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南方电网:让“中国芯”成为数字电网的动力源

原标题:南方电网:让“中国芯”成为数字电网的动力源

南方电网:让“中国芯”成为数字电网的动力源

眼下,随着电网数字化进程的推进,芯片对于电网的影响不断加深,构成电网的基础业务单元从设备级逐步下探至元件级,芯片被赋予越来越多的技术发展重任。

例如,快速增长的新能源汽车市场,其背后就是“中国芯”的一场“硬仗”。始终走在科技创新前列的深圳市,就是最先一批见证“中国芯”的地区。在深圳南山科技园北区,有24台特殊的充电桩为往来于此的电动车充电蓄能。由于采用了南方电网公司自主研发的“南网伏羲”芯片及嵌入式操作系统,它们相较于其他充电桩,电路板主控芯片面积减少一半以上、整机功耗降低至少10%。

“南网伏羲”芯片的出现,不仅成为新能源汽车的发展“加速器”,更对能源工控领域来说具有划时代的意义。电网是实时控制的系统,其发电、输电、用电都是再瞬间完成的,无法储存或临时转移。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‘数据崩溃’。 而能否在有效的时间内完成相关问题的解决就要靠工业控制系统中的芯片了,以其庞大的数据处理能力来处理数据崩溃。

因此,主控芯片作为电网二次装备核心器件,涉及千万量级的电网关键装置,是电力工业控制的大脑,其覆盖的范围高达上千万重要装置,但是其核心的芯片有相当一部分来自进口,受制于人,而且甚至可能对我国工业系统的供应链安全造成重大威胁。

长期以来,主控芯片为国外生产厂商垄断,严重制约我国电网核心技术的发展。因此,如何研发出一颗属于中国人的“电力工业控制大脑”,也就成为了近十年来业界统一需要突破的重点课题。

为了解决这个问题,来自南方电网的李鹏团队历经8年,研发出我国首款基于国产指令集、内核、自主硬件IP的全面国产电力专用主控芯片——‘伏羲’芯片。

正如伏羲这个名字所代表的各民族团结协作、寻求生存与发展的历史象征那样,它的研发之路尽管伴随着许多磨练、考验,争议与质疑贯穿始终,仍旧不能消除中国人突破“封锁”的决心。

是怎样的一群人解决了困扰我国多年的问题?“伏羲”的诞生意味着什么?未来之路该去往何方?今天,请跟随《中国科技信息》一起寻找问题的答案。

西方之“水”难解我国“芯片”之渴

芯片究竟有多重要? 刘慈欣早在二十世纪初发表的《球状闪电》一书中进行过阐述——人类社会高度数字化,对芯片的依存空前泛化,在遭遇大规模球状闪电摧毁时,世界停摆,国土定格于至暗时刻,人类重回电力出现前的农耕部落。

这样的一段文字,在当时看来可以说足够超前、惊奇,文中所提及的这般极端危机在当时看来不过是天方夜谭,而如今,信息化进程一日千里,芯片之于人类,夸张地说已如同鱼儿与水之间的关系。

不过,我国长期以来,都是以西方之水解“芯片”之渴。有数据显示,我国部分进口关键芯片在国内市场占有率近90%,主控芯片为国外生产厂商垄断,严重制约我国电网核心技术的发展,试想未来若被禁运,将会对国内继电保护领域产生重大影响。

针对此“卡脖子”问题,南方电网自2013年起成立专门的团队,在中国工程院李立浧院士的指导下,由首席带头人李鹏带领的南方电网智能芯片团队启动“伏羲”项目预研。

国产电力专用芯片概念的“生根”与“发芽”

彼时,国产化多核芯片领域尚属空白,研发风险巨大,团队面临的是很有可能项目无法收尾的压力。在关键时刻,团队不仅需要人齐,更需要心齐。李鹏说,团队当时有两个退而求其次的方案选择,一是研发单核国产化芯片,或是再退一步用成熟的ARM核替代国产核。 然而,在项目存亡的关键时刻,大家坚定了研发的信念:“伏羲”必须用国产核,中国“芯”不能再基于国外ARM指令架构依葫芦画瓢。“真正的自主化,必须基于真正的国产指令集。没有人去试错,国产化永远发展不起来。”

2013年,“伏羲”团队研发出高集成、小型化、动作快、高可靠的控制保护装置“芯片化保护”。比起传统装置,这种新装置体积缩小至2%,功耗降低85%,动作速率提升20%,整体防护等级达IP67,运行环境温度拓宽至-40—85%uB0C。

在此基础上,团队启动第二阶段攻关,进行国产电力专用芯片的研究设计工作,旨在开启电力工控装备核心元器件的新篇章。国产电力专用芯片的概念由此“生根”。

可以说,作为“国家队”的一员,南方电网公司背负着民族与国家的使命,2018年,由南方电网牵头的国家重点研发计划芯片项目申报成功。2019年底,“伏羲”芯片第一版样片顺利交付,完全基于国产指令架构和国产内核,从设计到封装全过程均在国内完成,综合性能是进口同类产品的1.5倍,网络风暴抵御能力提升了60倍。

自2019年起,南方电网先后在电网控制保护、自动化、新能源等多个电网关键场景对“伏羲”进行验证及应用,表现良好。“伏羲”的成功研发及量产,对于国家电力能源和信息安全、工控领域科技自主可控具有重大意义。

开启“自主专用领跑”发展的新格局

2021年,历时近十年、多场景验证,国内首个基于国产指令架构、国产内核的电力专用主控芯片“伏羲”实现量产,标志着我国电力工控领域核心芯片从“进口通用”向“自主专用”转变,电力二次设备核心元器件实现了自主可控,保障了近千亿元国产电网设备的供应安全。

这个“十年磨一剑”的,如同拇指大小、巧克力块的外形的“伏羲”芯片,其实需要耗费成百上千道工序,涉及数十门学科的顶尖学术融通。精密光学、高分子物理、微环境控制…… 绕不开的技术壁垒,工程浩大道阻且长,极易因为其难度被搁置。然而,团队深知那个阶段我国有多么需要这枚芯片,研制道路可谓排除万难、坚定不移。

首先,“伏羲”芯片不仅仅是一颗国产芯片,亦是一颗电力工控装备数字化芯片,不仅承载着电网关键设备核心器件国产化的使命,更承载着支撑电网数字化建设、发展的重任,其将开启电网关键设备核心器件从“进口通用跟跑”到“自主专用领跑”发展的新格局。

其次,“伏羲”芯片采用C-sky 国产指令集,玄铁系列国产内核作为计算核心,保障了芯片核心知识产权自主可控;首创了满足电力工控应用需求的电气参量计算、电力网络通信、数据并行处理、网络安全防护等专用硬件算法 IP,有效实现电网数字化转型对电力装备基础算力提升、网络安全防护需求的支撑。在通用计算能力以及融合业务的实时计算等方面,“伏羲”性能优势突出、功耗小。

不仅如此,和传统芯片相比,“伏羲”芯片采用异构系统架构,在同一块芯片上既要完成微秒级的实时信号处理,又要完成毫秒级的管理信号处理,难度非常高。

“伏羲”的诞生益处不仅仅在于其本身、还为南方电网提供芯片技术的支撑,推动团队研发成果芯片化保护装置的落地,目前已在多个行业中实现规模化应用,并出口至10余个国家,创造经济效益11.5亿元。

结语

“伏羲”芯片的研发成功,标志着我国电网核心装备迈向完全自主可控,推动了继电保护技术的跨越式发展。 这不仅在国际上体现了我国科技创新的实力,更体现了央企牢牢把握构建新发展格局的着力点,牢记“国之大者”,践行使命担当。

接下来,南方电网公司将按照“成功一个试点一个,试点一个推广一片”的工作思路,逐步提高电网多领域场景新增设备的自主芯片覆盖率,实现国产工业控制芯片规模化应用,防范化解电网安全运行重大风险。返回搜狐,查看更多

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发布于:北京市
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