得益于芯片技術(shù)的支撐，團(tuán)隊研發(fā)成果芯片化保護(hù)裝置已在多個行業(yè)中實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，并出口至10余個國家，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益11.5億元。
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，涉及千萬量級的電網(wǎng)關(guān)鍵裝置?？墒?，我國電網(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)鍵芯片在國內(nèi)市場占有率近90%，若被禁運(yùn)，將會對國內(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(以下簡稱南網(wǎng)數(shù)研院)總經(jīng)理李鵬說。
為突破此技術(shù)困境，李鵬和團(tuán)隊歷經(jīng)8年，研發(fā)出我國首款基于國產(chǎn)指令集、內(nèi)核、自主硬件IP的全面國產(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)隊研發(fā)成果芯片化保護(hù)裝置也已在多個行業(yè)中實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，并出口至10余個國家，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益11.5億元。此成果標(biāo)志著我國電網(wǎng)核心裝備邁向完全自主可控，推動了繼電保護(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)及核心器件國產(chǎn)化”項(xiàng)目也獲得2020年度廣東省科技進(jìn)步獎一等獎。
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景應(yīng)用需求。
“電網(wǎng)是實(shí)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’。”李鵬說，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，長期以來，我國能夠適用于工業(yè)實(shí)時控制特點(diǎn)的專用芯片依賴國外技術(shù)和產(chǎn)品，受制于人。這不僅無法跟得上我國電力技術(shù)快速發(fā)展的步伐，也對我國工業(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，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)計研發(fā)。該研發(fā)重?fù)?dān)落到了李鵬團(tuán)隊身上。
實(shí)現(xiàn)芯片國產(chǎn)化和芯片場景化支撐，是研發(fā)團(tuán)隊開展芯片研發(fā)的主要目的。“我們探索了在芯片級別實(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，設(shè)計開發(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)自動化、計量自動化以及邊緣計算領(lǐng)域。與同類進(jìn)口競品芯片相比，“伏羲”芯片在計算性能方面快約1.5倍。
實(shí)時調(diào)度讓“龜兔協(xié)同有序”
芯片的設(shè)計研發(fā)并非易事，科研團(tuán)隊遇到的挑戰(zhàn)遠(yuǎn)超想象。
芯片架構(gòu)如何設(shè)計，才能同時滿足工業(yè)控制系統(tǒng)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(xié)同有序，能夠互相照應(yīng)。”李鵬用了一個形象比喻說明。歷經(jīng)無數(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、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)微秒級的實(shí)時業(yè)務(wù)處理，也可完成毫秒級的管理信號處理。
另一大挑戰(zhàn)來自于工業(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，芯片將面臨雪崩式的數(shù)據(jù)涌入，這時候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(shí)現(xiàn)，這一次我們把外掛電路通過納米級的芯片內(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。
還有一個挑戰(zhàn)來自安全性。設(shè)計芯片過程中，科研團(tuán)隊?wèi){借芯片電路級別的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)設(shè)計，集成了國家密碼算法，這是體現(xiàn)“伏羲”芯片完全自主可控的一個關(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)計研發(fā)時經(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)新是一個比較艱難的過程。這么多年來，我們不斷試錯，不斷發(fā)現(xiàn)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(jù)介紹，“伏羲”芯片的性能達(dá)到國際先進(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，也是未來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。
“在未來整個電網(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)安全奠定堅實(shí)的原生安全基礎(chǔ)，未來的電網(wǎng)安全防護(hù)有望依靠‘芯片—裝備—系統(tǒng)’的多級聯(lián)動防護(hù)，不斷堵上安全漏洞。” 李鵬表示，從電網(wǎng)安全的角度來看，“伏羲”芯片采用了非開源的國產(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)，推動我國綠色發(fā)展的重要舉措。”他說。
回想起這8年來的研發(fā)歷程，李鵬感觸良多。他表示，項(xiàng)目推進(jìn)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(shù)上的指導(dǎo)，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(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’問題，這給我們持續(xù)推進(jìn)芯片設(shè)計研發(fā)注入了強(qiáng)大的信心。”他透露，我們的目標(biāo)是以國產(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。
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