Gespräch mit HE Tingbo von Huawei: Die wahre Kraft des "Tau-Gesetzes" und die Außenseiter-Misverständnisse

Am 25. Mai hat He Tingbo, der Präsident der Huawei Halbleiterdivision, das "Tao (τ)-Gesetz" veröffentlicht, was die Halbleiterbranche und die Kapitalmärkte erschüttert hat.

Diese Veröffentlichung ist eine Reaktion auf die öffentliche Erklärung von Ren Zhengfei, dem Gründer von Huawei, vor sechs Jahren. Im Jahr 2020 wurde Huawei in die Entity List aufgenommen. Ren Zhengfei, der sich normalerweise kaum öffentlich zeigt, hat in jenem Jahr häufige Interviews mit chinesischen und ausländischen Medien gegeben und mehrmals über Grundlagenforschung, Grundbildung, Mathematik und Physik gesprochen. Diese Themen schienen damals für Huawei, das fast von der Lieferung von Komponenten abgeschnitten war, weit entfernt.

Im Falle einer großen Krise neigt ein Unternehmen normalerweise dazu, Sofortmaßnahmen zur Selbstrettung anzuzeigen, wie die Anpassung der Lieferkette, die Einholung von staatlicher Unterstützung oder die Veröffentlichung von Ersatzlösungen. Diese Maßnahmen sind kurzfristig und effektiv, um das Vertrauen der Mitarbeiter und der Öffentlichkeit zu stärken. Ren Zhengfeis wiederholte Betonung der Grundlagenforschung schien damals eher wie "ein unverständliches Phänomen" und "eine Ferne Lücke, die nicht sofort gefüllt werden kann".

Sechs Jahre später betrachtet, hat sich die Strategie mit der Taktik verschlossen.

Am 25. Mai hat He Tingbo uns gesagt: Innerhalb von Huawei gibt es zwei "Zehn-Jahres-Entscheidungen": Erstens wird das Moore'sche Gesetz in den nächsten zehn Jahren an seine Grenzen stoßen - selbst ohne externe Einschränkungen werden die wirtschaftlichen und physikalischen Grenzen der fortschrittlichen Halbleiterfertigung eine gemeinsame Beschränkung für die gesamte Halbleiterbranche darstellen. Zweitens hat Huawei im Jahr 2020 intern vorausgesagt, dass es zehn Jahre dauern würde, um bei der Technologie des logischen Faltens einen Durchbruch zu erzielen.

Die tatsächlichen Fortschritte waren schneller als erwartet. He Tingbos Team hat es in sechs Jahren geschafft, Ergebnisse zu erzielen.

He Tingbo ist der Präsident der Huawei Halbleiterdivision und der Direktor des Huawei Wissenschaftlerrats. Ende 2019 hat sie in einem internen Brief an alle Mitarbeiter von HiSilicon geschrieben: "In Zukunft wird es keine weitere Zeit von zehn Jahren geben, um Ersatzprodukte zu entwickeln und dann auszutauschen. Die Pufferzone ist verschwunden. Jede neue Produktentwicklung muss von Anfang an ein Konzept für 'technologische Selbstständigkeit' beinhalten."

He Tingbo hat gesagt, dass es in den letzten sechs Jahren Zeiten der Frustration gegeben hat. Als der Weg der fortschrittlichen Halbleiterfertigung durch externe Kräfte blockiert wurde und das Moore'sche Gesetz weltweit an wirtschaftliche und physikalische Grenzen stieß, war die Forschungsrichtung für eine Zeit in eine Sackgasse geraten.

Wie kann man bei der Schwierigkeit, die Halbleiterfertigung weiter zu verbessern, eine Generationelle Leistungssteigerung erzielen? Der Wendepunkt kam von einem Wasserkraftprojekt aus vor über 2.000 Jahren - der Dujiangyan-Schleuse. In der schwierigsten Zeit hat He Tingbo mit ihrem Team einen Ausflug nach Dujiangyan unternommen.

Ohne Elektrizität, ohne Turing-Mechanik und ohne moderne Maschinen haben die alten Chinesen allein durch das Verständnis von "Gebirge, Wasser und Macht" eine automatische Wasseraufteilung, Sedimentabfuhr und Stromkontrolle ohne Damm erreicht. Plötzlich hat sie erkannt: Wenn die externen Beschränkungen nicht geändert werden können, liegt der Schlüssel zur Problemlösung nicht darin, auf bessere Bedingungen zu warten, sondern darin, "diese (nutzbaren) Bedingungen neu zu betrachten und das Problem zu lösen".

"Selbst ohne Exportkontrollen würde das Moore'sche Gesetz in den nächsten zehn Jahren eine Beschränkung für alle darstellen. Huawei arbeitet einfach früher unter diesen Beschränkungen." He Tingbo betont wiederholt eine tiefere industrielle Realität: Nach der 7-nm-Halbleiterfertigung steigen die Designkosten und die Kosten für Wafer bei jeder neuen Fertigungsgeneration exponentiell. Die Abnahme der Kosten pro Transistor wird unumkehrbar langsamer. Die wirtschaftliche Allgemeingültigkeit der fortschrittlichen Halbleiterfertigung neigt sich dem Ende zu. Mit anderen Worten, die globale Halbleiterbranche steht am Rande eines Paradigmenwechsels. Huawei wurde nur durch die Einschränkungen früher über die Schwelle geschoben.

Die Überlagerung der "industriellen Notwendigkeit" und der "Dringlichkeit für Huawei" bildet die doppelte Grundlage für die Entstehung des Tao-Gesetzes.

Tatsächlich ist es eher ein allgemeines Lösungsframework für die Zeit nach dem Moore'schen Gesetz. Dieses Framework wurde erstmals von einem chinesischen Unternehmen, das von der Lieferung abgeschnitten wurde, vorgelegt und wurde bereits mit 381 Serienchips auf seine Machbarkeit getestet. He Tingbo betonte in der Kommunikation nach ihrer Präsentation: "Wenn wir heute immer noch die fortschrittlichsten EUV-Lithographiegeräte hätten, würden wir möglicherweise nicht diesen Weg gehen. Aber die Geschichte kennt keine Wenns. Genau das Fehlen der Wahlmöglichkeit hat uns zehn Jahre früher auf das Problem gestoßen, das alle Spieler schließlich zu lösen haben werden."

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Industrielle Notwendigkeit, Dringlichkeit für Huawei

Selbst ohne Einschränkungen würde das Moore'sche Gesetz in zehn Jahren an seine Grenzen stoßen. Huawei hat einfach früher die Wahlmöglichkeit verloren.

Nach He Tingbos Ansicht ändert sich die wirtschaftliche Grundlage der fortschrittlichen Halbleiterfertigung nach der 7-nm-Technologie.

In den letzten 40 Jahren hat das Moore'sche Gesetz die gesamte Halbleiterbranche nicht nur durch die kontinuierliche Zunahme der Transistorenanzahl vorangetrieben. Wichtiger ist, dass die Zunahme der Transistordichte längerfristig schneller war als die Zunahme der Herstellungskosten. Das bedeutet, dass obwohl die Herstellungskosten für Chips steigen, die Kosten pro Transistor weiterhin sinken. Die Kostenvorteile, die durch technologischen Fortschritt entstehen, können von der gesamten Branche und den Verbrauchern geteilt werden.

"Der größte Vorteil des Moore'schen Gesetzes in der Vergangenheit war, dass es die Kostenvorteile, die durch technologischen Fortschritt entstehen, an die gesamte Branche weitergeben konnte. Aber heute wird es immer schwieriger, diese Kostenvorteile durch die fortschrittliche Halbleiterfertigung zu erzielen." sagte He Tingbo.

Sie ist der Meinung, dass in einer solchen Situation die weitere Abhängigkeit von der geometrischen Verkleinerung zur Leistungssteigerung unweigerlich zu einem Weg der "kontinuierlichen Kostensteigerung" führen wird. Im Gegensatz dazu basiert das Tao (τ)-Gesetz nicht einfach auf teureren fortschrittlichen Transistoren, sondern verbessert die Transistordichte durch die Technik des logischen Faltens, um die Verzögerung und die Leistung von Bauteilen, Schaltungen, Chips und Systemen zu optimieren und so die kontinuierliche Entwicklung von Halbleitern und elektronischen Systemen zu ermöglichen.

Die wirtschaftlichen Gewinne, die das Moore'sche Gesetz in den letzten drei Jahren gebracht hat, nehmen allmählich ab. Dies ist ein Problem, das derzeit in der Halbleiterbranche allgemein anerkannt wird. Es gibt in der Halbleiterbranche in den letzten fünf Jahren eine große Anzahl von akademischen Forschungen.

In der internationalen Fachzeitschrift "Science" wurde im Juni 2020 ein Artikel von Charles E. Leiserson, einem Professor an der Massachusetts Institute of Technology und Turing-Preisträger, sowie Forschern von NVIDIA, Microsoft und anderen veröffentlicht - "There’s Plenty of Room at the Top: What Will Drive Computer Performance after Moore’s Law?"

Der Kernpunkt dieses Artikels ist, dass die Leistungssteigerung im "Zeitalter nach dem Moore'schen Gesetz" zunehmend von der kooperativen Optimierung von Software, Algorithmen, Systemarchitektur und speziellen Hardwarekomponenten abhängen wird, anstatt hauptsächlich von der kontinuierlichen Verkleinerung der Transistorgröße.

Ähnlich wie die obigen Ansichten ist die interne Einschätzung von Huawei, dass das Moore'sche Gesetz in zehn Jahren an seine Grenzen stoßen wird.

Obwohl die fortschrittliche Halbleiterfertigung weiterhin die Transistordichte, Leistung und Energieeffizienz verbessern kann, steigen die Designkosten, Herstellungskosten und Kapitalausgaben für jede neue Fertigungsgeneration rapide. Insbesondere nach der Einführung der 5-nm-, 3-nm- und sogar 2-nm-Technologie sind die Kosten der fortschrittlichen Halbleiterfertigung deutlich gestiegen.

Die Daten der internationalen Halbleiterberatungsfirma IBS (International Business Strategies) aus dem Jahr 2022 zeigen, dass die Designkosten für einen 7-nm-Chip etwa 249 Millionen US-Dollar, für einen 5-nm-Chip etwa 449 Millionen US-Dollar, für einen 3-nm-Chip etwa 581 Millionen US-Dollar und für einen 2-nm-Chip etwa 725 Millionen US-Dollar betragen.

Eine Studie des internationalen Halbleiterdenkwerks Center for Security and Emerging Technology (CSET) zeigt, dass die Kosten für einen 300-mm-Wafer mit 7-nm-Technologie von TSMC etwa 9.346 US-Dollar und für einen 5-nm-Wafer etwa 16.988 US-Dollar betragen. Die Daten der internationalen Halbleitermarktanalysenfirma TrendForce zeigen, dass der Preis für einen 3-nm-Wafer bereits etwa 25.000 bis 27.000 US-Dollar und für einen 2-nm-Wafer etwa 30.000 US-Dollar beträgt.

Der Effekt des Moore'schen Gesetzes, der in der Vergangenheit die Leistungssteigerung und die gleichzeitige Abnahme der Kosten pro Einheit ermöglichte und die gesamte Branche begünstigte, nimmt unumkehrbar ab. In der Zeit der fortschrittlichen Halbleiterfertigung können nur wenige führende Waferfertigungsunternehmen sowie einige Technologieunternehmen wie Apple und NVIDIA, die die Forschung und Serienproduktion von nächsten Generationen von Chips finanzieren können, weiterhin von der Leistungs- und Energieeffizienzsteigerung profitieren, die durch die fortschrittliche Halbleiterfertigung ermöglicht wird.

Für Huawei ist diese Situation jedoch früher eingetreten. Nach der Aufnahme in die "Entity List" im Jahr 2019 hat Huawei gezwungenermaßen begonnen, einen anderen Weg zu suchen - nicht nur die Anzahl der Transistoren pro Fläche zu erhöhen, sondern die Leistung durch die Reduzierung der "Zeitkosten" im System weiter zu verbessern. In diesem Zusammenhang wurde das Tao (τ)-Gesetz entwickelt.

Es ist wichtig zu klären, dass das Konzept von Tao (τ, auch als Zeitkonstante bekannt) nicht von Huawei erstmals vorgeschlagen wurde.

In der Elektronik und Halbleitertechnik wird τ seit langem verwendet, um die Zeitverzögerung in Schaltungen sowie die Auswirkungen der RC (Widerstand, Kapazität)-Eigenschaften auf die Signallaufzeit zu beschreiben. In den letzten Jahrzehnten hat die Halbleiterbranche eine große Anzahl von Forschungen im Bereich der Reduzierung der Zeitverzögerung durchgeführt, einschließlich der Optimierung von Verbindungen, der Zeittaktoptimierung, der fortschrittlichen Verkapselung, der Nahbereichskommunikation, der asynchronen Berechnung und der Datenflussarchitektur. Ihr gemeinsames Ziel ist die Reduzierung der Zeitkosten für die Signalübertragung in Bauteilen, Schaltungen, Chips und Systemen.

Mehrere Chipingenieure haben uns ihre Ansichten über das Tao (τ)-Gesetz ausgedrückt. Sie haben erwähnt, dass der Optimierungsansatz, der auf die Reduzierung der Zeitverzögerung abzielt, in der Branche kein neues Konzept ist. Früher haben Technologien wie die 3D-Stacking-Technologie von HBM (High Bandwidth Memory) und die von AMD befürwortete Hybrid Bonding-Technologie diesen Ansatz in unterschiedlichem Maße umgesetzt.