中國成功研制光子時鐘芯片 究竟是什么樣的？

在川流不息的十字路口，紅綠燈通過調整“時間”與“顏色”指揮交通流向。同樣的，芯片的信息處理也需做好時間調控，而調控的速度與精準度，直接決定了芯片的性能。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合作，成功開發出世界首款光子時鐘芯片，可將芯片上的時間調控速度提升100倍，從而極大提升未來智能計算、6G通信、空天遙感等一系列現實應用的性能。相關成果日前發表于《自然·電子學》。

“傳統芯片要想產生高速的信息處理能力，通常需要基于電子的振蕩器來產生時鐘信號。但目前來看，該方案的速度并不理想，且會消耗大量功率，產生較高熱量。同時，一個芯片往往只能產生一定頻率范圍內的時鐘，導致不同應用，比如6G、車載毫米波雷達、GPU等，需要完全不同的芯片制造技術，從而極大提升了芯片成本。”常林告訴記者，“不同于傳統方案，我們開發的光子芯片技術‘以光為媒’，通過光子產生時鐘信號。我們都知道，就速度而言，光比電快很多，因此用光子時鐘來處理信息，速度比電子時鐘快得多。”

常林介紹，該芯片之所以能研制成功，關鍵在于對“光頻梳”技術的“改造”。在過去，這一技術只能依靠昂貴的設備來實現，一臺售價幾百萬元，且只能依賴進口。“我們成功實現了‘光頻梳’技術的芯片化，通過在芯片上構建類似于跑道形狀的環，讓光在其中以光速不斷‘奔跑’，而每跑一圈的時間，就可以作為芯片上時鐘的標準。由于這一時間非常短，通常為1秒的幾十億分之一，因此光子時鐘能以超高速進行時間調控。”

“通過這種方案，我們可以基于光來進行芯片上的信息傳輸與處理，從而極大提升傳統芯片的性能。”研究團隊在實驗中發現，他們可以只用一個芯片就能覆蓋目前所有微波頻段的時鐘。“這也意味著，這一芯片可以支持從5G到6G，甚至更高速度的手機通信，從而避免過去每升級一次通信方案，就需要更新一次手機硬件的問題。”

常林還透露：“這一技術的另一個重要應用，是提升計算的主頻。目前，無論是GPU還是CPU，主頻一般都在2~3GHz，而目前我們團隊實現的時鐘頻率已超過100GHz。這相當于在更短的時間內，我們可以計算更多次數，從而為人工智能發展提供更強算力。”