芯片原子钟为高精度时间同步应用带来变革

电子发烧友网报道（文/李宁远）在很多应用领域，精准的时间计量是基础的构成要素。就像目前大多数电路中都使用晶振来进行时间计量。晶振大家都很熟悉，利用晶体的特性来实现时间计量，一般采用石英晶体或陶瓷晶体作为振荡源，通过晶体产生稳定的振荡信号，从而实现计量。
 
作为传统原子钟技术的延伸，芯片级原子钟以其小型化优势和高精度时间计量特性现在关注度很高。原子钟向来都是精密时间计量的代表，但在芯片级原子钟出现前，这一技术的应用都仅限于高端航空、军事领域。芯片级原子钟的普及，将大大拓展在普通电子类消费上的应用。
 
从原子钟到芯片原子钟
 
对时间计量的精准度，一直都代表着每个时代科技的最高水平，从日晷和沙漏到机械钟、石英钟，这些都是时间计量的代表。原子钟则是现在我们所处时代对时间计量最精准的设备。基于原子物理学的原子钟可以做到几千万年甚至上十亿年仅误差1s的超高精准度。
 
从原理来说，原子是按照绕在原子核周围不同电子层的能量差来吸收或释放电磁能量的。当原子从一个高“能量态”跃迁至低“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率，而同一种原子的共振频率是一定的。这种准确的节拍就是保持精准计量的核心特性。原子钟利用振动场的频率作为节拍器来产生时间脉冲，目前，振动场频率与原子共振频率已达到完全同步的水平。
 
目前原子钟采用的原子有铯、氢、铷几种，应用最广的以铯原子钟为主，在天文、地理、国防、航空航天等高端应用领域占据重要地位。
 
芯片级原子钟是传统原子钟的延伸，芯片级原子钟也称CPT原子钟，其最大的特点就是尺寸小、功耗低，计时精度能达到铷原子钟水平。传统的原子钟首先制造难度极高，高成本也限制了可应用的范围。本身来说传统原子钟体积大、功耗高的特点也并不适合绝大多数应用。
 
芯片原子钟很好地解决了这个矛盾，把原子钟技术集成到芯片上，能够契合现在的很多应用。具体来说就是把原子振荡器集成到芯片上，这种振荡器比传统的石英晶振精度领先几个数量级，目前已经面世的芯片原子钟精度通常在数纳秒到毫秒之间。
 
现在的通讯应用、数据中心应用、导航定位应用，都需要高精度的时间同步作为前提，芯片原子钟在实现时间同步和频率同步上的绝对优势将成为重要的助力。现在最大的限制仍在于产量和成本。
 
国产芯片原子钟加速发展
 
芯片原子钟一直都是世界各国高度重视的行业，此前这一领域仅有美国的Symmetricom实现了芯片原子钟的规模化生产，在这一领域处于垄断地位。
 
国内从事芯片原子钟研发的主要集中在高校和科研院所，成都天奥电子和天津华信泰近年来也在芯片原子钟上进展频频。
 
天奥电子一直在原子钟领域耕耘，2020年左右开始攻克芯片原子钟，根据目前流出的消息，目前天奥电子某型CPT原子钟已处于小批量试制阶段，某型CPT原子钟正在进行生产工艺方面的攻关工作，将在航空航天、卫星导航、通信、计量等领域率先开始应用。
 
今年下半年，华信泰国内首条万台芯片原子钟生产线近日在天津高新区落成投产，产能达到年3万台。华信泰自2010年起，潜心攻关，通过自主研发，突破了芯片原子钟的关键技术，所生产的芯片原子钟产品全部具有自主知识产权。
 
这条生产线投产意味着国内芯片原子钟领域可自主实现规模化量产，不再被卡脖子。对于芯片原子钟成本的下探、大规模应用提供了基础，将进一步推动国内通信、导航、时频领域发展。
 
小结
 
芯片级原子钟无可比拟的高精度时间计量特性会为需要高精度的时间同步的应用发展提供不可或缺的助力，当前虽然受限于产能和成本，但未来充满了巨大的潜力。