倪光南：突破工业互联网核心技术

倪光南

“工业互联网”的技术内涵很广，它包含了“互联网”、“物联网”和“智能制造”等技术，以及将这些技术融合起来构成“工业互联网”的技术。为了保障“工业互联网”的安全，使其不受制于人，我们应重视发展工业互联网的核心技术。

工业互联网的核心技术对提升中国制造业的转型升级以及推进高质量发展是非常关键的。工业互联网将人、物、事等等都连接在一起，其覆盖范围比互联网和物联网更大，因而创新的空间也更大。下面我们举一些实际的案例。

第一个是在互联网方面。随着国家5G计划的推进，移动接入网的带宽将有巨大飞跃，从而对承载接入网业务的互联网骨干网带宽也提出了相应的要求。可是现有基于IP协议、QoS无法保证的互联网很难满足这一需求，再加上我们现有的互联网的核心技术和核心资源仍被发达国家所掌控，因此我们往往只能抵御一般的黑客攻击，而难以抵御更高等级、更大强度的攻击。

互联网的发展离不开安全。按照习近平总书记关于“安全是发展的前提，发展是安全的保障，安全和发展要同步推进”的指示，我们要加大自主创新力度，发展自主可控网络通信协议，才能从根本上既解决网络性能问题也解决网络安全问题。

视联动力自主创新的非IP通信协议，使传统攻击手段难以奏效，从根本上保障了安全可控。其核心网络资源的自主控制，使数据传输也得到了管控，这在很大程度上提高了数据安全等级，能提供高质量的视频通信服务。并且，它具备结构性安全，阻断了常规的入侵途径。目前，视联动力在全国拥有超过8万个高清视频通信点位，融合了全国监控视频近200万路，创造超过22000个节点的超大规模视频会议记录，已经在高清实时视频服务领域取得了很大的成效。

第二个是在物联网方面。为要满足物联网信息采集的需求，迫切需要一种低成本、低功耗、数据传输快、支持终端多且组网灵活可靠的物联网RFID（射频标签）芯片。

成都西谷研发的LDSW芯片，是一种采用超低占空比双向快速通信方式工作、具有身份识别功能和传感器数据采集及控制功能的新一代有源RFID。一般采用传统通信方式，电池只能维持1天的使用寿命，而LDSW采用的1/10000 低占空比通信方式，可支持27年！这从根本上解决了节电难题。

基于LDSW专利技术，可开发出各类型的产品和解决方案。比如，LDSW物联智能终端能在1秒内，将千米之外“睡眠”中的（其平均睡眠电流<5uA）LDSW终端唤醒并在几毫秒内完成数据采集和控制。LDSW手机或智能手机+LDSW插件可不依赖移动网络，在低功耗待机状态，任一手机可随时发起与任何其他手机或终端的通信。显然，LDSW芯片的上述这些优点可以帮助物联网进入许多应用领域。

第三个是在智能制造方面。这些年国内外发生的许多事件都表明，工控设备如果发生安全问题，后果是十分严重的，它关系到各行各业的安全，这也使工控实时操作系统成为工业互联网、工控系统等的核心技术。过去这一领域被外国的VxWorks、QNX等操作系统所垄断，存在着巨大的安全隐患。

翼辉信息的科技人员从2006年开始自主编写，历时十余年的发展，其SylixOS已广泛应用在航空航天、国防军工、电力、轨道交通、工业自动化、机器人等重要领域。SylixOS是目前国内拥有完整自主知识产权的大型实时操作系统，工业和信息化部赛普评测中心评估SylixOS内核自主化率为：自主研发代码90% + 合规开源代码10%。

当前，以翼辉SylixOS替代VxWorks等外國实时操作系统的条件已经基本成熟，这既有利于增强网络安全，也有利于规避使用外国盗版软件（或不遵从开源许可证的开源软件）所带来的知识产权风险，希望有关方面予以重视。

第四个是在芯片方面。芯片作为核心技术，其重要性不言而喻。在2018年11月8日第5届世界互联网大会上，“中国开放指令生态（RISC-V）联盟”（或称为“中国开源芯片联盟”）宣告成立。这个联盟由网信办、工信部和中科院三个单位指导，挂靠在计算所。创始会员65家，2018年10月新增20家。旨在召集从事RISC-V指令集、架构、芯片、软件、整机应用等产业链各环节企事业单位及相关社会团体，自愿组成一个全国性、综合性、联合性、非营利性的社团组织。

这个联盟的特点是支持开源芯片。众所周知，“开源”（开放源代码）是一种新的模式（既是开发模式，又是商业模式），开源软件（以Linux为代表）在当前已成为软件业的主流。因此人们期望，依托这种模式的开源芯片在芯片业也会取得类似于在软件业那样的成功。

从全球来看，CPU芯片和操作系统是网信领域最基础的核心技术，中国在这方面还受制于人，常被比拟为“缺芯少魂”。而纵观全球市场，能够站稳脚跟的也只有两种：1.Intel架构（x86）CPU——历史很长、生态成熟、在桌面和服务器领域占垄断地位，被美国的Intel和AMD两家公司所拥有。2.ARM架构CPU——历史较长、生态成熟、在移动和嵌入式等领域占垄断地位，其他公司可向ARM公司购买许可（数百万元～数亿元），世界上有很多公司做ARM CPU。

RISC-V芯片的出现，对于我国打破外国跨国公司在芯片市场的垄断、实现芯片自主可控和增强芯片业创新能力具有重要意义。尤其RISC-V芯片具有很多优势：在设计方面，它完全开源免费，可免除授权费用和知识产权风险，这是RISC-V的主要意义。开源芯片设计可以将芯片设计门槛大大降低，甚至于3-5人的小团队在3-4个月内，只需几万元便能研制出一款有市场竞争力的芯片，十分适应于中小企业创业，其市场前景广阔，能够有效地促进芯片产业的繁荣。

在技术方面，RISC-V指令集在最初设计时其研发团队就明确表示要追求简约，丢弃历史包袱。目前成型的技术代码集小、支持模块化，性能十分优越，能够满足从微控制器到超级计算机等各种复杂程度的处理器需求，支持从FPGA、ASIC乃至未来器件等多种实现方式。同时能够高效地实现各种微结构，支持大量定制与加速功能，并与现有软件及编程语言可良好适配。

在市场方面，随着以人工智能为代表的新一代信息技术的发展，各种场景下对于CPU需求日益碎片化，各种嵌入式应用前景广阔，低功耗、低成本和定制化需求越来越大，这使得RISC-V的精简、低功耗、模块化和可扩展等优势与数字经济未来发展方向十分契合。

在管理方面，最初的RISC-V指令集出现是在20世纪50年代，因而大多数专利早已过期，在商业化和开源使用方面不会存在大的专利壁垒和成本问题；另外，RISC-V由2005年成立的基金会管理，这是一个非盈利的中立机构和开放社区，主要负责日常维护RSIC-V指令集标准手册与架构文档，参与RISC-V相关规范的制定和软硬件生态系统的发展。基金会采取会员制管理，目前共有上百家会员单位，我国的中科院计算所是发起和审计会员，阿里、华为是白金会员。这种开放式的管理模式能够有效地促进RISC-V社区的交流和创新，形成生态系统，从而降低研发成本，打破芯片市场的垄断。

下面举一个开源芯片促进创新产业化的例子。中国科学院大学杨力祥老师的团队，曾经针对攻击操作系统中危害最大的超越授权类攻击（即以非法读写数据、非法控制被攻击系统等为目的攻击）提出了一套完整的理论（包括攻击原理及安全机制）。该理论指出了所有攻击执行序中不可或缺的组成部分，即构成攻击执行序的必要条件，只要消除这些必要条件，即使软件中存在不可避免的瑕疵，攻击者也不可能实现攻击！该安全机制基于硬件，包括安全CPU架構和安全操作系统架构及配套的编译器、虚拟机等完整的工具链。安全架构CPU硬件支持内存安全单元（MSU）。此外，还有重新设计的分权机制及授权管理体系的支持。

由于RISC-V在设计上有良好的前瞻性，上述安全CPU架构很容易与RISC-V结合，成为安全RISC-V。这表明RISC-V的出现有利于实现创新产业化。实践证明，运用开源模式不仅可以实施集成创新、引进消化吸收再创新，也能够实施原始创新。

所以，在国家发展战略性新兴产业方针的指引下，我国应当依托丰富的科技人力资源和巨大的市场，加大芯片业自主创新力度，营造完善的生态系统，发展自主可控的开源芯片，推动中国在开源芯片的技术、社区和产业等方面全面发展，促进人工智能、物联网、5G等等新一代信息技术和数字经济的发展。

展望未来，RISC-V有可能发展成为世界主流CPU之一，即在世界CPU领域形成x86、ARM和RISC-V三分天下的格局。（本文根据2019中国IT市场年会速记整理）