戍天九思：提升100倍：中国研发全球首款光子时钟芯片

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　　据2月28日《科技日报》报道，芯片的信息处理需要做好时间调控，而调控的速度与精准度，直接决定了芯片的性能。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合作，成功开发出世界首款光子时钟芯片，可将芯片上的时间调控速度提升100倍，从而极大提升未来智能计算、6G通信、空天遥感等一系列现实应用的性能。相关成果日前发表于《自然·电子学》。

　　笔者认为，中国光子时钟芯片的突破远超任何单一技术突破，是一项极为基础的战略级科研成果。其本质是通过底层时频技术的跨代，重构信息社会的“时空基准”，大幅提升中国人对时间和空间的掌控能力。

　　全球首款光子时钟芯片的两大创新突破

　　传统的电子芯片时钟功耗大、频率低、不可调，而具有类似光子时钟芯片功能的“光频梳”设备体积大、价格贵。中国研发的全球首款光子时钟芯片，正好解决了这两大难题。

　　一方面，实现“光频梳”设备芯片化。常林介绍，该芯片之所以能研制成功，关键在于对“光频梳”技术的“改造”。过去，“光频梳”设备长期被国外垄断，只能依赖进口，一台高档“光频梳”设备售价高达500万元。“我们成功实现了‘光频梳’技术的芯片化，通过在芯片上构建了类似于跑道形状的环，让光在其中以光速不断‘奔跑’，而每跑一圈的时间，就可以作为片上时钟的标准。由于这一时间非常短，通常为1秒的几十亿分之一，因此光子时钟能以超高速进行时间调控。”

　　“通过这种方案，我们可以基于光来进行芯片上的信息传输与处理，从而极大提升传统芯片的性能。”常林团队在实验中发现，他们可以只用一个芯片就能覆盖目前所有微波频段的时钟。“这也意味着，这一芯片可以支持从5G到6G，甚至更高速度的手机通信，从而避免了过去每升级一次通信方案，就需要更新一次手机硬件的问题。”

　　另一方面，解决传统电子芯片时钟功耗大、频率低、不可调的问题。常林说“传统芯片要想产生高速的信息处理能力，通常需基于电子的振荡器来产生时钟信号。但目前来看，该方案的速度并不理想，且会消耗大量功率，产生较高热量。同时，一个芯片往往只能产生一定频率范围内的时钟，导致不同应用，比如6G、车载毫米波雷达、GPU等，需要完全不同的芯片制造技术，从而极大提升了芯片成本。”

　　常林还解释说：“不同于传统方案，我们开发的光子芯片技术‘以光为媒’，通过光子产生时钟信号。我们都知道，就速度而言，光比电快很多，因此用光子时钟来处理信息，速度比电子时钟快得多。”

　　常林还透露：“这一技术的另一个重要应用，是提升计算的主频。目前，无论是GPU还是CPU，主频一般都在2—3GHz，而目前我们团队实现的时钟频率已超过100GHz。这相当于在更短的时间内，我们可以计算更多次数，从而为人工智能发展提供更强算力。”

　　中国光子时钟芯片革命来了

　　中国研发全球首款光子时钟芯片，一步领先，将步步领先，从国防安全到6G通信，从算力革命到深空探测，推动中国在全球科技竞争中从“跟跑”转向“领跑”，一场影响深远的光子时钟芯片革命来了。未来，随着光钟技术与量子计算的深度融合，中国有望率先进入“阿秒时代”，彻底改写人类对时间和空间的掌控能力。

　　一、实现技术自主与产业链升级

　　国家已将时频技术纳入《战略性新兴产业重点产品目录》，并在“十四五”规划中明确要求突破光钟、量子传感等核心技术。中科院“精密测量物理”重大专项已实现钙离子光钟不确定度达3渺秒（105亿年误差1秒），为光子时钟芯片提供底层技术验证。华为、中兴等企业正联合高校推进光芯片产线建设，2030年可望形成千亿级市场规模。

　　①突破“卡脖子”技术依赖。此前，高精度时频设备依赖进口，单台设备价格高达500百万元，且受制于国外技术封锁。光子时钟芯片的国产化实现了光频梳技术的芯片集成，通过“跑道型”光学谐振腔设计，使光信号以光速循环生成超高频时钟信号，从根本上摆脱了对进口设备的依赖。

　　②推动半导体工艺革新。传统电子时钟芯片依赖电子振荡器产生时钟信号，存在功耗高、频率限制在2-3GHz等问题。光子时钟芯片采用氮化硅光子芯片技术，主频突破100GHz，功耗降低90%以上，为芯片设计开辟了“光-电融合”的新路径，倒逼半导体产业链向光子集成方向升级。

　　③实现跨代兼容和成本优化。单一光子时钟芯片可覆盖从5G到6G乃至更高频段的微波时钟需求，避免传统方案中因通信标准升级而频繁更换硬件的问题。这种“一芯多频”特性显著降低了通信基站的建设和维护成本。DeepSeek估计，光子时钟芯片？初期价格可降至几万元，大规模量产可降到7000元左右。

　　二、加速国防和军事变革

　　①带来战略武器系统精度跃升。时频同步是导弹制导、北斗系统的核心技术。光子时钟芯片的高稳定性（不稳定性低于1.7×10???），可提升弹道导弹的打击精度至厘米级，同时增强卫星导航系统的抗干扰能力。例如，在反导系统中，时间同步误差每减少1纳秒，定位精度可提升30厘米。

　　②大幅提升雷达与电子战能力。军用雷达解析度与时钟频率直接相关。光子时钟芯片支持的100GHz以上主频，可使雷达分辨率提升数十倍，更精准识别隐身战机与高超音速武器。此外，其低功耗特性适合部署于无人机等小型化作战平台。

　　③赢得量子通信与加密优势。光子芯片在量子密钥分发中具备天然优势。高精度时钟可同步量子纠缠态生成与检测过程，提升量子通信网络的安全性与传输距离。美国Essex公司已证实类似技术可将军用通信加密强度提升3个数量级。

　　三、加速民用产业革新

　　①催生6G通信与空天互联网。6G网络需支持太赫兹频段通信，而光子时钟芯片的100GHz以上主频恰好满足这一需求。同时，其低功耗特性可使基站能效比提升40%，支撑未来空天地一体化网络建设。

　　②加速人工智能算力革命。GPU/CPU的主频长期受限于电子器件的物理瓶颈（当前最高为6GHz）。光子时钟芯片使计算主频突破100GHz，相当于单芯片算力提升50倍，有望解决大模型训练的“内存墙”问题。若与光子计算芯片结合，可构建全光AI计算系统，效率比现有方案高3个数量级。

　　③加速自动驾驶与物联网落地。在车联网中，光子时钟芯片可同时支持毫米波雷达（77-81GHz）、C-V2X通信（5.9GHz）等多频段需求，减少车载电子系统的复杂度。其微秒级时间同步精度还能提升多传感器融合的可靠性，将自动驾驶事故率降低90%以上。

　　四、重构芯片国际竞争格局

　　①争夺技术标准主导权。美国NIST虽在2019年已研发出芯片级铷原子钟（稳定性1.7×10???），但其依赖蒸汽电池和复杂频梳系统，体积和成本仍较高。中国光子时钟芯片通过全光集成方案，在保持同等稳定性的同时将成本压缩至千分之一，未来可能主导国际时频标准制定。

　　②提升全球供应链话语权。光子时钟芯片的产业化将带动上游氮化硅光子材料、飞秒激光器等细分领域发展。成都天奥电子等企业已实现原子钟国产化，结合此次突破，中国在精密时频领域的全产业链优势将进一步巩固。

　　③打赢“星链”级应用卡位战。马斯克的星链计划依赖高精度星载原子钟实现卫星组网。光子时钟芯片的小型化特性使其更适合大规模卫星部署，为中国星网、千帆、鸿鹄三大低轨星座提供技术支撑。