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      降服電力系統“數據雪崩” “伏羲”芯片帶來中國方案

      科技日報發布時間:2021-09-08 09:24:03  作者:葉 青

        得益于芯片技術的支撐,團隊研發成果芯片化保護裝置已在多個行業中實現規?;瘧?,并出口至10余個國家,創造經濟效益11.5億元。

        主控芯片作為電力二次設備核心元器件是電力工業控制的大腦,涉及千萬量級的電網關鍵裝置??墒?,我國電網關鍵設備繼電保護核心芯片大多以進口為主。“部分進口關鍵芯片在國內市場占有率近90%,若被禁運,將會對國內繼電保護領域產生重大影響。”南方電網數字電網研究院有限公司(以下簡稱南網數研院)總經理李鵬說。

        為突破此技術困境,李鵬和團隊歷經8年,研發出我國首款基于國產指令集、內核、自主硬件IP的全面國產電力專用主控芯片——“伏羲”芯片。

        近日,記者從南網數研院了解到,得益于芯片技術的支撐,團隊研發成果芯片化保護裝置也已在多個行業中實現規?;瘧?,并出口至10余個國家,創造經濟效益11.5億元。此成果標志著我國電網核心裝備邁向完全自主可控,推動了繼電保護技術的跨越式發展。“電力芯片保護關鍵技術攻關及核心器件國產化”項目也獲得2020年度廣東省科技進步獎一等獎。

        性能優于進口芯片

        與手機、電腦里的芯片有所不同,工業控制領域的芯片往往具有特定的場景應用需求。

        “電網是實時控制的系統,其發電、輸電、用電是在瞬間完成的,無法存儲或臨時轉移。由于其數據量巨大,當電網發生故障或者擾動時,就可能面臨‘數據雪崩’。”李鵬說,在發生了“數據雪崩”的狀態下,有沒有能力快速處理,這就涉及到工業控制系統中主控芯片的數據處理能力。

        然而,長期以來,我國能夠適用于工業實時控制特點的專用芯片依賴國外技術和產品,受制于人。這不僅無法跟得上我國電力技術快速發展的步伐,也對我國工業系統的供應鏈安全造成重大威脅,甚至存在重大的網絡安全和電網穩定隱患。

        “我們需要進行定制化的開發,讓主控芯片具備強大的數據處理能力以應付‘數據雪崩’,保障電網安全。”2013年,南方電網公司組織專門團隊,著手布局能夠適用于工業控制系統的專用核心芯片的設計研發。該研發重擔落到了李鵬團隊身上。

        實現芯片國產化和芯片場景化支撐,是研發團隊開展芯片研發的主要目的。“我們探索了在芯片級別實現傳統電力裝備完整功能的技術路線,采用完全國產化技術,包括芯片指令集、芯片內核、芯片的專用高性能硬件電路以及芯片的安全防護設計,設計開發了自主可控的第一款電力專用主控芯片——‘伏羲’。”歷經8年,李鵬和團隊實現了目標。

        目前,“伏羲”系列芯片已應用于繼電保護、配網自動化、計量自動化以及邊緣計算領域。與同類進口競品芯片相比,“伏羲”芯片在計算性能方面快約1.5倍。

        實時調度讓“龜兔協同有序”

        芯片的設計研發并非易事,科研團隊遇到的挑戰遠超想象。

        芯片架構如何設計,才能同時滿足工業控制系統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同有序,能夠互相照應。”李鵬用了一個形象比喻說明。歷經無數次的創新、試驗,最終“伏羲”芯片形成了滿足高性能、實時、安全、可靠的多核異構系統架構,在一塊芯片上既可實現微秒級的實時業務處理,也可完成毫秒級的管理信號處理。

        另一大挑戰來自于工業控制的快速性本身。當電網發生故障等極端情況時,芯片將面臨雪崩式的數據涌入,這時候必須保證芯片能快速反應和處理。

        “通常這個環節都采用外掛電路實現,這一次我們把外掛電路通過納米級的芯片內部電路加以實現,并且固化成硬件IP,便于廣泛推廣。這項技術的創新性很強,我們花了比較大的氣力。”李鵬說。

        還有一個挑戰來自安全性。設計芯片過程中,科研團隊憑借芯片電路級別的網絡安全防護設計,集成了國家密碼算法,這是體現“伏羲”芯片完全自主可控的一個關鍵指針。

        從東部沿海到西部高原、從熱帶雨林到極寒地區,作為我國自主可控的第一款電力專用主控芯片,“伏羲”系列芯片在設計研發時經歷了許多嚴苛環境的考驗,可靠性得以驗證。

        “創新是一個比較艱難的過程。這么多年來,我們不斷試錯,不斷發現問題,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。

        據介紹,“伏羲”芯片的性能達到國際先進水平,特別是在工業控制并行處理能力上,“伏羲”芯片的能力明顯優于國際類似產品。“在成果應用和轉化方面,我們采用‘伏羲’芯片,開發了一系列高性能的芯片化電力保護裝置,成效非常顯著,芯片化裝置的體積縮小至傳統裝置的1/40,功耗降低至六分之一,動作速度提升了20%,提升了繼電保護裝置的性能和智能化水平。”李鵬介紹。

        已具備產業規?;瘧脳l件

        數字電網是電網發展的必然趨勢,也是未來以新能源為主體的新型電網最佳形態。而推進數字電網發展,離不開在自主電力芯片、人工智能等關鍵技術取得的突破。

        “在未來整個電網的數字化大格局里,芯片猶如數字化的神經末梢。因為在數字化的終端里,它需要依靠這種小型化、高度集成的芯片,提供數字化的信息感知、處理和執行能力。”李鵬指出,“伏羲”芯片的研發成功,是電網數字化的技術展現,代表了未來電網技術數字化方向的發展重點。

        數字電網之下,網絡安全更為重要。“‘伏羲’芯片將為電網安全奠定堅實的原生安全基礎,未來的電網安全防護有望依靠‘芯片—裝備—系統’的多級聯動防護,不斷堵上安全漏洞。” 李鵬表示,從電網安全的角度來看,“伏羲”芯片采用了非開源的國產指令架構,既可有效避免進口器件、進口IP所可能隱藏的“攻擊后門”,又能有效防范黑客。

        在“伏羲”芯片基礎上,科研團隊還研發出系列化芯片保護裝置,目前已具備基本成熟的產業規?;瘧脳l件。“我們掌握的核心技術,具有很好的推廣應用空間,已經形成了多方協同創新的局面,也有利于激活和發展上下游更廣泛的創新鏈條。此外,芯片化裝置將帶來巨大的節能、節地、節材效益,這是響應雙碳發展目標,推動我國綠色發展的重要舉措。”他說。

        回想起這8年來的研發歷程,李鵬感觸良多。他表示,項目推進過程中,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上的指導,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,廣東大力發展戰略性支柱產業和新興產業,把發展高端半導體元器件列入新一代電子信息戰略支柱產業,把半導體與集成電路、高端裝備制造列入戰略新興產業,提出要基本解決‘缺芯少核’問題,這給我們持續推進芯片設計研發注入了強大的信心。”他透露,我們的目標是以國產自主芯片為突破口,進一步延伸科技攻關的領域,在智能傳感、高端裝備等方向上形成更加豐富的成果和產出。同時致力于產業推廣,在一些“獨門絕技”方向上孵化新的產業空間。

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