作者黄湘红段跃初

在科技飞速发展的今天，芯片作为现代电子设备的核心，其性能的每一次突破都如同为科技列车注入更强劲的动力，推动着人类社会不断向前迈进。就在不久前，北京大学常林研究团队与中国科学院空天信息创新研究院携手，取得了一项震惊世界的科研成果 —— 成功开发出世界首款光子时钟芯片。这一成果于发表在顶尖学术期刊《自然・电子学》上，标志着芯片领域迎来了一场意义深远的变革。

芯片在信息处理过程中，时间调控至关重要，其调控的速度与精准度直接关乎芯片的性能优劣。一直以来，传统芯片大多依赖基于电子的振荡器来产生时钟信号，以实现信息处理。然而，这种传统方案存在诸多弊端。一方面，电子振荡器产生时钟信号的速度难以满足日益增长的高性能需求，在追求高速信息处理时显得力不从心；另一方面，它功耗巨大，在运行过程中会产生大量热量，不仅需要额外的散热设备来维持芯片正常工作，还增加了能源消耗和设备成本。此外，一个芯片往往只能产生特定频率范围内的时钟，不同应用场景，像 6G 通信、车载毫米波雷达、GPU 等，对时钟频率要求差异很大，这就导致每种应用都需要截然不同的芯片制造技术，使得芯片成本大幅攀升。

光子时钟芯片的出现，犹如一道曙光，照亮了这些难题的解决之路。它打破了传统电子时钟的束缚，“以光为媒” 来产生时钟信号。我们都知道，光在速度上具有天然的优势，比电快得多。这一特性使得光子时钟在处理信息时，速度远远超越电子时钟，能够将芯片上的时间调控速度提升 100 倍。如此显著的速度提升，为众多领域带来了前所未有的发展机遇。

这款芯片能够成功研制，关键在于对 “光频梳” 技术的创新性 “改造”。以往，“光频梳” 技术的实现依赖于价格高昂的进口设备，一台设备售价高达几百万元，这无疑限制了其广泛应用。常林研究团队成功攻克难题，实现了 “光频梳” 技术的芯片化。他们在芯片上构建了类似跑道形状的环，光在这个环中以光速持续 “奔跑”，每跑一圈的极短时间，就成为了片上时钟的精准标准。这一时间通常仅为 1 秒的几十亿分之一，凭借如此短暂且稳定的时间基准，光子时钟得以实现超高速的时间调控。

光子时钟芯片在众多前沿领域有着极为广泛的应用场景。在通信领域，5G 向 6G 乃至未来更高速通信网络演进的过程中，对芯片性能提出了极高要求。传统芯片在应对通信技术升级时，往往需要频繁更新手机等终端设备的硬件，给消费者带来不便和经济负担。而光子时钟芯片仅用一个芯片就能覆盖目前所有微波频段的时钟，这意味着它可以无缝支持从 5G 到 6G 甚至更高速的手机通信，大大降低了硬件更新成本，让用户能够更轻松地享受通信技术升级带来的便利。在未来的智慧城市中，大量的物联网设备需要高效稳定的通信连接。光子时钟芯片能够确保这些设备之间的通信快速且准确，从智能交通系统中车辆与基础设施的实时信息交互，到智能家居里各种设备的联动控制，都能实现低延迟、高可靠的通信，提升整个城市的智能化水平和运行效率。

在计算领域，光子时钟芯片同样发挥着巨大作用。以 GPU 和 CPU 为例，它们的主频目前一般在 2 - 3GHz，而常林团队实现的光子时钟芯片时钟频率已超过 100GHz。更高的时钟频率意味着在相同时间内可以进行更多次计算，为人工智能发展提供了强大的算力支持。人工智能的训练和应用需要处理海量的数据，对计算速度要求极高。光子时钟芯片带来的高主频计算能力，能够加速人工智能模型的训练过程，让模型更快地学习和优化，提高其性能和准确性，推动人工智能在医疗、交通、金融等多个领域的深入应用。在医疗影像诊断中，借助光子时钟芯片支持的高性能计算，能够快速对医学影像进行精准分析，帮助医生更及时准确地发现疾病；在金融领域，高频交易系统依靠光子时钟芯片的高速计算能力，能够在瞬息万变的市场中迅速做出交易决策，提升交易效率和收益。

在空天遥感领域，光子时钟芯片也展现出独特的优势。空天遥感设备需要在复杂的环境下快速、准确地处理大量数据，对芯片的性能和稳定性要求极高。光子时钟芯片的高速时间调控能力和低功耗特性，使其能够满足空天遥感设备的需求，提升数据处理效率和图像分辨率，为地球观测、气象监测、太空探索等提供更精确、更及时的数据支持。在气象卫星对全球气候的监测中，光子时钟芯片助力快速处理大量气象数据，更准确地预测天气变化，为人们的生产生活提供可靠的气象预警；在太空探索任务里，航天器上的遥感设备利用光子时钟芯片，能够清晰拍摄遥远星球的表面细节，帮助科学家深入了解宇宙奥秘。

除了上述领域，光子时钟芯片在自动驾驶领域也大有用武之地。自动驾驶汽车需要在极短时间内对周围环境信息进行分析和决策，比如识别道路上的行人、车辆以及交通标志等。光子时钟芯片的高速处理能力，能够确保汽车的传感器数据得到快速准确的处理，使车辆及时做出正确的行驶决策，大大提高自动驾驶的安全性和可靠性。在工业制造领域，高精度的生产流程控制对时间同步和数据处理速度要求严格。光子时钟芯片可以实现生产线设备之间的精准时间同步，优化生产流程，提高产品质量和生产效率，推动工业 4.0 的深入发展。

光子时钟芯片的成功研制，是我国科研团队在芯片领域的重大突破，它为未来智能计算、6G 通信、空天遥感等一系列关键领域的发展奠定了坚实基础，开启了科技发展的新纪元。随着这一技术的不断完善和推广应用，相信它将为人类社会带来更多意想不到的惊喜和变革。

来源: 科普文迅