中移芯昇入選《國家戰略性新興產業推薦目錄》

在諸多有利政策支持下，近年來我國戰略性新興產業快速發展，充分發揮了經濟高質量發展引擎作用。
近日，由國家發展和改革委員會中國經貿導刊雜志社組織有關專家學者，共同編制的《國家戰略性新興產業推薦目錄》一書正式發行，針對“新技術、新產品、新業態、新模式”及重點企業單位給予重點梳理推薦。
其中，鑒于中移芯昇在基于RISC-V開源指令集開展技術攻關方面、以及推動物聯網應用生態方面做出的貢獻，中移芯昇作為典型案例入選《國家戰略性新興產業推薦目錄》。以下是案例全文： 擁抱RISC-V開放架構，推動物聯網應用生態 XINSHENG 一、物聯網碎片化與RISC-V興起1、物聯網碎片化催生開放生態2018年以來，國產芯片產業迎來了前所未有的發展高潮。從專業應用領域到消費領域，智能物聯網（AIoT）時代已逐步到來，AIoT設備正開始部署在更為廣泛的物聯網應用場景中。
芯片產業的發展，無論是大型機時代、PC時代或者是手機時代，都呈現出一個特性，那就是芯片都是單品種、大體量的產品，單品的出貨量更是可以達到10億級別。開發者可以針對這些單品市場，集中精力進行芯片研發，也正是因為有這樣龐大的出貨量支持，開發者才能擁有足夠的資源投入到下一代產品的研發中去。隨著物聯網時代的到來，形成了由無數個細分的、碎片化的應用疊加起來的市場，雖然規模巨大，但每一個細分市場的潛在需求量卻相對較?。ǔ^1億的很少），同時，由于大多物聯網產品本身具有小型化的特性，這就讓芯片成本成為了更敏感的市場需求。
根據賽迪智庫電子信息研究所預測，到2025年，我國物聯網連接數將達到近200億個，萬物互聯的需求將推動各行各業走上智能道路。受益于城市端AIoT業務的規?；涞丶斑吘売嬎愕某醪狡占?，中國AIoT市場規模突破3000億大關，并直指4000億量級。AIoT的發展需要具備四大要素：即AI算法、IoT安全、處理器以及服務平臺，其中處理器是智能物聯網（AIoT）設備的核心硬件基礎，大多數IoT設備都需要使用低功耗、支持無線連接的嵌入式處理器芯片，而AI相關應用也需要嵌入式處理器進行邊緣計算，才能建構完整的AIoT應用。所以應對碎片化特征的處理器架構的選擇，將成為物聯網芯片乃至設備發展的一個關鍵因素。

圖1萬物互聯催生萬億級市場
隨著物聯網碎片化時代的到來，對處理器的開放需求也進入了一個新的維度。PC時代，開放的是基于某個指令集架構制造的芯片產品（如Intel公司按照x86架構生產的各種CPU芯片）；移動互聯網時代，開放的是基于某個指令集架構微處理器內核授權（如Arm公司按照Arm架構研發的各種內核IP）；AIoT時代，目前出現的是開放指令集架構ISA（如RISC-V基金會定義的RISC-V指令集架構）——“開放”的主體在不斷變換，但“開放”的程度卻在越發加深，從芯片公司到IP公司再到標準組織，從產品銷售到授權再到架構共享，誰以開放的心態擁抱新時代，誰就能夠引領產業而獲取更大的發展空間。
2、RISC-V適配物聯網的發展需求
(1）RISC-V擁有天然的開放基因源于美國加州大學伯克利分校（UC-Berkeley） 的RISC-V指令集架構，從誕生之初，就一直擁有開放的基因。它吸取了幾十年來計算機發展過程中各種指令集架構的經驗與教訓，從設計理念上摒棄歷史包袱，從技術性能上看相比其它計算機指令架構（ISA），顯示出了極簡、統一、模塊化、可擴展的屬性，具備了天然的后發優勢，從成立之初以來成長極為迅速。

圖2RISC-V生態陣營成長迅速

RISC-V作為學術界和產業界合作的結晶，最有希望成為新時代的主導架構，其遵從BSD（Berkeley Software Distribution license）協議，可以為任何組織機構和商業組織所使用，這意味著基于RISC-V指令集架構開發的內核IP、相關芯片以及開發工具既可以免費開源，也可以專有收費，為產業的發展提供了更為開放的選擇。
（2）RISC-V具備靈活的技術特征傳統的CPU架構為了滿足多種應用的需求，采取了粗粒度系列產品的方式，在很多場景下存在難以靈活匹配或性能冗余的情況。RISC-V基本特性如圖3所示，其采用自由選擇的可擴展方式，可根據需要靈活選擇，有必選基礎模塊IP，也有可選的乘法器、浮點計算、DSP、矢量等其他模塊，通過模塊化方式按需定制，從而實現了最合適的搭配，避免浪費。RISC-V模塊化、可擴展的特性天生適配了這種產業需求的差異化，完美得適配了應用的碎片化，又保持了生態的普適化。

圖3RISC-V特性

架構簡單：

RISC-V發布時僅有47條基礎指令，追求簡潔至上的設計原則。為了保持向后的兼容性，當時的兩大巨頭Arm和x86都保留了許多過時的定義，而RISC-V可以說是站在巨人的肩膀上，借助已經成熟的技術優勢輕裝上陣。其簡潔的存儲器訪問指令，可配置的通用寄存器，規則的指令編碼，高效的分支跳轉指令都天然適配物聯網的應用特點。

模塊化特性：

RISC-V易于擴展，依托于簡單實用的基礎指令，開發者可以根據需要靈活地選擇不同組合的擴展指令乃至定制指令的組合來實現針對特定物聯網應用的定制化需求，添加自己所需要的特定功能，大大拓展其深度。

功耗低 、體積?。?/strong>

RISC-V通過技術演進，可設計出更高主頻、更低面積的內核；可以以IoT應用為主設計出極低功耗與面積的內核；可設計出比傳統RISC架構更多的存儲器資源。契合當前物聯網環境下芯片的需求特點。

綜上，面對高性能、低功耗、無線連接等方面的挑戰，基于RISC-V的微處理器內核（包含DSP擴展及矢量擴展）加上AI運算協處理器IP，將成為細分市場AIoT應用的很好機會，而現有主流指令集架構x86和Arm不足以滿足靈活組合、可定制的需求。由于該領域內的絕對生態壁壘并不存在，嵌入式設備的軟硬件一體性和源代碼重編譯特性決定了其只存在生態相對壁壘。這種相對的生態壁壘隨著軟硬件廠商的共享繁榮的設計目標，以及差異化產品的旺盛需求，對新興的RISC-V架構具有天然的友好性。

（3）RISC-V帶來自主可控的良機

伴隨著RISC-V應用生態的發展，RISC-V基金會注冊地從美國遷往中立國家瑞士，RISC-V指令集架構正逐漸成為一個產業界共同遵循的事實指令集的標準。其開放的特性，也讓RISC-V的使用并不會受到單一公司的綁定，因此也被認為是我國實現芯片自主的希望路徑之一。RISC-V指令集架構的標準化為我們解決了指令集發展權的問題。而本土公司和團隊的自主開發為我們帶來真正的產業鏈安全。

開放的基因，繁榮的生態為自主的應用提供了前所未有的發展良機。長期以來，我國集成電路產業普遍注重應用層面SoC的開發，在底層技術上投入有限。雖然國內集成電路產業得益于國內市場的迅速膨脹而積累了大量的發展資金，但在核心技術鏈、關鍵供應鏈上仍然存在不少斷點，忽視底層技術特別是以處理器為代表的關鍵核心環節，將有可能成為產業發展的致命罩門。

RISC-V的出現，為中國芯片產業特別是物聯網產業發展提供了一個千載難逢的機會，使得本土產品的應用生態能夠共享國際國內的優秀技術結晶。本土廠商在RISC-V處理器以及基于RISC-V的應用芯片不同領域發力，保持我國的RISC-V應用領域與世界先進廠商同步演進，完成“突破”與“并跑”，并依靠國內市場強勁的創新需求向“引領”邁進。

二、RISC-V架構芯片在物聯網領域不斷涌現

1、RISC-V物聯網芯片充分體現性能和應用優勢

（1）通用領域，RISC-V產品展現性能優勢

GD32VF103系列MCU是兆易創新面向物聯網及其它超低功耗場景應用開發的業內首款RISC-V通用MCU芯片。該系列MCU可以在工業控制、消費電子、新興IoT、邊緣計算、人工智能領域和一系列垂直市場應用中為用戶提供智能創新的解決方案。根據廠家的參數披露，芯片采用的RISC-V內核達到Arm M3級別的性能，而功耗只有M0+級別。在與GD32F103系列Arm MCU同配置橫向比較下：同主頻狀態，GD32VF103的CoreMark指標提升8%， Dhrystone指標提升13%，而最小配置邏輯門數降低25%，動態功耗降低44%，取得了很好的綜合特性。

（2）細分領域，RISC-V產品凸顯差異化特性

啟英泰倫CI1122，是一顆基于RISC-V內核IP專用于語音處理的人工智能芯片，可廣泛應用于家電、家居、照明、玩具等產品領域，實現語音交互及控制。該芯片通過RISC-V處理器的擴展接口，擴展了自主研發的腦神經網絡處理器BNPU，支持200條命令詞以內的本地語音識別，可用于開發各類高性價比單芯片智能語音產品方案。相比傳統的Arm架構的方案，采用RISC-V架構將處理器和加速器更高效的結合成為一體，形成了差異化方案，增強了市場競爭力。

沁恒微電子基于RISC-V內核的CH32V307系列，將Arm平臺上多年自研成熟的低功耗藍牙和以太網協議棧移植至RISC-V平臺，針對編譯后占用代碼空間變大的問題，自定義可支持半字和字節的16位壓縮指令c.lbu、c.lhu、c.sb、c.sh，使得占用空間縮減6%。進一步拓展了RISC-V在低功耗、無線通訊、高速率傳輸等多種嵌入式環境下的應用。

中科昊芯基于RISC-V架構的HX2000系列芯片，增加了自己的多條DSP指令，將RISC-V指令集與DSP應用做結合，滿足工業控制和新能源等專業市場對于應用定制化需求。

2、中移芯昇積極探索RISC-V物聯網芯片

針對物聯網碎片化和國產自主可控的需求，作為中國移動旗下專業芯片子公司，中移芯昇（芯昇科技有限公司）基于國產自主RISC-V內核在中低速蜂窩通訊和微控制器等領域進行了多款芯片的研發嘗試，完成了RISC-V的綜合性能評估、SoC硬件架構適配、基礎工具鏈適配和底層操作系統移植，目前已有基于RISC-V內核的低功耗MCU、NB-IoT芯片進入量產環節，并有LTE-Cat1、安全MCU等系列RISC-V芯片在研。

與此同時，中移芯昇與內核合作伙伴芯來科技共同進行了多方面RISC-V軟硬件相關的技術攻關，持續完善RISC-V產品和生態建設。

（1）RISC-V內核與SoC平臺的適配

在產品研發過程中，構建基于RISC-V的SoC平臺內核資源配置評估的完整體系，在規劃具體應用之前進行詳細的內核資源配置評估，以正確指導RISC-V SoC的總體規劃。

如圖4所示，評估包括：

典型可配置資源評估；

目標工藝上的面積、功耗、性能綜合測試，包括Dhrystone、 CoreMark等主流性能測試數據確認；

通過RISC-V內核提供的不同配置選項，排列組合得到不同的性能參數比較，支撐決策功能配置項及設計冗余；

基礎SoC平臺的綜合指標評估。

圖4RISC-V內核評估

基于上述評估，中移芯昇完成了多顆芯片的處理器選型與配置，優化了功能、性能等組合，很好地發揮了RISC-V架構靈活的特性。

（2）針對物聯網應用進行低功耗優化

在產品開發過程中，充分評估處理器內核設計和運行參數對于關鍵產品指標的影響，通過優化技術開展內核低功耗優化適配工作。采用的方法包括：

確定SoC功耗策略，了解功耗預算，匯總SoC中每個功能模塊的動態和漏電功耗，以及它們的性能、電壓、面積和其它關鍵屬性。

支持內核層級低功耗控制，包括時鐘門控、電源關斷、深度睡眠、多電壓域、動態電壓與頻率調節（DVFS）、狀態保持等。

根據需要定制優化處理器數據路徑和寄存器路徑，包括路徑縮短、層次優化、標準單元優化等。

優化時鐘路徑以縮短時鐘延時，減少由偏移和工藝導致的時鐘不確定性。

針對物聯網廣泛的低功耗需求，目前中移芯昇相關RISC-V架構芯片在內核和SoC層面均采用低功耗優化技術，支持多種低功耗模式和1uA級別的靜態功耗，可滿足智慧表計、智能家居等多種低功耗應用。

（3）通過自定義指令擴展支撐物聯網通信專用算法

基于RISC-V指令集的可擴展特性，結合項目需求采取處理器擴展與專用協處理器的級聯設計，無需修改編譯器便可獲得領域專用處理器特性，快速開發出面向領域架構的具備差異化的產品：

擴展自定義指令集：根據領域應用分析確定硬件加速的算法和對應指令，在RISC-V指令集預留的擴展指令空間中分配所需要指令；

實現領域加速單元：基于處理器微內核預留的擴展接口實現針對特定領域的加速單元，通過和微內核結合形成面向領域的處理器。領域加速單元可以和處理器微內核共享存儲等資源，獲得優于一般總線外掛協處理器方式的面積、功耗和性能；

實現面向領域函數和庫：由于RISC-V工具鏈能自動識別擴展匯編指令，因此擴展指令不需要修改編譯器。軟件在使用自定義擴展指令時以Intrinsic Function的形式對擴展的匯編指令進行封裝，然后以庫的形式提供給應用實現調用；

面向領域應用開發：可根據合作項目需求，協助完成專用領域的應用開發。

目前中移芯昇結合物聯網通訊算法的需求初步積累了RISC-V指令集擴展的設計經驗，后續仍將繼續結合領域專用的需求進行相關技術探索。

（4）SoC平臺安全特性定制開發

在標準處理器基礎上，中移芯昇嘗試提供完整的安全解決方案，包括為提升應用程序數據安全的可信執行環境（TEE）架構。

如圖5所示，基于RISC-V特權指令集架構（Privileged ISA）的軟硬協同的TEE安全架構支持：

基于多內核模式，對安全域（Enclave）和其他應用或OS之間提供硬件隔離

對單Enclave支持無需TEE OS參與的輕量級的物理隔離

對多Enclave支持由TEE OS參與的物理隔離

支持同一TEE OS管理的Enclave之間高效快速通訊

支持安全啟動和遠程認證

圖5 基于RISC-V的可信執行環境（TEE）架構

物聯網安全是物聯網應用的重要需求和發展趨勢，上述基于RISC-V架構的軟硬協同的輕量級安全架構可滿足多種場景下的安全需求，也有利于拓展芯片的應用范疇。

（5）完成基礎軟件在RISC-V架構產品上的適配和移植

為滿足芯片的嵌入式開發需求，中移芯昇完成了多款RISC-V架構芯片的內核級驅動和SoC級基礎軟件開發。

內核級驅動，包括：異常/中斷/NMI、內核寄存器、內核時鐘、增強內核向量中斷、浮點處理等函數。

SoC級固件，包括：啟動代碼、外設接口驅動、下載功能、系統時鐘管理、功耗管理、實時時鐘、安全管理等。

此外，如圖6所示，中移芯昇與芯來科技一起制定和開發微控制器軟件接口標準（MSIS），包括內核、DSP和神經網絡等組件，用于規范內核層、驅動層和中間件的開發移植。采用微控制器軟件接口標準，可以大幅提升應用軟件的復用性，縮短RISC-V架構學習時間，加速新產品上市時間。例如，MSIS-DSP組件包含豐富的DSP函數庫，可幫助用戶快速實現復雜的數字信號處理應用。

圖6 微控制器軟件接口標準架構

（6）主流工具鏈和國產操作系統支持

項目開發中，中移芯昇定制了用于開發和調試應用程序的IDE，采用開源的Eclipse框架，并把GCC/OpenOCD等工具鏈集成在IDE內部。此外，考慮到產品在應用開發層面的生態拓展，在定制IDE的基礎上，還陸續開展了多種工具鏈的適配工作，包括主流的開源與商用工具鏈等。

進一步，基于底層API支持，中移芯昇提供包括裸機（Bare-metal）以及實時操作系統（RTOS）的開發環境，支持了主流的國內外嵌入式操作系統：FreeRTOS、OneOS、RT-Thread、LiteOS等，極大方便了用戶的應用開發。

（7）研發個性化需求定制

針對LTE-Cat1等通訊芯片的個性化需求，中移芯昇聯合內核合作伙伴芯來一起開展了相關特性的定制開發：

增大cacheline size；

支持L2 Cache；

支持INCR的single burst type；

支持Round-Robin4 arbitration 算法來避免總線上的死鎖；

優化核內邏輯（乘法器，IFU等）來滿足更好時序。

相關硬件特性的定制，可提升通訊效率和優化性能，同時增強了產品的差異化特性。

三、圍繞RISC-V架構繼續開展生態布局

1、政策及市場環境促進RISC-V本土化應用落地

政策層面，國內相關地區和組織為推動RISC-V的國產化落地采取了一系列鼓勵措施。如，上海市發起成立中國RISC-V產業聯盟（簡稱CRVIC聯盟），并出臺RISC-V芯片產品的扶持政策；中央網信辦支持中科院計算技術研究所發起成立中國開放指令生態（RISC-V）聯盟，并在深圳支持成立鵬城實驗室；北京市也高度重視國產開源芯片，發布了《關于支持RISC-V開放生態創新引領發展的若干措施》，依托中關村科學城發起成立源碼開源芯片創新中心，并成為支撐科技創新首都核心職能的關鍵亮點。

圖7 國內積極進行RISC-V布局

市場層面，我國作為全球最大的AIoT市場，將出現海量的差異化應用需求，隨著市場的迭代加速，對基于開放架構的定制化解決方案的需求也將呈幾何倍數地增加。RISC-V開放架構有利于產業界進一步提升相關應用領域的效能，也為相關廠商提供了更多機會。隨著市場的發展，中移芯昇也將圍繞RISC-V架構在硬件、軟件以及生態方面開展更多的嘗試與布局，積極擁抱開放架構的時代趨勢。

2、中移芯昇在軟硬件和生態方面將持續布局

（1）硬件方面：由端到云，拓展智能與安全應用

中移芯昇將推動與物聯網業務相結合的專用處理器定制及開發，更好地服務于物聯網場景的應用?；谕ㄓ玫腞ISC-V處理器的研發和使用，將物聯網應用從端側向更高性能的應用處理器和云端架構演進；基于RISC-V擴展特性，結合AIoT智能語音和智能圖像的智能化，積累智能處理器及應用方案；面向物聯網的拓展領域，如車聯網、汽車電子等，開展基于RISC-V的安全芯片技術的積累及研發。

（2）軟件方面：廣泛合作，加大基礎與場景優化

中移芯昇將聯合合作伙伴，進行工具鏈、基礎庫以及基于物聯網的應用的研發和優化。進一步完善RISC-V的工具鏈適配和底層軟件支持，包括開源類工具、商用類工具、底層軟件生態等。

基于RISC-V內核可擴展性的特點，面向中國移動的物聯網應用領域專用架構（DSA）開發具有領域特色的自定義指令，提升應用的效能?；赗ISC-V內核的存儲保護特性，開展支持可信執行環境（TEE）的方案應用。

此外，中移芯昇將推動RISC-V架構與中國移動自主物聯網操作系統OneOS的集成與協同，助推自主物聯網操作系統的優化和演進。

（3）生態方面：整合資源，推動標桿與標準協同

中移芯昇將依托中國移動的產業資源優勢，充分發揮行業影響力，一方面通過傳統垂直行業解決方案帶動RISC-V芯片的較大規模商用，另一方面通過在工業互聯網、區塊鏈等新興領域的應用探索，打造基于RISC-V架構的新領域芯片產品和軟硬一體化方案。

中移芯昇將緊密關注RISC-V標準、技術和方案的演進，及時推動系列產品的迭代。同時，基于推出的RISC-V芯片產品和應用場景，通過社區和教育計劃的方式支持RISC-V在教育領域的開發和應用。此外，中移芯昇將攜手產業鏈合作伙伴，推出更豐富的開發板、軟件開發包和工具鏈支持，共同推動RISC-V生態的建設。