告別摩爾定律，華為“韜”定律將如何改變未來芯片？

2026年5月25日，在芯片尺寸不斷縮小變得日益困難的當(dāng)下，華為提出了名為邏輯折疊（LogicFolding）的全新芯片設(shè)計(jì)方法，如同一年前DeepSeek的橫空出世，這是一種足以推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)繼續(xù)前行的新路線，具體論文，已發(fā)表在預(yù)印本平臺(tái)。論文作者華為半導(dǎo)體業(yè)務(wù)部總裁何庭波基于邏輯折疊，提出半導(dǎo)體領(lǐng)域的“韜（τ）定律”，在過去六年中，華為已經(jīng)運(yùn)用韜定律與相關(guān)的理念，設(shè)計(jì)并量產(chǎn)了381款芯片。

你也許已經(jīng)看過很多關(guān)于這件事的報(bào)道，但邏輯折疊和之前的芯片設(shè)計(jì)有何不同之處，為什么會(huì)給芯片帶來顯著提升，相比摩爾定律，“韜”定律又會(huì)對(duì)AI產(chǎn)生哪些影響，讀完本文，你將搞清楚這些問題。

邏輯折疊

讓芯片間的通信不用繞路

在過去的六十年里，半導(dǎo)體芯片的發(fā)展史本質(zhì)上就是一部空間縮放的歷史。通過不斷縮小晶體管的物理尺寸（即“制程”，如從微米級(jí)一路縮小至如今的3nm），同等面積的硅片得以塞入更多增長(zhǎng)的晶體管，從而帶來了算力的飛躍、能效的提升以及單位算力成本的斷崖式下降。

然而，隨著晶體管的尺寸制程逼近原子級(jí)別，單純依賴“把晶體管做小”的空間縮放，由于量子力學(xué)的量子隧穿效應(yīng)正遭遇難以逾越的物理阻礙。在7納米及更先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)下，單純減少晶體管體積所帶來的邊際收益遞減，反映到日常的觀感，就是這些年芯片廠商擠牙膏，新一代芯片的性能提升有限。

而華為提出的邏輯折疊，在其論文中給出的定義是“將數(shù)字、模擬和存儲(chǔ)器電路分布在垂直堆疊的有源層中，以聯(lián)合優(yōu)化性能、功耗和面積。”

何庭波在論文中寫道：“數(shù)字系統(tǒng)的性能上限由相鄰觸發(fā)器級(jí)之間的關(guān)鍵路徑延遲設(shè)定，而該延遲又主要由該路徑上的互連電阻電容和邏輯門數(shù)量決定?！边@句話可以理解成你在圖書館查詢資料，CPU負(fù)責(zé)列出書單，之前的空間縮放，目的是一次多列出幾本書，但你能多快查到資料，還取決于圖書管理員需要花多久去找出你列的這些書，也就是前文的關(guān)鍵延遲。

而邏輯折疊，相當(dāng)于讓之前的圖書館是一層樓，圖書管理員要找齊所有書需要走很多路，而現(xiàn)在圖書館變成了多層高樓，樓里還裝了電梯，這樣圖書管理員只需花極少的時(shí)間就能找齊你要的書。對(duì)于芯片來說，邏輯折疊顯著降低了數(shù)據(jù)傳輸用時(shí)（延遲），從而加速了數(shù)字系統(tǒng)整體的性能。

具體來看：傳統(tǒng)的芯片將晶體管放置在一個(gè)平面上，并通過上方的布線讓其連接，而邏輯折疊分布放棄了平面布線，在兩個(gè)（最終將是更多）垂直堆疊的有源層上，通過超細(xì)間距的混合鍵進(jìn)行連接（ultra-fine-pitch hybrid bonding）。而這帶來的影響是信號(hào)連接所需的線路變短，芯片在相同制程下能夠以更高的頻率運(yùn)行。

首款采用“邏輯折疊”技術(shù)的2C商用產(chǎn)品將是華為為新旗艦手機(jī)準(zhǔn)備下一代“麒麟2026”移動(dòng)端芯片，預(yù)計(jì)將于今年秋季晚些時(shí)候發(fā)布，不依賴先進(jìn)光刻機(jī)，基于現(xiàn)有制程。華為聲稱，該技術(shù)將顯著提升性能和能效。使用邏輯折疊后，晶體管密度從155 MTr/mm2上升至238 MTr/mm2；能效提高了41%，最高時(shí)鐘頻率提高了近13%，這種幅度的改進(jìn)，之前需要三年的幾何縮放才能實(shí)現(xiàn)。

上表展示了麒麟CPU工作主頻的趨勢(shì)，華為預(yù)測(cè)，最終有望在未來五年內(nèi)達(dá)到等效于先進(jìn)1.4nm工藝技術(shù)的晶體管密度，能效預(yù)計(jì)在三到五年內(nèi)至少翻一番。

需要注意的是，這并不一定意味著華為將使用傳統(tǒng)光刻方法在物理上制造出真正的1.4nm芯片。相反，該公司主張，通過更智能的芯片架構(gòu)和信號(hào)優(yōu)化，可以提供同等水平的計(jì)算能力。

而所謂的“韜”定律，就是在芯片設(shè)計(jì)時(shí)，定義一個(gè)描述信號(hào)傳遞時(shí)間參數(shù)τ（韜），將其作為優(yōu)化目標(biāo)，而非摩爾定律時(shí)，只關(guān)注晶體管的大小，每一代芯片，相比前一代芯片，其信號(hào)傳遞所需的時(shí)間都成比例減少，這就是華為在其五年來381個(gè)各類芯片中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律。

τ_{t+1} = τ_t / α

上式中的α即時(shí)間縮放因子，指的是下一代芯片的信號(hào)傳遞時(shí)間只是上一代芯片除以一個(gè)常數(shù)。在摩爾定律中，每18-24個(gè)月，同等大小的芯片中晶體管數(shù)量翻倍，而“韜”定律則意味著每一代芯片其晶體管間通信的用時(shí)將指數(shù)級(jí)下降。

從皮秒到微秒

AI數(shù)據(jù)中心中的“韜”定律

前文講述的是手機(jī)芯片中的“韜”定律，那在毫瓦級(jí)智能手機(jī)芯片中呈現(xiàn)的規(guī)律，是否能經(jīng)受住向AI訓(xùn)練和推理的吉瓦級(jí)體系的轉(zhuǎn)化？

對(duì)此，論文中寫道：“迄今為止的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于功耗受限的移動(dòng)設(shè)備，α ≈ 每年1.3倍；對(duì)于安全關(guān)鍵的自主系統(tǒng)（例如汽車自動(dòng)駕駛芯片），α ≈ 每年1.5倍；對(duì)于AI相關(guān)的服務(wù)器芯片，α高達(dá)每年10倍”。

上述數(shù)字意味著，“韜”定律對(duì)AI數(shù)據(jù)中心尤為適用。大型AI數(shù)據(jù)中心需要數(shù)百或數(shù)千個(gè)芯片像一臺(tái)機(jī)器一樣運(yùn)行，其中超過80%的能量被數(shù)據(jù)移動(dòng)消耗；超過70%的系統(tǒng)成本分配給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。這意味著減少數(shù)據(jù)在芯片及機(jī)架間傳輸中花費(fèi)的時(shí)間至少與減少計(jì)算花費(fèi)的時(shí)間一樣重要。

在AI中應(yīng)用“韜”定律，需要讓?duì)颖灰暈橄到y(tǒng)級(jí)目標(biāo)并應(yīng)用于整個(gè)鏈條，而不是在單個(gè)CPU內(nèi)進(jìn)行加速。華為首先用統(tǒng)一總線（一種在機(jī)箱內(nèi)部和跨機(jī)箱運(yùn)行的單一協(xié)議）取代了目前英偉達(dá)顯卡采用的傳統(tǒng)多節(jié)點(diǎn)、多加速器架構(gòu)（即通過多個(gè)堆疊的協(xié)議移動(dòng)數(shù)據(jù)）。之前每一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換都會(huì)增加延遲、降低可靠性并產(chǎn)生額外成本，采用統(tǒng)一總線后，傳輸延遲從之前的幾十微秒下降到大約100納秒，系統(tǒng)的τ減少了約500倍，使得多機(jī)架AI集群可以表現(xiàn)得像一臺(tái)單一的連貫機(jī)器。

此外，華為半導(dǎo)體開發(fā)的“高密度光互連節(jié)點(diǎn)引擎”（Hi-ONE）——一種近封裝光學(xué)引擎，可為每個(gè)AI計(jì)算模塊提供8 Tb/s的帶寬，而之前的帶寬為400Gb/s。該方法將數(shù)據(jù)中心間的傳輸距離從不到1米延長(zhǎng)到100米，使得分布式、吉瓦級(jí)數(shù)據(jù)中心的高密度互連在物理上成為可能。

華為何庭波的論文中寫道：使用邏輯折疊，預(yù)計(jì)到2035年，AI相關(guān)芯片的硬件集成度將增加100倍以上，τ的減少分布在數(shù)據(jù)中心的每一層硬件結(jié)構(gòu)中，而不是集中在處理器上。

未來的芯片需要更多合作者

計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程中，內(nèi)存和處理器逐漸分開。處理器的性能沿著摩爾曲線持續(xù)進(jìn)步，而內(nèi)存供應(yīng)商則不考慮計(jì)算，獨(dú)立設(shè)計(jì)存儲(chǔ)芯片。于是我們看到，英特爾做出的CPU不需要考慮用的是三星還是美光的內(nèi)存，而內(nèi)存廠商則會(huì)因?yàn)楣┙o數(shù)據(jù)中心，利潤(rùn)更高的高帶寬內(nèi)存（HBM）停掉消費(fèi)級(jí)內(nèi)存的生產(chǎn)線，從而導(dǎo)致內(nèi)存價(jià)格顯著增長(zhǎng)。

AI的發(fā)展，需要芯片間進(jìn)行高帶寬通信。當(dāng)前我們談?wù)擄@卡的性能時(shí)，關(guān)注點(diǎn)也不只是計(jì)算能力，更多的是顯存大小，這意味著計(jì)算正與存儲(chǔ)開始變得密不可分，對(duì)于當(dāng)下的AI算力中心，數(shù)據(jù)移動(dòng)與計(jì)算本身一樣關(guān)鍵，處理器和內(nèi)存被視為緊密的物理集成。而隨著“韜”定律強(qiáng)調(diào)減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，存儲(chǔ)和計(jì)算的關(guān)系將變得更加緊密。

這就如同工業(yè)革命初期，紡織廠將紡紗與織布分設(shè)兩地以專業(yè)化；但當(dāng)訂單規(guī)模與交付速度要求飆升，物流時(shí)間成為致命瓶頸，工廠必須將工序重新整合進(jìn)同一屋頂。AI時(shí)代，數(shù)據(jù)就是原料，延遲就是物流成本，存算融合是物理規(guī)律下的必然選擇。

對(duì)AI時(shí)代的硬件開發(fā)者，存算融合要同時(shí)關(guān)注存儲(chǔ)和計(jì)算。廠商不能像之前那樣，存儲(chǔ)廠商與計(jì)算廠商涇渭分明，而是要在計(jì)算芯片設(shè)計(jì)時(shí)就考慮存儲(chǔ)，這意味著更大范圍的合作與機(jī)遇。

“韜”定律的出現(xiàn)，雖然在一定程度上解決了對(duì)目前被西方封鎖對(duì)EUV級(jí)紫外光刻機(jī)的依賴，但對(duì)于想要破局的國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)來說，仍然需要引入外部合作，其中關(guān)鍵的一點(diǎn)是EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）軟件。

之前的EDA，都是為面積、時(shí)序和功耗沿著三個(gè)獨(dú)立的軸進(jìn)行優(yōu)化的時(shí)代而開發(fā)的，傳輸時(shí)間τ不過是一個(gè)無關(guān)大局的參數(shù)。要想在未來更好地應(yīng)用“韜”定律，需要從頭開始考慮τ的自動(dòng)化設(shè)計(jì)軟件。未來的EDA工具需要在標(biāo)準(zhǔn)單元級(jí)別，跨越多個(gè)垂直有源層進(jìn)行自動(dòng)布局和布線，把關(guān)鍵路徑上的邏輯門像折紙一樣“折疊”到上下層，從而純粹為了壓縮信號(hào)傳輸時(shí)間而設(shè)計(jì)芯片。

當(dāng)下芯片設(shè)計(jì)的評(píng)測(cè)指標(biāo)和規(guī)范，都是為“單工作負(fù)載單標(biāo)量”設(shè)計(jì)。“韜”定律要求提出考察傳輸時(shí)間的新評(píng)測(cè)指標(biāo)。誰能建立新的評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)規(guī)范，誰就能在未來將直接引導(dǎo)全球研發(fā)資本的流向。

此外，需要指出的是，“韜”定律的出現(xiàn)，并沒有解決AI數(shù)據(jù)中心巨大的耗能問題，一個(gè)運(yùn)行速度快10倍但功耗大10倍的超級(jí)計(jì)算節(jié)點(diǎn)沒有違背“韜”定律，但可能會(huì)超過電網(wǎng)能夠承擔(dān)的負(fù)荷，這需要新的技術(shù)突破來應(yīng)對(duì)能源問題。

對(duì)此，華為強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)合作的重要性，何庭波表示，沒有任何一家公司能夠獨(dú)自解決半導(dǎo)體行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。在“韜”定律設(shè)定的路徑下，華為期待與全球科學(xué)家、工程師及行業(yè)合作伙伴緊密合作，共同推動(dòng)半導(dǎo)體和電子產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

值得注意的是，相比之前國(guó)外廠商和研究機(jī)構(gòu)類似的優(yōu)化方案，華為做到了系統(tǒng)層面的全方位優(yōu)化。“韜”定律建立了跨半導(dǎo)體器件、電路、芯片和系統(tǒng)的多級(jí)協(xié)同優(yōu)化機(jī)制，并將傳輸時(shí)間作為系統(tǒng)性優(yōu)化目標(biāo)，以多種方式提升各級(jí)的性能、能效和晶體管密度。

例如美國(guó)半導(dǎo)體代工廠SkyWater和斯坦福等高校合作的3D芯片，通過創(chuàng)紀(jì)錄的垂直連接數(shù)量和緊湊布局，將內(nèi)存和計(jì)算單元緊密布置，設(shè)計(jì)避免了平面芯片中進(jìn)展受限的卡頓。類似的還有美國(guó)半導(dǎo)體公司AMD的3D V-Cache技術(shù)，該技術(shù)已用在2026年新推出的工作站及消費(fèi)電子級(jí)CPU芯片上，例如5600 3D和PRO系列。英特爾2025年推出的18A工藝芯片，也采用了3D封裝，從而釋放了正面的布線資源，讓邏輯門可以更緊密地排列，本質(zhì)上也是在壓縮信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間常數(shù)。

然而，國(guó)外廠商多將3D堆疊看成是一種芯片封裝技術(shù)，“韜”定律首次將之上升為了“替代摩爾定律的底層物理法則”。華為面對(duì)封鎖，再一次走在了全球行業(yè)的前列，而國(guó)外企業(yè)目前更多停留在模塊級(jí)的3D物理實(shí)現(xiàn)上。

對(duì)產(chǎn)業(yè)界來說，過去三十年，半導(dǎo)體領(lǐng)域風(fēng)險(xiǎn)投資、國(guó)家基金、企業(yè)研發(fā)預(yù)算的指揮棒只有一個(gè)：先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)。誰掌握3nm，誰就掌握未來。“韜”定律對(duì)出現(xiàn)宣告：競(jìng)爭(zhēng)不再需要永久停留在光刻機(jī)。這對(duì)受限于EUV獲取的企業(yè)是戰(zhàn)略突圍，對(duì)于全球AI產(chǎn)業(yè)，長(zhǎng)遠(yuǎn)來看是能夯實(shí)根基的重大利好。

“路線圖已經(jīng)明確，未來的挑戰(zhàn)還很多（The roadmap ahead is demanding, but the direction is unambiguous）”，就用華為何庭波論文的最后一句結(jié)束該文。

郭瑞東 | 文

內(nèi)容來源：信睿科技評(píng)論

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