華為正式對外發(fā)布了一個叫作韜定律的新概念,表示這個新理論不僅要直接挑戰(zhàn)統(tǒng)治了芯片行業(yè)六十年的摩爾定律傳統(tǒng)路子,還要通過一種叫邏輯折疊的神奇技術(shù),讓我們在光刻機(jī)受限的逆境下,依然能造出性能狂飆的高端芯片。官方甚至放出豪言,預(yù)計到了2031年,基于這個新思路造出來的芯片,其綜合晶體管密度能直接對標(biāo)1.4納米制程的頂尖水平。
這消息一出,網(wǎng)上的討論直接分成了好幾派。有人覺得這是天降神跡,咱們終于要彎道超車了;也有懂行的老玩家覺得,這不過是把現(xiàn)有的堆疊技術(shù)換了個高大上的包裝。那么,這套聽起來玄乎其玄的韜定律底色究竟如何?它真的能讓咱們未來的手機(jī)快到飛起嗎?
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摩爾定律撞了南墻,咱們換個思路折紙玩
要搞明白華為這次弄出的動靜,咱們首先得回頭看看那個幾乎所有人都耳熟能詳?shù)哪柖傻降资窃趺椿厥隆T谶^去的大半個世紀(jì)里,整個半導(dǎo)體行業(yè)就像是中了這套定律的魔咒,全世界的頂尖工程師都在一條道上走到黑,那就是:拼命地把芯片里的晶體管往小了做 。
大家完全可以把芯片想象成一個超級巨大的露天停車場,而晶體管就是停在里面的車。摩爾定律的邏輯非常簡單粗暴,那就是每隔大約兩年時間,就把造車技術(shù)狠狠升級一次,讓每一輛車的體積直接縮小一半。這樣一來,原來只能停一萬輛車的場地,現(xiàn)在就能輕松塞進(jìn)去兩萬輛。車變多了,也就意味著這塊場地的調(diào)度能力變強(qiáng)了,對應(yīng)到手機(jī)上,就是芯片的計算能力暴增,性能自然就跟著水漲船高 。咱們平時去店里買手機(jī),總聽導(dǎo)購忽悠什么14納米、7納米、5納米,其實說的就是這個把車變小的極限技術(shù)指標(biāo) 。
可是大家稍微琢磨一下就知道,任何事物都不可能無限地縮小下去,物理世界的硬核規(guī)律可不跟你講人情世故。當(dāng)這些晶體管被極限壓縮到只有幾個納米級別的時候,各種匪夷所思的科學(xué)問題就全冒出來。就像把車身鐵皮壓縮得比紙還薄,車?yán)锏挠途烷_始不講道理地到處漏。在芯片的微觀世界里,這被稱為量子隧穿效應(yīng),電子開始不聽使喚地穿墻亂跑,導(dǎo)致芯片出現(xiàn)嚴(yán)重的漏電現(xiàn)象,不僅耗電量劇增,發(fā)熱也變得極其恐怖。這就是為什么很多網(wǎng)友平時總抱怨,現(xiàn)在的某些高端旗艦手機(jī)只要稍微玩點(diǎn)大作,就動不動燙得像個暖手寶。
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除了漏電這個大麻煩,還有一個更讓人頭疼的瓶頸,懂行的數(shù)碼發(fā)燒友管它叫RC延遲。還是拿停車場來打比方。車子雖然變小了,數(shù)量成倍增加了,但是這些成千上萬的車子是需要互相通信、互相協(xié)調(diào)調(diào)度的。這就好比停車場里修了無數(shù)條錯綜復(fù)雜的內(nèi)部通道。當(dāng)車子密度極高的時候,為了連接它們,這些通道被迫修得越來越細(xì),且彼此挨得越來越近。路太窄,車子跑不快,這在電路里叫電阻增大;路挨得太近,兩邊的車流互相產(chǎn)生磁場干擾,這叫寄生電容變大 。
這兩項指標(biāo)一旦乘起來,結(jié)果就是致命的災(zāi)難:晶體管雖然小了,但信號在它們之間跑一圈傳遞信息的時間,反而變長了。這就像是你雖然砸重金買了一輛性能炸裂的超跑,但一出門就被堵在了早高峰狹窄的胡同里,空有馬力根本跑不起來。六十年來,大家都在拼命死磕如何優(yōu)化晶體管的物理空間,結(jié)果現(xiàn)在悲哀地發(fā)現(xiàn),空間確實小了,但系統(tǒng)的反應(yīng)時間卻變慢了 。
就在整個行業(yè)都在對著這堵物理高墻犯愁的時候,華為提出的這個韜光律就順理成章地登場了。這個定律的核心指導(dǎo)思想就是:既然把車子變小這事兒已經(jīng)越來越費(fèi)勁,甚至開始起反作用,那就別在這個死胡同里繼續(xù)鉆牛角尖了,換個維度,去追求如何讓信號跑完流程的時間變得更短。這就好比,既然在同一個破舊的平面上已經(jīng)沒法把道路修得更寬、更順暢,那咱們干脆搞立體交通,直接在天上修高架橋啊!
順著這個思路,一項被官方極度看好、名為邏輯折疊的技術(shù)就正式走到了聚光燈下。這名字聽著挺科幻、挺深奧,但其實背后的工程學(xué)原理咱們一聽就能懂。大家想象一張寫滿密密麻麻文字的巨大卷子,卷子左上角的字和右下角的字可能相隔十萬八千里,你要是指望一個螞蟻從這頭爬到那頭去傳遞消息,費(fèi)時又費(fèi)力。傳統(tǒng)的解決思路是換更細(xì)的筆,把字寫得再小一倍,硬生生把距離縮短一點(diǎn)。而華為這套“邏輯折疊”是怎么干的呢?人家直接不按常理出牌,把這張巨大的紙從中間給對折了起來!這樣一來奇跡就發(fā)生了,原本隔得老遠(yuǎn)、需要繞一大圈電路才能聯(lián)系上的兩個邏輯單元,現(xiàn)在直接變成了臉貼臉的上下鋪兄弟 。
信號不需要再在那個擁擠不堪的二維平面上長途跋涉了,直接坐個垂直電梯一秒直達(dá)上下層 。這種把大平層變成三維立體建筑的搞法,極其暴力地縮短了物理走線長度,自然也就完美解決了剛才說的那個因為線路太長、太擠而導(dǎo)致的延遲和擁堵問題 。按照官方在演講中給出的說法,用了這套技術(shù),信號傳輸?shù)哪パ蠊r間大幅度降低,哪怕咱們不用目前世界上最新一代的極紫外光刻機(jī),芯片的整體性能也照樣能迎來一個巨大的飛躍 。這思路,確實算是給撞了南墻的摩爾定律,硬生生地從天上砸出了一扇窗戶。
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哪有什么天降神跡,不過是認(rèn)清現(xiàn)實后的另辟蹊徑
聽到這里,估計不少熱血沸騰的朋友已經(jīng)在屏幕前開始默默喊遙遙領(lǐng)先了。但科普就得客觀、理智地看待問題,不吹捧也不刻意摸黑。這套把芯片從平房蓋成小二樓的立體思維,真的是華為在這個星球上獨(dú)家首創(chuàng)、獨(dú)步天下的外星科技嗎?實話實說,如果在學(xué)術(shù)圈較真,還真不是。如果咱們平時稍微關(guān)注一點(diǎn)全球半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展動向,就會發(fā)現(xiàn)大家其實都不傻,面臨摩爾定律逼近物理極限這個全人類共同的大難題,國外的那些老牌芯片巨頭們也早就開始琢磨三維立體封裝的事情了 。
像代工廠里的常青樹臺積電,還有咱們PC時代的老相識英特爾,人家在早些年其實就各自推出了主打3D封裝的前沿技術(shù),什么SoIC啦、Foveros啦,英文名字起得五花八門,但底層的核心邏輯都是相通的,都是想著怎么把不同的芯片模塊像搭樂高積木一樣一層層疊在一起 。所以說,如果在工程界去深究,邏輯折疊或者說這種高密度的垂直混合鍵合技術(shù),并不是今天才從石頭縫里橫空出世的新鮮玩意兒。它更像是目前整個后摩爾時代,全球最頂尖的幾撥人都在共同探索、且已經(jīng)被證明行之有效的一個成熟大方向 。
那問題就來了,既然別人也都在背地里悄悄搞,為什么華為這次要弄出這么大的聲勢,甚至還要鄭重其事地給它冠上一個定律的宏大名號呢?這其實背后藏著一份常人難以體會的現(xiàn)實無奈,以及一種絕境求生、重塑信心的戰(zhàn)略智慧。由于眾所周知的大環(huán)境原因,華為在過去這幾年里,被大洋彼岸卡脖子卡得相當(dāng)難受。最直接、最痛徹心扉的痛點(diǎn)就是,買不到用來制造最先進(jìn)、最小晶體管的EUV極紫外光刻機(jī)。人家臺積電、英特爾有錢有設(shè)備,完全可以優(yōu)哉游哉地兩條腿走路:一條腿繼續(xù)用最高端的光刻機(jī)把晶體管往更小了做,另一條腿同時跟進(jìn)研發(fā)3D堆疊封裝。而咱們呢?把晶體管繼續(xù)縮小這條路,短時間內(nèi)是被徹底堵死了,那擺在面前的選項就只剩下了一個:那就是必須把所有的資源、所有的聰明才智,全部押注在如何更精妙、更極限地蓋這棟小二樓上。
華為必須在這套折疊技術(shù)上做到常人難以企及的極致。它不僅僅是簡單粗暴地把兩塊做好的成品芯片用膠水粘在一起,而是要在芯片最底層的設(shè)計圖紙階段,就把內(nèi)部錯綜復(fù)雜的邏輯電路徹底打散,重新在三維空間里去排兵布陣。
誰跟誰經(jīng)常要說話、要傳數(shù)據(jù),就把它們死死地安排在上下樓挨著,恨不得連樓梯都省了,直接在樓板上打個洞穿過去 。這種深入到細(xì)胞級別的三維重組和優(yōu)化,需要一整套極其復(fù)雜的國產(chǎn)設(shè)計軟件工具和制造工藝默契配合,難度堪比在針尖上繡花 。
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最后還得看大家手里的手機(jī)發(fā)不發(fā)燙
普通網(wǎng)友,平時看看這些充滿宏大敘事的科技新聞,當(dāng)個茶余飯后的談資確實挺提氣的。但要是真到了準(zhǔn)備掏真金白銀換新手機(jī)的時候,那些天花亂墜的專業(yè)英文術(shù)語、學(xué)術(shù)界爭論的所謂“這到底算不算底層原理創(chuàng)新”,其實咱們根本不關(guān)心。老百姓的想法往往最樸素、也最實在:你不管它是叫過氣的摩爾定律,還是叫時髦的韜定律,也不管你這芯片是在大平層里鋪開的,還是費(fèi)勁巴拉蓋了三層小洋樓,我只關(guān)心一個事兒——今年秋天我要是搶到了搭載這塊新芯片的手機(jī),它到底好不好用?
按照華為官方這次在會場PPT上公開的數(shù)據(jù),那預(yù)期的畫面確實是相當(dāng)美好,甚至美好得讓人有點(diǎn)不敢相信。據(jù)說即將在今年秋季重磅發(fā)布的新一代麒麟手機(jī)芯片(很多嗅覺靈敏的網(wǎng)友已經(jīng)猜到,這大概率就是即將用在Mate 90系列上的那顆心臟),已經(jīng)完整地用上了這套主推的邏輯折疊技術(shù)。而且,官方給出的前期測試成績堪稱暴力:在工藝節(jié)點(diǎn)并沒有大幅度更新的前提下,核心的晶體管密度直接從上一代的155暴漲到了238,密度單代跨越了50%多,同時這顆芯片的性能核心能效也同步大幅提升了驚人的41% 。熟悉數(shù)碼圈的朋友都知道,這種單代之間猶如開掛一般的提升幅度,如果放在以前那種按部就班擠牙膏的常規(guī)迭代里,往往需要耗費(fèi)整整三年甚至更久的時間才能慢慢磨出來 。要是這份華麗的數(shù)據(jù)能原封不動地在咱們手里的真機(jī)體驗上兌現(xiàn),那毫無疑問,新一代旗艦機(jī)的系統(tǒng)流暢度和游戲表現(xiàn),將會有一個肉眼可見的質(zhì)的飛躍。
但是,作為一個理性的消費(fèi)者,也得清醒地看到這串華麗數(shù)字背后潛藏的工程隱憂。要知道,科技數(shù)碼圈里一直流傳著一句至理名言:PPT上展示的美好愿景,往往需要現(xiàn)實工廠里無數(shù)個苦逼的工程師掉光頭發(fā)去填坑。把幾十億個極其微小的邏輯電路折疊起來,把兩層甚至多層瘋狂發(fā)熱的硅片緊密地疊合在一起,這在物理層面上簡直就是一個地獄級的散熱災(zāi)難挑戰(zhàn) 。
大家大可發(fā)揮一下想象力,夏天大太陽底下你穿一件短袖可能正好,要是強(qiáng)行讓你穿兩層密不透風(fēng)的厚重保暖內(nèi)衣緊緊貼在身上,中間一點(diǎn)透氣的縫隙都沒有,那得多熱?手機(jī)內(nèi)部本來的空間就是寸土寸金,如何把這棟擁擠的小二樓里散發(fā)出來的巨大熱量迅速、有效地排出去,保證咱們在玩那些畫質(zhì)拉滿的大型手游時,手機(jī)背板不會變成一個烤豬蹄的電餅鐺,甚至因為過熱而瘋狂觸發(fā)降頻保護(hù)、導(dǎo)致畫面一卡一卡的,這絕對是對華為整機(jī)工業(yè)設(shè)計能力和散熱材料儲備的一次終極大考。
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除了發(fā)熱這個老大難,這種立體堆疊技術(shù)還面臨著巨大的制造成本和良品率的殘酷考驗。以前在平地上造單層芯片,哪里測出壞點(diǎn)就直接切掉報廢哪里,止損相對容易。現(xiàn)在你把兩層極其昂貴的芯片死死地貼在一起,如果在封裝的最后關(guān)頭,下面那一層出了點(diǎn)極小微的差錯,那上面完好無損的那一層也得跟著一起無可挽回地陪葬,直接整個當(dāng)工業(yè)垃圾處理掉 。這就意味著前期的生產(chǎn)試錯成本可能會直線上升。華為如何在保證性能狂飆的同時,把工廠流水線上的良品率穩(wěn)穩(wěn)地控制在一個經(jīng)濟(jì)合理的范圍內(nèi),從而不至于讓新款旗艦手機(jī)的最終售價漲到大家都大呼買不起、只能干瞪眼的地步,這也是擺在他們面前一道必須跨越的實打?qū)嵉碾y關(guān)。
所以說,咱們看待這次引發(fā)全網(wǎng)熱議的新定律發(fā)布,大可不必像打了雞血一樣盲目狂歡,但也完全沒必要去陰陽怪氣地冷嘲熱諷。這就好比咱們自己家里那個憋著一股勁兒的小孩,在大家都覺得他已經(jīng)被外部條件限制死、肯定考不上好學(xué)校的時候,他自己默默摸索出了一套雖然非主流但看起來非常管用的學(xué)習(xí)套路,并且當(dāng)著所有人的面信誓旦旦地立下軍令狀,保證期末能拿高分。作為見證這一切的家里人,咱們心里當(dāng)然是由衷地感到驕傲和期盼,絕對希望他能爭口硬氣。但最終這牛吹沒吹破,這套方法行不行得通,還得看他期末考試的真實卷面成績。
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