在川流不息的十字路口，紅綠燈通過調(diào)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(diào)控，而調(diào)控的速度與精準(zhǔn)度，直接決定了芯片的性能。北京大學(xué)常林研究團隊與中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院合作，成功開發(fā)出世界首款光子時鐘芯片，可將芯片上的時間調(diào)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(xiàn)實應(yīng)用的性能。相關(guān)成果日前發(fā)表于《自然·電子學(xué)》。

“傳統(tǒng)芯片要想產(chǎn)生高速的信息處理能力，通常需要基于電子的振蕩器來產(chǎn)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(chǎn)生較高熱量。同時，一個芯片往往只能產(chǎn)生一定頻率范圍內(nèi)的時鐘，導(dǎo)致不同應(yīng)用，比如6G、車載毫米波雷達(dá)、GPU等，需要完全不同的芯片制造技術(shù)，從而極大提升了芯片成本。”常林告訴記者，“不同于傳統(tǒng)方案，我們開發(fā)的光子芯片技術(shù)‘以光為媒’，通過光子產(chǎn)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(guān)鍵在于對“光頻梳”技術(shù)的“改造”。在過去，這一技術(shù)只能依靠昂貴的設(shè)備來實現(xiàn)，一臺售價幾百萬元，且只能依賴進口。“我們成功實現(xiàn)了‘光頻梳’技術(shù)的芯片化，通過在芯片上構(gòu)建類似于跑道形狀的環(huán)，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(biāo)準(zhǔn)。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(diào)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(tǒng)芯片的性能。”研究團隊在實驗中發(fā)現(xiàn)，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(shù)的另一個重要應(yīng)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(xiàn)的時鐘頻率已超過100GHz。這相當(dāng)于在更短的時間內(nèi)，我們可以計算更多次數(shù)，從而為人工智能發(fā)展提供更強算力。”