芯片級(jí)分子時(shí)鐘作為新一代顛覆性時(shí)頻技術(shù)，是一種具有“原子鐘”級(jí)穩(wěn)定性、且可廣泛規(guī)模部署的小型化時(shí)間基準(zhǔn)。

天津華信泰科技有限公司建設(shè)的國內(nèi)首條芯片原子鐘生產(chǎn)線日前在濱海高新區(qū)落成投產(chǎn)。該條生產(chǎn)線可達(dá)到年產(chǎn)3萬臺(tái)的生產(chǎn)能力，其落成投產(chǎn)表明我國在芯片原子鐘領(lǐng)域打破國外壟斷，突破關(guān)鍵器件“卡脖子”問題，滿足國內(nèi)該技術(shù)產(chǎn)品在相關(guān)領(lǐng)域的迫切需求。

芯片原子鐘屬于電子信息技術(shù)中時(shí)間頻率技術(shù)領(lǐng)域的核心基礎(chǔ)器件，具有授時(shí)精準(zhǔn)度高、功耗低、體積小等特點(diǎn)，適用于衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)、通信同步、水下探測等應(yīng)用領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用空間。

芯片原子鐘是原子鐘領(lǐng)域的新產(chǎn)品，由于它的出現(xiàn)，推動(dòng)了海底勘探節(jié)點(diǎn)（OBN）的研制，海底石油勘探發(fā)生了革命性升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了全水域、高效率、采集道數(shù)不受限、勘探成本大幅下降等諸多優(yōu)點(diǎn)。

傳統(tǒng)的石油勘探一般采用線纜的方式，如果采用OBN海底勘探技術(shù)將大大提高勘探效率。石油勘探的時(shí)候，可以在海底投放上萬個(gè)以芯片原子鐘作為核心器件的OBN節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都嚴(yán)格要求時(shí)間同步，1個(gè)月漂移不能超過1毫秒。利用以芯片原子鐘作為核心器件的OBN節(jié)點(diǎn)勘探比傳統(tǒng)操作更加方便，不僅成本低、精準(zhǔn)度高，而且還進(jìn)一步提高了勘探面積。


1、顛覆時(shí)頻技術(shù)領(lǐng)域

時(shí)間基準(zhǔn)是非常重要的電子基礎(chǔ)設(shè)施之一。小型化的量子時(shí)間傳感器，在未來高速無線接入網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步和無 GPS 條件下的微型定位、導(dǎo)航、授時(shí)（μPNT）服務(wù)中發(fā)揮核心的作用。

傳統(tǒng)的晶體振蕩器（石英/MEMS）存在難以解決的中長期頻率漂移問題。而傳統(tǒng)原子時(shí)鐘雖然具備優(yōu)異的長期穩(wěn)定性，但其光電架構(gòu)復(fù)雜，因而造價(jià)高昂，難以大規(guī)模部署。此外，被寄予厚望的小型化光鐘存在難以解決的光頻梳穩(wěn)定性和小型化光源質(zhì)量等問題。

芯片級(jí)原子時(shí)鐘是王成在麻省理工學(xué)院讀博期間的研究成果。當(dāng)前高性能集成電路技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)可以把高度集成的波普探測系統(tǒng)集成在一塊 CMOS 芯片上。

在博士導(dǎo)師韓若楠教授指導(dǎo)下，王成博士選擇了極性氣體硫化羰分子在太赫茲頻段的旋高品質(zhì)因子轉(zhuǎn)譜線頻率做為時(shí)鐘參考，并研制了高集成度的 CMOS 波譜探測片上系統(tǒng)級(jí)芯片和小型化分子氣室，發(fā)展出第一代芯片級(jí)分子時(shí)鐘。

IEEE 固態(tài)電路協(xié)會(huì)（SSCS）主席、美國德州大學(xué)達(dá)拉斯分校肯尼斯·K·O（Kenneth K.O.）教授評(píng)價(jià)道：“由于譜線的高 Q 值，旋轉(zhuǎn)譜儀需要昂貴的精確頻率參考。但幸運(yùn)的是，這可以通過使用已知譜線作為參考來解決。該工作使用旋轉(zhuǎn)譜線成功實(shí)現(xiàn)了好于十億分之一的頻率穩(wěn)定度。”

日本東京工業(yè)大學(xué)岡田賢一（Kenichi Okada）教授在領(lǐng)域旗艦期刊 JSSC 上評(píng)價(jià)道：“芯片級(jí)分子時(shí)鐘具有低功耗、低成本、高可靠性和簡化的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。”

2020 年，第二代芯片級(jí)分子時(shí)鐘在集成電路領(lǐng)域旗艦會(huì)議國際固態(tài)電路會(huì)議（ISSCC）上發(fā)表，并進(jìn)行了現(xiàn)場技術(shù)展示[2]。2021 年王成回國之后，在國家自然科學(xué)基金委海外優(yōu)秀青年基金的支持下，積極展開性能更加優(yōu)異的改進(jìn)分子時(shí)鐘研究。

他表示：“將該技術(shù)應(yīng)用在下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)頻同步技術(shù)和微型定位、導(dǎo)航、授時(shí)設(shè)備 μPNT 中，可取代復(fù)雜、昂貴、低可靠性的小型化銣鐘和芯片級(jí)原子時(shí)鐘，大幅降低授時(shí)網(wǎng)絡(luò)失效概率，提高分布式傳感網(wǎng)絡(luò)探測精度。”

2022 年 6 月，第三代芯片級(jí)分子時(shí)鐘亮相射頻集成電路會(huì)議 RFIC，受到廣泛關(guān)注。目前，該技術(shù)已經(jīng)完成兩代實(shí)驗(yàn)室級(jí)和三代芯片級(jí)原型，正在開發(fā)芯片級(jí)分子時(shí)鐘的樣機(jī)，推進(jìn)工程化進(jìn)程中。

“我們正不斷深入芯片級(jí)分子時(shí)鐘的研究，以挖掘其性能極限。預(yù)期在三至四年內(nèi)完成該技術(shù)的實(shí)用部署。”王成說。


2、原子鐘重新定義“精準(zhǔn)”

事實(shí)上，原子鐘所運(yùn)用的領(lǐng)域要更高端一些，比如航天和軍事。而GPS之所以能進(jìn)行精準(zhǔn)定位，其核心原因就在于衛(wèi)星上搭載的原子鐘。

為了能夠消除這種誤差，就需要原子鐘來對(duì)時(shí)間進(jìn)行測算，要知道，就是衛(wèi)星定位的基本原理，是同時(shí)間內(nèi)被三個(gè)衛(wèi)星同時(shí)鎖定，并獲取到三個(gè)不同方向的坐標(biāo)點(diǎn)，人們通過這三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的規(guī)律，就能推斷出自己的精準(zhǔn)定位。

但要做到這一切的前提，則是定位人需要知曉自己與衛(wèi)星之間的距離，而通過原子鐘，定位人就能迅速知曉信息收發(fā)的時(shí)間差，之后再用該時(shí)間乘上光速，就能得出定位人與衛(wèi)星間的距離，從而就能夠判斷出自己所處的坐標(biāo)。

當(dāng)然，也正是源于這一原理，使得原子鐘本身也肩負(fù)著一個(gè)重任，那就是測算太空飛行器與地球間的距離，只要該距離能夠完成評(píng)估，那人類就能遠(yuǎn)程為太空飛行器進(jìn)行導(dǎo)航，使飛行器能夠更好地在太空進(jìn)行航行。

現(xiàn)在很多高科技領(lǐng)域都需要精確的計(jì)時(shí)，使用的都是原子鐘，比如衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。原子鐘是通過電子等微觀粒子的躍遷節(jié)奏確定時(shí)間的，銫原子、氫原子、汞原子、銣原子、鍶原子等都已經(jīng)被科學(xué)家廣泛用于研制原子鐘。

有人已經(jīng)將銫原子鐘做到了2,000萬年誤差一秒，而幾年前我國天宮二號(hào)上放置的冷原子鐘則做到了3,000萬年誤差一秒。

但這還并非是目前最精確的，已有光學(xué)原子鐘可以做到運(yùn)行一二百億年也不會(huì)差一秒，或者說從宇宙誕生開始一直運(yùn)行到今天，它的誤差也不會(huì)超過一秒。

這樣的計(jì)時(shí)精確度足夠高了吧？然而科學(xué)家們并沒有停下腳步，仍然在向著更高的計(jì)時(shí)精度努力，如今世界頂尖的計(jì)時(shí)研究專家正在研制一種比原子鐘更精確的時(shí)鐘——核鐘，理論上講它的精度可以達(dá)到光學(xué)研制中的至少10倍以上，可將計(jì)時(shí)的精確度推向新的極致。