揭秘全球首款RISC-V架构Cat.1芯片萤火LM600

8月28日，由芯原股份主办的“第三届滴水湖中国RISC-V产业论坛”在上海滴水湖洲际酒店召开。南京创芯慧联技术有限公司（以下简称“创芯慧联”）介绍了其今年新推出的全球首款基于RISC-V架构的4G Cat.1广域物联网芯片LM600。

在万物智联时代，数据和算力是两大核心要素，光有算力，没有数据是不行的。而数据的传输则离不开通信技术，特别是对于远距离无线传输来说，更是离不开蜂窝无线技术。根据业内的预估，按照高中低网络速率划分，蜂窝物联网连接分布大致是：高速率10%、中速率30%、低速率60%。按技术来划分，NB-IoT、eMTC主要都还是针对低速率的物联网市场；对于中速率的网络应用需求来说，LTE Cat.1是目前的主流选择；5G针对的则是高速率网络应用。

在创芯慧联看来，Cat.1就是一个面向万物互联的技术，能够帮助海量的IoT设备实现互联，并将这些物联网设备产生的巨量数据汇聚起来，经过大算力的芯片对这些数据进行相应的处理之后，还需要通过高速的5G网络对处理后的数据来进行流转。因此，创芯慧联在成立之初，就致力于做4G Cat.1芯片和5G芯片。

“虽然现在已经进入了5G时代，但是实际的网络需求并没有增长的那么快，在万物互联的趋势之下，4G也依然存在着巨大的市场空间。创芯慧联做4G Cat.1芯片，就是为了实现‘无处不在的网络连接’。我们认为它将有着20年至30年的长尾市场。特别是随着4G Cat.1的性能的提升，成本和功耗的下降，这将带来更多的应用场景（室内场景主要选择蓝牙和WiFi），所以这是我们非常看好的一个点。当然，在更为高速的5G基站芯片这块，创芯慧联也有相应的产品布局。”创芯慧联副总裁周晋说道。

据介绍，创芯慧联成立于2019年，是一家专注于移动通信领域集成电路研发、设计和应用的国家级高新技术企业。凭借丰富的芯片产业化经验，立足通信、扩展行业，致力于成为国内领先的通信芯片供应商。公司由来自国内外著名公司的高管和技术专家共同组成，在无线通讯基带芯片产品设计和商用上具有深厚积累，在世界主流芯片工艺上面具有丰富量产经验。在芯片产品定义、芯片架构、算法、SoC设计、量产等环节完全由公司自研掌控，具备完全自主的知识产权，完全国产化。公司先后获得中国移动、鼎晖资本、毅达资本、红点创投、南京俱成、江北智能制造、上海金浦、国中资本等多家基金和机构投资；公司股东主要为国家基金、行业内投资机构、市场一线财务投资机构等。

在产品方面，创芯慧联已经量产两款芯片，分别是5G基站芯片雷霆LT600和4G Cat.1芯片萤火LM600。其中，萤火LM600是全球首款基于RISC-V架构的4G Cat.1芯片。

首款RISC-V架构的4G Cat.1芯片

据介绍，萤火LM600作为全球首款基于RISC-V架构的4G Cat.1芯片，具有超低功耗、高集成度、高灵敏度三大优势。将基带、射频、存储、电源和 eSIM 卡集成到一个芯片中，实现了业界同类产品首次“五合一”的最高集成度；在DRX状态下的待机电流最低可到0.9mA，只有竞品的50%；在700~900MHz下的接收灵敏度，最低可达到-99.9dBm。能充分满足 POS、IPC、PoC、DTU、定位器、水气表、智能手表等不同细分场景低功耗、高可靠、小尺寸、随时随地的无线联网需求。

周晋告诉芯智讯：“万物互联时代对于通信需求非常大，很多设备不可能拉着电线到处跑，很多都是通过电池供电。所以，芯片功耗需要做到很低。我们这一代芯片的功耗已经做到了业内数一数二的位置，下一代芯片的功耗会做到只有现在一半。所以，我可以很自豪的告诉大家，明年我们新一代芯片推出的时候，将是同类产品中世界最低的功耗，就是‘数一’，不是‘数二’了。”

对于通信芯片来说，除了功耗之外，传输速率也很重要。虽然Cat.1技术被定义为“低速应用”，但是它的理论下行速率可以达到10Mbps，上行速率也能够达到5Mbps。所以，如果能够把传输速率做到极限，Cat.1将不会仅仅局限于低速应用。

据介绍，创芯慧联的萤火LM600已经做到了下行速率8Mbps、上行速率4Mbps左右，是世界上第一家将Cat.1芯片的传输速率做到接近了理论极限的厂商。

“这样的传输速率已经可以拿来传输1080P视频了。在应用方面，这款芯片如果应用到网络摄像头上，就可以不再需要拉网线。未来手机、电脑看1080P视频，也可以直接通过这颗Cat.1芯片来获取云端内容。”周晋举例说道。

为什么要用RISC-V？

此前众多的通信芯片基本都是基于Arm架构，那么为什么创芯慧联会选择RISC-V架构呢？

对于这个问题，周晋表示：“我们觉得RISC-V是一个新鲜的‘食材’，不是‘预制菜’，因此我们有很高的自由度，可以做到非常高的集成度；第二点，就是‘像开车一样’，平时上班开自动档没问题，但是开自动档的车一定赢不了F1大赛。我认为RISC-V一定是个必然的趋势，因为没有人想天天吃预制菜、没有人不喜欢看赛车的疯狂。”

“在PC时代，x86架构是主流；在智能手机市场，Arm架构是主流，这都是没有疑问的。但是，未来就不一样了。我认为，在未来算力和网络融合的情况下，电脑、手机和云服务都不会只是一个单品，它们未来将会充分的融合。未来你会发现，其实一个手机就是一个“云服务”的终端，这个时候RISC-V将会有巨大的价值。”

具体来说，萤火LM600采用是的芯来科技的RISC-V ux600内核，但是创芯慧联并不是买一系列的IP来拼凑出一款芯片，而是基于芯来科技内核IP的特点去做商业化的开发，并且把外围所需的IP全部都自研了。

“我们不是那种直接IP堆内核的公司，因为那样我们没法卖出去。我们把很多关键IP自研了之后，才有可能把功耗做到行业的最低。在功耗低的同时，我们还能把性能做上去。同时我们还是世界上第一个把SIM卡芯片直接集成到了蜂窝通信芯片当中。做RISC-V芯片不能只是为了做而做，而是要把这个芯片真正做到有竞争力的产品上面去，这才是对RISC-V的贡献。”周晋进一步解释道：“用RISC-V成功把芯片做出来，其实已经很难了，但是要成功卖出去更难。因为客户会问无数的问题。我们不能靠情怀来卖产品，产品要有出色性能、性价比和功耗表现才能被客户所接受。

RISC-V带来的新挑战：代码密度难题

虽然选择RISC-V带来了很多的优势，但是同样也存在着一些挑战，比如代码密度就是一个大问题。

一般对于内存受限的嵌入式芯片（包括MCU和成本受限的AP类芯片）来说，代码密度非常重要。同样功能的程序，如果代码密度过大，就可能导致因ROM空间装载不下而无法使用。所在，在嵌入式领域中，代码密度问题是最重要的指标之一。

比如Arm架构的嵌入式内核很多都是16位指令、32位指令混编的，同样的一条指令，如果能够被编译成16位指令，那么它显然比编译成32位指令占用更小的空间；再比如，一个乘累加的操作，如果指令集中存在乘累加指令，那么它只需要一条指令来实现乘累加操作，如果没有则需要至少两条指令来完成相同的操作，假设指令都是32位的，显然一条指令将占用更少的空间。正因为指令集的编码空间是有限的，所以指令集设计的核心是将哪些指令（包括指令操作数的范围）放到编码空间当中。

相对于Arm架构的内核来说，RISC-V架构内核代码密度问题备受诟病。根据网上相关工程师的测试显示，同样的功能下，RISC-V内核如果需要的是100%的代码的情况下，Arm Cortex-M内核只需要其大约60%多的代码就能实现（Arm使用AC6编译，RISC-V使用gcc编译）。

这也是为什么在通信基带芯片领域，很少有厂商采用RISC-V的关键。因为通信基站算法太复杂，很难在有限的时间内，把代码优化到极致的状态。创芯慧联是第一家用RISC-V来做通信芯片，并成功解决了代码密度问题的厂商。

周晋表示：“我们在三年前立项的时候，业界所有人都嘲笑我们说‘不可能做出来’。但是以我们15年的从业经验来看，一定能够做出来。因为我们之前就用过一些RISC-V内核，也用过各种各样的内核，所以我们在这块有足够的经验。所以，我们一上来是用了一个64位的RISC-V内核，我们这款芯片就做到了很好的集成度。”

据了解，“萤火LM600”是创芯慧联和中国移动联合定义联合研发的产品，并将在今年大批量发货。周晋还透露，下个月，创芯慧联会和中国移动做整机产品的全球首发。

布局5G芯片

在今年6月28日至30日的MWCS23上海展期间，创芯慧联就推出了世界第一颗5G扩展型小基站专用芯片“雷霆600”，这是一款ASIC产品，可以有效破解城市公共热点区域 5G 高频信号深度覆盖难题。

在端侧5G基带芯片的研发上，创芯慧联凭借在萤火LM600上的成功经验，也将会继续采用RISC-V架构，预计将会在明年正式推出。

“如果不出意外，明年我们会推出世界上第一个基于RISC-V的5G芯片。为什么是我们？因为我们敢用RISC-V来做Cat.1芯片，并且很好的解决了代码密度问题，同样在5G上，我们也能够做好。”周晋说道。

周晋认为，随着万物智联的时代到来，中低速物联网芯片将会汇聚IoT设备生产的海量数据，但最终还是需要通过5G高速网络来与云端进行传输，并且会实现超低延时的特性，可以实时的将云端处理的数据传输到例如VR/AR眼镜等终端设备上。

“以创芯慧联在RISC-V和基带芯片上的开发能力，加上中国移动的‘云网系统’，有可能建立全新的‘算网融合’的产品形态。我们希望帮助客户打造出比苹果Vision Pro还要轻一半的眼镜（把很多计算放到云端），但是效果跟它差不多，成本也非常的低，这是我们想去做的。我们希望以RISC-V为动力，加速‘元宇宙’的就绪。”周晋总结说道。

编辑：芯智讯-浪客剑