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又一顆“皇冠上的明珠” 天津華信泰成功研制芯片原子鐘并實現量產

一切的一切,還得從前幾日國內首條萬臺芯片原子鐘生產線在濱海高新區落成投產說起,這一項目填補了國內相關領域的技術空白,打破了此前長期依賴進口的局面,也踏出了我國在芯片原子鐘領域核心技術從“1”到“N”的重要起始步。

一、我們又拿下一頂尖端技術“皇冠”

“嘀嗒”“嘀嗒”…日常生活中,時鐘的精準度依賴于鐘擺有規則地擺動。但時鐘精度再高,一年下來也會有幾十秒的誤差。雖然對日常生活沒有影響,但在時間頻率行業領域,千分之一秒之差就是成敗的關鍵。有一種鐘表,能在600萬年里只誤差1秒,有了它,我們才有精準的“北京時間”,通信衛星才能實現實時導航,為我們點外賣、開車導航提供諸多便利,它就是原子鐘。根據原子鐘所選取的原子種類不同,原子鐘可分為氫原子鐘、銫原子鐘、銣原子鐘等。其中,CPT原子鐘,即芯片級原子鐘,具有微型化、低功耗特點,精度與銣原子鐘相當。

原子鐘的分類

類型 特點 發展狀況
氫原子鐘 頻率穩定度可達10-16;頻率準確度較銫鐘略差;體積較大 氫鐘主要應用于實驗室原子時標系統,以及航天測控、衛星導航系統等領域。國際上批量生產氫鐘的單位有KVARZ公司、Symmetricom公司和T4Science公司,我國上海天文臺實現了國產化氫原子鐘的小批量生產。
銫原子鐘 頻率準確度高;頻率穩定度高,無頻率漂移 國際上已經實現產業化的有Symmetricom公司、OSA公司等,我國工程用銫鐘全部依賴進口,許多重要領域急需的銫鐘只能采用衛星馴服高性能銣鐘的方式來代替,系統性能受到限制。我國近來加大了銫鐘研究支持力度,北京大學、天奧電子等單位于2007年開始進行光抽運銫鐘研究工作,其中天奧電子完成了激光抽運小型銫原子鐘樣機研制,將實現銫鐘的工程化和產業化。
銣原子鐘 體積小、重量輕、功耗低;環境適應能力強;應用廣泛 國際上已經實現產業化生產的有Symmetricom公司、FEI公司,SpectraTime公司等,國內從事銣原子鐘研究的主要有北京大學、武漢物數所、航天203所和天奧電子等單位。其中,天奧電子是我國主要的銣原子鐘生產企業,擁有國際先進的原子鐘生產關鍵技術及設備,推出了滿足電信、航空、航天及國防應用的系列化銣鐘,處于國際先進水平。
CPT原子鐘 微型化、低功耗;精度與銣原子鐘相當 CPT原子鐘是美國DARPA計劃支持的十大技術之一,目標是實現1立方厘米、10mW功耗的芯片原子鐘,并大規模應用。目前,國際上僅有美國的Symmetricom公司實現了產業化。我國從事芯片原子鐘技術研究的有武漢物數所、天奧電子、北京大學等單位,先后實現了小型CPT原子鐘樣機研制,為小型CPT原子鐘的批量生產以及芯片原子鐘的產業化奠定了基礎。

資料來源:觀研天下數據中心整理

長久以來,世界各國高度重視芯片原子鐘行業的發展,部分國家已經把便攜式和微型化CPT頻標的研發作列入國家戰略發展目標。其中美國耕耘最久,在全球建立和運營了許多原子鐘監測站,并與其他維護精確時間的國際組織和網絡相連接。一分耕耘一分收獲,其收獲也最豐。美國已經有兩種商品CPT頻標上市。此前,全球僅有美國的Symmetricom 一家公司實現了芯片原子鐘的規?;a,在這一領域,其處于絕對的壟斷地位,導致市場上甚至一度有“北京時間也被美國“卡脖子”的說法。與此同時,歐洲和亞洲各國也在積極開展芯片原子鐘相關研究并取得了不錯的進展。無論是在技術領域還是在監測網絡的建立方面,這些國家都擁有非常出色的表現,在原子鐘的精確度方面也處于世界領先的位置。

國外芯片原子鐘(CSAC項目

項目 時間 地區 機構
CSAC 2002-2009 美國 美國國家標準技術研究院NIST、Sandia國家實驗室、康乃爾大學、Kernco公司、Symmetricom公司、Honeywell公司、Tele-dyne公司、噴氣推進實驗室
集成化微型主原子鐘IMPACT 2007-2012 美國 Microsemi公司、Sandia國家實驗室、Honeywell公司、噴氣推進實驗室
高穩原子鐘ACES 2013-2020 美國 美國國家標準技術研究院NIST、Honeywell公司、噴氣推進實驗室、OEwaves公司、美國物理科學公司
微型原子鐘MAC-TFC 2008-2012 歐洲 法國巴黎天文臺、法國Femto-st研究所、瑞士洛桑聯邦理工大學、德國烏爾姆大學芬蘭國家技術研究中心、波蘭弗羅茨瓦夫大學、意大利賽斯公司
CPT原子鐘VLS-CAC 2017-2019 英國 英國國家物理實驗室、格拉斯哥大學、英國CST Global公司
超低功率原子鐘ULPAC 2019-2024 日本 日本先進工業科學與技術研究所、日本理光公司、東京工業大學、日本東北大學

資料來源:《芯片級原子鐘研究進展》、觀研天下數據中心整理

根據觀研報告網發布的《中國芯片原子鐘行業發展深度分析與投資前景研究報告(2023-2030年)》顯示,國內從事芯片級原子鐘研究的單位主要集中在高校和科研院所,主要的單位包括北京大學、中國科學院武漢物理與數學研究所、中國航天科工集團第二研究院二O三所以及成都天奧電子股份有限公司,這些單位都研發出了各有優點的芯片級原子鐘樣機,但整機價格高,核心激光器研制能力不足,成為行業發展的“卡點”問題。這使得國產芯片級原子鐘產品與國際先進產品相比,在體積、性能等方面仍存在一定差距,始終未得到大規模應用。

芯片原子鐘研究成果

單位 體積/mL 功耗/mW 穩定度
北京大學 20 300 秒穩4.2*10-11百秒1.5*10-11千秒穩4.9*10-12
中國科學院武漢物理與數學研究所 20 240 百秒穩5.1*10-11
成都天奧電子股份有限公司 23.5 2500 秒穩2*10-10十秒穩8*10-11百秒穩2*10-12
中國航天科工集團第二研究院二O三所 20 1000 秒穩5*10-11百秒穩3*10-11

資料來源:《芯片級原子鐘研究進展》、觀研天下數據中心整理

雖然美國對中國的制裁步步緊逼讓企業難以生存,但好在我們的企業并沒有因此放棄研發芯片原子鐘。天津華信泰研發團隊從2010年起,就承擔起了芯片原子鐘項目的研發工作。歷經了13年時間,2023年7月底,國內首條原子鐘生產線在天津落成投產,目前一年產量達3萬臺,突破了關鍵器件“卡脖子”的難題。雖然芯片原子鐘的生產對廠房空間、震動條件、配套設施等軟硬件環境要求很高,但天津華信泰表示,隨著市場需求的不斷增加,還考慮建設十萬臺乃至百萬臺級別的生產線。并且會持續加大研發投入,加快芯片原子鐘產品的迭代升級,不斷推出更先進的產品,力爭做到國際領先水平。今年公司還將陸續推動三款新的芯片原子鐘產品走向量產。未來,公司將進一步優化天津生產線,逐步擴大產能,形成特色鮮明的“天津生產模式”,進而推廣至全國。

二、時頻領域之上崛起一個高精尖技術行業

如果我們把芯片原子鐘的產業鏈拆開,可以看出芯片原子鐘主要是由電子元器件、金屬制品以及相關的輔助材料經半導體工藝制造而成。其中,電子元器件是制造芯片原子鐘的核心材料,包括晶體管、電阻、電容、電感、集成電路等,這些元器件的制造需要高精度的制造設備和嚴格的質量控制體系,以確保其性能和穩定性符合芯片原子鐘制造的要求。金屬制品也是芯片原子鐘制造的重要材料,包括銅箔、鋼片、鋁箔等,這些金屬制品需要具有高精度、高純度、高穩定性的特點,以保證在芯片原子鐘制造過程中不會影響其性能和穩定性。此外,還包括一些輔助材料和設備,如石墨烯、超導材料、光刻機、濺射鍍膜設備等,這些材料和設備也是芯片原子鐘制造中不可或缺的部分??傮w來看,均屬于國家長期重點支持發展的重點產業。

如果我們把芯片原子鐘的產業鏈拆開,可以看出芯片原子鐘主要是由電子元器件、金屬制品以及相關的輔助材料經半導體工藝制造而成。其中,電子元器件是制造芯片原子鐘的核心材料,包括晶體管、電阻、電容、電感、集成電路等,這些元器件的制造需要高精度的制造設備和嚴格的質量控制體系,以確保其性能和穩定性符合芯片原子鐘制造的要求。金屬制品也是芯片原子鐘制造的重要材料,包括銅箔、鋼片、鋁箔等,這些金屬制品需要具有高精度、高純度、高穩定性的特點,以保證在芯片原子鐘制造過程中不會影響其性能和穩定性。此外,還包括一些輔助材料和設備,如石墨烯、超導材料、光刻機、濺射鍍膜設備等,這些材料和設備也是芯片原子鐘制造中不可或缺的部分??傮w來看,均屬于國家長期重點支持發展的重點產業。

資料來源:觀研天下整理

芯片原子鐘可以被視為是一種新興行業,尤其是在相對較新的芯片技術應用方面。這個行業結合了原子物理學和微電子技術,旨在創建更小型、更精確和更穩定的原子鐘,通常以芯片的形式制造。但同時,它也在一定程度上與傳統的原子鐘技術如離子諧振器、銣原子鐘技術等相聯系。因此,芯片原子鐘行業可以被視為傳統原子鐘技術的延伸和現代化。

當前行業呈現出兩大特點:

屬于技術密集型行業。涉及到高精度的芯片制造和量子控制技術,其產品開發的主要用途是作為導航系統以及其他精確計時行業。全球能夠制造和研發芯片原子鐘的國家或地區并不多,其制造過程需要高精度的設備、嚴格的質量控制體系以及高素質的技術人員。此外,行業還有政策準入門檻;

應用領域很廣,適用于衛星導航授時、通信同步、水下探測等應用領域,具有廣泛的應用空間。由于具有的時頻信號的穩定性和自身微型、低耗性的特點,所以在軍用領域應用諸多,占比約58.02%。

應用領域很廣,適用于衛星導航授時、通信同步、水下探測等應用領域,具有廣泛的應用空間。由于具有的時頻信號的穩定性和自身微型、低耗性的特點,所以在軍用領域應用諸多,占比約58.02%。

資料來源:觀研天下整理

三、“鏈”式發展推動主導產業“強筋壯骨”

過去我國的芯片原子鐘產品大部分來自于國外,由于運費、關稅、質量等因素的影響,進口的芯片原子鐘產品往往價格較高。當時,國內用戶想要購買國外的芯片原子鐘,“買不起”“不好買”“買不上”是常態。根據1688網數據顯示,一款全新原裝進口,名為PRS10低噪聲銣原子鐘的價格為¥9,999.90,過萬也是很普遍的事。

隨著生產線建成后,大規模生產將大幅度降低芯片原子鐘的成本。

芯片原子鐘實現量產,也將推進產業鏈“強筋壯骨”。首先,原子鐘是各種時間同步和測量系統的核心組件,如全球衛星導航系統(GPS)、通信網絡、數據中心等。由于不同類型的設備和應用場景可能需要不同的時間同步和頻率同步技術。例如,數據中心可能需要高精度的時間同步和頻率同步技術來保證數據傳輸和處理的高效性和可靠性,但是一些低成本和低功耗的設備可能更適合使用其他技術或方法來實現時間同步和頻率同步。此外,雖然芯片原子鐘的成本已經降低了很多,但是在一些需要大量部署設備的場景中,成本仍然可能成為阻礙其應用的因素之一。因此芯片原子鐘沒有實現完全覆蓋,在這些領域,芯片原子鐘的量產將有助于提高設備的性能和可靠性,降低生產成本,推動行業的發展。

其次,芯片原子鐘在海底勘探節點(OBN)也有著廣泛的應用。OBN是一種高精度、高可靠性的海底勘探技術,可以在復雜的海洋環境中進行高精度的定位和測量。傳統的石油勘探一般采用線纜的方式,需要在海底進行鋪設和回收,整個過程十分耗時且效率不高,而新的勘探技術可在海底投放上萬個以芯片原子鐘作為核心器件的OBN,每一個節點都嚴格要求時間同步,1個月漂移不能超過1毫秒。而且在海底布放時間比較長,對電池的依賴性比較大,芯片原子鐘的低功耗正好可以滿足這一點。利用以芯片原子鐘作為核心器件的OBN進行勘探較傳統勘探方法成本更低、精準度更高,而且還進一步擴大了勘探面積,這為我國海底石油勘探帶來了革命性升級。

傳統石油勘探新勘探技術對比

- 傳統石油勘探 新勘探技術
效率 通常采用線纜的方式,需要在海底進行鋪設和回收,整個過程十分耗時且效率不高。 采用投放上萬個以芯片原子鐘作為核心器件的OBN節點的方式,這些節點嚴格要求時間同步,且成本低、精準度高,大大提高了勘探效率。
適用性 受限于水深、海流、海底地形等因素,往往難以在復雜環境中進行有效的勘探。 可以在復雜的海底環境中進行高精度的測量和定位,適用范圍更廣泛。
精確度 由于受到各種環境因素的影響,其精確度往往不高。 采用了最先進的量子物理學原理,可以提供高精度的測量和定位,從而提高石油勘探的精確度。
成本 需要大量的設備和人力投入,成本較高。 采用了高精度的芯片原子鐘作為核心器件,可以大大降低成本。

資料來源:觀研天下數據中心整理

此外,芯片原子鐘還在量子計算、量子通信、量子加密等領域有著廣泛的應用。這些領域的發展將進一步推動相關行業的發展,如云計算、大數據處理、網絡安全等。

芯片原子鐘在量子領域的應用

領域 應用
量子計算 芯片原子鐘利用亞原子粒子(如光子)進行計算,相比傳統計算方式,計算速度更快且更節能。在量子計算中,芯片原子鐘可以提供高精度的量子比特,這些量子比特可以被用來進行高精度的量子計算,包括因子分解、優化問題、離散對數等問題的求解。
量子通信 芯片原子鐘可以用于量子通信中的時間同步。在量子通信中,通信雙方需要協同工作才能實現安全的通信,這就需要一個精確的時鐘進行同步。芯片原子鐘體積小、精度高、成本低等特點使其成為量子通信中理想的時鐘選擇。
量子加密 芯片原子鐘可以提供高度安全的通信加密技術。傳統的加密技術依賴于復雜的數學難題,而量子加密則依賴于量子力學中的不確定性原理,即一旦有人試圖竊取加密信息,就會改變量子的狀態,從而被發送者和接收者所察覺。
量子傳感 芯片原子鐘還可以用于量子傳感領域。在量子傳感中,利用量子態的靈敏性來探測光、重力和磁場等物理量。例如,芯片原子鐘可以用于測量光頻率的微小變化,從而實現對光速的測量。
量子鐘 芯片原子鐘可以取代傳統的原子鐘,提供更為精確的時間基準。這使得芯片原子鐘在下一代導航系統中具有廣泛的應用前景,可以幫助導航系統實現更高的精度和可靠性。

資料來源:觀研天下數據中心整理

最后,芯片原子鐘的量產還將有助于提高相關產業鏈的發展水平。這包括但不限于制造技術、材料科學、微電子技術等領域的發展。這些領域的發展將進一步推動相關產業的轉型升級,促進經濟的持續發展。

芯片原子鐘的量產有助于提高相關產業鏈的發展水平

領域 影響
制造技術 芯片原子鐘的制造需要高精度的工藝和設備,例如微納米加工、光刻機、刻蝕機等。這些技術的進步將推動芯片制造整體水平的提升,同時也會帶動其他相關行業的制造技術的發展。
材料科學 芯片原子鐘的制造涉及到材料的選擇和優化,例如高質量的晶體、高純度的金屬等。這些材料的選擇和優化將推動材料科學領域的發展,為其他行業提供更多的高性能材料。
微電子技術 芯片原子鐘是一種微電子器件,其制造涉及到微電子技術的各個方面,例如集成電路設計、半導體工藝、封裝測試等。這些技術的進步將推動微電子技術的發展,為其他行業提供更先進的微電子技術和產品。

資料來源:觀研天下數據中心整理(LZC)

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