2019年5月16日,美国商务部将华为列入实体清单,此举引发海思总裁何庭波致员工信,信中“备胎一夜转正”的宣言迅速在网络上引发热议,极大地鼓舞了国民士气。华为总裁办也同期发文,指出公司多年前已对潜在风险有所预判,并为此投入了大量研发资源,以期在极端情况下确保业务连续性。信中还提及“时间将会揭开虚伪的面具,阴霾过后阳光必定普照”,寄望未来。
然而,当时的华为内部深知,其表面上的底气仍有脆弱之处。尽管创始人任正非对外宣称华为在5G和核心网领域可摆脱美国技术依赖,但少数核心决策者,包括徐直军在内,清楚地认识到“备胎计划”的实施离不开台积电的生产制造能力。彼时,华为90%的芯片都由台积电代工,这无疑是华为的“命门”所在。
到了2020年3月,美国针对这一薄弱环节的行动信号愈发密集,试图通过限制台积电对华为的先进制程供应来阻碍其发展。为此,美国商务部专门制定了名为“海思规则”的出口管制及外国直接产品规则(FDPR)。
2020年3月30日,华为召开了一场关乎公司命运的高层会议,讨论一旦台积电无法继续为华为代工芯片,应如何应对。徐直军在会上提出,华为必须介入芯片制造环节。这个项目最初有人建议命名为“干将”,但最终任正非拍板定名为“莫邪”。在“干将莫邪”的传说中,莫邪以身殉炉铸剑,象征着华为将以何庭波为代表,为公司铸造一把突破芯片封锁的利剑。
彼时,台积电已将先进制程推进至5纳米,华为Mate 40成为最后一款采用台积电5纳米工艺的产品,其他产品多为7纳米及以上。而中国大陆最先进的量产工艺仅达到14纳米,且产能十分有限。
华为曾一度判断,美国可能只会限制14纳米及以下的先进制程。然而,5月15日FDPR制裁令的落地,其严苛程度远超华为预期。徐直军回忆道:“2020年5月15日,是海思最黑暗的一天。他们不知道未来何去何从,未来还存在不存在。”
制裁后,徐直军即向海思全体员工发送邮件,指示现有产品继续做好做完,未来产品研发节奏可放缓但不能停止。当被问及海思的未来走向时,徐直军回应:“海思在华为是一个成本中心,不需要盈利,只要华为能生存下来,海思就能生存下来。”
回溯过往,美国的所有举措都可归结为一点:利用时间限制华为,通过制造工艺的代际差距不断拉大,最终扼杀这家公司。美国争夺的是时间,而华为的反击武器,恰恰也是一种维度的时间。
六年后的2026年5月25日,何庭波在上海举行的IEEE ISCAS 2026上,发布了“韬(τ)定律”。这一理论提出以“时间缩微”取代摩尔定律的“几何缩微”,通过系统性压缩信号传播时延,在现有工艺基础上制造出具有竞争力的芯片。
这标志着华为首次将其六年芯片突围的底层方法论公之于众,也是徐直军首次深入阐述华为工程师们与时间赛跑的艰辛历程。老子《道德经》有言“反者道之动,弱者道之用”,意指事物发展到极致会走向反面,柔弱顺应反而更能发挥作用。这恰是华为芯片突围战役的最佳写照。
华为曾一度以“硬刚”闻名,但“韬定律”发布后,业界惊奇地发现,不“硬刚”的华为反而显得更加游刃有余。
一旦习惯了一条道路,转换路径将异常艰难。半导体行业六十年来遵循的摩尔定律,即每18个月晶体管数量翻倍,支撑了从大型机到智能手机的整个信息时代。然而,这条道路如今已荆棘丛生、阻碍重重。
经济层面,一片300毫米晶圆的生产成本在25年间飙升30倍,设计一颗2纳米芯片耗资高达10亿美元,即便台积电也难以承受。该公司已明确表示在A12节点之前不会引入ASML最新的High NA EUV光刻机,原因就是成本过高。
物理层面,28纳米之后,标称制程与晶体管的实际尺寸已脱钩,“几纳米”更多沦为一个营销概念。
摩尔定律的局限性促使全球芯片厂商转向新的探索。英伟达的B200和B300算力卡采用的是台积电N4P工艺,本质上仍属5纳米,并未急于转向2纳米。它们通过CoWoS封装技术将多颗裸片(Die)整合,在系统层面提升性能。
英特尔、AMD也采取了类似策略,比如3D封装、Chiplet架构、多Die互联,这些都是在制程放缓后寻找的新出路。IMEC今年5月的路线图显示,先进封装和异构集成技术比重日益增加,但整个产业链的论述依然聚焦于“不断推进制程”。
然而,却没有一家公司敢于旗帜鲜明地指出,半导体行业需要一条新路。尽管每家芯片公司都在实践“韬定律”的部分理念,如封装、互联、系统架构,但没有人将其提炼成一套贯穿全系统的完整方法论。零散的优化与成体系的定律有着本质区别,因为这些公司仍能以最先进的工艺节点为基础,设计压力相对较小,换道的意愿自然不够彻底。
华为却没有任何选择余地。徐直军指出:“我们真正推动工艺进步并对工艺有需求的,主要有三类芯片:手机SoC、PC/服务器CPU和NPU/GPU。华为恰好这三类芯片都有涉及,而且是我们的核心业务。”与能够利用台积电最新工艺的苹果不同,也不同于在GPU领域拥有定价权的英伟达,华为必须在手机、通信、计算三条战线同时保持竞争力。而制裁,则切断了这三条战线的供应。
当有人问徐直军做芯片是否幸福时,他坦言:“我一点都不幸福。因为我们做的都是别人十年前就已完成的事情,谁愿意做呢?如果不是美国逼迫我们的国家、公司和产业界,我们不可能被迫做这样的事。但也要感谢美国,它促使我国半导体产业链真正成长起来,现在发展势头很好,得到了大家的认可和支持。”
如果华为未受制裁,大可以在全球顶尖技术和产品的基础上,进行更具革命性的创新。华为不愿做,但又不得不做。EUV光刻机进口无望,基于DUV的工艺天花板显而易见,沿着几何缩微之路追赶,代差只会越拉越大。
华为比整个行业更早地撞上了那堵墙,也因此被迫将零散的工程直觉提炼成完整方法论。
英伟达、AMD、英特尔的Chiplet和3D封装,更多是在“堆叠”层面做文章,像乐高积木般将多个芯片拼接在一起,从而提升性能。简单来说,是先做好独立的芯片,再通过封装形式连接。
华为在没有先进制程优势的情况下,只能在设计深度上走得更远,达到了“逻辑折叠”的层面。这是一种将一颗芯片从底层拆解并重新设计成两层的方案,完全不同于现有水平的设计创新,也是“韬定律”区别于行业既有路径的核心所在。
这正是“韬定律”所映照的行业现实:全球同行都在探索后摩尔时代的路径,但没有谁比华为更迫切,因为它既无退路,也无舒适区。
当华为被推上这条道路时,没有人知道能走多远,更没有人能准确估算需要付出多大代价。
“莫邪”项目同时推进两个方向:一是推动国内晶圆厂提升工艺能力,华为提供设备协助和工艺调整支持;二是在芯片设计端寻找突破口。
徐直军表示:“我们当时一方面推动国内制造厂商进步,另一方面在设计上找出路,因为制造能力是确定的,就那个水平。”这意味着海思的工作量不减反增,他们需要将数百颗原在台积电生产的芯片移植到国内工艺节点上,同时还要开发新产品,并确保其在市场上能与高通、苹果、英伟达等竞争对手正面交锋。
首先付出的代价是“笨功夫”。工程师们反复遇到同一个问题:在工艺落后的情况下,如何让芯片性能不落后?
答案隐藏在一个被忽视了六十年的本征属性中。摩尔定律关注空间,旨在缩小晶体管尺寸,“缩小”只是手段,真正的目的是“提速”。缩短栅极长度,本质上是为了降低信号传播的时间常数τ。
过去六十年,几何缩微恰好是降低τ最有效的方法,因此各方都追逐不舍。然而,当几何缩微之路受阻时,降低τ的途径并未被堵死。
正是在这里,全新的道路被开辟出来。
“韬定律”的核心主张由此成形,即以“时间缩微”替代“几何缩微”作为半导体演进的新指导原则。一旦将度量衡从空间尺寸转换为时间常数,所有层级工程师,包括器件、电路、架构和系统设计者,都拥有了统一的优化语言,发力空间从单一维度扩展到十余个维度。
代价也包括技术领域的硬骨头。逻辑折叠,就是这条路上必须攻克的第一个难题。
传统的3D堆叠技术,是将两颗芯片堆叠在一起,各自功能独立,设计互不耦合。逻辑折叠则截然不同,它将一张平面电路“撕开”、“折叠”成上下两层,功能相互穿插,信号彼此依赖,单独任何一层都无法工作。
其效果是显而易见的。折叠后,两个寄存器之间的距离从毫米级降至微米级,原本用于维持长距离信号传输的缓冲器(buffer)数量可削减50%以上。这些缓冲器本身不产生用户可感知的任何功能,纯粹是为了弥补物理距离而付出的隐性成本。
华为数据显示,通过逻辑折叠,CPU主频可从2.6GHz提升至3.1GHz,NPU性能提升1.4倍,GPU性能提升30%-40%,同时功耗大幅下降。
更为关键的是,逻辑折叠不受制于特定工艺。无论是28纳米、7纳米,还是未来的3纳米,都能适用。甚至两层裸片可以采用不同的工艺节点。徐直军反复强调:“它并不排斥几何缩微。国内的先进工艺不可能停滞不前,肯定要继续发展。每一步的进步都能促进‘韬定律’取得更好的结果,‘韬定律’也能基于先进工艺的进步带来更优异的表现。”
然而,最大的代价是时间本身。逻辑折叠需要在“非连续空间”中重新布局布线,传统EDA工具无法胜任。海思为此花费数年时间自主研发内部工具,才走到今天。数万名工程师在死胡同里摸索了六年,才将这条路径从一个概念变为381颗量产芯片。
这条路确实越走越宽了。沿着“韬定律”,华为在大规模AI算力集群的τ微缩中,通过三个协同层实现:系统互联结构Unified Bus、近封装光引擎Hi-ONE,以及封装本身的拓扑重组3D Folding。
超节点架构将多颗芯片通过高速互联组成一个逻辑上的“超级芯片”,将时间缩微的逻辑从单一芯片推向了整个计算系统。在制程工艺差距导致芯片落后的情况下,AI算力集群反而能够超越英伟达。
有专家预估,采用相对成熟的工艺节点结合“韬定律”的全栈优化,可以制造出性能媲美N3E的芯片,而成本可降低约30%。这意味着华为无需获取最先进制程,也能生产出与苹果A19同代际的产品。
付出了巨大代价之后,仍有人质疑:仅仅六年,“韬定律”凭什么称为定律?
徐直军回应:“摩尔定律是1965年4月在《电子学》杂志上提出的,英特尔三年后才成立(1968年)。‘黄氏定律’也是最近才提出,AI才发展了几年?ChatGPT才出现了几年?‘黄氏定律’为何用‘定律’而非‘定理’,因为它不是推导出来的,而是总结出来的,不需要那么准确,只要是一个能适应的规律就行了。”
他又补充道:“创新是被逼出来的。当无法获得先进工艺时,人是活的,总要寻找出路。找到了这条路,发现这条路还能一直走下去。”在华为内部,“韬定律”也被称为“何式定律”。何庭波不必“以身殉剑”,但这条路走了多远、付出了多少,每个参与者都心知肚明。
华为芯片这些年走过的轨迹,先是求生存,接着是高质量地生存,现在则是找到了重回高峰的路径。
“活下来”是华为2019年至2022年的核心关键词。面对制裁切断供应,“莫邪”项目启动,数百颗芯片从台积电迁移至国内产线,Mate 60成功回归市场,证明华为依然存在。
2023年初,徐直军发表了题为“奋勇前进,冲破险阻,有质量地活下来”的新年致辞。“有质量地活下来”是由381颗量产芯片支撑起来的。这些芯片涵盖手机、数据中心、网络等多个场景,每一颗都融入了“何式定律”的思想,并已实现规模量产交付。
徐直军表示:“如今,‘活下来’这个词在我们的战略中越来越少见了。更多的是思考如何发展。现在有了‘何式定律’,至少未来有了明确路径,能找到解决方案,能进一步提升竞争力。同时,我们也推动产业界和工艺的演进,相互促进,这让我们心里更踏实了。”根据路线图,到2031年,基于“何式定律”的高端芯片晶体管密度将达到等效1.4纳米制程水平。
半导体产业历来是生态型产业,摩尔定律是全行业的定律,“何式定律”也绝不可能由一家公司独立完成。逻辑折叠目前最大的瓶颈仍在EDA工具,其他设计公司即便理解了逻辑折叠的原理,目前也缺乏相应的工具支持。
徐直军坦言,这也是华为选择在此时公开发布“何式定律”的主要原因,“我们一家可能玩不转,需要整个产业界参与进来,从学术界到EDA厂商到设计公司,大家共同来做,最终沿着这条路向前走,或许就能走出中国半导体的另一条道路。”
何庭波在ISCAS演讲中也提到:“未来一定属于开放合作,没有一家企业可以独自解决所有问题。”华为的策略是用成果说话,让生态自然生长。
徐直军并不打算去强行说服谁。“如果‘何式定律’真正具有生命力,它无需说服,自然就会发展壮大。即便有一天,先进工艺彻底开放了,但你知道未来2纳米芯片的制造成本有多高吗?如果企业采用‘何式定律’,基于7纳米就能做出高性能、低成本的芯片,何乐而不为呢?所以关键在于‘何式定律’的生命力究竟如何,尤其是面向未来。”
真正的考验依然是时间。摩尔定律从1965年提出到成为行业共识,经历了十年的反复验证。徐直军表示,至于“何式定律”能走多远,“未来有没有生命力,那要等到五年、十年以后再回顾来看。”
他稍作停顿,但语气坚定:“华为公司的所有产品,都能在中国大陆设计出来、制造出来,并且还能规模化供应。我们真正实现了任总2019年所说的彻底不依赖,不仅仅是美国。这一点也是中国产业界共同努力的结果,并非我们一家之力。”
2019年那封邮件曾写道:“时间将会揭开虚伪的面具,阴霾过后阳光必定普照。”七年过去,时间确实揭示了许多真相,揭开了摩尔定律的裂痕,揭示了制裁的真实意图,也展现了华为在绝境中开辟出的那条道路。我们既不必神化“何式定律”,也无需急于否定它。时间终将给出一切答案。
