在很多應(yīng)用領(lǐng)域，精準(zhǔn)的時(shí)間計(jì)量是基礎(chǔ)的構(gòu)成要素。就像目前大多數(shù)電路中都使用晶振來(lái)進(jìn)行時(shí)間計(jì)量。晶振大家都很熟悉，利用晶體的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)量，一般采用石英晶體或陶瓷晶體作為振蕩源，通過晶體產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)量。

作為傳統(tǒng)原子鐘技術(shù)的延伸，芯片級(jí)原子鐘以其小型化優(yōu)勢(shì)和高精度時(shí)間計(jì)量特性現(xiàn)在關(guān)注度很高。原子鐘向來(lái)都是精密時(shí)間計(jì)量的代表，但在芯片級(jí)原子鐘出現(xiàn)前，這一技術(shù)的應(yīng)用都僅限于高端航空、軍事領(lǐng)域。芯片級(jí)原子鐘的普及，將大大拓展在普通電子類消費(fèi)上的應(yīng)用。

從原子鐘到芯片原子鐘

對(duì)時(shí)間計(jì)量的精準(zhǔn)度，一直都代表著每個(gè)時(shí)代科技的最高水平，從日晷和沙漏到機(jī)械鐘、石英鐘，這些都是時(shí)間計(jì)量的代表。原子鐘則是現(xiàn)在我們所處時(shí)代對(duì)時(shí)間計(jì)量最精準(zhǔn)的設(shè)備。基于原子物理學(xué)的原子鐘可以做到幾千萬(wàn)年甚至上十億年僅誤差1s的超高精準(zhǔn)度。

從原理來(lái)說，原子是按照繞在原子核周圍不同電子層的能量差來(lái)吸收或釋放電磁能量的。當(dāng)原子從一個(gè)高“能量態(tài)”躍遷至低“能量態(tài)”時(shí)，它便會(huì)釋放電磁波。這種電磁波特征頻率是不連續(xù)的，這也就是人們所說的共振頻率，而同一種原子的共振頻率是一定的。這種準(zhǔn)確的節(jié)拍就是保持精準(zhǔn)計(jì)量的核心特性。原子鐘利用振動(dòng)場(chǎng)的頻率作為節(jié)拍器來(lái)產(chǎn)生時(shí)間脈沖，目前，振動(dòng)場(chǎng)頻率與原子共振頻率已達(dá)到完全同步的水平。

目前原子鐘采用的原子有銫、氫、銣幾種，應(yīng)用最廣的以銫原子鐘為主，在天文、地理、國(guó)防、航空航天等高端應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)重要地位。

芯片級(jí)原子鐘是傳統(tǒng)原子鐘的延伸，芯片級(jí)原子鐘也稱CPT原子鐘，其最大的特點(diǎn)就是尺寸小、功耗低，計(jì)時(shí)精度能達(dá)到銣原子鐘水平。傳統(tǒng)的原子鐘首先制造難度極高，高成本也限制了可應(yīng)用的范圍。本身來(lái)說傳統(tǒng)原子鐘體積大、功耗高的特點(diǎn)也并不適合絕大多數(shù)應(yīng)用。

芯片原子鐘很好地解決了這個(gè)矛盾，把原子鐘技術(shù)集成到芯片上，能夠契合現(xiàn)在的很多應(yīng)用。具體來(lái)說就是把原子振蕩器集成到芯片上，這種振蕩器比傳統(tǒng)的石英晶振精度領(lǐng)先幾個(gè)數(shù)量級(jí)，目前已經(jīng)面世的芯片原子鐘精度通常在數(shù)納秒到毫秒之間。

現(xiàn)在的通訊應(yīng)用、數(shù)據(jù)中心應(yīng)用、導(dǎo)航定位應(yīng)用，都需要高精度的時(shí)間同步作為前提，芯片原子鐘在實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步和頻率同步上的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)將成為重要的助力。現(xiàn)在最大的限制仍在于產(chǎn)量和成本。

國(guó)產(chǎn)芯片原子鐘加速發(fā)展

芯片原子鐘一直都是世界各國(guó)高度重視的行業(yè)，此前這一領(lǐng)域僅有美國(guó)的Symmetricom實(shí)現(xiàn)了芯片原子鐘的規(guī)?；a(chǎn)，在這一領(lǐng)域處于壟斷地位。

國(guó)內(nèi)從事芯片原子鐘研發(fā)的主要集中在高校和科研院所，成都天奧電子和天津華信泰近年來(lái)也在芯片原子鐘上進(jìn)展頻頻。

天奧電子一直在原子鐘領(lǐng)域耕耘，2020年左右開始攻克芯片原子鐘，根據(jù)目前流出的消息，目前天奧電子某型CPT原子鐘已處于小批量試制階段，某型CPT原子鐘正在進(jìn)行生產(chǎn)工藝方面的攻關(guān)工作，將在航空航天、衛(wèi)星導(dǎo)航、通信、計(jì)量等領(lǐng)域率先開始應(yīng)用。

今年下半年，華信泰國(guó)內(nèi)首條萬(wàn)臺(tái)芯片原子鐘生產(chǎn)線近日在天津高新區(qū)落成投產(chǎn)，產(chǎn)能達(dá)到年3萬(wàn)臺(tái)。華信泰自2010年起，潛心攻關(guān)，通過自主研發(fā)，突破了芯片原子鐘的關(guān)鍵技術(shù)，所生產(chǎn)的芯片原子鐘產(chǎn)品全部具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

這條生產(chǎn)線投產(chǎn)意味著國(guó)內(nèi)芯片原子鐘領(lǐng)域可自主實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)，不再被卡脖子。對(duì)于芯片原子鐘成本的下探、大規(guī)模應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，將進(jìn)一步推動(dòng)國(guó)內(nèi)通信、導(dǎo)航、時(shí)頻領(lǐng)域發(fā)展。

小結(jié)

芯片級(jí)原子鐘無(wú)可比擬的高精度時(shí)間計(jì)量特性會(huì)為需要高精度的時(shí)間同步的應(yīng)用發(fā)展提供不可或缺的助力，當(dāng)前雖然受限于產(chǎn)能和成本，但未來(lái)充滿了巨大的潛力。