廣泛應(yīng)用在手機(jī)、電視、汽車(chē)、航天等領(lǐng)域的芯片，對(duì)5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)人駕駛等新技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要。不過(guò)，有一類芯片盡管較少走進(jìn)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(hù)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(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)眾多控制、保護(hù)、測(cè)量裝備的核心芯片缺乏國(guó)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(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)8年努力，完整設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了我國(guó)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(huì)上，“電力芯片保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及核心器件國(guó)產(chǎn)化”項(xiàng)目獲2020年度廣東省科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
芯片級(jí)實(shí)時(shí)調(diào)度實(shí)現(xiàn)“龜兔協(xié)同”
當(dāng)前，手機(jī)市場(chǎng)新品迭出，常以運(yùn)算快、系統(tǒng)流暢為賣(mài)點(diǎn)。不過(guò)，與工業(yè)控制領(lǐng)域比，手機(jī)等智能終端處理的任務(wù)仍較為“平緩”?！跋噍^之下，工業(yè)控制類芯片要具備復(fù)雜工況下的實(shí)時(shí)處理能力，在電力系統(tǒng)尤為重要?！崩铢i說(shuō)。
電網(wǎng)發(fā)生故障或擾動(dòng)時(shí)的“數(shù)據(jù)雪崩”便是一類棘手場(chǎng)景。
“電網(wǎng)是實(shí)時(shí)控制的系統(tǒng)，其發(fā)電、輸電、用電是在瞬間完成的，無(wú)法存儲(chǔ)或臨時(shí)轉(zhuǎn)移。由于其數(shù)據(jù)量巨大，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或者擾動(dòng)時(shí)，就可能面臨‘?dāng)?shù)據(jù)雪崩’?！崩铢i說(shuō)，控制保護(hù)裝置主控芯片的職責(zé)，就是在這種突發(fā)狀況下保障電網(wǎng)的安全。
此前，我國(guó)工業(yè)控制芯片長(zhǎng)期依賴國(guó)外技術(shù)和產(chǎn)品，這不僅無(wú)法滿足我國(guó)電力技術(shù)發(fā)展的迫切需求，而且對(duì)我國(guó)能源行業(yè)的供應(yīng)鏈安全造成重大威脅，甚至存在重大的網(wǎng)絡(luò)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(mén)團(tuán)隊(duì)，著手布局能夠適用于電網(wǎng)控制保護(hù)裝置核心芯片的設(shè)計(jì)研發(fā)。
芯片的設(shè)計(jì)研發(fā)是非常耗時(shí)費(fèi)力的工程。8年多來(lái)，團(tuán)隊(duì)攻克了一個(gè)又一個(gè)困難。
“其中一個(gè)挑戰(zhàn)來(lái)自于芯片架構(gòu)的設(shè)計(jì)?！崩铢i介紹，為了同時(shí)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(jí)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理，也要完成毫秒級(jí)的管理信號(hào)處理?！熬秃帽纫恢煌米雍鸵恢粸觚?，要在同一個(gè)跑道上同時(shí)跑步，還得保持互相之間的協(xié)同有序，能夠互相照應(yīng)?！崩铢i說(shuō)，團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)度等技術(shù)攻關(guān)，解決了芯片系統(tǒng)的穩(wěn)定問(wèn)題。
另一個(gè)挑戰(zhàn)則是面臨“雪崩式”的數(shù)據(jù)涌入時(shí)，必須保證芯片能快速反應(yīng)和處理。
“通常這個(gè)環(huán)節(jié)都采用外掛電路實(shí)現(xiàn)，這一次我們采用‘獨(dú)門(mén)絕技’，把外掛電路通過(guò)納米級(jí)的芯片內(nèi)部電路加以實(shí)現(xiàn)，并且固化成IP核，便于廣泛推廣。這項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新性很強(qiáng)，我們花了比較大的氣力，取得了較好成效?！崩铢i說(shuō)。
“伏羲”芯片部分性能遠(yuǎn)超國(guó)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(guó)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(jì)研發(fā)時(shí)經(jīng)歷了許多嚴(yán)苛環(huán)境的考驗(yàn)，可靠性得以驗(yàn)證。
歷經(jīng)艱辛，自主創(chuàng)新帶來(lái)的果實(shí)是甘甜的。李鵬介紹，“伏羲”芯片的功能、性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，特別是在工業(yè)控制并行處理能力上，“伏羲”芯片遠(yuǎn)超國(guó)際類似產(chǎn)品。
“在成果應(yīng)用和轉(zhuǎn)化方面，我們采用‘伏羲’芯片開(kāi)發(fā)了一系列高性能的芯片化電力保護(hù)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(dòng)作速度提升了20%?！崩铢i自豪地說(shuō)。
“近年來(lái)，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(dǎo)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(dǎo)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(wèn)題，這給我們持續(xù)推進(jìn)芯片設(shè)計(jì)研發(fā)注入了強(qiáng)大的信心?！崩铢i說(shuō)。
在他看來(lái)，項(xiàng)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)模化應(yīng)用的條件，團(tuán)隊(duì)未來(lái)將加強(qiáng)芯片在交通、能源、智慧社會(huì)等方面進(jìn)行更多的研發(fā)和應(yīng)用，同時(shí)致力于產(chǎn)業(yè)推廣，在一些獨(dú)特方向上孵化新的產(chǎn)業(yè)空間。
