我國研發(fā)出世界首款光子時鐘芯片，主頻100GHz，比電子時鐘快50倍

中國科學(xué)家研發(fā)出世界首款光子時鐘芯片，主頻輕松沖上100GHz，比傳統(tǒng)電子時鐘快了50倍！更離譜的是，它功耗只有電子時鐘的1/10，噪聲還降了90%。這技術(shù)到底咋做到的？

過去幾十年，芯片里的“時間管家”一直由電子振蕩器撐著。

電子跑不快，時鐘主頻最多到3GHz；電子還“怕熱”，高頻工作時功耗大、發(fā)熱嚴(yán)重，芯片穩(wěn)定性直線下降；更麻煩的是，一個芯片只能“干一行”——5G用的時鐘做不了6G，車載雷達的時鐘適配不了GPU，研發(fā)成本直接翻幾番。

比如，6G通信需要更高頻率的時鐘，傳統(tǒng)方案就得重新設(shè)計芯片，手機用戶換個通信制式可能就得換手機；AI大模型訓(xùn)練需要海量計算，電子時鐘的慢速度直接拖后腿；空天遙感要處理海量數(shù)據(jù)，電子時鐘的延遲更是讓精準(zhǔn)度打折扣。

這堆問題，像一塊塊大石頭，壓在通信、計算、遙感等領(lǐng)域的脖子上。

好消息是，北大常林團隊和中科院空天信息創(chuàng)新研究院聯(lián)手，用“光”撕開了一道口子。

他們盯上了“光頻梳”技術(shù)——過去這技術(shù)得靠幾百萬元的進口設(shè)備，現(xiàn)在團隊把它“塞”進了氮化硅光子芯片里。簡單說，就是在芯片上造了個“光子跑道”：光在跑道（環(huán)形光腔）里以每秒30萬公里的速度循環(huán)，每跑一圈的時間，就是芯片時鐘的“心跳”。

而光的速度遠(yuǎn)快于電子，天然自帶“高速buff”，加上團隊對光頻梳的創(chuàng)新改造，直接把時鐘主頻推上100GHz，是傳統(tǒng)電子時鐘的50倍。同時，光的低功耗特性讓芯片功耗降到電子時鐘的1/10，噪聲也少了90%，徹底治好了傳統(tǒng)芯片“發(fā)熱高、帶寬窄”的老毛病。

打個比方，傳統(tǒng)電子時鐘像在泥路上開拖拉機，又慢又顛；光子時鐘就像在高速路上開高鐵，又快又穩(wěn)。

而這一突破，也讓我們中國在光子芯片領(lǐng)域從“追趕者”變“領(lǐng)跑者”。

過去從2G到5G，每次升級都得換手機硬件，現(xiàn)在光子時鐘一個芯片能覆蓋所有微波頻段，5G到6G甚至更高速通信無縫切換。實驗數(shù)據(jù)顯示，手機用戶換機周期能從2-3年延長到5年以上；基站用了這技術(shù)，體積能縮小30%，能耗降40%。團隊還搞出了支持256-QAM調(diào)制的6G通信實驗系統(tǒng)，集成了厘米級精度的感知功能，未來基站能一邊通信一邊當(dāng)雷達用。

再有，現(xiàn)在CPU、GPU主頻2-3GHz，光子時鐘直接干到100GHz，相同時間計算次數(shù)多了50倍。AI大模型訓(xùn)練要處理海量數(shù)據(jù)，這技術(shù)相當(dāng)于給訓(xùn)練速度裝了“渦輪增壓”；實時決策系統(tǒng)需要快速響應(yīng)，光子時鐘能讓決策更快、更準(zhǔn)。

另外，空天遙感也將因此受益。因為遙感設(shè)備要處理大量數(shù)據(jù)，光子時鐘的超高速時間調(diào)控能快速“消化”數(shù)據(jù)，提升圖像分辨率和傳輸效率，以后資源勘探、環(huán)境監(jiān)測、氣象預(yù)測都能更準(zhǔn)、更快。

對于此次技術(shù)突破，《自然·電子學(xué)》銀河評價到，這是全球光子時鐘領(lǐng)域首次工程化突破，可能催生新一代“中國標(biāo)準(zhǔn)”。

從依賴百萬級進口設(shè)備，到把光頻梳“裝”進芯片；從解決光電子混合集成的工藝難題，到聯(lián)合華為、中芯國際推動商業(yè)化——這支由北大和中科院組成的團隊，用十年磨一劍的堅持，把被電子時鐘卡脖子，變成用“光”定義新規(guī)則。這不僅是技術(shù)的勝利，更是中國科研人“敢為人先”的精神寫照，更是“卡脖子”清單上又劃掉一項的底氣。