Thiết kế của chip silicon-photonic (SiPh) là thiết kế đầu tiên kết hợp những nghiên cứu tiên phong trong việc điều khiển các vật liệu ở cấp độ nano để thực hiện các phép tính toán học bằng ánh sáng (phương tiện truyền thông nhanh nhất có thể) với nền tảng SiPh sử dụng silicon, một nguyên tố chi phí thấp, dồi dào dùng để sản xuất hàng loạt chip máy tính.

Sự tương tác của sóng ánh sáng với vật chất thể hiện một con đường khả thi để phát triển máy tính vượt qua những hạn chế của chip ngày nay, về cơ bản dựa trên các nguyên tắc giống như chip từ những ngày đầu của cuộc cách mạng điện toán những năm 1960.

Trong một bài báo khoa học đăng trên tạp chí Nature Photonics , nhóm của giáo sư Engheta cùng với nhóm của Firooz Aflatouni, Phó Giáo sư về Kỹ thuật Hệ thống và Điện, đã mô tả sự phát triển một con chip mới. Trong đó, nhóm nghiên cứu của Aflatouni đã đi tiên phong trong các thiết bị silicon có kích thước nano.

Mục tiêu của các nhà nghiên cứu là phát triển một nền tảng để thực hiện phép nhân ma trận vectơ, một phép toán cốt lõi trong quá trình phát triển và hoạt động của mạng thần kinh, kiến ​​trúc máy tính hỗ trợ các công cụ AI ngày nay.

Thay vì sử dụng một tấm silicon có chiều cao đồng đều, các nhà nghiên cứu “làm cho tấm silicon mỏng hơn” chẳng hạn như 150 nanomet, nhưng chỉ ở những vùng cụ thể.

Những thay đổi về chiều cao đó (không cần thêm bất kỳ vật liệu nào khác) cung cấp phương tiện kiểm soát sự truyền ánh sáng qua chip, vì những thay đổi về chiều cao có thể được phân bổ để khiến ánh sáng tán xạ theo các mẫu cụ thể, cho phép chip hoạt động tính toán toán học với tốc độ ánh sáng.

Thiết kế này đã sẵn sàng cho các ứng dụng thương mại và có khả năng được điều chỉnh để sử dụng trong các đơn vị xử lý đồ họa (GPU), nhu cầu về nó đã tăng vọt cùng với sự phổ biến rộng rãi mối quan tâm đến việc phát triển các hệ thống AI mới.

Ngoài tốc độ nhanh hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn, chip của Engheta và Aflatouni còn có lợi thế về quyền riêng tư: vì nhiều tính toán có thể diễn ra đồng thời nên sẽ không cần lưu trữ thông tin nhạy cảm trong bộ nhớ làm việc của máy tính, khiến máy tính trong tương lai được hỗ trợ bởi công nghệ đó hầu như không thể bị hack. Chi tiết tham khảo tại:

Vahid Nikkhah, Ali Pirmoradi, Farshid Ashtiani, Brian Edwards, Firooz Aflatouni, Nader Engheta. Inverse-designed low-index-contrast structures on a silicon photonics platform for vector–matrix multiplication. Nature Photonics, 2024; DOI: 10.1038/s41566-024-01394-2