文章目录
- 一、介绍
- 二、晶体管
- [三、摩尔定律 (1965) ------ 几何缩微/空间微缩](#三、摩尔定律 (1965) —— 几何缩微/空间微缩)
- [四、华为韬定律 (2026) ------ 时间缩微](#四、华为韬定律 (2026) —— 时间缩微)
一、介绍
2.告别"瘦身内卷",芯片开始比拼"路网规划"了|新民·科技前沿
3.当晶体管小无可小,那就让电子跑得更快!上海交大研究员解读华为"韬定律"
5.教授解读华为"韬定律":它如何开辟了我国自主研发芯片新路径|新科普
二、晶体管
要理解芯片,首先要理解晶体管,而要理解晶体管,就得回到一个更早的年代。1946年,世界上第一台通用计算机ENIAC诞生。它重达30吨,占地170平方米,"肚子"里塞满了近1.8万根真空管。这台庞然大物,第一次让人类看到了电子计算的曙光。
一年后,贝尔实验室的三位科学家------巴丁、布拉顿和肖克利------发明了一种全新的电子开关:晶体管。它不需要加热灯丝,不需要巨大的玻璃管壳,靠的是一小块半导体材料就能实现真空管的全部功能。更重要的是,它不仅小巧,而且可以大规模、低成本地制造。
1959年,德州仪器工程师杰克·基尔比做出了一个划时代的创举:他把好几个晶体管连同电阻、电容一起,做在了同一块半导体材料上。这就是世界上第一块集成电路,芯片的雏形就此诞生。随后,仙童公司发明了平面制造工艺,让芯片的大规模量产成为可能。
三、摩尔定律 (1965) ------ 几何缩微/空间微缩
1965年,英特尔联合创始人戈登·摩尔 在《电子学》杂志上发表了一篇文章。他观察到一个规律:集成电路上可容纳的晶体管数量,大约每两年就会翻一倍 。这个预言后来被称为"摩尔定律" 。它的影响是革命性的:每隔一两年,同样大小的芯片上可以塞进多一倍的晶体管,算力翻倍。
于是,一场席卷全球的"晶体管瘦身竞赛"正式打响------1971年,英特尔推出了世界上第一款微处理器4004,上面集成着2200多个晶体管,每个晶体管的尺寸大约是10微米;1993年,奔腾处理器问世,晶体管数量迈过300万大关;到了2023年,苹果的M2 Ultra芯片已经集成了1340亿个晶体管......如今最先进的制程已经推进到3纳米甚至2纳米。
这股疯狂的"瘦身动力",驱动着人类手机从"砖头"变成"掌上电脑",驱动着互联网、AI和万物互联的全面到来。有专家点评说,摩尔定律是过去六十年人类科技文明最重要的引擎之一。
然而,"竞赛"终有尽头。为什么晶体管不可能无限缩小?答案藏在最基本的物理学里------
晶体管像一个微型的"水龙头",通过一个叫"栅极 "的开关来控制电流的通过。制程越先进,栅极长度 (或晶体管的沟道长度)就越短。
当一个晶体管小到栅极的绝缘层只有几个到十几个原子厚时,问题出现了:栅极下方的绝缘层变得极薄,薄到部分电子失控。这意味着,当晶体管缩到原子尺度,整个物理规则都变了,经典的控制方式彻底失效。
不仅是物理极限,还有经济极限。建设一条先进制程的生产线,成本高得令人咋舌。一座3纳米晶圆厂的建设费用超过百亿美元;5纳米芯片的设计成本超过5亿美元。如此巨大的投资,能换来多少性能提升呢?答案是:制程越先进,继续"瘦身"的性价比正在断崖式下跌。
当下,晶体管的"几何缩微"之路正在同时撞上物理的南墙和经济的冰山。一个所有人都心知肚明的问题浮出水面:摩尔定律见顶之后,芯片性能还能靠什么继续提升?
四、华为韬定律 (2026) ------ 时间缩微
1.背景
今天,故事来到"韬定律 "------别让晶体管瘦身了,改成让信号跑得更快。这就是"时间缩微"替代"几何缩微"的核心含义。
值得关注的是,当摩尔定律这棵大树生长速度放缓,全球半导体产业的创新力量正在多个方向上"开枝散叶"------其中一个热门的方向叫"芯粒技术 ",它的思路是,与其把所有功能都挤在一颗超大芯片上,不如把它们拆成一个个"积木块" ,最后用先进封装技术把它们"拼"在一起;还有一个方向是硅光子技术,科学家的设想是,用光来取代电,作为芯片之间,乃至未来芯片内部的高速通信方式,从而实现超高速、低功耗的数据传输;此外,新材料探索也在如火如荼地推进------人类正在寻找硅材料的接班者。
通俗地说,"时间缩微"缩的是延时,包括各个层级上信号传播的延时。降低延时,本来就是集成电路、芯片和电子系统追求速度与性能提升的核心目标之一。
摩尔定律 着眼于"空间微缩",即在物理上把晶体管做小 ,以降低延时并提升集成度 。过去几十年,缩小晶体管尺寸是推动半导体产业发展的重要动力,但它并不是降低延时的唯一手段。当前,先进工艺越来越贵,收益却越来越小,尤其在先进制程获取受限的情况下,如何利用可获得的工艺继续提升性能,就变得更加重要。
摩尔定律在工艺和器件层面,通过空间微缩降低延时;韬定律 则给出了更多维度。电路级可以通过逻辑折叠,更具体地说包括三维堆叠、混合键合等技术,提升单位面积集成度,拉近模块之间的距离,降低数据传输延迟和功耗;芯片级可以通过架构设计、高速互连降低延迟;系统级则可以通过任务优化、协议优化、调度优化等降低服务延迟。
韬定律,电路层进行逻辑折叠 (LogicFolding),让本来应该平面传信号,现在竖起来。节约传输时间。
2.韬(τ)定律
华为韬定律(τ 定律,Tau Scaling Law)是华为于2026 年 5 月 25 日在 ISCAS 2026 大会上提出的后摩尔时代半导体发展指导原则,核心是以时间缩微 (τ scaling) 替代传统几何缩微,将优化重心从 "缩小晶体管尺寸" 转向 "压缩信号延迟时间"
█ 什么是"韬(τ)"?
韬(τ),是时间常数的符号。它是物理学和工程学中的一个重要参数,用于描述系统对输入信号或扰动的响应速度。
例如,在RC(电阻-电容)电路中,τ=R×C,表示电压电流衰减至1/e(≈36.8%)所需的时间,单位为秒。在RL(电阻-电感)电路中,τ=L/R,表示电感电流衰减至1/e(≈36.8%)所需的时间。
在热学里,热电偶的时间常数τ,是指采用集总参数法分析时,物体过余温度降到初始过余温度的36.8%所需要的时间。
所以,我们可以看出,韬(τ)可以用来衡量响应速度的快慢、信号衰减的速度、数值动态变化的过程。韬(τ)越小,系统响应越快,或者衰减越快,惯性越弱。
█ "韬(τ)定律"是什么意思?
华为的"韬(τ)定律",指出:
以"时间缩微"替代"几何缩微",以系统性降低时间常数(τ)为目标,通过逻辑折叠等创新技术,持续压缩信号传播时延,不断提升晶体管密度,实现半导体与电子系统的持续演进。
这里的"韬(τ)",并没有具体的物理公式,而是隐喻性/目标性术语(借用了这个概念)。它的时间,主要指的是信号传播时延(例如信号在芯片内部的传播时延、信号在芯片与芯片之间的传播总时延)。
搞过通信的同学都知道,数据传输过程中,除了速率带宽之外,时延也很重要。时延越低,整个系统的反应速度就越快,整体的节奏也就越快。
在芯片里,有一个时钟频率的概念。例如CPU,就经常会说主频多少GHz之类。芯片的时钟频率,本质就是单位时间内芯片能够完成多少次基础操作。
一直以来,半导体领域所遵循的摩尔定律,属于"几何缩微"。也就是说,通过半导体工艺的不断升级,将晶体管尺寸不断缩小,从而在单位面积上集成更多晶体管,从而实现算力的增强。
但是,目前,半导体工艺制程已推进至3纳米、2纳米,甚至1.4纳米。晶体管尺寸已逼近原子尺度,物理极限与制造工艺都走进了瓶颈,成本方面也面临巨大挑战。
所以,业界普遍认为,摩尔定律已经逼近终结,很可能会失效。
华为提出"韬(τ)定律",显然是为了跨越传统工艺路径的局限,探索出一条新的可持续演进路线。
"韬(τ)定律"聚焦于"时间缩微",通过重构互连架构、优化信号路径、引入新型封装与光电协同等手段,直接降低信号在晶体管之间、芯粒之间乃至芯片之间的传播耗时,从而在不单纯依赖晶体管尺寸缩小的前提下,实现更高效的指令执行与数据吞吐。
一句话总结韬定律:用压缩信号传播延迟替代缩小晶体管尺寸,以架构和系统优化换性能,摆脱对先进光刻机的依赖。