Chip quang TFLN 'Made in China' mở lối cho kỷ nguyên AI tốc độ cao và siêu máy tính thế hệ mới

Dây chuyền sản xuất chip lithium niobate (TFLN) màng mỏng 6 inch mới của Trung Quốc đang sẵn sàng đẩy nhanh tiến độ phát triển của nước này trong lĩnh vực AI và điện toán lượng tử. Ảnh: Handout.

Dây chuyền wafer TFLN sẵn sàng bứt phá vào lĩnh vực điện toán đám mây, siêu máy tính và huấn luyện mô hình AI, chuyên gia nhận định.

Khi Trung Quốc tham gia vào làn sóng sản xuất hàng loạt chip quang hiệu suất cao đang diễn ra trên toàn cầu, một chuyên gia tiên phong trong ngành cho biết hiệu năng kỹ thuật của các chip này sẽ tạo đà cho Trung Quốc tiến xa trong các lĩnh vực trí tuệ nhân tạo (AI), 6G và máy tính lượng tử.

Trung tâm Chip tích hợp Quang tử học của Đại học Giao thông Thượng Hải (CHIPX) mới đây thông báo rằng họ đã bắt đầu sản xuất wafer 6 inch (15,2 cm) dành cho chip quang sử dụng vật liệu lithium niobate màng mỏng (TFLN) – công nghệ truyền tải và xử lý thông tin bằng ánh sáng thay vì tín hiệu điện.

Mặc dù đây là dây chuyền sản xuất thử nghiệm đầu tiên của Trung Quốc trong lĩnh vực chip quang, châu Âu và Mỹ đã có bước đi trước. Năm ngoái, công ty SMART Photonics của Hà Lan nâng cấp dây chuyền để xử lý wafer 4 inch bằng vật liệu InP, trong khi công ty PsiQuantum có trụ sở tại California tiết lộ hồi tháng 2 rằng họ đang chuyển đổi dây chuyền silicon photonics cỡ 300 mm.

Dù xuất phát sau, dây chuyền sản xuất của Trung Quốc sử dụng vật liệu TFLN mới đang cho thấy lợi thế kỹ thuật rõ rệt, với bước đột phá trong việc vượt qua giới hạn toàn cầu về kết nối quang tốc độ cao.

TFLN là một vật liệu quang điện tử hiệu suất cao thế hệ mới, nổi bật với hiệu ứng điện-quang siêu nhanh, băng thông lớn và tiêu thụ điện năng thấp. Tuy nhiên, đặc tính giòn của vật liệu này từng cản trở sản xuất quy mô lớn.

“Thiết lập dây chuyền sản xuất ổn định này là kết quả của gần 15 năm nỗ lực”, Giáo sư Jin Xianmin, Giám đốc CHIPX, cho biết.

“Tôi bắt đầu nghiên cứu chip quang từ năm 2010 và tập trung vào lithium niobate từ năm 2018”, ông nói. “Trước khi xây dựng dây chuyền thử nghiệm này, chúng tôi đã dành nhiều năm hoàn thiện quy trình chế tạo, phát triển nguyên mẫu quy mô nhỏ và giải quyết những thách thức kỹ thuật then chốt”.

“Ví dụ, để đạt được khả năng ghép nối hiệu quả giữa điện cực và chip quang, chúng tôi phải trải qua quá trình thiết kế, mô phỏng, chế tạo và thử nghiệm cực kỳ phức tạp”, ông cho biết thêm.

Đội ngũ tại CHIPX đã làm việc trong nhiều năm để tạo ra bước đột phá trong lĩnh vực chip quang tử. Ảnh: Handout.

Việc xây dựng dây chuyền sản xuất thử nghiệm bắt đầu từ năm 2022 và hoàn tất sau 3 năm. Dây chuyền tích hợp hơn 110 thiết bị chế tạo tiên tiến theo công nghệ bán dẫn CMOS, thể hiện khả năng tự chủ hoàn toàn từ thiết kế đến sản xuất: quang khắc, lắng đọng màng mỏng, ăn mòn, xử lý ướt, cắt lát, đo lường và đóng gói, tất cả được tối ưu cho wafer TFLN 6 inch.

“Để đảm bảo độ ổn định và giảm thiểu biến số trong vật liệu và quy trình, hiện tại chúng tôi sử dụng thiết bị quốc tế hàng đầu. Tuy nhiên, trong tương lai, chúng tôi có thể dần thay thế bằng thiết bị nội địa hoặc tái chế, với một số nhóm kỹ thuật trong nước đã đủ khả năng bảo trì thiết bị bên thứ ba”, ông Jin nói thêm.

Mặc dù quy trình sản xuất có điểm tương đồng với chip điện tử, nhưng đã được tối ưu hóa cho ứng dụng quang tử. Trái ngược với chip điện tử chú trọng vào thu nhỏ và tích hợp, chip quang yêu cầu bề mặt siêu mịn.

Đội ngũ nghiên cứu đã áp dụng các kỹ thuật như xử lý nhiệt (annealing) để phục hồi các khuyết tật vi mô trên bề mặt và nâng cao hiệu năng quang học.

Nhờ thử nghiệm và tối ưu quy trình, nhóm đã đạt được các kết quả tiên tiến: băng thông điều chế vượt ngưỡng 110 gigahertz – phá vỡ giới hạn toàn cầu trong kết nối quang tốc độ cao; tổn hao chèn giảm xuống dưới 3,5 decibel và tổn hao sóng dẫn dưới 0,2 decibel/cm – cải thiện mạnh khả năng truyền tín hiệu.

Hiệu suất điều chế cũng cho thấy sự cải thiện rõ rệt về đặc tính điện-quang.

“Những con chip quang lithium niobate này không chỉ có thể hoạt động như máy chủ tính toán độc lập, mà còn đóng vai trò cốt lõi trong tích hợp quang-điện”, Jin cho biết. “Chúng cho phép kết nối tốc độ cao giữa nhiều tài nguyên tính toán khác nhau”.

Viện nghiên cứu hướng đến một kiến trúc máy tính mới kết hợp giữa truyền dẫn quang và xử lý quang học, mang lại giải pháp huấn luyện và suy luận mô hình AI có độ trễ thấp, hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng.

Với tổn hao cực thấp, băng thông lớn và tốc độ truyền cực nhanh, các bộ điều biến lithium niobate cũng rất phù hợp cho điện toán đám mây, trung tâm siêu máy tính và cơ sở hạ tầng 5G/6G trong tương lai.

Dây chuyền hiện tại có công suất 12.000 wafer 6 inch mỗi năm, với khả năng sản xuất nhanh và chi phí thấp. “Trước đây, có thể mất cả năm để chế tạo và thử nghiệm một chip quang lượng tử. Giờ đây, chúng tôi có thể lặp lại quy trình hàng tuần. Tốc độ này rất quan trọng để thúc đẩy công nghệ lượng tử”, ông Jin nói.

Ngành công nghiệp quang tử của Trung Quốc đang trên đà tăng tốc, với các doanh nghiệp như Xili Photonics (Hàng Châu) vừa gọi vốn thành công quy mô lớn. Tháng trước, CHIPX được Bộ Công nghiệp và Công nghệ Thông tin Trung Quốc chọn là một trong những nền tảng thử nghiệm trọng điểm đầu tiên.

Huyền Chi