Созданы «кремниевые» часы для смартфонов — скорость связи и точность навигации выйдут на новый уровень

На 71-м ежегодном собрании IEEE International Electron Devices Meeting было представлено интересное и крайне многообещающее решение — кремниевые часы с точностью, практически сравнимой с точностью атомных часов. Эта разработка на несколько порядков меньше и гораздо более энергоэффективна, чем сегодняшние атомные часы – до такой степени, что ее можно установить в смартфоны, что позволит связи и навигации сделать большой шаг вперед с точки зрения скорости и точности.

Устройство создали исследователи из Мичиганского университета. По своей сути это МЭМС (микроэлектромеханическая система). Часы меньше кубика сахара, что резко контрастирует с лабораторными атомными часами размером с шкаф.

Разработка также выгодно отличается от современных электронных часов, например, продукции SiTime. Новшество проще и работает на основе фундаментальных законов физики, а не за счет сложных электронных схем. В новых часах используется вибрация кремниевой пластины с пьезоэлектрической мембраной – она генерирует базовый сигнал времени. Прорыв обеспечивается легированием кремния фосфором, что делает материал физически устойчивым к изменениям температуры и позволяет электронике активно корректировать дрейф частоты.

Второе открытие связано с использованием встроенного датчика температуры. Электроника обнаруживает изменения и автоматически регулирует нагреватель и корректирует физические свойства кремниевой пленки, электрически изменяя ее твердость, что компенсирует внешние воздействия. В диапазоне температур от -40°С до +85°С частота практически не изменяется. После 8 часов работы отклонение составляет всего 102 наносекунды, что при линейном масштабировании в течение недели дает отклонение чуть более 2 микросекунд. Это в 100 раз точнее, чем существующие коммерческие генераторы MEMS (например те, что из SiTime).

По сравнению с атомными часами разработка на несколько порядков менее точна, чем лучшие лабораторные модели, но сопоставима по стабильности с миниатюрными атомными часами, занимая при этом в десятки раз меньше места и потребляя в 10-20 раз меньше энергии. Атомные часы требуют строгой изоляции от окружающей среды и имеют высокое энергопотребление, что делает их непригодными для компактных устройств.

Разработку финансирует DARPA, и цель — создать часы, отклоняющиеся не более чем на 1 мкс в неделю. Такие часы могут в корне изменить работу электроники там, где нет GPS: в космосе и под водой. Наконец, в смартфоны станет возможно устанавливать более точные часы, что обеспечит повышение скорости передачи пакетов, что будет востребовано в будущем по мере роста скорости передачи данных.