“要超越业界所称的7纳米节点进行微缩,需要极紫外(EUV)光刻技术,而华为无法获取该技术,必须另寻出路。”
9月4日,华为半导体负责人何庭波在中科院科技论文预发布平台ChinaXiv上更新了论文《Huawei's τ Chip Was Supposed to Melt?》。
这篇论文既是对今年5月华为发布的“韬定律”的延续解读,也是对外界一项固有疑问的正面回应:3D堆叠芯片单位面积晶体管激增,理应更热、更费电,华为的芯片是如何平衡性能和功耗的?
何庭波的核心观点,在于将芯片能耗的焦点从“计算”转向“移动”。她用一个形象的比喻来说明:人的工作日耗能,不只来自伏案工作的几小时,通勤同样消耗大量能量。
芯片亦然,晶体管开关完成计算固然耗能,但数据在模块、电路之间的长距离传输,同样吞噬着动态功耗。在典型智能机负载下,动态功耗占总功耗约九成,而随着制程微缩,互连电容带来的传输能耗愈发沉重。
换言之,真正昂贵的未必是晶体管“思考”,而是数据在芯片内部的“通勤”。
τ定律与LogicFolding(逻辑折叠)技术的破局点,正在于此。它并非简单将芯片堆叠成多层,而是重构电路的空间关系——把原本平面布局中横跨较长的关键连线,通过折叠设计转化为更短的垂直连接。
《Huawei's τ Chip Was Supposed to Melt?》
据论文披露,在部分典型核心中,连线长度可缩短约20%,关键路径最多缩短70%;一个处理模块的时钟布线缩短28%,缓冲器数量从4.36万个降至1.9万个。
折叠的本质,是让晶体管“住得更近”,让数据少跑远路。
这种“时间维度革新”带来的收益,直接体现在量产芯片上。
何庭波给出麒麟2026的数据:晶体管密度从每平方毫米1.55亿个提升至2.38亿个,提升55%。在相同性能下,NPU功耗下降66%,GPU下降58%,CPU性能核心下降41%。其中NPU尤为突出:29TOPS算力不变,频率降63%,电压从0.85V降至0.55V,功耗密度下降73%。
这些数字证明,折叠并不必然导致发热失控,若总功耗下降,整体热负荷反而减轻,再辅以热感知布局将高热模块错位放置,芯片完全可能“更冷”。
但何庭波并未强调“折叠即万能”。
她明确指出,τ是时间缩放定律,而非能量缩放定律。若设计者将节省的时间全部用于提升频率,芯片反而可能更耗电。
DSP第一代折叠便因面积缩小40%导致功耗密度上升24%,直到麒麟2027才改善。CPU因任务串行性强,难以靠并行阵列获益,收益远逊于NPU和GPU。
这恰恰说明,τ定律的真正价值,是给设计者提供重新分配性能、面积和功耗的“余地”,而非一条自动节能的捷径。
更大的挑战仍在眼前:混合键合间距、晶圆翘曲、对准精度、EDA工具适配等工程难题,需要未来三到五年持续攻关。散热虽因总功耗下降而缓解,但下层热量传导问题并未消失。
华为此刻要证明的,不是“芯片可以折起来”,而是这条路径能否像摩尔定律那样,一代代复制进步。
何庭波在文末引用了西西弗斯的神话。每一代芯片都是一次推石上山,折叠赢得时间余量,再将其投入功耗或性能,然后下一代重启循环。
但与神话不同的是,这座山有方向:每个循环留下的,都是一颗计算更多、耗能更少的芯片。这或许才是τ定律最值得关注的野心:在传统制程缩放逼近极限之时,它试图为半导体演进开辟另一条增长曲线。
而那颗“本该烧毁”的τ芯片,至少已经给出了一个反直觉却扎实的答案,更立体、更复杂的芯片,未必更耗电,反而可能跑得更冷静。
以下是何庭波论文原文,观察者网编译,未经作者确认
标题:华为的τ芯片本应熔化吗?
作者: 何庭波
摘要
热量,是τ缩放定律——华为折叠硅片所依据的时间缩放原理,以其旨在缩小的延迟τ(“韬”)命名——所面临的最尖锐的担忧。我们对麒麟芯片的实测结果将这一质疑彻底翻转。原因在于每个通勤者都知晓的道理:在芯片上,如同在一个工作日中,消耗大部分能量的是传输(通勤),而非工位上的工作(运算)。
索引词
逻辑折叠,τ缩放定律,3D集成,混合键合,低功耗设计,系统-技术协同优化。
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