中國自主可控的第一款電力專用主控芯片“伏羲”

李文華

主控芯片作為電網二次裝備核心器件，涉及千萬量級的電網關鍵裝置，被業界稱為電力工業控制的“大腦”。長期以來我國工業控制芯片高度依賴國外技術和產品，對我國能源行業供應鏈安全造成重大威脅。

南方電網公司針對我國能源工控領域的“卡脖子”問題，歷時8年成功研發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指令架構、國產內核的電力專用主控芯片“伏羲”，已先后在電網控制保護、自動化、新能源等多個電網關鍵場景進行驗證及應用。這標志著我國電力工控領域核心芯片已經從“進口通用”向“自主專用”轉變，對于逐步提高我國電網多領域場景新增設備的自主芯片覆蓋率，實現國產工業控制芯片規模化應用具有重要意義。

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”。控制保護裝置主控芯片“伏羲”的職責就是在這種突發狀況下保障電網的安全。芯片的設計研發過程非常耗時費力，8年多來團隊攻克和經歷重重困難。

其中一個挑戰，來自于芯片架構的設計。為同時滿足工業控制系統快速性和靈活性的要求，“伏羲”芯片采用了異構系統架構。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，既要保持協同有序，還要能夠互相照應。團隊通過實時調度等技術攻關，有效解決了芯片系統的穩定問題。

另一個挑戰，就是面臨“雪崩式”的數據涌入時，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，這一次采用“獨門絕技”，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IP核，便于廣泛推廣。這項技術的創新性很強，成效也十分顯著。做自主芯片有兩個層面的考慮：一是芯片的國產化，另一個是芯片的場景化支撐。大多數電力裝備長期依賴進口芯片，如電網關鍵設備繼電保護核心芯片大多以進口芯片為主，部分關鍵芯片在國內市場占有率近90%，如若被禁運國內繼電保護領域將會造成重大影響。

“伏羲”芯片的主要優勢首先就是可控，從核心知識產權到芯片設計、流片、封裝、測試全鏈條境內自主可控，最大限度保障了電網關鍵核心元器件供應鏈安全、穩定；其次是專用，“伏羲”芯片立足電力工控領域實時、安全、智能等計算需求，從芯片架構、資源、算法等方面開展場景化定制設計，從元件級實現對電網數字化、網絡化、電力電子化等發展需求的支撐。網絡安全是能源工控領域的永恒主題，“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賴從“芯片—裝備—系統”的多級聯動防護，不斷堵上安全漏洞。

實現國產化替代后，從電網安全的角度來看有兩方面的優點：一是有效避免了進口器件、進口IP所可能隱藏的攻擊后門；二是“伏羲”芯片采用了非開源的國產指令架構，對于攻擊的黑客而言會是一個黑盒，所以在安全的防范上會更有效。“伏羲”系列芯片目前已應用于繼電保護、變電站自動化、配網自動化、計量自動化、邊緣計算、新能源等領域，后續將形成全系列產品，實現對工控領域全場景支撐。

在成果應用和轉化方面，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，芯片化裝置的體積比傳統裝置減少了40倍，功耗降低了6倍，動作速度提升了20%，“伏羲”系列芯片目前已具備基本成熟的產業規模化應用的條件，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和應用，同時致力于產業推廣，在一些獨特方向上孵化新的產業空間。