廣泛應用在手機、電視、汽車、航天等領域的芯片，對5G、人工智能、物聯網、無人駕駛等新技術發(fā)展至關重要。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，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智能電網的核心器件，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自主能力，受制于人。為突破這一困局，南方電網數字電網研究院有限公司總經理李鵬及其團隊經過8年努力，完整設計開發(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，“電力芯片保護關鍵技術攻關及核心器件國產化”項目獲2020年度廣東省科技進步獎一等獎。
芯片級實時調度實現“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。
電網發(fā)生故障或擾動時的“數據雪崩”便是一類棘手場景。
“電網是實時控制的系統(tǒng)，其發(fā)電、輸電、用電是在瞬間完成的，無法存儲或臨時轉移。由于其數據量巨大，當電網發(fā)生故障或者擾動時，就可能面臨‘數據雪崩’?！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)狀況下保障電網的安全。
此前，我國工業(yè)控制芯片長期依賴國外技術和產品，這不僅無法滿足我國電力技術發(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，甚至存在重大的網絡安全和電網穩(wěn)定隱患。
在此背景下，2013年，南方電網組織專門團隊，著手布局能夠適用于電網控制保護裝置核心芯片的設計研發(fā)。
芯片的設計研發(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)來自于芯片架構的設計?！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”芯片采用了異構系統(tǒng)架構，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敚谕粋€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，團隊通過實時調度等技術攻關，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”的數據涌入時，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，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(chuàng)新性很強，我們花了比較大的氣力，取得了較好成效?！崩铢i說。
“伏羲”芯片部分性能遠超國際類似產品
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”系列芯片在設計研發(fā)時經歷了許多嚴苛環(huán)境的考驗，可靠性得以驗證。
歷經艱辛，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品。
“在成果應用和轉化方面，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)略性支柱產業(yè)和新興產業(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)推進芯片設計研發(fā)注入了強大的信心?！崩铢i說。
在他看來，項目成果也將反哺廣東高質量發(fā)展。李鵬透露，“伏羲”系列芯片目前已具備基本成熟的產業(yè)規(guī)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(fā)和應用，同時致力于產業(yè)推廣，在一些獨特方向上孵化新的產業(yè)空間。
