南方电网开发我国首款电力专用主控芯片“伏羲” 身怀“独门绝技” 无惧“数据雪崩”
南方电网数字电网研究院有限公司研发的电力专用主控芯片。
卞德龙摄
广泛应用在手机、电视、汽车、航天等领域的芯片，对5G、人工智能、物联网、无人驾驶等新技术发展至关重要。不过，有一类芯片尽管较少走进公众视野，却同样与人们生活密切相关，那就是工业控制类芯片。
电力控制保护装置主控芯片是保障供电安全和建设智能电网的核心器件，然而长期以来，我国众多控制、保护、测量装备的核心芯片缺乏国产自主能力，受制于人。为突破这一困局，南方电网数字电网研究院有限公司总经理李鹏及其团队经过8年努力，完整设计开发了我国第一款电力专用主控芯片——“伏羲”系列芯片。
在全省科技创新大会上，“电力芯片保护关键技术攻关及核心器件国产化”项目获2020年度广东省科技进步奖一等奖。
芯片级实时调度实现“龟兔协同”
当前，手机市场新品迭出，常以运算快、系统流畅为卖点。不过，与工业控制领域比，手机等智能终端处理的任务仍较为“平缓”。“相较之下，工业控制类芯片要具备复杂工况下的实时处理能力，在电力系统尤为重要。”李鹏说。
电网发生故障或扰动时的“数据雪崩”便是一类棘手场景。
“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，控制保护装置主控芯片的职责，就是在这种突发状况下保障电网的安全。
此前，我国工业控制芯片长期依赖国外技术和产品，这不仅无法满足我国电力技术发展的迫切需求，而且对我国能源行业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。
在此背景下，2013年，南方电网组织专门团队，着手布局能够适用于电网控制保护装置核心芯片的设计研发。
芯片的设计研发是非常耗时费力的工程。8年多来，团队攻克了一个又一个困难。
“其中一个挑战来自于芯片架构的设计。”李鹏介绍，为了同时满足工业控制系统快速性和灵活性的要求，“伏羲”芯片采用了异构系统架构，即在一块芯片上既要完成微秒级的实时信号处理，也要完成毫秒级的管理信号处理。“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。”李鹏说，团队通过实时调度等技术攻关，解决了芯片系统的稳定问题。
另一个挑战则是面临“雪崩式”的数据涌入时，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，这一次我们采用"独门绝技"，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IP核，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，取得了较好成效。”李鹏说。
“伏羲”芯片部分性能远超国际类似产品
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。
历经艰辛，自主创新带来的果实是甘甜的。李鹏介绍，“伏羲”芯片的功能、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”芯片远超国际类似产品。
“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，芯片化装置的体积比传统装置减少了40倍，功耗降低了6倍，动作速度提升了20%。”李鹏自豪地说。
“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。”李鹏说。
在他看来，项目成果也将反哺广东高质量发展。李鹏透露，“伏羲”系列芯片目前已具备基本成熟的产业规模化应用的条件，团队未来将加强芯片在交通、能源、智慧社会等方面进行更多的研发和应用，同时致力于产业推广，在一些独特方向上孵化新的产业空间。南方日报记者卞德龙实习生吴彦旻
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