華為新論文揭示芯片競爭法則轉變,時間縮放成為新焦點

5 月 25 日,華為公佈了一篇名為《A Time Scaling Theory for Multi-Layer Electronic Systems》的論文,這篇論文很快被外界與一個詞聯繫在一起:“韜定律”。事實上,這篇論文講述的是τ scaling,即時間縮放。只不過“韜定律”這個説法更容易傳播,也更容易讓人記住。然而,若僅將其理解為華為版的“新摩爾定律”,則顯得過於簡單。

因為這篇論文真正想表達的是,芯片競爭的規則正在發生變化。

過去幾十年,芯片行業有一套非常容易理解的進步語言,即依靠製程工藝來判斷芯片性能。7nm、5nm、3nm、2nm……數字越小,聽起來就越先進。這種説法固然正確,但也逐漸變成了一個過於單一的判斷標準。華為這篇論文提出的問題是:如果晶體管不能像過去那樣繼續輕鬆變小,計算又能如何繼續變快?答案是,不僅要看空間,還要看時間。τ scaling 關心的不是晶體管能縮小到多小,而是從晶體管到數據中心的每一層能否減少等待、傳輸、同步和計算的時間。

換句話説,芯片競爭不僅在於誰做得更小,還在於誰能讓整個系統更快完成任務。

華為的韜定律改變了芯片競爭的規則

摩爾定律所面臨的問題,不僅是技術變得更加困難。過去半導體行業的進步,長期依賴一件事,那就是將晶體管做得更小。晶體管縮小後,單位面積內能放下更多晶體管,信號路徑更短,速度更快,能耗更低,成本也能下降。這套摩爾定律支撐了半導體行業數十年的增長。然而,這條路現在越來越難走,尤其是在 7nm 之後,單純的幾何縮小已經不再提供過去那種收益。先進製程的光刻、掩膜和設計規則變得越來越複雜,而 EUV 設備的折舊佔據了大量成本,領先節點的單顆芯片設計預算已經超過 10 億美元。

更麻煩的是,先進節點的單位晶體管成本不再像過去那樣穩定下降,有些情況下甚至開始上升。此前每一代工藝演進,通常都能在相近成本下放入更多晶體管,並持續換來系統性能和能效的提升,但現在這套邏輯正在失效。對華為而言,這個問題更為直接,因為先進製程和光刻工具受限,它不能簡單地等待下一代節點來解決問題。如果僅沿著幾納米這條路看,華為自然處於被動。

因此,這篇論文有趣的地方在於它轉變了問題的提出方式。過去大家問的是:晶體管還能縮小多少?現在它問的是:在節點受限、成本上升、系統越來越複雜的情況下,計算又能如何繼續加速?首先要説明的是,τ究竟是什麼。τ是希臘字母 tau,在這篇論文中可以理解為一個系統完成關鍵動作所需的“特徵時間”。在晶體管層面,它可能是一個開關延遲;在電路層面,它可能是信號沿著一段互連線傳播的時間;在芯片層面,它可能是一個計算、一次片上通信的延遲;而在 AI 數據中心,它可能是一條數據從一顆芯片到另一顆芯片、從一個機櫃到另一個機櫃所花的時間。

因此,τ scaling 並不是單指某一種工藝,也不是單指 3D 堆疊。它是一種衡量方式:不管您改的是晶體管、電路、封裝、內存、互聯還是系統軟件,最終都要問一句,它是否讓關鍵路徑上的時間變短。事實上,摩爾定律真正給用户帶來的,不僅是空間縮小,其根本上同樣是時間縮短。晶體管變小,開關速度變快,是時間縮短;互聯更密,信號走得更近,也是時間縮短;集成度更高,數據少跨幾個邊界,依然是時間縮短。

過去我們總是把芯片進步理解為“空間變小”。但最後落到用户和系統上,真正有價值的是“時間變短”。

τ scaling 同樣將這個目標提了出來,放在更顯眼的位置。它不只問晶體管面積,而是問每一層的τ能否下降:晶體管開關能否更快,電路路徑能否更短,芯片內的計算和訪問內存能否更快,跨芯片、跨機櫃、跨數據中心的通信能否少一點等待。這個思路的好處是,將工藝、封裝、架構、互聯、內存、系統軟件放到了同一張桌子上。過去,工藝工程師關心晶體管,電路設計師關心時序,架構師關心緩存和互聯,系統工程師關心通信協議。

大家各自優化,最後再看系統表現。但如果目標變成τ,大家討論的問題就變成了這一層的改動,最後是否讓整個系統更快?

τ是一種支持端到端堆棧協同優化的語言,這正是“韜定律”真正有趣的地方。它不是給華為芯片換一個新標籤,而是為後摩爾時代找到一種新的共同語言。論文中最具體的案例是移動 SoC 上的 Logic Folding。這可以理解為將原本鋪在平面上的一部分電路,折疊到立體空間裡。傳統芯片設計,大多是在一個平面上放置邏輯單元,再通過上方金屬層布線。問題是,線越長,寄生電阻和電容越大,信號就越慢。

到了先進節點後,很多時候限制速度的已經不是晶體管本身,而是線太長,數據走得太慢。

Logic Folding 的做法是將數字、模擬、存儲電路分佈到垂直堆疊的有源層裡,使用超細間距混合鍵合連接。這樣一來,關鍵路徑上的信號不必在平面上繞遠路,而可以在三維空間裡走更短的路徑。從數據上看,這表明芯片進步不一定只能依賴更先進的製程,也可以通過重新組織電路的空間結構來縮短時間。這對華為頗有利,因為在先進製程受限的情況下,如果繼續只比納米數,華為的主動權不多。

但如果競爭進入 3D 集成、先進封裝、存儲靠近計算、互聯路徑縮短等方向,華為就有機會將工程能力轉化為另一種優勢。

這裡必須説清楚一個問題,如果其他廠商同時擁有更先進的製程,並且擁有同樣成熟的 3D 堆疊、先進封裝、內存互聯和系統協同能力,那麼對手的絕對上限仍然會更高。這個問題,華為這篇論文沒有完全解決,也不可能僅靠一篇論文解決。更先進的製程仍然重要,晶體管本身更小、更快、更省電,再加上 3D 封裝和系統級優化,優勢自然會繼續放大。不能因為有了“韜定律”,就認為幾納米不重要了。相比之下,這篇論文更像是在説另一件事,那就是當先進製程收益變弱,或無法持續獲得最先進的製程時,競爭不能僅剩下一條路。

“韜定律”不是讓華為繞過先進製程差距的萬能鑰匙。它更像是一套將戰場拉寬的打法,通過將封裝、互聯、內存和系統協同變成主戰場,確保華為至少不會被單一製程指標鎖死。如果將“韜定律”理解為“華為不需要先進製程了”,那就是過度解讀。而若將其理解為“華為試圖在後摩爾時代重新定義一部分競爭規則”,則更接近論文真正的意思。先進製程仍然是高地,但高地旁邊開始出現更多戰場。華為想做的,是將這些戰場連接起來。

AI 時代,真正珍貴的是數據搬運。論文的第二個重點是 AI 數據中心,這部分更能説明“韜定律”為何不僅僅是手機芯片的理論。手機 SoC 是單芯片、小功耗、手持設備,而 AI 集羣是成百上千甚至上萬顆芯片一起工作,規模可以從機櫃延伸到整個數據中心。然而,它們面臨的問題有些相似:時間究竟浪費在了哪裡?從論文中看,大型 AI 集羣裡,80%以上的能耗消耗在數據移動,70%以上的系統成本分配給數據存儲。

華為提出的解決方案有三層。第一層是 Unified Bus。它希望減少傳統系統裡 PCIe、以太網、InfiniBand、軟件遠程內存訪問等多層協議轉換,讓不同芯片之間以更接近內存語義的方式直接通信。論文聲稱,這可以將特定遠程訪問延遲從幾十微秒級降到約 100 納秒。第二層是 Hi-ONE 光互聯。當 AI 芯片之間的數據帶寬進入 Tb/s 級別時,銅纜會變得越來越笨重、耗電且難以布線。

Hi-ONE 將光互聯放到封裝附近,單模塊達到 8Tb/s,減少芯片到光模塊之間的 SerDes 距離,同時將板間或面板間的光鏈路延伸到 100 米級。第三層是 3D Folding。論文提出了一個非常關鍵的幾何矛盾:在傳統 2.5D AI 芯片裡,計算能力按面積增長,即 N;但內存帶寬、I/O 和電源通常沿芯片邊緣擴展,只能按周長增長,即 N。隨著時間推移,計算擴張得越快,邊緣供給越跟不上。

3D Folding 的方向,是將內存、光 I/O 和電源這些原本擠在邊緣的資源,搬到垂直表面上,讓它們也按面積擴展。它不再將 AI 硬件視為單顆芯片,而是視為一個巨大的、多層的電子系統。芯片、內存、封裝、光互聯、機櫃網絡和軟件協議,都要圍繞減少τ這一目標來實現。

“韜定律”的優勢在於將華為從被動坐標裡拉出來。如果單用傳統芯片敍事來看,芯片問題可以直接總結為“是否擁有最先進的製程”、“能否做到 3nm、2nm”或是“與台積電、英偉達、蘋果、AMD 相差多少”等等。但這套邏輯天然將華為置於追趕者的地位。“韜定律”的價值在於華為試圖提出另一套評價體系。在後摩爾時代,製程不再是唯一答案。封裝、互聯、內存、架構、系統協同,將變得愈加重要。

如果熟悉華為,就會發現其優勢在於全棧工程能力。它既做終端,也做芯片;既做通信,也做數據中心;既面對手機這種極致功耗約束,也面對 AI 集羣這種極致互聯約束。“韜定律”將這些看似分散的能力串聯起來。手機芯片上,Logic Folding 縮短關鍵路徑;AI 集羣裡,Unified Bus 減少協議轉換;數據中心互聯中,Hi-ONE 降低長距離數據搬運成本;未來封裝中,3D Folding 讓內存、I/O、電源和計算一起擴展。

這些本可以被看作不同技術項目,但τ scaling 為它們套上了同一個框架,即減少系統內的時間損耗。在後摩爾時代,芯片競爭不能僅看誰的晶體管更小,還要看誰能將整個系統組織得更快。

讀完這篇論文,我認為“韜定律”最重要的地方,不在於它為華為芯片貼上了一個新標籤。它真正重要的地方,是將大眾熟悉的芯片敍事推進了一步。過去,我們習慣問:這顆芯片是多少納米?未來可能還要問:它是否讓整個系統少等待、少搬運、少同步?是否讓計算真正更快完成?是否將工藝、封裝、內存、互聯和軟件一起組織起來?這才是華為這篇論文想打開的討論。當芯片無法再輕鬆變小,計算仍然要繼續變快。

“韜定律”的意義,正是在於此。

項目規格
處理器/SoC華為自家設計
RAM8GB
儲存空間128GB
電池容量4500mAh
螢幕尺寸/解像度6.5 吋 FHD+
相機像素/光圈6400 萬像素 f/1.8
快充瓦數40W
連接性5G/WiFi 6
重量/尺寸175 克 / 160.2 x 74.5 x 8.5 mm
刷新率90Hz

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Henderson
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Henderson 是 TechRitual Hong Kong 科技編輯,專注報導智能手機、消費電子產品、SIM 卡及流動通訊市場。自加入 TechRitual 以來,累計撰寫數千篇科技報導及產品評測,內容同步發佈至 SINA 及 Yahoo Tech 等主要平台。