主控芯片作为电力二次设备核心元器件是电力工业控制的大脑，涉及千万量级的电网关键装置。可是，我国电网关键设备继电保护核心芯片大多以进口为主。“部分进口关键芯片在国内市场占有率近90％，若被禁运，将会对国内继电保护领域产生重大影响。”南方电网数字电网研究院有限公司（以下简称南网数研院）总经理李鹏说。
为突破此技术困境，李鹏和团队历经8年，研发出我国首款基于国产指令集、内核、自主硬件IP的全面国产电力专用主控芯片——“伏羲”芯片。
近日，记者从南网数研院了解到，得益于芯片技术的支撑，团队研发成果芯片化保护装置也已在多个行业中实现规模化应用，并出口至10余个国家，创造经济效益11.5亿元。此成果标志着我国电网核心装备迈向完全自主可控，推动了继电保护技术的跨越式发展。“电力芯片保护关键技术攻关及核心器件国产化”项目也获得2020年度广东省科技进步奖一等奖。
性能优于进口芯片
与手机、电脑里的芯片有所不同，工业控制领域的芯片往往具有特定的场景应用需求。
“电网是实时控制的系统，其发电、输电、用电是在瞬间完成的，无法存储或临时转移。由于其数据量巨大，当电网发生故障或者扰动时，就可能面临‘数据雪崩’。”李鹏说，在发生了“数据雪崩”的状态下，有没有能力快速处理，这就涉及到工业控制系统中主控芯片的数据处理能力。
然而，长期以来，我国能够适用于工业实时控制特点的专用芯片依赖国外技术和产品，受制于人。这不仅无法跟得上我国电力技术快速发展的步伐，也对我国工业系统的供应链安全造成重大威胁，甚至存在重大的网络安全和电网稳定隐患。
“我们需要进行定制化的开发，让主控芯片具备强大的数据处理能力以应付‘数据雪崩’，保障电网安全。”2013年，南方电网公司组织专门团队，着手布局能够适用于工业控制系统的专用核心芯片的设计研发。该研发重担落到了李鹏团队身上。
实现芯片国产化和芯片场景化支撑，是研发团队开展芯片研发的主要目的。“我们探索了在芯片级别实现传统电力装备完整功能的技术路线，采用完全国产化技术，包括芯片指令集、芯片内核、芯片的专用高性能硬件电路以及芯片的安全防护设计，设计开发了自主可控的第一款电力专用主控芯片——‘伏羲’。”历经8年，李鹏和团队实现了目标。
目前，“伏羲”系列芯片已应用于继电保护、配网自动化、计量自动化以及边缘计算领域。与同类进口竞品芯片相比，“伏羲”芯片在计算性能方面快约1.5倍。
实时调度让“龟兔协同有序”
芯片的设计研发并非易事，科研团队遇到的挑战远超想象。
芯片架构如何设计，才能同时满足工业控制系统对其快速性和灵活性的要求？“就好比一只兔子和一只乌龟，要在同一个跑道上同时跑步，还得保持互相之间的协同有序，能够互相照应。”李鹏用了一个形象比喻说明。历经无数次的创新、试验，最终“伏羲”芯片形成了满足高性能、实时、安全、可靠的多核异构系统架构，在一块芯片上既可实现微秒级的实时业务处理，也可完成毫秒级的管理信号处理。
另一大挑战来自于工业控制的快速性本身。当电网发生故障等极端情况时，芯片将面临雪崩式的数据涌入，这时候必须保证芯片能快速反应和处理。
“通常这个环节都采用外挂电路实现，这一次我们把外挂电路通过纳米级的芯片内部电路加以实现，并且固化成硬件IP，便于广泛推广。这项技术的创新性很强，我们花了比较大的气力。”李鹏说。
还有一个挑战来自安全性。设计芯片过程中，科研团队凭借芯片电路级别的网络安全防护设计，集成了国家密码算法，这是体现“伏羲”芯片完全自主可控的一个关键指针。
从东部沿海到西部高原、从热带雨林到极寒地区，作为我国自主可控的第一款电力专用主控芯片，“伏羲”系列芯片在设计研发时经历了许多严苛环境的考验，可靠性得以验证。
“创新是一个比较艰难的过程。这么多年来，我们不断试错，不断发现问题，不断磨合，寻找更好的解决方案，并逐步迭代形成了自主的科研成果。”李鹏说。
据介绍，“伏羲”芯片的性能达到国际先进水平，特别是在工业控制并行处理能力上，“伏羲”芯片的能力明显优于国际类似产品。“在成果应用和转化方面，我们采用‘伏羲’芯片，开发了一系列高性能的芯片化电力保护装置，成效非常显著，芯片化装置的体积缩小至传统装置的1/40，功耗降低至六分之一，动作速度提升了20％，提升了继电保护装置的性能和智能化水平。”李鹏介绍。
已具备产业规模化应用条件
数字电网是电网发展的必然趋势，也是未来以新能源为主体的新型电网最佳形态。而推进数字电网发展，离不开在自主电力芯片、人工智能等关键技术取得的突破。
“在未来整个电网的数字化大格局里，芯片犹如数字化的神经末梢。因为在数字化的终端里，它需要依靠这种小型化、高度集成的芯片，提供数字化的信息感知、处理和执行能力。”李鹏指出，“伏羲”芯片的研发成功，是电网数字化的技术展现，代表了未来电网技术数字化方向的发展重点。
数字电网之下，网络安全更为重要。“‘伏羲’芯片将为电网安全奠定坚实的原生安全基础，未来的电网安全防护有望依靠‘芯片—装备—系统’的多级联动防护，不断堵上安全漏洞。” 李鹏表示，从电网安全的角度来看，“伏羲”芯片采用了非开源的国产指令架构，既可有效避免进口器件、进口IP所可能隐藏的“攻击后门”，又能有效防范黑客。
在“伏羲”芯片基础上，科研团队还研发出系列化芯片保护装置，目前已具备基本成熟的产业规模化应用条件。“我们掌握的核心技术，具有很好的推广应用空间，已经形成了多方协同创新的局面，也有利于激活和发展上下游更广泛的创新链条。此外，芯片化装置将带来巨大的节能、节地、节材效益，这是响应双碳发展目标，推动我国绿色发展的重要举措。”他说。
回想起这8年来的研发历程，李鹏感触良多。他表示，项目推进过程中，得到了科技部及广东省广州市给予的支持，以中国工程院院士李立浧为首的一批院士专家提供了技术上的指导，用户单位则不断反馈改建意见，整个链条都动了起来。
“近年来，广东大力发展战略性支柱产业和新兴产业，把发展高端半导体元器件列入新一代电子信息战略支柱产业，把半导体与集成电路、高端装备制造列入战略新兴产业，提出要基本解决‘缺芯少核’问题，这给我们持续推进芯片设计研发注入了强大的信心。”他透露，我们的目标是以国产自主芯片为突破口，进一步延伸科技攻关的领域，在智能传感、高端装备等方向上形成更加丰富的成果和产出。同时致力于产业推广，在一些“独门绝技”方向上孵化新的产业空间。
