降服電力系統(tǒng)“數(shù)據(jù)雪崩” “伏羲”芯片性能優(yōu)于進(jìn)口芯片

主控芯片作為電力二次設(shè)備核心元器件是電力工業(yè)控制的大腦，涉及千萬(wàn)量級(jí)的電網(wǎng)關(guān)鍵裝置。可是，我國(guó)電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備繼電保護(hù)核心芯片大多以進(jìn)口為主。“部分進(jìn)口關(guān)鍵芯片在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率近90%，若被禁運(yùn)，將會(huì)對(duì)國(guó)內(nèi)繼電保護(hù)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。”南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司(以下簡(jiǎn)稱南網(wǎng)數(shù)研院)總經(jīng)理李鵬說(shuō)。

為突破此技術(shù)困境，李鵬和團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)8年，研發(fā)出我國(guó)首款基于國(guó)產(chǎn)指令集、內(nèi)核、自主硬件IP的全面國(guó)產(chǎn)電力專用主控芯片——“伏羲”芯片。

近日，記者從南網(wǎng)數(shù)研院了解到，得益于芯片技術(shù)的支撐，團(tuán)隊(duì)研發(fā)成果芯片化保護(hù)裝置也已在多個(gè)行業(yè)中實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，并出口至10余個(gè)國(guó)家，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益11.5億元。此成果標(biāo)志著我國(guó)電網(wǎng)核心裝備邁向完全自主可控，推動(dòng)了繼電保護(hù)技術(shù)的跨越式發(fā)展。“電力芯片保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及核心器件國(guó)產(chǎn)化”項(xiàng)目也獲得2020年度廣東省科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

性能優(yōu)于進(jìn)口芯片

與手機(jī)、電腦里的芯片有所不同，工業(yè)控制領(lǐng)域的芯片往往具有特定的場(chǎng)景應(yīng)用需求。

“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’。”李鵬說(shuō)，在發(fā)生了“數(shù)據(jù)雪崩”的狀態(tài)下，有沒有能力快速處理，這就涉及到工業(yè)控制系統(tǒng)中主控芯片的數(shù)據(jù)處理能力。

然而，長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)能夠適用于工業(yè)實(shí)時(shí)控制特點(diǎn)的專用芯片依賴國(guó)外技術(shù)和產(chǎn)品，受制于人。這不僅無(wú)法跟得上我國(guó)電力技術(shù)快速發(fā)展的步伐，也對(duì)我國(guó)工業(yè)系統(tǒng)的供應(yīng)鏈安全造成重大威脅，甚至存在重大的網(wǎng)絡(luò)安全和電網(wǎng)穩(wěn)定隱患。

“我們需要進(jìn)行定制化的開發(fā)，讓主控芯片具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力以應(yīng)付‘數(shù)據(jù)雪崩’，保障電網(wǎng)安全。”2013年，南方電網(wǎng)公司組織專門團(tuán)隊(duì)，著手布局能夠適用于工業(yè)控制系統(tǒng)的專用核心芯片的設(shè)計(jì)研發(fā)。該研發(fā)重?fù)?dān)落到了李鵬團(tuán)隊(duì)身上。

實(shí)現(xiàn)芯片國(guó)產(chǎn)化和芯片場(chǎng)景化支撐，是研發(fā)團(tuán)隊(duì)開展芯片研發(fā)的主要目的。“我們探索了在芯片級(jí)別實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電力裝備完整功能的技術(shù)路線，采用完全國(guó)產(chǎn)化技術(shù)，包括芯片指令集、芯片內(nèi)核、芯片的專用高性能硬件電路以及芯片的安全防護(hù)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)開發(fā)了自主可控的第一款電力專用主控芯片——‘伏羲’。”歷經(jīng)8年，李鵬和團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)。

目前，“伏羲”系列芯片已應(yīng)用于繼電保護(hù)、配網(wǎng)自動(dòng)化、計(jì)量自動(dòng)化以及邊緣計(jì)算領(lǐng)域。與同類進(jìn)口競(jìng)品芯片相比，“伏羲”芯片在計(jì)算性能方面快約1.5倍。

實(shí)時(shí)調(diào)度讓“龜兔協(xié)同有序”

芯片的設(shè)計(jì)研發(fā)并非易事，科研團(tuán)隊(duì)遇到的挑戰(zhàn)遠(yuǎn)超想象。

芯片架構(gòu)如何設(shè)計(jì)，才能同時(shí)滿足工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)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(gè)跑道上同時(shí)跑步，還得保持互相之間的協(xié)同有序，能夠互相照應(yīng)。”李鵬用了一個(gè)形象比喻說(shuō)明。歷經(jīng)無(wú)數(shù)次的創(chuàng)新、試驗(yàn)，最終“伏羲”芯片形成了滿足高性能、實(shí)時(shí)、安全、可靠的多核異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)，在一塊芯片上既可實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)處理，也可完成毫秒級(jí)的管理信號(hào)處理。

另一大挑戰(zhàn)來(lái)自于工業(yè)控制的快速性本身。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障等極端情況時(shí)，芯片將面臨雪崩式的數(shù)據(jù)涌入，這時(shí)候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)，這一次我們把外掛電路通過(guò)納米級(jí)的芯片內(nèi)部電路加以實(shí)現(xiàn)，并且固化成硬件IP，便于廣泛推廣。這項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新性很強(qiáng)，我們花了比較大的氣力。”李鵬說(shuō)。

還有一個(gè)挑戰(zhàn)來(lái)自安全性。設(shè)計(jì)芯片過(guò)程中，科研團(tuán)隊(duì)?wèi){借芯片電路級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)設(shè)計(jì)，集成了國(guó)家密碼算法，這是體現(xiàn)“伏羲”芯片完全自主可控的一個(gè)關(guān)鍵指針。

從東部沿海到西部高原、從熱帶雨林到極寒地區(qū)，作為我國(guó)自主可控的第一款電力專用主控芯片，“伏羲”系列芯片在設(shè)計(jì)研發(fā)時(shí)經(jīng)歷了許多嚴(yán)苛環(huán)境的考驗(yàn)，可靠性得以驗(yàn)證。

“創(chuàng)新是一個(gè)比較艱難的過(guò)程。這么多年來(lái)，我們不斷試錯(cuò)，不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)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(shuō)。

據(jù)介紹，“伏羲”芯片的性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，特別是在工業(yè)控制并行處理能力上，“伏羲”芯片的能力明顯優(yōu)于國(guó)際類似產(chǎn)品。“在成果應(yīng)用和轉(zhuǎn)化方面，我們采用‘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，芯片化裝置的體積縮小至傳統(tǒng)裝置的1/40，功耗降低至六分之一，動(dòng)作速度提升了20%，提升了繼電保護(hù)裝置的性能和智能化水平。”李鵬介紹。

已具備產(chǎn)業(yè)規(guī)模化應(yīng)用條件

數(shù)字電網(wǎng)是電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是未來(lái)以新能源為主體的新型電網(wǎng)最佳形態(tài)。而推進(jìn)數(shù)字電網(wǎng)發(fā)展，離不開在自主電力芯片、人工智能等關(guān)鍵技術(shù)取得的突破。

“在未來(lái)整個(gè)電網(wǎng)的數(shù)字化大格局里，芯片猶如數(shù)字化的神經(jīng)末梢。因?yàn)樵跀?shù)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(shù)字化的信息感知、處理和執(zhí)行能力。”李鵬指出，“伏羲”芯片的研發(fā)成功，是電網(wǎng)數(shù)字化的技術(shù)展現(xiàn)，代表了未來(lái)電網(wǎng)技術(shù)數(shù)字化方向的發(fā)展重點(diǎn)。

數(shù)字電網(wǎng)之下，網(wǎng)絡(luò)安全更為重要。“‘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)有望依靠‘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。” 李鵬表示，從電網(wǎng)安全的角度來(lái)看，“伏羲”芯片采用了非開源的國(guó)產(chǎn)指令架構(gòu)，既可有效避免進(jìn)口器件、進(jìn)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(chǔ)上，科研團(tuán)隊(duì)還研發(fā)出系列化芯片保護(hù)裝置，目前已具備基本成熟的產(chǎn)業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用條件。“我們掌握的核心技術(shù)，具有很好的推廣應(yīng)用空間，已經(jīng)形成了多方協(xié)同創(chuàng)新的局面，也有利于激活和發(fā)展上下游更廣泛的創(chuàng)新鏈條。此外，芯片化裝置將帶來(lái)巨大的節(jié)能、節(jié)地、節(jié)材效益，這是響應(yīng)雙碳發(fā)展目標(biāo)，推動(dòng)我國(guó)綠色發(fā)展的重要舉措。”他說(shuō)。

回想起這8年來(lái)的研發(fā)歷程，李鵬感觸良多。他表示，項(xiàng)目推進(jìn)過(guò)程中，得到了科技部及廣東省廣州市給予的支持，以中國(guó)工程院院士李立浧為首的一批院士專家提供了技術(shù)上的指導(dǎo)，用戶單位則不斷反饋改建意見，整個(gè)鏈條都動(dòng)了起來(lái)。

“近年來(lái)，廣東大力發(fā)展戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)，把發(fā)展高端半導(dǎo)體元器件列入新一代電子信息戰(zhàn)略支柱產(chǎn)業(yè)，把半導(dǎo)體與集成電路、高端裝備制造列入戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，提出要基本解決‘缺芯少核’問(wèn)題，這給我們持續(xù)推進(jìn)芯片設(shè)計(jì)研發(fā)注入了強(qiáng)大的信心。”他透露，我們的目標(biāo)是以國(guó)產(chǎn)自主芯片為突破口，進(jìn)一步延伸科技攻關(guān)的領(lǐng)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(chǎn)出。同時(shí)致力于產(chǎn)業(yè)推廣，在一些“獨(dú)門絕技”方向上孵化新的產(chǎn)業(yè)空間。(記者 葉 青)