李文華

主控芯片作為電網(wǎng)二次裝備核心器件，涉及千萬量級的電網(wǎng)關(guān)鍵裝置，被業(yè)界稱為電力工業(yè)控制的“大腦”。長期以來我國工業(yè)控制芯片高度依賴國外技術(shù)和產(chǎn)品，對我國能源行業(yè)供應(yīng)鏈安全造成重大威脅。

南方電網(wǎng)公司針對我國能源工控領(lǐng)域的“卡脖子”問題，歷時8年成功研發(fā)我國自主可控的第一款電力專用主控芯片——“伏羲”系列芯片。目前作為我國首個基于國產(chǎn)指令架構(gòu)、國產(chǎn)內(nèi)核的電力專用主控芯片“伏羲”，已先后在電網(wǎng)控制保護(hù)、自動化、新能源等多個電網(wǎng)關(guān)鍵場景進(jìn)行驗證及應(yīng)用。這標(biāo)志著我國電力工控領(lǐng)域核心芯片已經(jīng)從“進(jìn)口通用”向“自主專用”轉(zhuǎn)變，對于逐步提高我國電網(wǎng)多領(lǐng)域場景新增設(shè)備的自主芯片覆蓋率，實現(xiàn)國產(chǎn)工業(yè)控制芯片規(guī)?；瘧?yīng)用具有重要意義。

電網(wǎng)是實時控制的系統(tǒng)，其發(fā)電、輸電、用電是在瞬間完成的，無法存儲或臨時轉(zhuǎn)移。由于其數(shù)據(jù)量巨大，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或者擾動時就可能面臨“數(shù)據(jù)雪崩”。控制保護(hù)裝置主控芯片“伏羲”的職責(zé)就是在這種突發(fā)狀況下保障電網(wǎng)的安全。芯片的設(shè)計研發(fā)過程非常耗時費力，8年多來團(tuán)隊攻克和經(jīng)歷重重困難。

其中一個挑戰(zhàn)，來自于芯片架構(gòu)的設(shè)計。為同時滿足工業(yè)控制系統(tǒng)快速性和靈活性的要求，“伏羲”芯片采用了異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)。就是在一塊芯片上既要完成微秒級的實時信號處理，又要完成毫秒級的管理信號處理。這就好比一只兔子和一只烏龜，在同一個跑道上賽跑，既要保持協(xié)同有序，還要能夠互相照應(yīng)。團(tuán)隊通過實時調(diào)度等技術(shù)攻關(guān)，有效解決了芯片系統(tǒng)的穩(wěn)定問題。

另一個挑戰(zhàn)，就是面臨“雪崩式”的數(shù)據(jù)涌入時，必須保證芯片能快速反應(yīng)和處理。通常這個環(huán)節(jié)都采用外掛電路實現(xiàn)，這一次采用“獨門絕技”，把外掛電路通過納米級的芯片內(nèi)部電路加以實現(xiàn)并且固化成IP核，便于廣泛推廣。這項技術(shù)的創(chuàng)新性很強(qiáng)，成效也十分顯著。做自主芯片有兩個層面的考慮：一是芯片的國產(chǎn)化，另一個是芯片的場景化支撐。大多數(shù)電力裝備長期依賴進(jìn)口芯片，如電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備繼電保護(hù)核心芯片大多以進(jìn)口芯片為主，部分關(guān)鍵芯片在國內(nèi)市場占有率近90%，如若被禁運國內(nèi)繼電保護(hù)領(lǐng)域?qū)斐芍卮笥绊憽?/p>

“伏羲”芯片的主要優(yōu)勢首先就是可控，從核心知識產(chǎn)權(quán)到芯片設(shè)計、流片、封裝、測試全鏈條境內(nèi)自主可控，最大限度保障了電網(wǎng)關(guān)鍵核心元器件供應(yīng)鏈安全、穩(wěn)定；其次是專用，“伏羲”芯片立足電力工控領(lǐng)域?qū)崟r、安全、智能等計算需求，從芯片架構(gòu)、資源、算法等方面開展場景化定制設(shè)計，從元件級實現(xiàn)對電網(wǎng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、電力電子化等發(fā)展需求的支撐。網(wǎng)絡(luò)安全是能源工控領(lǐng)域的永恒主題，“伏羲”芯片將為電網(wǎng)安全奠定堅實的原生安全基礎(chǔ)，未來的電網(wǎng)安全防護(hù)有賴從“芯片—裝備—系統(tǒng)”的多級聯(lián)動防護(hù)，不斷堵上安全漏洞。

實現(xiàn)國產(chǎn)化替代后，從電網(wǎng)安全的角度來看有兩方面的優(yōu)點：一是有效避免了進(jìn)口器件、進(jìn)口IP所可能隱藏的攻擊后門；二是“伏羲”芯片采用了非開源的國產(chǎn)指令架構(gòu)，對于攻擊的黑客而言會是一個黑盒，所以在安全的防范上會更有效?！胺恕毕盗行酒壳耙褢?yīng)用于繼電保護(hù)、變電站自動化、配網(wǎng)自動化、計量自動化、邊緣計算、新能源等領(lǐng)域，后續(xù)將形成全系列產(chǎn)品，實現(xiàn)對工控領(lǐng)域全場景支撐。

在成果應(yīng)用和轉(zhuǎn)化方面，采用“伏羲”芯片開發(fā)了一系列高性能的芯片化電力保護(hù)裝置，成效非常顯著，芯片化裝置的體積比傳統(tǒng)裝置減少了40倍，功耗降低了6倍，動作速度提升了20%，“伏羲”系列芯片目前已具備基本成熟的產(chǎn)業(yè)規(guī)模化應(yīng)用的條件，團(tuán)隊未來將加強(qiáng)芯片在交通、能源、智慧社會等方面進(jìn)行更多的研發(fā)和應(yīng)用，同時致力于產(chǎn)業(yè)推廣，在一些獨特方向上孵化新的產(chǎn)業(yè)空間。