主控芯片作為電力二次設備核心元器件是電力工業控制的大腦，涉及千萬量級的電網關鍵裝置。可是，我國電網關鍵設備繼電保護核心芯片大多以進口為主。“部分進口關鍵芯片在國內市場占有率近90%，若被禁運，將會對國內繼電保護領域產生重大影響。”南方電網數字電網研究院有限公司(以下簡稱南網數研院)總經理李鵬說。

為突破此技術困境，李鵬和團隊歷經8年，研發出我國首款基于國產指令集、內核、自主硬件IP的全面國產電力專用主控芯片——“伏羲”芯片。

近日，記者從南網數研院了解到，得益于芯片技術的支撐，團隊研發成果芯片化保護裝置也已在多個行業中實現規模化應用，并出口至10余個國家，創造經濟效益11.5億元。此成果標志著我國電網核心裝備邁向完全自主可控，推動了繼電保護技術的跨越式發展。“電力芯片保護關鍵技術攻關及核心器件國產化”項目也獲得2020年度廣東省科技進步獎一等獎。

性能優于進口芯片

與手機、電腦里的芯片有所不同，工業控制領域的芯片往往具有特定的場景應用需求。

“電網是實時控制的系統，其發電、輸電、用電是在瞬間完成的，無法存儲或臨時轉移。由于其數據量巨大，當電網發生故障或者擾動時，就可能面臨‘數據雪崩’。”李鵬說，在發生了“數據雪崩”的狀態下，有沒有能力快速處理，這就涉及到工業控制系統中主控芯片的數據處理能力。

然而，長期以來，我國能夠適用于工業實時控制特點的專用芯片依賴國外技術和產品，受制于人。這不僅無法跟得上我國電力技術快速發展的步伐，也對我國工業系統的供應鏈安全造成重大威脅，甚至存在重大的網絡安全和電網穩定隱患。

“我們需要進行定制化的開發，讓主控芯片具備強大的數據處理能力以應付‘數據雪崩’，保障電網安全。”2013年，南方電網公司組織專門團隊，著手布局能夠適用于工業控制系統的專用核心芯片的設計研發。該研發重擔落到了李鵬團隊身上。

實現芯片國產化和芯片場景化支撐，是研發團隊開展芯片研發的主要目的。“我們探索了在芯片級別實現傳統電力裝備完整功能的技術路線，采用完全國產化技術，包括芯片指令集、芯片內核、芯片的專用高性能硬件電路以及芯片的安全防護設計，設計開發了自主可控的第一款電力專用主控芯片——‘伏羲’。”歷經8年，李鵬和團隊實現了目標。

目前，“伏羲”系列芯片已應用于繼電保護、配網自動化、計量自動化以及邊緣計算領域。與同類進口競品芯片相比，“伏羲”芯片在計算性能方面快約1.5倍。

實時調度讓“龜兔協同有序”

芯片的設計研發并非易事，科研團隊遇到的挑戰遠超想象。

芯片架構如何設計，才能同時滿足工業控制系統對其快速性和靈活性的要求?“就好比一只兔子和一只烏龜，要在同一個跑道上同時跑步，還得保持互相之間的協同有序，能夠互相照應。”李鵬用了一個形象比喻說明。歷經無數次的創新、試驗，最終“伏羲”芯片形成了滿足高性能、實時、安全、可靠的多核異構系統架構，在一塊芯片上既可實現微秒級的實時業務處理，也可完成毫秒級的管理信號處理。

另一大挑戰來自于工業控制的快速性本身。當電網發生故障等極端情況時，芯片將面臨雪崩式的數據涌入，這時候必須保證芯片能快速反應和處理。

“通常這個環節都采用外掛電路實現，這一次我們把外掛電路通過納米級的芯片內部電路加以實現，并且固化成硬件IP，便于廣泛推廣。這項技術的創新性很強，我們花了比較大的氣力。”李鵬說。

還有一個挑戰來自安全性。設計芯片過程中，科研團隊憑借芯片電路級別的網絡安全防護設計，集成了國家密碼算法，這是體現“伏羲”芯片完全自主可控的一個關鍵指針。

從東部沿海到西部高原、從熱帶雨林到極寒地區，作為我國自主可控的第一款電力專用主控芯片，“伏羲”系列芯片在設計研發時經歷了許多嚴苛環境的考驗，可靠性得以驗證。

“創新是一個比較艱難的過程。這么多年來，我們不斷試錯，不斷發現問題，不斷磨合，尋找更好的解決方案，并逐步迭代形成了自主的科研成果。”李鵬說。

據介紹，“伏羲”芯片的性能達到國際先進水平，特別是在工業控制并行處理能力上，“伏羲”芯片的能力明顯優于國際類似產品。“在成果應用和轉化方面，我們采用‘伏羲’芯片，開發了一系列高性能的芯片化電力保護裝置，成效非常顯著，芯片化裝置的體積縮小至傳統裝置的1/40，功耗降低至六分之一，動作速度提升了20%，提升了繼電保護裝置的性能和智能化水平。”李鵬介紹。

已具備產業規模化應用條件

數字電網是電網發展的必然趨勢，也是未來以新能源為主體的新型電網最佳形態。而推進數字電網發展，離不開在自主電力芯片、人工智能等關鍵技術取得的突破。

“在未來整個電網的數字化大格局里，芯片猶如數字化的神經末梢。因為在數字化的終端里，它需要依靠這種小型化、高度集成的芯片，提供數字化的信息感知、處理和執行能力。”李鵬指出，“伏羲”芯片的研發成功，是電網數字化的技術展現，代表了未來電網技術數字化方向的發展重點。

數字電網之下，網絡安全更為重要。“‘伏羲’芯片將為電網安全奠定堅實的原生安全基礎，未來的電網安全防護有望依靠‘芯片—裝備—系統’的多級聯動防護，不斷堵上安全漏洞。” 李鵬表示，從電網安全的角度來看，“伏羲”芯片采用了非開源的國產指令架構，既可有效避免進口器件、進口IP所可能隱藏的“攻擊后門”，又能有效防范黑客。

在“伏羲”芯片基礎上，科研團隊還研發出系列化芯片保護裝置，目前已具備基本成熟的產業規模化應用條件。“我們掌握的核心技術，具有很好的推廣應用空間，已經形成了多方協同創新的局面，也有利于激活和發展上下游更廣泛的創新鏈條。此外，芯片化裝置將帶來巨大的節能、節地、節材效益，這是響應雙碳發展目標，推動我國綠色發展的重要舉措。”他說。

回想起這8年來的研發歷程，李鵬感觸良多。他表示，項目推進過程中，得到了科技部及廣東省廣州市給予的支持，以中國工程院院士李立浧為首的一批院士專家提供了技術上的指導，用戶單位則不斷反饋改建意見，整個鏈條都動了起來。

“近年來，廣東大力發展戰略性支柱產業和新興產業，把發展高端半導體元器件列入新一代電子信息戰略支柱產業，把半導體與集成電路、高端裝備制造列入戰略新興產業，提出要基本解決‘缺芯少核’問題，這給我們持續推進芯片設計研發注入了強大的信心。”他透露，我們的目標是以國產自主芯片為突破口，進一步延伸科技攻關的領域，在智能傳感、高端裝備等方向上形成更加豐富的成果和產出。同時致力于產業推廣，在一些“獨門絕技”方向上孵化新的產業空間。(記者 葉 青)