Xu hướng kỹ thuật số: thiết bị và kiến trúc máy tính thế hệ tiếp theo, Lược tần số quy mô chip, tam giác điện tử

- Các thiết bị và kiến trúc máy tính thế hệ tiếp theo

Trong nửa thế kỷ qua, máy tính đã định hình và xác định lại nhiều lĩnh vực khác nhau trong cuộc sống cá nhân, công việc của chúng ta, thúc đẩy khả năng và năng lực hiểu bản thân và thế giới xung quanh của chúng ta. Máy tính là một thành phần thiết yếu trong một loạt các ngành, từ vật liệu mới đến sinh học đến khám phá thuốc, nhưng cũng là một phần cốt lõi của tất cả các thiết bị kỹ thuật số. Ngay từ đầu, máy tính đã được điều khiển bởi cùng một mô hình tính toán cổ điển do A. Turing và J. von Neumann hình dung. Trong thời đại kỹ thuật số với sự gia tăng theo cấp số nhân của nhu cầu tính toán, các máy tính hiện đại dựa trên silic và kiến trúc thông thường đã đạt đến giới hạn được xác định bởi các định luật vật lý, nhưng cũng phải đối mặt với các vấn đề liên quan đến kinh tế và độ tin cậy. Hiệu suất tính toán hiện tại, đặc biệt là trong một số loại lĩnh vực vấn đề như dự báo thời tiết, tin sinh học, người máy và các hệ thống tự trị, bị ràng buộc bởi mô hình máy tính thông thường. Tư duy lại mang tính cách mạng, khai thác quá trình vật lý, hóa học hoặc sinh học chưa được khám phá trước đây làm cơ sở để tính toán hoặc vận hành các thiết bị hiện có ở các chế độ hoặc chế độ mới có thể dẫn đến các hình thức tính toán hoàn toàn mới với lợi thế rõ ràng và có thể định lượng được để giải quyết các vấn đề hoặc ứng dụng quan trọng. Các cơ hội chính bao quanh các thiết bị và / hoặc kiến trúc xử lý thông tin mới dựa trên các mô hình tính toán độc đáo (ví dụ, nhưng không giới hạn ở tính toán hỗn loạn, entropi, quang học, vi khuẩn hoặc hóa học), sự có mặt của một loạt các phương pháp tính toán mới sẽ cho phép các giải pháp, bao gồm các hình thức tự động hóa tri thức khác thường mới ngoài xu hướng AI hiện tại, xác định và định lượng các giới hạn của mô hình máy tính hiện tại cũng như các khía cạnh đầu vào / đầu ra và giao diện liên quan.

Lĩnh vực này dựa trên các xu hướng công nghệ đang nổi lên như: bộ nhớ máy tính, máy tính lượng tử, bóng bán dẫn graphene, chip thần kinh đa hình, spintronics.

- Lược tần số quy mô chip

Lược tần số tích hợp quang tử (lược vi mô-microcomb) là một lớp mới của lược tần số chip, được tạo ra bởi tham số phi tuyến. Trái ngược với lược tần laze, chúng nhỏ gọn, có khoảng cách chế độ lớn phù hợp với lưới viễn thông, có thể tích hợp với các chức năng khác và quan trọng nhất là tương thích với chế tạo khối bán dẫn. Trong thập kỷ qua, những chiếc lược siêu nhỏ như vậy đã đạt được những tiến bộ vượt bậc: giờ đây chúng có thể được vận hành bằng pin và được tích hợp với phương tiện khuếch đại III-V. Chúng đã được thể hiện trong nhiều ứng dụng mới ở cấp độ hệ thống, từ giao tiếp mạch lạc terabit trên giây, LIDAR song song, đến tính toán thần kinh hình học, tạo vi sóng hoặc hiệu chuẩn quang phổ kế vật lý. Các lược tần số ở cấp vi mô có thể sớm rời khỏi phòng thí nghiệm đo lường và đi vào thực tế, nhưng trước khi điều đó xảy ra, một số thách thức quan trọng cần được giải quyết, ví dụ: phát triển các nền tảng phi tuyến mới (GaP, Lithium Niobate), hiệu suất chuyển đổi hiệu quả hơn, mở rộng sang mới dải bước sóng, cho phép các chức năng mới trên chip. Bằng cách mang lại độ chính xác của lược tần số quang học cùng với quang tử tích hợp, có thể thiết lập chắc chắn và triển khai lược tần rộng rãi, trên tất cả các vùng quang phổ với công nghệ quang tử tích hợp. Điều này sẽ làm cho chúng trở nên phổ biến trong hầu hết các ứng dụng đòi hỏi nhiều tần số của ánh sáng laser kết hợp. Các lĩnh vực ưu tiên bao gồm quang tử phi tuyến và tạo lược vi mô trong các thiết bị tích hợp có tiềm năng rõ ràng dẫn đến những khám phá không lường trước được, vì tương tác phi tuyến trong các hệ thống phức tạp có thể dẫn đến các hiện tượng nổi lên.

Lĩnh vực này dựa trên các xu hướng công nghệ mới nổi như: đồng hồ độ chính xác cao, quang điện tử, máy tính lượng tử, mật mã lượng tử.

- Photon, phonon, tam giác điện tử

Trong những năm gần đây, tương tác giữa photon (hạt mang ánh sáng), phonon (bán hạt mang năng lượng và động lượng thông qua dao động mạng) và electron (hạt mang điện tích) đã thu hút rất nhiều sự chú ý nghiên cứu vì vai trò chính của chúng trong vật lý vật chất ngưng tụ. Các dao động mạng trên các trạng thái điện tử gây ra hiện tượng tán xạ, theo đó các điện tử thay đổi trạng thái của chúng bằng cách phát ra hoặc hấp thụ các phonon. Tương tác của các điện tử với trường điện từ sẽ được biểu diễn dưới dạng các quá trình tán xạ, trong đó các điện tử phát ra hoặc hấp thụ các photon. Vào năm 2021, một trong những lần đầu tiên, một thí nghiệm thành công đã chứng minh sự tương tác giữa ánh sáng và phonon để điều khiển sự lan truyền của các dao động mạng một cách mạnh mẽ và có thể kiểm soát được. Trong các thiết bị điện tử nano, các kết nối tức là các kết nối giữa các phần tử khác nhau của mạch sử dụng nhiều năng lượng hơn các bộ vi xử lý. Các phương pháp tiếp cận dựa trên điện tích (điện tử) và dựa trên ánh sáng (photon) đã được thiết lập tốt để xử lý thông tin tích hợp trên chip. Phonon ít như vậy hơn, mặc dù chúng có thể được sử dụng để truyền thông tin bằng cách sử dụng một lượng nhỏ năng lượng. Điều này đòi hỏi chúng ta phải dễ dàng chuyển đổi giữa (hoặc kết hợp) photon, phonon và electron làm vật mang thông tin giống nhau (biến đa trạng thái). Việc kết hợp phonon trong danh sách là rất quan trọng, vì đây là thiết bị hiển thị trong nhiều hoạt động nâng quy mô hoặc nhiệt độ trên nhiệt độ heli (và điện tử lạnh không phải là một con đường rõ ràng để thực hiện). Những thách thức chính vẫn còn đó, như dấu vết, tổn thất, dải tần (vẫn còn quá thấp) và tiềm năng tích hợp của chúng để khai thác tiềm năng của photon, phonon và tam giác điện tử - các biến đa trạng thái trong các thiết bị tích hợp.

Lĩnh vực này dựa trên các xu hướng công nghệ mới nổi như: vật liệu 2D, siêu vật liệu, quang điện tử, spintronics, máy tính lượng tử, bộ nhớ máy tính.

N.M.Q (NASATI), theo EIC working paper 1/2022. Identification of emerging technologies and breakthrough innovations. European Union, 2022

Nguồn: https://www.vista.gov.vn/