中移芯昇入选《国家战略性新兴产业推荐目录》

在诸多有利政策支持下，近年来我国战略性新兴产业快速发展，充分发挥了经济高质量发展引擎作用。
近日，由国家发展和改革委员会中国经贸导刊杂志社组织有关专家学者，共同编制的《国家战略性新兴产业推荐目录》一书正式发行，针对“新技术、新产品、新业态、新模式”及重点企业单位给予重点梳理推荐。
其中，鉴于中移芯昇在基于RISC-V开源指令集开展技术攻关方面、以及推动物联网应用生态方面做出的贡献，中移芯昇作为典型案例入选《国家战略性新兴产业推荐目录》。以下是案例全文： 拥抱RISC-V开放架构，推动物联网应用生态 XINSHENG 一、物联网碎片化与RISC-V兴起1、物联网碎片化催生开放生态2018年以来，国产芯片产业迎来了前所未有的发展高潮。从专业应用领域到消费领域，智能物联网（AIoT）时代已逐步到来，AIoT设备正开始部署在更为广泛的物联网应用场景中。
芯片产业的发展，无论是大型机时代、PC时代或者是手机时代，都呈现出一个特性，那就是芯片都是单品种、大体量的产品，单品的出货量更是可以达到10亿级别。开发者可以针对这些单品市场，集中精力进行芯片研发，也正是因为有这样庞大的出货量支持，开发者才能拥有足够的资源投入到下一代产品的研发中去。随着物联网时代的到来，形成了由无数个细分的、碎片化的应用叠加起来的市场，虽然规模巨大，但每一个细分市场的潜在需求量却相对较小（超过1亿的很少），同时，由于大多物联网产品本身具有小型化的特性，这就让芯片成本成为了更敏感的市场需求。
根据赛迪智库电子信息研究所预测，到2025年，我国物联网连接数将达到近200亿个，万物互联的需求将推动各行各业走上智能道路。受益于城市端AIoT业务的规模化落地及边缘计算的初步普及，中国AIoT市场规模突破3000亿大关，并直指4000亿量级。AIoT的发展需要具备四大要素：即AI算法、IoT安全、处理器以及服务平台，其中处理器是智能物联网（AIoT）设备的核心硬件基础，大多数IoT设备都需要使用低功耗、支持无线连接的嵌入式处理器芯片，而AI相关应用也需要嵌入式处理器进行边缘计算，才能建构完整的AIoT应用。所以应对碎片化特征的处理器架构的选择，将成为物联网芯片乃至设备发展的一个关键因素。

图1万物互联催生万亿级市场
随着物联网碎片化时代的到来，对处理器的开放需求也进入了一个新的维度。PC时代，开放的是基于某个指令集架构制造的芯片产品（如Intel公司按照x86架构生产的各种CPU芯片）；移动互联网时代，开放的是基于某个指令集架构微处理器内核授权（如Arm公司按照Arm架构研发的各种内核IP）；AIoT时代，目前出现的是开放指令集架构ISA（如RISC-V基金会定义的RISC-V指令集架构）——“开放”的主体在不断变换，但“开放”的程度却在越发加深，从芯片公司到IP公司再到标准组织，从产品销售到授权再到架构共享，谁以开放的心态拥抱新时代，谁就能够引领产业而获取更大的发展空间。
2、RISC-V适配物联网的发展需求
(1）RISC-V拥有天然的开放基因源于美国加州大学伯克利分校（UC-Berkeley） 的RISC-V指令集架构，从诞生之初，就一直拥有开放的基因。它吸取了几十年来计算机发展过程中各种指令集架构的经验与教训，从设计理念上摒弃历史包袱，从技术性能上看相比其它计算机指令架构（ISA），显示出了极简、统一、模块化、可扩展的属性，具备了天然的后发优势，从成立之初以来成长极为迅速。

图2RISC-V生态阵营成长迅速

RISC-V作为学术界和产业界合作的结晶，最有希望成为新时代的主导架构，其遵从BSD（Berkeley Software Distribution license）协议，可以为任何组织机构和商业组织所使用，这意味着基于RISC-V指令集架构开发的内核IP、相关芯片以及开发工具既可以免费开源，也可以专有收费，为产业的发展提供了更为开放的选择。
（2）RISC-V具备灵活的技术特征传统的CPU架构为了满足多种应用的需求，采取了粗粒度系列产品的方式，在很多场景下存在难以灵活匹配或性能冗余的情况。RISC-V基本特性如图3所示，其采用自由选择的可扩展方式，可根据需要灵活选择，有必选基础模块IP，也有可选的乘法器、浮点计算、DSP、矢量等其他模块，通过模块化方式按需定制，从而实现了最合适的搭配，避免浪费。RISC-V模块化、可扩展的特性天生适配了这种产业需求的差异化，完美得适配了应用的碎片化，又保持了生态的普适化。

图3RISC-V特性

架构简单：

RISC-V发布时仅有47条基础指令，追求简洁至上的设计原则。为了保持向后的兼容性，当时的两大巨头Arm和x86都保留了许多过时的定义，而RISC-V可以说是站在巨人的肩膀上，借助已经成熟的技术优势轻装上阵。其简洁的存储器访问指令，可配置的通用寄存器，规则的指令编码，高效的分支跳转指令都天然适配物联网的应用特点。

模块化特性：

RISC-V易于扩展，依托于简单实用的基础指令，开发者可以根据需要灵活地选择不同组合的扩展指令乃至定制指令的组合来实现针对特定物联网应用的定制化需求，添加自己所需要的特定功能，大大拓展其深度。

功耗低 、体积小：

RISC-V通过技术演进，可设计出更高主频、更低面积的内核；可以以IoT应用为主设计出极低功耗与面积的内核；可设计出比传统RISC架构更多的存储器资源。契合当前物联网环境下芯片的需求特点。

综上，面对高性能、低功耗、无线连接等方面的挑战，基于RISC-V的微处理器内核（包含DSP扩展及矢量扩展）加上AI运算协处理器IP，将成为细分市场AIoT应用的很好机会，而现有主流指令集架构x86和Arm不足以满足灵活组合、可定制的需求。由于该领域内的绝对生态壁垒并不存在，嵌入式设备的软硬件一体性和源代码重编译特性决定了其只存在生态相对壁垒。这种相对的生态壁垒随着软硬件厂商的共享繁荣的设计目标，以及差异化产品的旺盛需求，对新兴的RISC-V架构具有天然的友好性。

（3）RISC-V带来自主可控的良机

伴随着RISC-V应用生态的发展，RISC-V基金会注册地从美国迁往中立国家瑞士，RISC-V指令集架构正逐渐成为一个产业界共同遵循的事实指令集的标准。其开放的特性，也让RISC-V的使用并不会受到单一公司的绑定，因此也被认为是我国实现芯片自主的希望路径之一。RISC-V指令集架构的标准化为我们解决了指令集发展权的问题。而本土公司和团队的自主开发为我们带来真正的产业链安全。

开放的基因，繁荣的生态为自主的应用提供了前所未有的发展良机。长期以来，我国集成电路产业普遍注重应用层面SoC的开发，在底层技术上投入有限。虽然国内集成电路产业得益于国内市场的迅速膨胀而积累了大量的发展资金，但在核心技术链、关键供应链上仍然存在不少断点，忽视底层技术特别是以处理器为代表的关键核心环节，将有可能成为产业发展的致命罩门。

RISC-V的出现，为中国芯片产业特别是物联网产业发展提供了一个千载难逢的机会，使得本土产品的应用生态能够共享国际国内的优秀技术结晶。本土厂商在RISC-V处理器以及基于RISC-V的应用芯片不同领域发力，保持我国的RISC-V应用领域与世界先进厂商同步演进，完成“突破”与“并跑”，并依靠国内市场强劲的创新需求向“引领”迈进。

二、RISC-V架构芯片在物联网领域不断涌现

1、RISC-V物联网芯片充分体现性能和应用优势

（1）通用领域，RISC-V产品展现性能优势

GD32VF103系列MCU是兆易创新面向物联网及其它超低功耗场景应用开发的业内首款RISC-V通用MCU芯片。该系列MCU可以在工业控制、消费电子、新兴IoT、边缘计算、人工智能领域和一系列垂直市场应用中为用户提供智能创新的解决方案。根据厂家的参数披露，芯片采用的RISC-V内核达到Arm M3级别的性能，而功耗只有M0+级别。在与GD32F103系列Arm MCU同配置横向比较下：同主频状态，GD32VF103的CoreMark指标提升8%， Dhrystone指标提升13%，而最小配置逻辑门数降低25%，动态功耗降低44%，取得了很好的综合特性。

（2）细分领域，RISC-V产品凸显差异化特性

启英泰伦CI1122，是一颗基于RISC-V内核IP专用于语音处理的人工智能芯片，可广泛应用于家电、家居、照明、玩具等产品领域，实现语音交互及控制。该芯片通过RISC-V处理器的扩展接口，扩展了自主研发的脑神经网络处理器BNPU，支持200条命令词以内的本地语音识别，可用于开发各类高性价比单芯片智能语音产品方案。相比传统的Arm架构的方案，采用RISC-V架构将处理器和加速器更高效的结合成为一体，形成了差异化方案，增强了市场竞争力。

沁恒微电子基于RISC-V内核的CH32V307系列，将Arm平台上多年自研成熟的低功耗蓝牙和以太网协议栈移植至RISC-V平台，针对编译后占用代码空间变大的问题，自定义可支持半字和字节的16位压缩指令c.lbu、c.lhu、c.sb、c.sh，使得占用空间缩减6%。进一步拓展了RISC-V在低功耗、无线通讯、高速率传输等多种嵌入式环境下的应用。

中科昊芯基于RISC-V架构的HX2000系列芯片，增加了自己的多条DSP指令，将RISC-V指令集与DSP应用做结合，满足工业控制和新能源等专业市场对于应用定制化需求。

2、中移芯昇积极探索RISC-V物联网芯片

针对物联网碎片化和国产自主可控的需求，作为中国移动旗下专业芯片子公司，中移芯昇（芯昇科技有限公司）基于国产自主RISC-V内核在中低速蜂窝通讯和微控制器等领域进行了多款芯片的研发尝试，完成了RISC-V的综合性能评估、SoC硬件架构适配、基础工具链适配和底层操作系统移植，目前已有基于RISC-V内核的低功耗MCU、NB-IoT芯片进入量产环节，并有LTE-Cat1、安全MCU等系列RISC-V芯片在研。

与此同时，中移芯昇与内核合作伙伴芯来科技共同进行了多方面RISC-V软硬件相关的技术攻关，持续完善RISC-V产品和生态建设。

（1）RISC-V内核与SoC平台的适配

在产品研发过程中，构建基于RISC-V的SoC平台内核资源配置评估的完整体系，在规划具体应用之前进行详细的内核资源配置评估，以正确指导RISC-V SoC的总体规划。

如图4所示，评估包括：

典型可配置资源评估；

目标工艺上的面积、功耗、性能综合测试，包括Dhrystone、 CoreMark等主流性能测试数据确认；

通过RISC-V内核提供的不同配置选项，排列组合得到不同的性能参数比较，支撑决策功能配置项及设计冗余；

基础SoC平台的综合指标评估。

图4RISC-V内核评估

基于上述评估，中移芯昇完成了多颗芯片的处理器选型与配置，优化了功能、性能等组合，很好地发挥了RISC-V架构灵活的特性。

（2）针对物联网应用进行低功耗优化

在产品开发过程中，充分评估处理器内核设计和运行参数对于关键产品指标的影响，通过优化技术开展内核低功耗优化适配工作。采用的方法包括：

确定SoC功耗策略，了解功耗预算，汇总SoC中每个功能模块的动态和漏电功耗，以及它们的性能、电压、面积和其它关键属性。

支持内核层级低功耗控制，包括时钟门控、电源关断、深度睡眠、多电压域、动态电压与频率调节（DVFS）、状态保持等。

根据需要定制优化处理器数据路径和寄存器路径，包括路径缩短、层次优化、标准单元优化等。

优化时钟路径以缩短时钟延时，减少由偏移和工艺导致的时钟不确定性。

针对物联网广泛的低功耗需求，目前中移芯昇相关RISC-V架构芯片在内核和SoC层面均采用低功耗优化技术，支持多种低功耗模式和1uA级别的静态功耗，可满足智慧表计、智能家居等多种低功耗应用。

（3）通过自定义指令扩展支撑物联网通信专用算法

基于RISC-V指令集的可扩展特性，结合项目需求采取处理器扩展与专用协处理器的级联设计，无需修改编译器便可获得领域专用处理器特性，快速开发出面向领域架构的具备差异化的产品：

扩展自定义指令集：根据领域应用分析确定硬件加速的算法和对应指令，在RISC-V指令集预留的扩展指令空间中分配所需要指令；

实现领域加速单元：基于处理器微内核预留的扩展接口实现针对特定领域的加速单元，通过和微内核结合形成面向领域的处理器。领域加速单元可以和处理器微内核共享存储等资源，获得优于一般总线外挂协处理器方式的面积、功耗和性能；

实现面向领域函数和库：由于RISC-V工具链能自动识别扩展汇编指令，因此扩展指令不需要修改编译器。软件在使用自定义扩展指令时以Intrinsic Function的形式对扩展的汇编指令进行封装，然后以库的形式提供给应用实现调用；

面向领域应用开发：可根据合作项目需求，协助完成专用领域的应用开发。

目前中移芯昇结合物联网通讯算法的需求初步积累了RISC-V指令集扩展的设计经验，后续仍将继续结合领域专用的需求进行相关技术探索。

（4）SoC平台安全特性定制开发

在标准处理器基础上，中移芯昇尝试提供完整的安全解决方案，包括为提升应用程序数据安全的可信执行环境（TEE）架构。

如图5所示，基于RISC-V特权指令集架构（Privileged ISA）的软硬协同的TEE安全架构支持：

基于多内核模式，对安全域（Enclave）和其他应用或OS之间提供硬件隔离

对单Enclave支持无需TEE OS参与的轻量级的物理隔离

对多Enclave支持由TEE OS参与的物理隔离

支持同一TEE OS管理的Enclave之间高效快速通讯

支持安全启动和远程认证

图5 基于RISC-V的可信执行环境（TEE）架构

物联网安全是物联网应用的重要需求和发展趋势，上述基于RISC-V架构的软硬协同的轻量级安全架构可满足多种场景下的安全需求，也有利于拓展芯片的应用范畴。

（5）完成基础软件在RISC-V架构产品上的适配和移植

为满足芯片的嵌入式开发需求，中移芯昇完成了多款RISC-V架构芯片的内核级驱动和SoC级基础软件开发。

内核级驱动，包括：异常/中断/NMI、内核寄存器、内核时钟、增强内核向量中断、浮点处理等函数。

SoC级固件，包括：启动代码、外设接口驱动、下载功能、系统时钟管理、功耗管理、实时时钟、安全管理等。

此外，如图6所示，中移芯昇与芯来科技一起制定和开发微控制器软件接口标准（MSIS），包括内核、DSP和神经网络等组件，用于规范内核层、驱动层和中间件的开发移植。采用微控制器软件接口标准，可以大幅提升应用软件的复用性，缩短RISC-V架构学习时间，加速新产品上市时间。例如，MSIS-DSP组件包含丰富的DSP函数库，可帮助用户快速实现复杂的数字信号处理应用。

图6 微控制器软件接口标准架构

（6）主流工具链和国产操作系统支持

项目开发中，中移芯昇定制了用于开发和调试应用程序的IDE，采用开源的Eclipse框架，并把GCC/OpenOCD等工具链集成在IDE内部。此外，考虑到产品在应用开发层面的生态拓展，在定制IDE的基础上，还陆续开展了多种工具链的适配工作，包括主流的开源与商用工具链等。

进一步，基于底层API支持，中移芯昇提供包括裸机（Bare-metal）以及实时操作系统（RTOS）的开发环境，支持了主流的国内外嵌入式操作系统：FreeRTOS、OneOS、RT-Thread、LiteOS等，极大方便了用户的应用开发。

（7）研发个性化需求定制

针对LTE-Cat1等通讯芯片的个性化需求，中移芯昇联合内核合作伙伴芯来一起开展了相关特性的定制开发：

增大cacheline size；

支持L2 Cache；

支持INCR的single burst type；

支持Round-Robin4 arbitration 算法来避免总线上的死锁；

优化核内逻辑（乘法器，IFU等）来满足更好时序。

相关硬件特性的定制，可提升通讯效率和优化性能，同时增强了产品的差异化特性。

三、围绕RISC-V架构继续开展生态布局

1、政策及市场环境促进RISC-V本土化应用落地

政策层面，国内相关地区和组织为推动RISC-V的国产化落地采取了一系列鼓励措施。如，上海市发起成立中国RISC-V产业联盟（简称CRVIC联盟），并出台RISC-V芯片产品的扶持政策；中央网信办支持中科院计算技术研究所发起成立中国开放指令生态（RISC-V）联盟，并在深圳支持成立鹏城实验室；北京市也高度重视国产开源芯片，发布了《关于支持RISC-V开放生态创新引领发展的若干措施》，依托中关村科学城发起成立源码开源芯片创新中心，并成为支撑科技创新首都核心职能的关键亮点。

图7 国内积极进行RISC-V布局

市场层面，我国作为全球最大的AIoT市场，将出现海量的差异化应用需求，随着市场的迭代加速，对基于开放架构的定制化解决方案的需求也将呈几何倍数地增加。RISC-V开放架构有利于产业界进一步提升相关应用领域的效能，也为相关厂商提供了更多机会。随着市场的发展，中移芯昇也将围绕RISC-V架构在硬件、软件以及生态方面开展更多的尝试与布局，积极拥抱开放架构的时代趋势。

2、中移芯昇在软硬件和生态方面将持续布局

（1）硬件方面：由端到云，拓展智能与安全应用

中移芯昇将推动与物联网业务相结合的专用处理器定制及开发，更好地服务于物联网场景的应用。基于通用的RISC-V处理器的研发和使用，将物联网应用从端侧向更高性能的应用处理器和云端架构演进；基于RISC-V扩展特性，结合AIoT智能语音和智能图像的智能化，积累智能处理器及应用方案；面向物联网的拓展领域，如车联网、汽车电子等，开展基于RISC-V的安全芯片技术的积累及研发。

（2）软件方面：广泛合作，加大基础与场景优化

中移芯昇将联合合作伙伴，进行工具链、基础库以及基于物联网的应用的研发和优化。进一步完善RISC-V的工具链适配和底层软件支持，包括开源类工具、商用类工具、底层软件生态等。

基于RISC-V内核可扩展性的特点，面向中国移动的物联网应用领域专用架构（DSA）开发具有领域特色的自定义指令，提升应用的效能。基于RISC-V内核的存储保护特性，开展支持可信执行环境（TEE）的方案应用。

此外，中移芯昇将推动RISC-V架构与中国移动自主物联网操作系统OneOS的集成与协同，助推自主物联网操作系统的优化和演进。

（3）生态方面：整合资源，推动标杆与标准协同

中移芯昇将依托中国移动的产业资源优势，充分发挥行业影响力，一方面通过传统垂直行业解决方案带动RISC-V芯片的较大规模商用，另一方面通过在工业互联网、区块链等新兴领域的应用探索，打造基于RISC-V架构的新领域芯片产品和软硬一体化方案。

中移芯昇将紧密关注RISC-V标准、技术和方案的演进，及时推动系列产品的迭代。同时，基于推出的RISC-V芯片产品和应用场景，通过社区和教育计划的方式支持RISC-V在教育领域的开发和应用。此外，中移芯昇将携手产业链合作伙伴，推出更丰富的开发板、软件开发包和工具链支持，共同推动RISC-V生态的建设。