李文華

主控芯片作為電網(wǎng)二次裝備核心器件，涉及千萬(wàn)量級(jí)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(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)工業(yè)控制芯片高度依賴國(guó)外技術(shù)和產(chǎn)品，對(duì)我國(guó)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(duì)我國(guó)能源工控領(lǐng)域的“卡脖子”問(wèn)題，歷時(shí)8年成功研發(fā)我國(guó)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(guó)首個(gè)基于國(guó)產(chǎn)指令架構(gòu)、國(guó)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(dòng)化、新能源等多個(gè)電網(wǎng)關(guān)鍵場(chǎng)景進(jìn)行驗(yàn)證及應(yīng)用。這標(biāo)志著我國(guó)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(duì)于逐步提高我國(guó)電網(wǎng)多領(lǐng)域場(chǎng)景新增設(shè)備的自主芯片覆蓋率，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)工業(yè)控制芯片規(guī)模化應(yīng)用具有重要意義。

電網(wǎng)是實(shí)時(shí)控制的系統(tǒng)，其發(fā)電、輸電、用電是在瞬間完成的，無(wú)法存儲(chǔ)或臨時(shí)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(dòng)時(shí)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(jì)研發(fā)過(guò)程非常耗時(shí)費(fèi)力，8年多來(lái)團(tuán)隊(duì)攻克和經(jīng)歷重重困難。

其中一個(gè)挑戰(zhàn)，來(lái)自于芯片架構(gòu)的設(shè)計(jì)。為同時(shí)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(jí)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理，又要完成毫秒級(jí)的管理信號(hào)處理。這就好比一只兔子和一只烏龜，在同一個(gè)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(duì)通過(guò)實(shí)時(shí)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(wèn)題。

另一個(gè)挑戰(zhàn)，就是面臨“雪崩式”的數(shù)據(jù)涌入時(shí)，必須保證芯片能快速反應(yīng)和處理。通常這個(gè)環(huán)節(jié)都采用外掛電路實(shí)現(xiàn)，這一次采用“獨(dú)門絕技”，把外掛電路通過(guò)納米級(jí)的芯片內(nèi)部電路加以實(shí)現(xiàn)并且固化成IP核，便于廣泛推廣。這項(xiàng)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(gè)層面的考慮：一是芯片的國(guó)產(chǎn)化，另一個(gè)是芯片的場(chǎng)景化支撐。大多數(shù)電力裝備長(zhǎng)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率近90%，如若被禁運(yùn)國(guó)內(nèi)繼電保護(hù)領(lǐng)域?qū)?huì)造成重大影響。

“伏羲”芯片的主要優(yōu)勢(shì)首先就是可控，從核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)到芯片設(shè)計(jì)、流片、封裝、測(cè)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(shí)、安全、智能等計(jì)算需求，從芯片架構(gòu)、資源、算法等方面開展場(chǎng)景化定制設(shè)計(jì)，從元件級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jiān)實(shí)的原生安全基礎(chǔ)，未來(lái)的電網(wǎng)安全防護(hù)有賴從“芯片—裝備—系統(tǒng)”的多級(jí)聯(lián)動(dòng)防護(hù)，不斷堵上安全漏洞。

實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代后，從電網(wǎng)安全的角度來(lái)看有兩方面的優(yōu)點(diǎn)：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(guó)產(chǎn)指令架構(gòu)，對(duì)于攻擊的黑客而言會(huì)是一個(gè)黑盒，所以在安全的防范上會(huì)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(dòng)化、配網(wǎng)自動(dòng)化、計(jì)量自動(dòng)化、邊緣計(jì)算、新能源等領(lǐng)域，后續(xù)將形成全系列產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)對(duì)工控領(lǐng)域全場(chǎng)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(dòng)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)?；瘧?yīng)用的條件，團(tuán)隊(duì)未來(lái)將加強(qiáng)芯片在交通、能源、智慧社會(huì)等方面進(jìn)行更多的研發(fā)和應(yīng)用，同時(shí)致力于產(chǎn)業(yè)推廣，在一些獨(dú)特方向上孵化新的產(chǎn)業(yè)空間。