前滩综研决策AI中心副总监 楼崇

华为公司近日公布了一项关于“三进制”逻辑电路的专利，引发业界关注。该三值逻辑门电路，能够对输入逻辑值执行“加一”或“减一”的操作。此次创新设计，通过27种单变量函数，简化了电路结构，大幅减少了所需的晶体管数量，能在降低功耗的同时提升计算效率。

提起“二进制”，大家都知道是用0和1这两种状态表示信息。而“三进制”逻辑，就是每个数位不再只有两个可能，而是可以取三个不同的值。例如，可以用{0，1，2}三种数码表示，或者采用对称的平衡“三进制”{-1，0，+1}表示三个状态。

那“三进制”究竟有什么好处呢？最主要的，是信息表示的容量更大。一个“二进制”位只能表示两种状态，而一个“三进制”位能表示三种状态。具体来说，N个“二进制”位有2^N种组合，而N个“三进制”位有3^N种组合，足足多出了1.5^N倍的可能性。这就意味着表示相同的信息量时，“三进制”所需的“位数”可能更少，信息密度更高。同样长度的数字，“三进制”能涵盖的数值范围比“二进制”大得多。

信息科学理论中也有一个有趣的结论，当采用自然常数e（约为2.718）作为进制基数时，可以实现信息表示的最大效率。由于e并非整数，因此最接近e的“三进制”被视为最具信息熵效率的整数进制。换言之，每个符号有3种可能状态的编码方式，在理论上带来的信息量是最优的。基数经济（radix economy，所需符号位数与基数的乘积）反映了表示效率。例如，将100000用十进制需6位，基数经济为60（10×位数6=60），“二进制”为34（2×位数17=34），“三进制”只有33（3×11位=33）。因此，对于足够大的数，“三进制”的“基数经济”优于任何其他整数进制，这意味着一次性处理3种可能选项所携带的信息熵达到最大。

当然，“三进制”逻辑并非玄学，它只是拓展了我们习以为常的0/1逻辑。第一台通用计算机ENIAC其实用的不是“二进制”，而是十进制（依靠0~9十种状态运算）。然而，数字电路天生偏爱“二进制”，因为电路元件（无论真空管还是晶体管）最容易表现出两种稳定状态——通路和断路。在这基础上要实现第三种稳定电平来代表“三进制”的中间值，技术上要困难许多（模拟电路工程师的噩梦之一，就是如何精确区分多个电压等级）。

不过，20世纪中叶也曾出现过“三进制”计算机的大胆尝试。最著名的例子莫过于苏联在1958年研制成功的Сетунь计算机。这是世界上第一台电子“三进制”计算机，由莫斯科大学的布鲁森佐夫等人开发。Сетунь采用了平衡“三进制”{-1，0，+1}体系，对应硬件上，它通过负电压、零电压和正电压来表示这三种逻辑状态。这种设计使得Сетунь能方便地表示正负数且无需额外符号位，在当时可谓独树一帜。然而，“二进制”在硬件设计上更简单、现成的技术和人才也更多，主流生态已全面转向晶体管“二进制”计算机，最终“三进制”计算机在此后几十年几乎销声匿迹。

随着摩尔定律逐渐放缓，以及以人工智能为代表的算力需求飞涨。大模型训练、实时图像处理、物联网海量数据分析等都需要大量的算力支撑。在这种背景下，“三进制”正提供了这样一种可能——通过提高每个逻辑单元承载的信息量，从体系结构上获得效率提升。在算法上，已经有人探索三值神经网络，用{-1，0，1}的权重来压缩模型、降低乘法运算开销。如果硬件直接支持三值运算，或许能进一步释放这些算法的潜能。

当然，发展“三进制”计算机的技术难关依然不少。首先是器件层面，如何稳定地产生和区分三种电信号电平？这对模拟电路设计和制造工艺提出了很高要求。其次是电路设计与EDA（电子设计自动化）工具，现有的大部分EDA工具几乎都是服务于“二进制”逻辑，要设计“三进制”电路，现有工具链难以直接套用。此外，芯片制造工艺也需要配合优化，并定制特殊的晶体管阈值、电路布局和测试手段，来保障量产良率。

“三进制”计算的上海机遇可从以下几个方面把握：

——EDA设计工具与芯片工艺。可开发新的设计工具、仿真器和IP库（集成电路设计中的知识产权组件，包括但不限于处理器核、内存控制器、接口协议、图形处理单元等）来支持“三进制”逻辑电路设计。同时，芯片代工厂也需要在制造工艺上提供支持，需要建立新的制造流程和测试标准。从材料科学、器件物理到电路架构都需要长期攻关。

——操作系统与基础软件。目前所有主流操作系统、编译器乃至编程语言都是围绕“二进制”架构设计的。可先从支持目前较有发展潜力的应用入手，瞄准AI加速等领域，如神经网络加速、超低功耗物联网计算等，率先展示“三进制”的优势，带动上下游投入。

——标准与合作。为了避免碎片化发展，可率先建立相关国际化组织，推动标准化工作。例如定义“三进制”整数的数据格式（类比“二进制”的字节有8比特，“三进制”是否采用如6个“三进制”位为一组的标准）、“三进制”与“二进制”系统通信的接口协议、EDA工具的模型标准等等。统一了标准，产业链上下游才能协同开发，共同完善整个生态，并有助于形成新计算范式。

展望未来，要让普通个人电脑或者手机的中央处理器（CPU）都改用“三进制”架构，目前看来还非常遥远。毕竟生态迁移成本极高，没人愿意轻易放弃成熟的软硬件体系。但在摩尔定律走到尽头、量子计算尚在襁褓之时，“三进制”逻辑电路提供了一条值得探索的新路径。尽管不能全面替代“二进制”，但是短期内“三进制”芯片可以以专用加速器、学术试验产品的形式出现，用于特定领域，以验证其优越性。

文章来源：2025年4月28日《国际对标研究报告》

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