng và quang điện tử.

Cuối cùng, các phương pháp tính toán quang học tiên tiến, hay tính toán sử dụng ánh sáng thay vì điện tử, đang được quan tâm sâu sắc vì photon (hạt ánh sáng) có khả năng xử lý dữ liệu theo cơ chế song song, và photon có thể xử lý dữ liệu hiệu quả hơn so với các thiết bị điện tử thông thường.

Đồng tác giả đầu tiên – ông Yaowen Hu, cựu nghiên cứu viên sau tiến sĩ tại trường SEAS và là trợ lý giáo sư tại Đại học Bắc Kinh (Peking University), chia sẻ: “Nghiên cứu của chúng tôi có tiềm năng giải quyết các rào cản hiện tại của các hệ thống điện toán và kết nối dữ liệu, đặc biệt là trong các công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI)”.

Kiểm chứng hiệu suất của thiết bị mới
Để chứng minh rằng thiết bị mới có khả năng xử lý dữ liệu với độ chính xác và tốc độ cao, các nhà khoa học đã dùng thiết bị này để mã hóa quang học các hình ảnh lấy từ bộ dữ liệu MNIST (*).
(*) Bộ dữ liệu MNIST: là một bộ dữ liệu chuẩn mực, được dùng để đánh giá hiệu năng của các hệ thống tính toán quang tử và học máy. Nó bao gồm các hình ảnh chữ số viết tay từ 0 đến 9.

Thiết bị của các nhà nghiên cứu đã được chế tạo bằng cách sử dụng quy trình sản xuất lithium niobate, do công ty khởi nghiệp HyperLight Corporation thuộc đại học Harvard phát triển. Quy trình này tương tự như quy trình hiện có để sản xuất chip silicon, vật liệu có mặt trong mọi điện thoại và máy tính ngày nay, đồng thời là nền tảng của cuộc cách mạng kỹ thuật số. Nhờ vào quy trình sản xuất này, nhóm nghiên cứu đã chứng minh được thiết bị này không chỉ hoạt động hiệu quả cho ứng dụng cụ thể của họ (chuyển đổi tín hiệu), mà còn có thể sản xuất với số lượng lớn và chi phí thấp, mở đường cho các công nghệ quang tử mới có thể bổ sung cho quang tử silicon, giúp tăng cường khả năng xử lý dữ liệu trong tương lai.

Để xem các tin bài khác về “Tín hiệu số”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online