三进制：前苏联实验室的失败产物，在华为手里重生了？

近日，国家知识产权局信息显示，华为技术有限公司公布了一项名为“三进制逻辑门电路、计算电路、芯片以及电子设备”的专利（公开号CN119652311A），申请日期为2023年9月18日。这一创新性技术基于三值逻辑（如0、1、2或-1、0、1），支持加1、减1等基本运算。

该专利通过27种单变量函数简化了电路结构，显著减少了晶体管数量，并将功耗降低至传统二进制逻辑门的三分之一。实验室测试显示，三进制芯片在AI训练任务中速度提升47%，温度控制在40℃以下，初步验证了技术的可行性。

这一突破性进展为未来计算技术的发展提供了全新方向。

三进制逻辑的历史与技术背景

三进制逻辑并非全新的概念。早在上世纪50年代，苏联莫斯科国立大学的研究人员就设计了世界上第一批三进制计算机“Сетунь”和“Сетунь70”。这些计算机利用平衡三元逻辑（-1、0、+1三种状态）进行计算，展现了在同等运算能力下更低的成本和更高的效率。但受限于当时工艺水平，因散热和稳定性问题未能普及。

Сетунь计算机

近年来，随着摩尔定律逐渐逼近物理极限，科学家和工程师们开始重新审视多值逻辑的可能性。研究表明，三进制系统的信息熵约为1.585比特/符号，显著高于二进制的1比特/符号。这种特性使其在特定场景下具备更高的计算效率和更低的能耗需求。

多国近年来重启三进制研究。2019 年，韩国蔚山科学技术大学Kyung Rok Kim团队实现基于三进制金属氧化物半导体的节能芯片，并在《自然·电子学》（Nature Electronics）发表成果，三星随后展开验证。

开发三元金属氧化物半导体的韩国科技团队

华为2023年提交的专利正是在这一背景下诞生，通过现代 CMOS 工艺优化，成功解决了历史难题，成为首个将三进制推向产业化的科技巨头。 

华为三进制专利的核心创新

1. 三值逻辑的电路设计

华为的三进制逻辑门电路基于三值逻辑（0、1、2或-1、0、1），通过创新的电路设计实现了输入逻辑值的加1、减1等基本运算。该设计利用三值逻辑的27种单变量函数，简化了电路结构，减少了晶体管数量，从而降低了功耗和芯片面积。

2. 晶体管数量与功耗的显著降低

实验室数据显示，三进制逻辑门电路可减少约40%的晶体管数量，功耗降低至传统二进制逻辑门的三分之一。这种能效比的提升对于现代计算设备（如AI芯片、移动设备和数据中心）具有重要意义，若推广至数据中心，10% 的设备采用该技术可年减碳 1.2 亿棵树等效量，单机柜年省电超 10 万度。

3. AI训练性能的提升

在AI模型训练任务中，三值逻辑天然贴近人类思维（如 “是、否、可能”），三进制芯片表现出显著的性能优势。在 AI 决策、模糊控制等领域具有独特优势，实验室测试显示，其训练速度相比传统二进制芯片提升了47%，同时芯片温度始终控制在40℃以下。这一结果表明，三进制技术在高负载计算任务中具有更高的稳定性和效率。

附华为专利部分图示：

三进制技术的应用前景

1. AI芯片与加速器

三进制逻辑在AI领域的应用前景尤为广阔。通过减少晶体管数量和功耗，三进制AI芯片可以在有限的功耗预算下提供更强的计算能力，从而加速深度学习模型的训练和推理任务。

2. 通信与嵌入式设备

三进制逻辑还可以应用于通信设备和嵌入式系统。例如，三进制内容可寻址存储器（TCAM）可以提升路由器的查表效率，而三电平信号总线可以增加数据传输带宽，减少编码/解码步骤。

3. 低功耗物联网设备

在物联网领域，三进制逻辑的低功耗特性使其成为理想选择。三进制微控制器（MCU）可以在有限的电池供电下完成更复杂的逻辑任务，从而支持边缘AI和实时信号处理等应用。

挑战仍然存在

尽管三进制技术展现出巨大的潜力，但其大规模应用仍面临一些挑战。首先，三进制逻辑需要与现有的二进制系统兼容，这需要开发高效的三进制-二进制转换电路；其次，三进制生态适配需重构编程语言、编译器及 EDA 工具链，推动行业标准制定；三进制芯片的设计和制造需要调整现有的半导体工艺，例如引入多阈值电压晶体管（Multi-Vt CMOS）或电阻分压网络。

虽然英特尔、AMD等传统芯片巨头对非二进制架构持观望态度，可能延缓行业标准制定进程，但随着技术的不断进步，这些挑战有望逐步克服。

华为的三进制技术被视为对现有计算范式的颠覆。传统二进制芯片依赖 “堆料” 提升性能，而三进制通过底层逻辑革新，在相同工艺节点下实现更高能效。此举可能对英伟达等依赖规模扩张的企业形成竞争压力。