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、自動化、新能源等多個電網(wǎng)關(guān)鍵場景進行驗證及應(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。
“數(shù)據(jù)雪崩”隱患亟待根除
“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’。”據(jù)南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司總經(jīng)理李鵬介紹，控制保護裝置主控芯片“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。
長期以來，我國工業(yè)控制芯片依賴國外技術(shù)和產(chǎn)品，這不僅無法滿足我國電力技術(shù)發(fā)展的迫切需求，而且對我國能源行業(yè)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。
關(guān)鍵核心技術(shù)攻堅如何自主突破？自2013年開始，南方電網(wǎng)組織專門團隊，著手布局能夠適用于電網(wǎng)控制保護裝置核心芯片的設(shè)計研發(fā)。芯片的設(shè)計研發(fā)過程，非常耗時費力。8年多來，團隊攻克和經(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。”據(jù)李鵬介紹，為了同時滿足工業(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)。”李鵬說，團隊通過實時調(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)，這一次我們采用‘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，成效也十分顯著。”李鵬說。
“自主可控”多級聯(lián)動防護
“我們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口芯片，比如電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備繼電保護核心芯片大多以進口芯片為主，部分關(guān)鍵芯片在國內(nèi)市場占有率近90%，如若被禁運，那國內(nèi)繼電保護領(lǐng)域?qū)斐芍卮笥绊憽?rdquo;李鵬表示。
據(jù)李鵬介紹，“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。李鵬認為，“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)安全防護有賴從“芯片—裝備—系統(tǒng)”的多級聯(lián)動防護，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，第一是有效避免了進口器件、進口IP所可能隱藏的‘攻擊后門’；第二就是‘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，它會是一個黑盒，所以在安全的防范上會更有效。”李鵬說。
產(chǎn)業(yè)規(guī)模化應(yīng)用前景廣闊
“伏羲”系列芯片目前已應(yīng)用于繼電保護、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，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%。”李鵬說。
據(jù)李鵬介紹，“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，團隊未來將加強芯片在交通、能源、智慧社會等方面進行更多的研發(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。
據(jù)了解，南方電網(wǎng)已將“電力系統(tǒng)自主專用芯片”納入公司“十四五”規(guī)劃10大重點研發(fā)方向和8大產(chǎn)業(yè)鏈方向之一。下一步，將按照“成功一個試點一個，試點一個推廣一片”的工作思路，逐步提高電網(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，防范化解電網(wǎng)安全運行重大風(fēng)險。
核心技術(shù)是國之重器，最關(guān)鍵最核心的技術(shù)要立足自主創(chuàng)新、自立自強。南方電網(wǎng)作為數(shù)字電網(wǎng)的設(shè)計者、倡導(dǎo)者，有基礎(chǔ)，也有能力主導(dǎo)芯片技術(shù)與電網(wǎng)應(yīng)用的深度融合。當(dāng)前，南方電網(wǎng)在電力專用芯片領(lǐng)域，走出了一條完全國產(chǎn)自主可控的技術(shù)領(lǐng)域，奠定了科技自主自強的關(guān)鍵基礎(chǔ)。
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、自動化、新能源等多個電網(wǎng)關(guān)鍵場景進行驗證及應(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。
“數(shù)據(jù)雪崩”隱患亟待根除
“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’。”據(jù)南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司總經(jīng)理李鵬介紹，控制保護裝置主控芯片“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。
長期以來，我國工業(yè)控制芯片依賴國外技術(shù)和產(chǎn)品，這不僅無法滿足我國電力技術(shù)發(fā)展的迫切需求，而且對我國能源行業(yè)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。
關(guān)鍵核心技術(shù)攻堅如何自主突破？自2013年開始，南方電網(wǎng)組織專門團隊，著手布局能夠適用于電網(wǎng)控制保護裝置核心芯片的設(shè)計研發(fā)。芯片的設(shè)計研發(fā)過程，非常耗時費力。8年多來，團隊攻克和經(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。”據(jù)李鵬介紹，為了同時滿足工業(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)。”李鵬說，團隊通過實時調(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)，這一次我們采用‘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，成效也十分顯著。”李鵬說。
“自主可控”多級聯(lián)動防護
“我們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口芯片，比如電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備繼電保護核心芯片大多以進口芯片為主，部分關(guān)鍵芯片在國內(nèi)市場占有率近90%，如若被禁運，那國內(nèi)繼電保護領(lǐng)域?qū)斐芍卮笥绊憽?rdquo;李鵬表示。
據(jù)李鵬介紹，“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。李鵬認為，“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)安全防護有賴從“芯片—裝備—系統(tǒng)”的多級聯(lián)動防護，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，第一是有效避免了進口器件、進口IP所可能隱藏的‘攻擊后門’；第二就是‘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，它會是一個黑盒，所以在安全的防范上會更有效。”李鵬說。
產(chǎn)業(yè)規(guī)模化應(yīng)用前景廣闊
“伏羲”系列芯片目前已應(yīng)用于繼電保護、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，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%。”李鵬說。
據(jù)李鵬介紹，“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，團隊未來將加強芯片在交通、能源、智慧社會等方面進行更多的研發(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。
據(jù)了解，南方電網(wǎng)已將“電力系統(tǒng)自主專用芯片”納入公司“十四五”規(guī)劃10大重點研發(fā)方向和8大產(chǎn)業(yè)鏈方向之一。下一步，將按照“成功一個試點一個，試點一個推廣一片”的工作思路，逐步提高電網(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，防范化解電網(wǎng)安全運行重大風(fēng)險。
核心技術(shù)是國之重器，最關(guān)鍵最核心的技術(shù)要立足自主創(chuàng)新、自立自強。南方電網(wǎng)作為數(shù)字電網(wǎng)的設(shè)計者、倡導(dǎo)者，有基礎(chǔ)，也有能力主導(dǎo)芯片技術(shù)與電網(wǎng)應(yīng)用的深度融合。當(dāng)前，南方電網(wǎng)在電力專用芯片領(lǐng)域，走出了一條完全國產(chǎn)自主可控的技術(shù)領(lǐng)域，奠定了科技自主自強的關(guān)鍵基礎(chǔ)。
