2025年3月18日，一则关于华为的消息引发了科技界的广泛关注：国家知识产权局公布了华为技术有限公司一项名为"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CN 119652311 A）。

华为的三进制逻辑门电路利用三值逻辑的 27 种单变量函数，大幅简化电路结构，晶体管数量减少约 40%，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，在 AI 训练任务中，三进制芯片速度提升 47%，芯片温度稳定在 40℃以下 。其通过 0V（0）、1.65V（+1）、3.3V（-1）三种电压对应三进制逻辑值，解决了传统三进制电路的信号干扰难题。

这一专利申请于2023年9月18日，如今正式公开，让人们重新审视了那个看似已经被历史淘汰的想法——三进制计算。三进制究竟是什么原理，与二进制相比有哪些优缺点，华为在三进制芯片领域布局未来的发展趋势如何，本文将进行深度介绍。

什么是三进制，他的起源是什么？

在数字系统的发展历程中，进制的选择深刻影响着计算方式与信息处理的效率。我们日常生活中广泛使用的十进制，源于人类用十个手指头计数的自然习惯。而在计算机领域，二进制占据主导地位，其基于电路开关的两种状态（开 / 关，对应 0/1），简单且易于实现。但在这之外，还存在着一种别具一格的进制 —— 三进制。

三进制的核心概念是采用三个状态来表示信息。设想电路中存在 “关 - 半开 - 全开”，或者在数学上以 “-1, 0, +1” 这样的形式，这便是三进制的基本架构。实际上，对这种 “三个选项” 逻辑的探究，远早于现代计算机的诞生。20 世纪初，波兰逻辑学家扬・武卡谢维奇在思考哲学问题时，提出了 “三值逻辑”。他以 “明天可能会下雨” 这类陈述为例，指出此类表述在当下难以确凿判定其为真或为假，进而构建了一套除 “真” 和 “假” 之外，增设 “可能” 或 “不确定” 状态的逻辑体系。这一理论突破了传统二元逻辑的非黑即白模式，为后续超越二元逻辑的研究开辟了新方向，尽管其初衷并非服务于计算机设计，却为相关领域的拓展提供了重要启示。

更为引人注目的是，早在 1840 年，英国的托马斯・福勒便成功制造出一台完全基于三进制运作的机械计算器。他所采用的是一种精妙的 “平衡三进制”，摒弃了常规的 0、1、2，而是运用 - 1、0、+1。这一设计理念类似汽车的倒挡、空挡、前进挡，具有显著优势：数字自身携带正负属性，无需额外标识；同时，算术运算中的四舍五入操作得以大幅简化。福勒借助齿轮和杠杆装置，从实践层面证实了利用三个状态进行计算的可行性，为三进制的应用奠定了实践基础。

此后，信息论领域的专家，如克劳德・香农等，从理论维度深入剖析进制与信息处理的关系。信息论主要研究信息的编码与传输如何实现最高效率。他们通过数学推导发现，从纯粹的数学效率视角出发，最理想的数字 “进制” 数值接近自然常数 e（约为 2.718...）。显然，3 相较于 2 更接近这一理想值。这意味着，在理论上，三进制在信息表示方面比二进制更具 “经济性”，或者说拥有更高的 “信息密度”。一个三进制位（有时被称为 'trit'）所承载的信息量，超过一个二进制位（'bit'）。由此可见，三进制并非凭空臆想，其根源深植于对逻辑可能性的深入探索、早期机械计算的大胆尝试以及信息效率的严谨理论分析之中，为计算领域提供了一种有别于 0 和 1 体系的迷人思考路径。

三进制计算机的探索与失败

在计算机发展的早期阶段，当全世界都在积极探索构建智能机器的有效途径时，二进制凭借电路开关的简单二元状态，成为了计算机设计的默认选择。然而，苏联的一群科学家，尤其是莫斯科国立大学的研究团队，却另辟蹊径，大胆提出疑问：为何计算机只能依赖两种状态？三个状态是否可行？

他们的设想基于这样的理论基础：若采用三个数字，如 “平衡三进制” 中的 - 1、0、+1 来表示信息，那么每个 “数位” 有望承载更多信息。从理论上讲，这一方式更具 “性价比”，或许能够以更少的硬件元件实现相同的计算功能。在当时，计算机硬件元件体积庞大且成本高昂，这一设想无疑具有极大的吸引力。

在尼古拉・布鲁森佐夫的带领下，该团队付诸实践。1958 年，他们成功研制出名为 “Сетунь”(Setun) 的计算机。这台计算机摒弃了传统的 0 和 1，完全采用 - 1、0、+1 进行运算。科研人员利用当时较为先进的磁芯（可记录不同磁性状态）和二极管技术，成功实现了机器对这三种状态的稳定识别与处理。

Setun 的卓越之处不仅在于其创新性的设计，更在于它具备实际应用价值。在大学中，Setun 被广泛应用于科研项目与教学活动。更为难得的是，喀山的一家工厂批量生产了约 50 台 Setun，并将其推广至苏联各地。这使得 Setun 成为历史上唯一实现量产的三进制计算机，在计算机发展史上留下了浓墨重彩的一笔。

到了 1970 年左右，布鲁森佐夫团队再接再厉，推出了 Setun 的升级版 ——Setun - 70，试图进一步完善和拓展三进制计算机的性能与应用范围。

然而，三进制计算机的发展并非一帆风顺，其辉煌如昙花一现。导致这一结果的主要原因在于硬件实现的巨大困难。制造仅具有 “开” 和 “关” 两种状态的开关相对简单，而制造能够精确稳定处于 “关”、“半开”、“全开” 三个位置的开关则难度极高。当全球都在全力发展成本低廉、性能可靠的二进制硬件元件，如晶体管、集成电路时，坚持研发三进制硬件犹如逆水行舟，面临着成本高、技术难度大以及稳定性差等诸多挑战。

此外，二进制在当时已经形成了庞大而成熟的生态系统。所有的软件编程、编程语言以及技术标准均围绕二进制构建，形成了一个紧密相连、相互支撑的产业生态圈。与之相比，三进制就如同一个使用独特 “方言” 的孤立探索者，难以融入这个以二进制为主导的世界。

因此，大约在 20 世纪 70 年代初，随着 Setun - 70 未能成功推广，苏联的三进制计算机项目逐渐走向衰落，最终淡出了历史舞台。尽管三进制计算机未能改变计算机发展的主流方向，但 Setun 的研发历程充分彰显了人类创造力的无限可能，它是计算机发展史上一次独特而勇敢的尝试，为后人留下了一段关于计算领域 “另一种可能” 的珍贵历史记忆 。

华为当前发展三进制计算机的优点和面临的困难

华为的专利展示了三进制在电路效率方面的优势。传统二进制实现"加1"这样的操作，需要多个逻辑门电路（如异或门、与门）协同工作。而华为的专利显示，三进制可以通过电压直接叠加实现，在某些实现中仅需7个晶体管，比二进制实现可能减少30%-50%的晶体管数量。

更少的晶体管意味着更小的面积和更低的功耗。根据专利信息，三进制逻辑电路在实现相同功能的情况下，功耗可能仅为传统二进制电路的三分之一。这是因为三进制可以简化某些逻辑门设计，减少晶体管数量及其切换次数。

尤其是平衡三进制（-1、0、+1）有着独特的数学优势：数字本身自带符号，不需要额外的符号位；舍入操作更加自然，截断操作等同于向最近整数舍入；在处理带符号数和某些数学运算时更加直观高效。

此外，三进制可能在特定领域大放异彩。华为的专利表明，三进制可以利用27种单变量函数简化电路设计，这在处理模糊逻辑、非确定性任务以及某些AI计算场景中可能带来革命性变化。

听起来三进制有这么多优势，为什么几十年来它一直未能成为主流呢？挑战同样非常巨大。

最根本的问题是硬件实现的困难。我们现在的半导体技术是围绕二进制优化的，晶体管基本上是作为开关工作，要么导通(1)要么截止(0)。要让它稳定可靠地工作在三个状态，需要精确控制电压或电流的中间状态，还要确保这种状态在各种温度和工作条件下都保持稳定。这大大增加了复杂性和成本。

简单来说，一个能稳定工作在三个状态的晶体管，比一个只需工作在两个状态的晶体管更容易受到噪声、温度变化等影响，出错率更高。这就像在拥挤的高速公路上保持匀速行驶要比完全停车或全速行驶难得多。

更大的挑战可能是生态系统的障碍。我们的整个数字世界——从硬件指令集到操作系统，从编程语言到应用软件，从开发工具到教育体系——都是建立在二进制基础上的。要转向三进制，意味着需要重建这整个生态系统，这几乎是一项不可能完成的任务。

虽然理论上三进制在某些计算上可能更高效，但在实际电路中，可能需要额外的控制电路来实现和维护三个状态的稳定性，这会增加延迟和复杂性。同时，经过数十年优化的二进制系统已经极为高效，三进制能否在通用计算上真正超越它，仍是个问题。

三进制系统需要更精确地区分不同的状态，这使它比二进制系统更容易受到电子噪声、温度波动和制造偏差的影响。这可能导致更高的错误率，除非采用更先进（也更昂贵）的制造工艺。

考虑到上述挑战，华为申请这项三进制专利很可能不是为了立即颠覆当前的二进制世界，而是在为未来特定场景下的应用做技术储备。

这项专利可能针对某些特定类型的计算任务，如AI加速器、神经网络处理单元或信号处理等领域，在这些领域三进制可能带来显著优势。毕竟，并不是所有计算任务都需要完全改变现有生态系统。

从战略角度看，这也可能是一条差异化竞争的赛道。在二进制芯片领域，西方国家通过专利壁垒和制造工艺优势形成了技术壁垒。而三进制技术可能是一条全新的技术路线，有潜力形成差异化竞争优势。

随着二进制芯片逼近物理极限，探索替代计算范式变得越来越重要。华为这项专利可能是在为后摩尔定律时代做准备。同时，随着新型半导体材料（如碳纳米管、石墨烯等）的发展，也许会出现更适合实现多值逻辑的新型器件，使三进制的实际应用成为可能。

值得一提的是，华为并非唯一在探索多值逻辑的公司。2019年，韩国蔚山科学技术大学的研究团队就成功开发出一种基于三进制逻辑系统运行的半导体，三星当时也表示已在芯片代工业务部门对这一技术展开验证。

各方对华为三进制领域发展的专家意见

不少业内权威专家对华为三进制专利的创新性赞誉有加。中国科学院半导体研究所的资深研究员指出，在芯片制程逼近物理极限的当下，华为另辟蹊径，从底层逻辑着手革新，这种创新思维难能可贵。从原理上看，三进制逻辑门电路借助三值逻辑的 27 种单变量函数，成功简化电路结构，晶体管数量减少约 40%，功耗降至传统二进制逻辑门的三分之一。实验室数据显示，三进制芯片在 AI 训练任务中，速度提升 47%，且芯片温度稳定在 40℃以下，展现出高负载计算下的卓越稳定性与效率。在 AI 领域，三值逻辑因贴近人类 “是、否、可能” 的思维模式，在决策、模糊控制等任务中表现亮眼，有望为 AI 发展注入新动力，这让诸多 AI 企业对该技术满怀期待 。

从产业战略层面分析，华为的三进制专利意义非凡。长期以来，二进制芯片主导全球产业，西方国家凭借专利布局与先进制造工艺，对我国形成技术封锁。而三进制技术为我国芯片产业开辟了新赛道。通过简化电路，三进制芯片有望在成熟制程（如台积电 7nm）下实现高性能，降低对先进光刻机的依赖，打破技术封锁卡点，提升我国在全球芯片产业的话语权。有产业分析师断言，若华为三进制技术成功推广，将重塑全球 AI 芯片乃至整个计算产业的竞争格局 。

然而，也有部分专业人士对该专利的落地与应用持谨慎态度。在生态系统构建方面，面临着巨大挑战。全球 87% 的软件基于二进制代码编写，适配三进制指令集，需大规模改写软件，不仅投入资金预计高达 200 亿美元，且耗时漫长，可能需 10 年之久。虽华为在鸿蒙系统预留三进制接口，但目前相关工具链成熟度严重不足。软件行业从业者普遍认为，短期内实现大量软件适配三进制困难重重，需产业上下游协同攻克 。

硬件实现上，三进制芯片对半导体工艺要求近乎苛刻。它需要精准控制三种电压状态，以保障信号稳定传输与处理。在 7nm 以下先进制程中，工艺细微偏差都可能致使芯片性能骤降、良率降低。中芯国际等国内厂商虽有制程技术进展，但实现三进制芯片大规模稳定量产，仍需跨越诸多技术障碍。半导体制造领域的工程师强调，相较于二进制芯片，三进制芯片制造难度呈指数级上升 。

市场接受度同样是一个关键问题。消费者和企业长期使用二进制体系下的电子产品与计算设备，对新的三进制技术存在认知与接受过程。除非三进制产品在性能、价格等方面具备压倒性优势，否则难以在短期内打开市场。市场调研机构报告显示，消费者选购产品时，更倾向成熟、稳定技术产品，新技术推广需经历市场培育期 。

结语

华为的三进制专利无疑是芯片技术领域的重大创新尝试，在技术层面优势显著，产业战略意义深远。但从专利走向广泛应用，要跨越生态构建、硬件制造、市场接受等多重阻碍。未来，华为三进制技术发展，既取决于自身研发投入与战略布局，也离不开产业生态的协同支撑，其前景充满机遇，挑战亦不容小觑，值得持续关注。