詳解華為“韜定律”：對半導(dǎo)體行業(yè)究竟意味著什么？

記者 鄭晨燁

5月25日上午，在上海舉辦的2026國際電路與系統(tǒng)研討會上，華為公司董事、半導(dǎo)體業(yè)務(wù)部總裁何庭波在題為《半導(dǎo)體新路徑探索與實踐》的主旨演講中，正式發(fā)表“韜（τ）定律”。τ在電路理論中代表時間常數(shù)，即信號從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)所需要的時間。

韜定律提出以“時間縮微”替代“幾何縮微”作為半導(dǎo)體與電子系統(tǒng)演進的新指導(dǎo)原則——通過邏輯折疊等創(chuàng)新技術(shù)，持續(xù)壓縮信號傳播時延，不斷提升晶體管密度，從而實現(xiàn)半導(dǎo)體與電子系統(tǒng)的持續(xù)演進。

近年來，摩爾定律面臨物理極限和經(jīng)濟效益雙重挑戰(zhàn)。隨著晶體管“幾何縮微”放緩，成本紅利逐漸消退，如何跨越傳統(tǒng)工藝路徑的局限，探索出一條全新的可持續(xù)演進路線，以滿足當(dāng)下呈指數(shù)級攀升的計算性能需求，已成為全球半導(dǎo)體行業(yè)亟待攻克的共同難題。華為稱，韜定律正是解決該難題的有效路徑。

韜定律構(gòu)建了貫穿器件、電路、芯片到系統(tǒng)層面的多層級協(xié)同優(yōu)化體系，該體系以系統(tǒng)性降低時間常數(shù)τ為目標，旨在驅(qū)動各層級性能、能效、晶體管密度的持續(xù)提升。華為預(yù)計，到2031年，基于該定律的高端芯片晶體管密度將達到1.4納米制程的同等水平。

受“華為發(fā)布韜定律”事件影響，當(dāng)日科創(chuàng)50指數(shù)暴漲5.88%，創(chuàng)出歷史新高。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈公司批量大漲：中芯國際（688981.SH）收盤漲幅18.78%，總市值達12500億元；華虹公司（688347.SH）收盤漲幅20%；盛美上海（688082.SH）收盤漲幅17.75%；拓荊科技（688072.SH）收盤漲幅16.86%；華大九天（301269.SZ）收盤漲幅15.04%；概倫電子（688206.SH）收盤漲幅13.19%；兆易創(chuàng)新（603986.SH）收盤漲幅10%；長電科技（600583.SH）收盤漲幅10%；寒武紀（688256.SH）收盤漲幅9.37%……

那么，韜定律對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展究竟會影響幾何呢？

從“縮尺寸”到“壓時間”

韜定律的核心其實不難理解——芯片性能的持續(xù)提升，不必再只依賴把晶體管做得越來越小，轉(zhuǎn)而可以通過系統(tǒng)性壓縮信號在芯片各層級中的傳播時間來實現(xiàn)。

何庭波在演講中表示，過去六年（2020年5月至2026年5月），華為基于這一路線設(shè)計并量產(chǎn)了381款芯片，覆蓋移動、AI、汽車、工業(yè)等多個領(lǐng)域。今年秋季即將發(fā)布的新一代麒麟芯片，會率先采用她在演講中重點介紹的核心技術(shù)——邏輯折疊（LogicFolding）。

深圳一家半導(dǎo)體企業(yè)的產(chǎn)品總監(jiān)告訴經(jīng)濟觀察報記者，韜定律的發(fā)布意味著國內(nèi)集成電路的設(shè)計思路正在發(fā)生轉(zhuǎn)變，從單純追求更小的制程節(jié)點，轉(zhuǎn)向以先進封裝為核心的多層立體設(shè)計。

同日，何庭波署名學(xué)術(shù)論文《A Time Scaling Theory for Multi-Layer Electronic Systems（多層電子系統(tǒng)的時間縮放理論）》預(yù)印本在ChinaXiv（中國科學(xué)院科技論文預(yù)發(fā)布平臺）發(fā)布，并已投稿至《中國科學(xué)：信息科學(xué)》。

該論文完整闡述了韜定律的理論框架、邏輯折疊的工藝參數(shù)，以及麒麟2026芯片的實測性能數(shù)據(jù)。何庭波在論文中表示，華為六年前面對的那個問題——“幾何縮微”走不動——之后，芯片性能靠什么繼續(xù)提升，整個行業(yè)最終都將面對。

對此，韜定律給出了一條經(jīng)過量產(chǎn)驗證的替代路徑，但上述論文也同時列出了從EDA（電子設(shè)計自動化）工具鏈到能耗控制在內(nèi)的一系列尚未解決的技術(shù)難題。

所謂“幾何縮微”，則和摩爾定律有關(guān)。1965年，英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾注意到一個規(guī)律：集成電路上能容納的晶體管數(shù)量，大約每兩年翻一倍。這個規(guī)律后來被稱為摩爾定律，即晶體管越做越小，同樣面積的芯片上能塞進更多元件，在性能提升的同時，成本卻在下降。

這種通過不斷縮小晶體管物理尺寸來提升芯片性能的方法，被業(yè)內(nèi)稱為“幾何縮微”。近60年來，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的技術(shù)迭代、資本投入和產(chǎn)品定價，基本都建立在這套邏輯之上。

摩爾定律能持續(xù)統(tǒng)治半導(dǎo)體行業(yè)這么久，背后還有配套理論在支撐。1974年，IBM工程師羅伯特?登納德提出了一套縮放規(guī)則：晶體管的尺寸和電壓可以等比例縮小，功耗密度保持不變。這條規(guī)則的意義在于，它讓“縮小尺寸”變成了一件幾乎沒有副作用的事，尺寸縮小，速度變快，而由于電壓同步降低，單位面積上的功耗并不增加，芯片不會因為變快而變得更燙。

整個半導(dǎo)體行業(yè)由此進入了一個“做小就是做好”的黃金時代。

但這套規(guī)則在2005年前后就面臨失效了。

登納德規(guī)則成立的前提是電壓和尺寸同步縮小，功耗密度保持不變。但電壓縮小到一定程度后，晶體管在關(guān)閉狀態(tài)下開始漏電，“縮小尺寸”的副作用就出現(xiàn)了：芯片功耗密度上升，發(fā)熱加劇。于是，芯片行業(yè)的工程師們不得不在同一時刻只啟用芯片上的部分區(qū)域，讓其余晶體管保持閑置，業(yè)內(nèi)把這種現(xiàn)象稱為“暗硅”。這也意味著，“縮小尺寸”不再自動等于“全面進步”，功耗和發(fā)熱成了每一代制程都要額外付出的代價。

盡管“做小等于做好”的前提已經(jīng)動搖，但幾何縮微仍然是整個行業(yè)唯一成熟的技術(shù)路線，短期內(nèi)沒有替代方案。與此同時，智能手機等消費電子產(chǎn)品的快速普及，對芯片的小型化和低功耗持續(xù)提出更高要求，行業(yè)有充分的動力繼續(xù)沿這條路走下去。

為應(yīng)對功耗問題，行業(yè)在晶體管結(jié)構(gòu)上做了一次重大升級——傳統(tǒng)晶體管是平面設(shè)計，尺寸縮小到一定程度后，柵極（控制電流通斷的部件）對溝道的控制力下降，漏電情況加劇；2012年前后開始量產(chǎn)的FinFET（鰭式場效應(yīng)晶體管），把溝道從平面改為立體的鰭狀結(jié)構(gòu)，柵極從三面包裹溝道，控制力增強，漏電得到緩解。

憑借這一代架構(gòu)升級，幾何縮微又延續(xù)了大約十年，但進入7納米及以下制程后，繼續(xù)縮小尺寸帶來的性能提升在快速收窄。

幾何縮微在7納米之后為什么會加速失效？何庭波在前述論文中給出了三個原因：

第一，由于速度飽和效應(yīng)，晶體管的速度提升與尺寸縮小之間的關(guān)系，從二次方變成了線性。早期，溝道長度（晶體管內(nèi)部電流通過的通道）縮小一半，開關(guān)速度可以提升到接近四倍；到了7納米以下，同樣縮小一半，速度提升只剩兩倍左右，同樣的縮小幅度，換來的收益打了對折。

第二，芯片內(nèi)部互連線路的寄生電阻和電容，日益主導(dǎo)信號延遲。芯片上的晶體管之間需要用金屬線路連接，晶體管本身的開關(guān)速度已經(jīng)非常快，但這些連接線路產(chǎn)生的延遲，反而成了拖慢整顆芯片的主要因素。也就是說，無論晶體管做得再小，如果線路延遲降不下來，整體速度也上不去。

第三，在經(jīng)濟層面，隨著掩模版成本、EUV（極紫外光刻，目前最先進的芯片光刻技術(shù)）設(shè)備折舊以及設(shè)計規(guī)則復(fù)雜度的大幅攀升，在2納米節(jié)點，一顆芯片的設(shè)計預(yù)算已超過10億美元。也就是說，先進制程的單個晶體管成本不降反升。

每一代晶體管更多、單位成本更低，這是過去數(shù)十年半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)持續(xù)擴大投入的基礎(chǔ)，但當(dāng)單個晶體管的成本不再隨制程進步而下降，這套邏輯就不再成立了。

這也是近年來業(yè)內(nèi)反復(fù)討論“摩爾定律失效”的核心原因。

圍繞幾何縮微之外的替代路徑，行業(yè)已經(jīng)在多個方向上探索，芯粒（Chiplet，將一顆大芯片拆分為多個功能模塊，再通過先進封裝技術(shù)組合在一起）是其中最受關(guān)注的方向之一。此外，對華為來說，這個問題來得更早，也更急迫——2019年，由于地緣政治影響，華為無法繼續(xù)使用海外最先進的芯片代工服務(wù)。在這種情況下，不管摩爾定律是否失效，華為都已經(jīng)無法沿著幾何縮微的路線繼續(xù)走下去。

何庭波在論文中概括了這種處境：“對于無法獲取頂尖光刻設(shè)備的企業(yè)，發(fā)展受限問題顯現(xiàn)更早，產(chǎn)業(yè)承壓也更為嚴峻。”她在論文中亦表示，這不只是華為一家的處境，華為六年前被迫面對的那個根本問題，“回過頭來看，整個行業(yè)最終都將不得不面對”。

從2020年5月開始，華為半導(dǎo)體團隊用六年時間，在手機SoC（系統(tǒng)級芯片）、AI加速器、系統(tǒng)互聯(lián)和封裝技術(shù)上尋找替代路徑。何庭波在上述論文中給出的結(jié)論是：突破不在于找到下一代制程工藝或新的晶體管架構(gòu)，而在于改變、優(yōu)化目標本身。

過去60年，每一代芯片性能提升的本質(zhì)，都是在壓縮運行時間——晶體管變小，開關(guān)速度更快；互連排布更密，信號傳輸?shù)穆窂礁蹋患啥忍岣撸瑪?shù)據(jù)跨越的邊界更少——空間縮小，始終只是壓縮時間的手段。

基于這個判斷，韜定律把時間本身確立為芯片迭代的核心優(yōu)化指標。

τ（tau）被定義為“特征時間常數(shù)”，貫穿晶體管、電路、芯片、系統(tǒng)四個層級。它覆蓋的范圍從皮秒（萬億分之一秒，衡量晶體管開關(guān)速度的時間尺度）到秒（數(shù)據(jù)中心完成一次完整任務(wù)的時間尺度），共12個數(shù)量級。在這套框架下，幾何縮微不再是唯一的技術(shù)路線，而是降低τ的手段之一。

或者說，過去半導(dǎo)體行業(yè)評價一顆芯片先不先進，主要看它用了幾納米的制程工藝，但韜定律提出了一個不同的評價標準——不管用什么工藝制程，最終衡量的是信號在芯片中完成一次完整操作需要多少時間。

制程工藝是手段，縮短時間才是目的，只要能把時間壓下來，用成熟制程配合立體設(shè)計，同樣可以做出高性能芯片。

何庭波的論文給出了一個代際迭代公式：下一代的τ等于當(dāng)前τ除以一個縮放系數(shù)α。

與摩爾定律給全行業(yè)一個統(tǒng)一的迭代節(jié)奏不同，韜定律的縮放系數(shù)因場景而異：功耗受限的手機端約為每年1.3倍，自動駕駛系統(tǒng)約1.5倍，AI場景由于算力直接關(guān)聯(lián)經(jīng)濟價值，可達每年10倍。不同行業(yè)按各自需求決定迭代速度，而非被一條統(tǒng)一的制程路線牽著走。

韜定律落地的第一項核心技術(shù)是邏輯折疊。

在7納米以下制程中，連接晶體管的金屬線路產(chǎn)生的延遲已經(jīng)超過晶體管本身的開關(guān)時間，成為制約芯片速度的主要因素。傳統(tǒng)芯片把所有電路鋪在同一個平面上，信號沿金屬線路水平傳播，線路越長，延遲越大；一顆芯片的性能上限，往往取決于那條最長信號路徑的延遲，業(yè)內(nèi)稱之為“關(guān)鍵路徑”。邏輯折疊針對的就是這個問題，它將關(guān)鍵電路拆分到縱向堆疊的多層芯片上，層與層之間通過混合鍵合（Hybrid Bonding，一種將兩片晶圓以微米級精度對齊并永久連接的工藝）相連，信號可以縱向穿越，走線長度大幅縮短——關(guān)鍵路徑的延遲隨之下降。

上述深圳半導(dǎo)體企業(yè)的產(chǎn)品總監(jiān)向經(jīng)濟觀察報記者分析稱，邏輯折疊的具體做法，或許是將芯片中高速信號部分的金屬互聯(lián)單獨分到第二片晶圓上，主晶圓負責(zé)核心計算，通過混合鍵合實現(xiàn)兩片晶圓之間的3D垂直互聯(lián)。由此，原來給高速信號互聯(lián)線預(yù)留的布線空間騰出來之后，主晶圓上能放下的有效晶體管數(shù)量就增加了。

何庭波在上述論文中公布了2026款麒麟芯片的實測數(shù)據(jù)：晶體管密度從上一代的每平方毫米1.55億顆提升至2.38億顆，單代漲幅55%，此前，實現(xiàn)同等幅度的密度提升，通常需要三年的幾何縮微和一次完整的制程工藝換代；核心能效提升41%，最高主頻漲幅接近13%，CPU性能核主頻達到3.1GHz，SRAM（靜態(tài)隨機存儲器，一種用于高速緩存的存儲單元）運行主頻提升超過40%；在一個典型的處理器核心上，時鐘緩沖器（負責(zé)分配和同步時鐘信號的電路元件）數(shù)量減少超過一半，布線長度縮減約30%。

以上數(shù)據(jù)均在固定制程節(jié)點內(nèi)取得，沒有采用新的光刻工藝。

論文同時公布了麒麟芯片后續(xù)幾年的主頻迭代計劃：2027年目標3.39GHz，2028年目標3.71GHz，2029年目標4GHz；到2031年，晶體管密度目標是突破每平方毫米4億顆。

根據(jù)華為方面發(fā)布的信息，這一密度水平將“達到1.4納米制程的同等水平”。華為的工藝制程并沒有做到1.4納米，這里指的是通過邏輯折疊等技術(shù)，在不依賴最先進光刻工藝的前提下，讓晶體管密度達到與傳統(tǒng)1.4納米工藝相當(dāng)?shù)乃健?/p>

值得一提的是，韜定律的適用范圍并不限于手機芯片。大型AI集群超過80%的能耗用于數(shù)據(jù)傳輸，超過70%的成本投入在存儲設(shè)備上。對AI系統(tǒng)而言，壓縮數(shù)據(jù)在芯片之間、機柜之間和封裝內(nèi)部的傳輸時間，與優(yōu)化計算本身同等重要。何庭波在上述論文也提出了多項面向AI數(shù)據(jù)中心的技術(shù)方案。

按照何庭波在論文的預(yù)測，到2035年，AI硬件集成度將增長超過100倍。昇騰系列AI芯片則預(yù)計在2030年前后引入邏輯折疊技術(shù)。

先進封裝的新一輪需求

韜定律能否從單款芯片擴展到整個產(chǎn)業(yè)，取決于一項關(guān)鍵工藝的成熟度——先進封裝。

一位半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈分析人士告訴經(jīng)濟觀察報記者，韜定律的發(fā)布，標志著國產(chǎn)半導(dǎo)體正式在混合鍵合和3D堆疊方向上進行系統(tǒng)性投入，“對晶圓廠、封裝企業(yè)和EDA公司都有直接影響”。

邏輯折疊的核心工藝是把兩片甚至多片晶圓縱向堆疊在一起。每多堆疊一層，就要多做一輪完整的制造流程：混合鍵合將晶圓以微米級精度對齊并連接；TSV（硅通孔）在晶圓上打出縱向?qū)щ娡ǖ溃屔舷聦有盘柨梢源┰剑籆MP（化學(xué)機械拋光）將晶圓表面磨到納米級平整度，否則鍵合對不準。

前述分析人士告訴經(jīng)濟觀察報記者，邏輯折疊路線意味著多層、多次的光刻、薄膜沉積、掩膜和清洗工序，對半導(dǎo)體設(shè)備和材料的需求是上升的，“堆兩層，設(shè)備和材料的用量比平面方案多接近一倍，堆三層就再多一倍”。

他同時表示，韜定律和摩爾定律不是替代關(guān)系，兩條路線各管一頭，摩爾定律管空間密度，韜定律管時間效率，最終都要回到光刻、沉積、掩膜、清洗這些基礎(chǔ)制造環(huán)節(jié)，“最好的方案是兩條路線齊頭并進”。

5月25日A股市場上相關(guān)半導(dǎo)體上市公司的股價走勢，基本反映了這條傳導(dǎo)邏輯。比如，中芯國際是目前國內(nèi)在先進制程方向最接近規(guī)模量產(chǎn)能力的晶圓代工企業(yè)，股價暴漲18.78%；華大九天是國內(nèi)主要的EDA軟件廠商之一，股價漲幅觸及20%漲停上限；拓荊科技則是國內(nèi)主要的薄膜沉積和鍵合設(shè)備廠商，股價漲幅高達16.86%；盛美上海是半導(dǎo)體清洗和電鍍設(shè)備廠商，股價同樣暴漲17.75%。

不過，何庭波在論文中也明確列出了一系列韜定律尚未解決的技術(shù)難題。

第一個難題是EDA工具鏈。現(xiàn)有的芯片設(shè)計軟件是為平面時代開發(fā)的，面積、時序、功耗三個指標分開優(yōu)化，但邏輯折疊要求設(shè)計工具把多層堆疊的晶圓當(dāng)作一個整體來處理，支持在標準單元（芯片設(shè)計中最基本的邏輯功能單元）層級上進行跨層分配，傳統(tǒng)的二維設(shè)計工具無法適配這種需求。

何庭波在論文中稱，華為已開發(fā)初步的內(nèi)部工具鏈，方法論細節(jié)將在后續(xù)公開發(fā)布。她將面向τ縮放的開源EDA工具鏈稱為“未來十年最核心的基礎(chǔ)支撐投入”。

第二個難題是晶圓間的工藝偏差。邏輯折疊需要把不同批次，甚至不同工藝節(jié)點的晶圓鍵合在一起，但不同晶圓之間的電氣參數(shù)差異，遠大于同一片晶圓內(nèi)部的差異，這對時鐘信號的分布和時序裕量（電路正常工作所需的時間余量）構(gòu)成很大壓力。

何庭波在論文中還提到一個容易被忽略的問題：τ是一條時間準則，不是一條能耗準則。比如，一套系統(tǒng)運行速度快了10倍，如果功耗也漲了10倍，在理論上并不違反韜定律，但實際部署時會超出電力系統(tǒng)的承載能力。所以，她在論文中也明確指出，韜定律必須搭配一套完整的能耗優(yōu)化體系，才能在產(chǎn)品中落地。

此外，芯片行業(yè)現(xiàn)有的性能評測標準，如Linpack、MLPerf、SPEC（三種被廣泛采用的計算性能基準測試），都是為衡量單一指標設(shè)計的，無法評估韜定律追求的全棧協(xié)同優(yōu)化效果。

何庭波在論文中呼吁行業(yè)建立一套新的基準測試體系，能夠量化系統(tǒng)各層級的延遲分布和優(yōu)化空間。

值得一提的是，何庭波在論文結(jié)尾還表示：“未來十年要做的事已經(jīng)明確。仍有大量問題尚未解決，沒有任何一家企業(yè)能夠獨自應(yīng)對。工具鏈、行業(yè)標準、基準測試、器件物理和經(jīng)濟模型，都需要來自整個行業(yè)的共同貢獻。這篇論文既是一份來自實踐一線的報告，也是一封邀請函。前路充滿挑戰(zhàn)，但方向清晰明確。”