廣泛應用在手機、電視、汽車、航天等領(lǐng)域的芯片，對5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、無人駕駛等新技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要。不過，有一類芯片盡管較少走進公眾視野，卻同樣與人們生活密切相關(guān)，那就是工業(yè)控制類芯片。
電力控制保護裝置主控芯片是保障供電安全和建設(shè)智能電網(wǎng)的核心器件，然而長期以來，我國眾多控制、保護、測量裝備的核心芯片缺乏國產(chǎn)自主能力，受制于人。為突破這一困局，南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司總經(jīng)理李鵬及其團隊經(jīng)過8年努力，完整設(shè)計開發(fā)了我國第一款電力專用主控芯片——“伏羲”系列芯片。
在全省科技創(chuàng)新大會上，“電力芯片保護關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及核心器件國產(chǎn)化”項目獲2020年度廣東省科技進步獎一等獎。
芯片級實時調(diào)度實現(xiàn)“龜兔協(xié)同”
當前，手機市場新品迭出，常以運算快、系統(tǒng)流暢為賣點。不過，與工業(yè)控制領(lǐng)域比，手機等智能終端處理的任務仍較為“平緩”。“相較之下，工業(yè)控制類芯片要具備復雜工況下的實時處理能力，在電力系統(tǒng)尤為重要?！崩铢i說。
電網(wǎng)發(fā)生故障或擾動時的“數(shù)據(jù)雪崩”便是一類棘手場景。
“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，當電網(wǎng)發(fā)生故障或者擾動時，就可能面臨‘數(shù)據(jù)雪崩’?！崩铢i說，控制保護裝置主控芯片的職責，就是在這種突發(fā)狀況下保障電網(wǎng)的安全。
此前，我國工業(yè)控制芯片長期依賴國外技術(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)的供應鏈安全造成重大威脅，甚至存在重大的網(wǎng)絡安全和電網(wǎng)穩(wěn)定隱患。
在此背景下，2013年，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)是非常耗時費力的工程。8年多來，團隊攻克了一個又一個困難。
“其中一個挑戰(zhàn)來自于芯片架構(gòu)的設(shè)計?！崩铢i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)，即在一塊芯片上既要完成微秒級的實時信號處理，也要完成毫秒級的管理信號處理?！熬秃帽纫恢煌米雍鸵恢粸觚?，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。”李鵬說，團隊通過實時調(diào)度等技術(shù)攻關(guān)，解決了芯片系統(tǒng)的穩(wěn)定問題。
另一個挑戰(zhàn)則是面臨“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，我們花了比較大的氣力，取得了較好成效。”李鵬說。
“伏羲”芯片部分性能遠超國際類似產(chǎn)品
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)歷了許多嚴苛環(huán)境的考驗，可靠性得以驗證。
歷經(jīng)艱辛，自主創(chuàng)新帶來的果實是甘甜的。李鵬介紹，“伏羲”芯片的功能、性能達到國際先進水平，特別是在工業(yè)控制并行處理能力上，“伏羲”芯片遠超國際類似產(chǎn)品。
“在成果應用和轉(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%?！崩铢i自豪地說。
“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)推進芯片設(shè)計研發(fā)注入了強大的信心。”李鵬說。
在他看來，項目成果也將反哺廣東高質(zhì)量發(fā)展。李鵬透露，“伏羲”系列芯片目前已具備基本成熟的產(chǎn)業(yè)規(guī)?；瘧玫臈l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。
