Công nghệ quang điện tử (optoelectronics) đang được kỳ vọng sẽ giải quyết cuộc khủng hoảng điện năng tại các trung tâm dữ liệu AI, khi IEA dự báo mức tiêu thụ điện của các trung tâm dữ liệu toàn cầu sẽ đạt khoảng 1.000 TWh vào năm 2030, gấp đôi so với năm 2024 và tương đương tổng sản lượng điện hàng năm của Nhật Bản.

Quang điện tử là gì và tại sao nó quan trọng?

Quang điện tử là công nghệ thay thế một phần việc truyền dữ liệu bằng điện (qua dây đồng) bằng truyền dẫn quang (qua sợi quang hoặc ống dẫn sóng quang), giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng. Sự khác biệt chính so với đường truyền quang thông thường là quang điện tử áp dụng cho các kết nối cự ly rất ngắn, ngay gần chip bán dẫn như GPU hoặc thậm chí bên trong vỏ bọc của chip.

Vì sao trung tâm dữ liệu AI cần quang điện tử?

Các trung tâm dữ liệu AI đang phải đối mặt với sự bùng nổ tiêu thụ điện năng do khối lượng tính toán khổng lồ. Tổng thống Mỹ Donald Trump trong bài diễn văn trước Quốc hội tháng 2/2026 đã yêu cầu các công ty công nghệ lớn tự xây dựng cơ sở phát điện riêng, vì lo ngại hóa đơn tiền điện của người dân tăng cao. Công nghệ quang điện tử, với khả năng truyền lượng dữ liệu khổng lồ với mức tiêu thụ điện thấp và độ trễ thấp, được xem là giải pháp trọng tâm. NTT đặt mục tiêu giảm mức tiêu thụ điện năng mạng xuống 1/100 nhờ quang điện tử trong khuôn khổ sáng kiến IOWN.

Các phương pháp triển khai quang điện tử hiện nay

Hiện tại, các trung tâm dữ liệu truyền thống đã áp dụng một phần quang điện tử thông qua phương pháp "pluggable optical transceiver" (bộ thu phát quang có thể cắm), kết nối các bảng mạch in (PCB) với nhau bằng quang. Tuy nhiên, phương pháp này không đáp ứng đủ nhu cầu tính toán AI ngày càng tăng. Do đó, một phương pháp mới có tên "Co-Packaged Optics (CPO)" đang được triển khai, đưa quang học đến gần chip bán dẫn hoặc thậm chí vào bên trong vỏ bọc chip. Băng thông truyền dữ liệu hiện tại ở các trung tâm dữ liệu là hàng trăm Gbps, nhưng các trung tâm dữ liệu AI trong tương lai sẽ yêu cầu băng thông cấp Tbps.

Ứng dụng tương lai: Máy tính quang và ô tô tự lái

Ngoài trung tâm dữ liệu, quang điện tử còn có tiềm năng trong "máy tính quang" (optical computing), nơi các phép tính AI được thực hiện bằng ánh sáng thay vì điện, cho tốc độ nhanh hơn nhiều so với GPU và tiêu thụ điện năng thấp hơn. Các công ty khởi nghiệp như Lightmatter (Mỹ) và Cognifiber (Israel) đang phát triển công nghệ này. Xe ô tô thế hệ mới như SDV (Software-Defined Vehicle) và xe tự lái cũng là ứng dụng tiềm năng, khi lượng dữ liệu xử lý ngày càng lớn. Ngoài ra, máy tính lượng tử dựa trên xử lý thông tin bằng quang và cảm biến quang cũng đang được nghiên cứu.

Phân biệt các thuật ngữ liên quan

Quang điện tử thường bị nhầm lẫn với các thuật ngữ tương tự. "Quang bán dẫn" (optical semiconductor) gần như đồng nghĩa với linh kiện quang điện tử, bao gồm LED, laser bán dẫn và cảm biến hình ảnh CMOS. "Silicon photonics" là công nghệ cốt lõi của quang điện tử, cho phép chế tạo mạch quang trên nền silicon, giúp giảm chi phí nhờ tận dụng quy trình sản xuất bán dẫn. "Quang kết nối" (optical interconnect) là ứng dụng chính hiện nay của quang điện tử, kết nối các rack máy chủ hoặc chip với nhau bằng quang. Tại Nhật Bản, quang điện tử thường được gắn với sáng kiến IOWN của NTT, nhưng thực tế IOWN là hạ tầng truyền thông thế hệ mới sử dụng quang điện tử làm công nghệ cốt lõi, và nhiều nhà sản xuất Nhật Bản phát triển quang điện tử không tham gia IOWN.

Ảnh: Brett Sayles / Pexels