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，晶片的資訊處理也需做好時間調控，而調控的速度與精准度，直接決定了晶片的性能。北京大學常林研究團隊與中國科學院空天資訊創新研究院合作，成功開發出世界首款光子時鐘晶片，可將晶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。相關成果日前發表於《自然·電子學》。

“傳統晶片要想產生高速的資訊處理能力，通常需要基於電子的振盪器來產生時鐘信號。但目前來看，該方案的速度並不理想，且會消耗大量功率，產生較高熱量。同時，一個晶片往往只能產生一定頻率範圍內的時鐘，導致不同應用，比如6G、車載毫米波雷達、GPU等，需要完全不同的晶片製造技術，從而極大提升了晶片成本。”常林表示，“不同於傳統方案，我們開發的光子晶片技術‘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資訊，速度比電子時鐘快得多。”

常林介紹，該晶片之所以能研製成功，關鍵在於對“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’技術的晶片化，通過在晶片上構建類似於跑道形狀的環，讓光在其中以光速不斷‘奔跑’，而每跑一圈的時間，就可以作為晶片上時鐘的標準。由於這一時間非常短，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，我們可以基於光來進行晶片上的資訊傳輸與處理，從而極大提升傳統晶片的性能。”研究團隊在實驗中發現，他們可以只用一個晶片就能覆蓋目前所有微波頻段的時鐘。“這也意味著，這一晶片可以支持從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體的問題。”

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。這相當於在更短的時間內，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。”

來源：光明日報