Khi các mô hình AI tạo sinh ngày càng tinh vi và tiêu tốn nhiều năng lượng hơn để sản xuất hình ảnh và video, các vi mạch điện tử hiện tại đang dần đạt đến giới hạn về tốc độ và hiệu suất. Đây chính là lúc mà chip quang học - loại chip sử dụng ánh sáng thay vì điện - nổi lên như một giải pháp tiềm năng cho bài toán nan giải này.
Trung Quốc dẫn đầu trong nghiên cứu
Trong 5 năm qua, nghiên cứu về chip quang học đã phát triển như vũ bão, và Trung Quốc hiện đang là quốc gia dẫn đầu trong lĩnh vực này.
"Trung Quốc đã đầu tư chiến lược vào cơ sở hạ tầng, năng lực và nhân tài trong lĩnh vực này suốt cả thập kỷ qua," Ben Eggleton, nhà vật lý tại Đại học Sydney (Úc), chia sẻ. Với kinh nghiệm làm tổng biên tập của APL Photonics - một tạp chí uy tín về chip quang học - ông nhận thấy số bài báo chất lượng cao về chip quang học từ Trung Quốc đã tăng đáng kể.
Trung Quốc đã đầu tư chiến lược vào cơ sở hạ tầng, năng lực và nhân tài trong lĩnh vực chip quang học suốt 10 năm qua. Ảnh: Shutterstock.
Theo phân tích của Nature, các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã công bố 476 bài báo về chip quang học trong năm qua - nhiều nhất trên thế giới. Số lượng bài báo này đã tăng gấp mười lần trong giai đoạn 2017-2025, trong khi Mỹ chỉ tăng hơn gấp đôi trong cùng khoảng thời gian.
Trong những năm qua, Mỹ đã cố gắng hạn chế Trung Quốc tiếp cận các vi mạch điện tử tiên tiến và các thiết bị cần thiết để sản xuất chúng. Đó là những vi mạch rất quan trọng để huấn luyện và triển khai các mô hình AI quy mô lớn. Đối mặt với các hạn chế này, Trung Quốc đã tìm kiếm các giải pháp thay thế để đạt được hiệu suất tính toán cao hơn. "Kế hoạch 5 năm lần thứ 14 của Trung Quốc đã đề cập đến quang học, cùng với các dự án điện toán lượng tử. Chính phủ Trung Quốc đã đầu tư dài hạn vào lĩnh vực này," Zengguang Cheng, một nhà khoa học vật liệu tại Đại học Phúc Đán ở Thượng Hải, chia sẻ.
Bước đột phá
Các vi mạch quang học truyền tải thông tin bằng ánh sáng (photon) thay vì điện (electron), giúp tiết kiệm năng lượng và hoạt động hiệu quả hơn các hệ thống điện tử hiện tại. Chip quang học hiện nay đã được ứng dụng trong các cảm biến, hệ thống truyền thông dữ liệu và thiết bị y tế. Tuy nhiên, việc sử dụng chúng để tính toán, đặc biệt cho các tác vụ AI tạo sinh, vẫn còn rất nhiều thách thức.
Chip điện tử điều chỉnh điện áp qua các transistor, còn chip quang học lại dựa vào việc điều khiển biên độ, pha và các mẫu giao thoa của ánh sáng. Mặc dù giúp tiết kiệm năng lượng, nhưng chip quang học lại gặp khó khăn trong việc mở rộng, tái cấu hình và huấn luyện cho các nhiệm vụ phức tạp. Yitong Chen, một kỹ sư điện tử tại Đại học Giao thông Thượng Hải, cho biết, cho đến gần đây, hầu hết các chip quang học chỉ có thể thực hiện các chức năng đơn giản như phân loại hình ảnh.
Tuy nhiên, một bước đột phá đã xảy ra khi ông Chen và các đồng nghiệp công bố chip quang học LightGen. Đây được xem là chip điện toán hoàn toàn quang học đầu tiên hỗ trợ các mô hình AI tạo sinh ngữ nghĩa và hình ảnh quy mô lớn. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các siêu bề mặt tích hợp - những lớp vật liệu được thiết kế để điều khiển ánh sáng ở mức độ cực kỳ nhỏ (nano). Điều này giúp họ tích hợp hàng triệu "nơ-ron quang học" vào chip. Họ cũng phát triển một thuật toán huấn luyện đặc biệt dành riêng cho các hệ thống quang học. Theo nhóm nghiên cứu, chip LightGen có thể tạo hình ảnh, chỉnh sửa video, thậm chí tạo các cảnh 3D với tốc độ và hiệu quả năng lượng vượt trội gấp 100 lần các bộ xử lý cao cấp như A100 của NVIDIA.
Thành quả này một phần đến từ nỗ lực của chính phủ Trung Quốc nhằm thúc đẩy sự hợp tác chặt chẽ giữa các doanh nghiệp và viện trường, tạo cơ hội cho các công ty khởi nghiệp trong lĩnh vực vi mạch quang học như LightStandard và InnoLight. Đây chính là động lực để thúc đẩy nghiên cứu và thương mại hóa công nghệ quang học.
Vẫn còn những trở ngại
Mặc dù chip quang học mang lại nhiều lợi ích, các nhà khoa học vẫn gặp phải những thách thức lớn khi áp dụng chúng vào các mô hình AI tạo sinh quy mô lớn. Nếu các transistor trong chip điện tử tiêu tốn năng lượng dưới dạng nhiệt, thì chip quang học lại không gặp phải vấn đề này. Tuy nhiên, chip quang học lại "ngốn" năng lượng ở những bộ phận hỗ trợ như laser, cảm biến và bộ điều chế. "Câu hỏi là liệu năng lượng tiêu tốn cho các thành phần hỗ trợ có vượt quá lợi ích mà chip quang học mang lại không? Điều này chỉ có thể trả lời khi chip này được sử dụng thực tế," Eggleton chia sẻ.
Bên cạnh đó, chip điện tử có thiết kế linh hoạt, có thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, còn kiến trúc của chip quang học thay đổi tùy vào mục đích sử dụng. Điều này khiến các nhà khoa học gặp khó khăn trong việc tạo ra một bộ xử lý quang học đa năng như vi mạch NVIDIA. Dù có rất nhiều tiềm năng, nhưng Eggleton cho biết, chip quang học khó có thể thay thế hoàn toàn các bộ xử lý điện tử đa năng. Thay vào đó, chúng sẽ được sử dụng như những thành phần chuyên biệt trong một hệ thống tính toán kết hợp rộng hơn.
Việt Anh tổng hợp
—
Nguồn tham khảo:
China is betting on ‘optical’ computer chips – will they power AI?, Nature
https://www.nature.com/articles/d41586-026-00274-9
Photonic chips provide a processing boost for AI, Nature
https://www.nature.com/articles/d41586-025-00907-5
Chinese scientists develop optical AI chip 100x faster than Nvidia, TechinAsia
https://www.techinasia.com/news/chinese-scientists-develop-optical-ai-chip-100x-faster-than-nvidia