作者黃湘紅段躍初

在科技飛速發展的今天，芯片作為現代電子設備的核心，其性能的每一次突破都如同為科技列車注入更強勁的動力，推動著人類社會不斷向前邁進。就在不久前，北京大學常林研究團隊與中國科學院空天信息創新研究院攜手，取得了一項震驚世界的科研成果 —— 成功開發出世界首款光子時鐘芯片。這一成果于發表在頂尖學術期刊《自然?電子學》上，標志著芯片領域迎來了一場意義深遠的變革。

芯片在信息處理過程中，時間調控至關重要，其調控的速度與精準度直接關乎芯片的性能優劣。一直以來，傳統芯片大多依賴基于電子的振蕩器來產生時鐘信號，以實現信息處理。然而，這種傳統方案存在諸多弊端。一方面，電子振蕩器產生時鐘信號的速度難以滿足日益增長的高性能需求，在追求高速信息處理時顯得力不從心；另一方面，它功耗巨大，在運行過程中會產生大量熱量，不僅需要額外的散熱設備來維持芯片正常工作，還增加了能源消耗和設備成本。此外，一個芯片往往只能產生特定頻率范圍內的時鐘，不同應用場景，像 6G 通信、車載毫米波雷達、GPU 等，對時鐘頻率要求差異很大，這就導致每種應用都需要截然不同的芯片制造技術，使得芯片成本大幅攀升。

光子時鐘芯片的出現，猶如一道曙光，照亮了這些難題的解決之路。它打破了傳統電子時鐘的束縛，“以光為媒” 來產生時鐘信號。我們都知道，光在速度上具有天然的優勢，比電快得多。這一特性使得光子時鐘在處理信息時，速度遠遠超越電子時鐘，能夠將芯片上的時間調控速度提升 100 倍。如此顯著的速度提升，為眾多領域帶來了前所未有的發展機遇。

這款芯片能夠成功研制，關鍵在于對 “光頻梳” 技術的創新性 “改造”。以往，“光頻梳” 技術的實現依賴于價格高昂的進口設備，一臺設備售價高達幾百萬元，這無疑限制了其廣泛應用。常林研究團隊成功攻克難題，實現了 “光頻梳” 技術的芯片化。他們在芯片上構建了類似跑道形狀的環，光在這個環中以光速持續 “奔跑”，每跑一圈的極短時間，就成為了片上時鐘的精準標準。這一時間通常僅為 1 秒的幾十億分之一，憑借如此短暫且穩定的時間基準，光子時鐘得以實現超高速的時間調控。

光子時鐘芯片在眾多前沿領域有著極為廣泛的應用場景。在通信領域，5G 向 6G 乃至未來更高速通信網絡演進的過程中，對芯片性能提出了極高要求。傳統芯片在應對通信技術升級時，往往需要頻繁更新手機等終端設備的硬件，給消費者帶來不便和經濟負擔。而光子時鐘芯片僅用一個芯片就能覆蓋目前所有微波頻段的時鐘，這意味著它可以無縫支持從 5G 到 6G 甚至更高速的手機通信，大大降低了硬件更新成本，讓用戶能夠更輕松地享受通信技術升級帶來的便利。在未來的智慧城市中，大量的物聯網設備需要高效穩定的通信連接。光子時鐘芯片能夠確保這些設備之間的通信快速且準確，從智能交通系統中車輛與基礎設施的實時信息交互，到智能家居里各種設備的聯動控制，都能實現低延遲、高可靠的通信，提升整個城市的智能化水平和運行效率。

在計算領域，光子時鐘芯片同樣發揮著巨大作用。以 GPU 和 CPU 為例，它們的主頻目前一般在 2 - 3GHz，而常林團隊實現的光子時鐘芯片時鐘頻率已超過 100GHz。更高的時鐘頻率意味著在相同時間內可以進行更多次計算，為人工智能發展提供了強大的算力支持。人工智能的訓練和應用需要處理海量的數據，對計算速度要求極高。光子時鐘芯片帶來的高主頻計算能力，能夠加速人工智能模型的訓練過程，讓模型更快地學習和優化，提高其性能和準確性，推動人工智能在醫療、交通、金融等多個領域的深入應用。在醫療影像診斷中，借助光子時鐘芯片支持的高性能計算，能夠快速對醫學影像進行精準分析，幫助醫生更及時準確地發現疾病；在金融領域，高頻交易系統依靠光子時鐘芯片的高速計算能力，能夠在瞬息萬變的市場中迅速做出交易決策，提升交易效率和收益。

在空天遙感領域，光子時鐘芯片也展現出獨特的優勢。空天遙感設備需要在復雜的環境下快速、準確地處理大量數據，對芯片的性能和穩定性要求極高。光子時鐘芯片的高速時間調控能力和低功耗特性，使其能夠滿足空天遙感設備的需求，提升數據處理效率和圖像分辨率，為地球觀測、氣象監測、太空探索等提供更精確、更及時的數據支持。在氣象衛星對全球氣候的監測中，光子時鐘芯片助力快速處理大量氣象數據，更準確地預測天氣變化，為人們的生產生活提供可靠的氣象預警；在太空探索任務里，航天器上的遙感設備利用光子時鐘芯片，能夠清晰拍攝遙遠星球的表面細節，幫助科學家深入了解宇宙奧秘。

除了上述領域，光子時鐘芯片在自動駕駛領域也大有用武之地。自動駕駛汽車需要在極短時間內對周圍環境信息進行分析和決策，比如識別道路上的行人、車輛以及交通標志等。光子時鐘芯片的高速處理能力，能夠確保汽車的傳感器數據得到快速準確的處理，使車輛及時做出正確的行駛決策，大大提高自動駕駛的安全性和可靠性。在工業制造領域，高精度的生產流程控制對時間同步和數據處理速度要求嚴格。光子時鐘芯片可以實現生產線設備之間的精準時間同步，優化生產流程，提高產品質量和生產效率，推動工業 4.0 的深入發展。

光子時鐘芯片的成功研制，是我國科研團隊在芯片領域的重大突破，它為未來智能計算、6G 通信、空天遙感等一系列關鍵領域的發展奠定了堅實基礎，開啟了科技發展的新紀元。隨著這一技術的不斷完善和推廣應用，相信它將為人類社會帶來更多意想不到的驚喜和變革。

來源: 科普文迅