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南网数研院“伏羲”芯片团队攻坚背后

2022-01-25 17:55来源:南方电网报关键词:南方电网电力行业继电保护收藏点赞

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二十世纪初,刘慈欣曾在《球状闪电》中对未来图景作此描绘——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,已如“云”端科技的地基,其土壤价值不言而喻,一旦缺失,恐怕后果将比书中所写有过之而无不及。

“中国芯”之痛,是对几代中国IT人的沉重拷问,在电力行业此痛更甚,能源工控领域部分关键芯片进口率达90%,命运掐在他者手中,断供则至少倒退20年。也正是因此,南网数研院自主研发的国内首款电力主控芯片“伏羲”问世,对继电保护领域具有划时代的意义。

“伏羲”的研发之路并非一蹴而就,争议与质疑贯穿始终。举国之力方攻克的难题,凭什么一群电力专业的人能造出来?“伏羲”诞生之前的电网是怎么样的?未来之路该去往何方?

这些问题的答案,都写在了故事的起点。

1 为国立“芯” 布局始于斯

“伏羲”的前世,发端于对继电保护装备核心芯片的研发。

“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,关键技术掌握在外国手里,就卡住了我们的‘脖子’。”

与电视屏幕里的措辞犀利、高瞻远瞩的形象不同,“伏羲”团队首席带头人李鹏温和谦润,却句句掷地有声。

李鹏与电力结缘已久,20年前年少入行,曾困于岭南闷热潮湿的酷暑,在变电站里彻夜抢修。高温难耐,抢修队员的汗水沿着衣裤滑落,竟如雨水般流淌在变压器外壳之上。这一幕长留心间,电力工作者的辛劳,让他敬重之余不禁心生疑惑:“电力系统需要稳定运行,有什么能够替代大量人力为电网解困?”

是什么?必然是电网技术的演进。

那一年,李鹏刚博士毕业,却深感自身局限,怀揣推动祖国电网发展之心,他前往德国深造。2007年,南方电网公司信息化起步之时,他放弃美国科研机构的优厚待遇,带着最先进的智能电网技术,踏上了回归祖国的班机。而这,也是“伏羲”启航的开端。

电网稳定运行的地基是芯片,李鹏忧心于进口芯片可能藏有的“攻击后门”:“如果国外不法分子通过芯片发起网络攻击,将会造成国家大面积停电。”

民生无小事,2013年,在中国工程院李立浧院士的指导下,李鹏带领的南方电网智能芯片团队启动“伏羲”项目预研。彼时国产化多核芯片领域尚属空白,拓荒并非易事,此间头绪繁杂,艰难加码,历经申报失败、设备厂商接连退出的困境,他听到最多的,是这样的劝说——风险太大了,项目无法收尾的责任谁来承担?

退而求其次的方案不是没有,呼声最高的是研发单核国产化芯片,再退一步,则是用成熟的ARM核替代国产核。李鹏在项目存亡的关键时刻一锤定音——“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。”国产电力专用芯片的概念由此而生。

毕其功于一役,李鹏对团队下了军令状,作为“国家队”的一员,南方电网公司要背负民族与国家的使命。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。

“质疑我们的声音太多,项目任务书搁置了很长一段时间才签订。项目专家隔三差五来突击检查,以严格甚至苛刻的态度考核我们。”团队技术负责人习伟笑道:“那时候心理压力巨大,如果不能交付,我可能就得从南方电网卷铺盖走人咯。”

芯片虽小,精细如丝,耗费成百上千道工序未可知,更别提那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,一个不小心,或许真会成为“绝唱”。

习伟谈起这辈子都不会忘记的一天。他远赴美国考察芯片前沿技术,在对标公司的大门前,刚拿出手机,就被戒备的美方人员喝止。也恰巧是那一天,孟晚舟在温哥华蒙冤入狱,新闻铺天盖地。习伟在回国路上一言不发,不强则辱,他回想造芯路上遭遇的冷眼和铁幕,心下立誓:“伏羲不成,甘当罪人。”

那是2018年12月6日,距离他投身“伏羲”,时光流逝已5年。

这一路困顿尝尽人情冷暖,他如今只道是寻常。但谁的功勋都并非凭空而降,光阴不打诳语,困时困地的难题他用勤勉找到解法,昼与夜交错,精密仪器的微光见证着他们在天的抱负,这方寸之地,“伏羲”正破土生长。

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。

电力芯片国产化“无人区”破局,“中国芯”镶嵌上南网创造的名号,如浩瀚星河微茫一束,这只是“伏羲”迈出的第一步。

2 十年一剑 回首见真章

“科研要习惯孤独,也要耐得住苦。”

团队技术骨干姚浩已经记不清,这是第几个埋首于工作的春节。有一年在拉萨接到突发任务,高原反应剧烈,他打着点滴在网吧修改方案,这在生活节奏安逸的西藏堪称奇景。常年加班熬夜,身体拉起警报,因而,他2021年初的小目标是有个健康的体魄,继续为伏羲“卖命”。

“实现了吗?”

他大笑:“好像没有,flag倒了,我就遁了。”

数年前姚浩加入团队,人生从此有了完全不同的支点。他负责的芯片研发验证环环相扣,是梯队中极为重要的一环。仿真验证模版稀有,试验条件苛刻,他与团队三班倒保证按期投片。样片交付只是起步,仍需克服产品寿命短、性能适配等现实问题。电力专用主控芯片的生命力,他们所探索的远不及沧海一粟。

“伏羲”初生,行业内鲜有人知,推广也是难题。然而即便遭遇断供危机,大多数终端厂家依然对国产芯片技术成熟度和稳定性存疑。“他们觉得我们在瞎搞,也根本不相信我们能搞出什么结果。”犹如夏虫不能语冰,破解刻板成见,为国产芯片正名,需要付出数倍的努力。

“单是说服厂家试用,就费了不少力气。好在伏羲技术过硬,效果‘背书’,我们有绝对的领先性。”团队软硬件专家陈军健与陶伟建立了“客户服务357制度”——小问题3天闭环,一般问题5天,再复杂也绝不能超过7天,如此贴心的乙方上哪儿找去?团队更是自主研发了配套软硬件平台及核心模组,一站式解决方案让国产化替代阔步前行。时至今日,与“伏羲”交互相连的系统外部客户已达40余家,市场化的路子,立住了才算真本事。

“研发芯片看着光鲜,背后许多吃着泡面赶火车的日子,大家看不到。”陈军健大半时间都在出差,就着高铁上时断时续的信号远程会议,处理客户技术诉求。时光在晨昏间飞驰,他怀揣着他视若珍宝的初代“伏羲”,在颠簸中合衣而眠,奔走异乡那些年,山高水长,路途难忘。

“军健儿子出生那天,还在线上主持边缘计算芯片设计会议。我们知道后很内疚,跟他道喜也道歉,他还笑着跟我们说,芯片也是我们团队的孩子,我放不下。”

墉基不可仓卒而成,伏羲之路,每一步都在舒适圈以外,他们逼近谜题,与一个个难解的数据相视,自选择入局之日起,就注定不能只是守土老去。

如他们笃信的那样——生而为人,当负其责,谁人不苦,谁人不累,行而尽其事,回首方显真章。

3 于无声处 读懂“芯”与“魂”

自主创新为魂,“伏羲”拉开了电力芯片国产化的时代序幕。

团队并未止步于国重交付,此后数年,在李鹏的带领下,基于芯片研制的芯片化保护装置成功挂网,推动量产研发加速,降本提效,为大规模应用引路。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真正实现了自主可控,保障了近千亿元国产电网设备的供应安全。

做学术的人生性严谨,对于“伏羲”的未来,他们并没有给出放之四海皆准的答案。团队考量深远,布局光伏风电,为新能源接入“大脑中枢”,研发链接电网全场景的系列化国产芯片,以实现新与旧、传统与智能的平衡。新型电力系统所需要的,就是伏羲的方向。

故事至此,已有了圆满的句点。但也不是没有遗憾。

遗憾是那无奈的缺席,是肩上担起重责,分离成为日常。“伏羲”正值攻坚期,家在深圳的技术骨干于杨和李肖博,归家次数屈指可数,子女的许多个成长瞬间,错过便无法再重来。

遗憾是那12.91公里,是习伟从家到芯片实验室的距离,也是他与孩子的距离,并不遥远却极难相见。他每日工作至夜深,归家时妻女早已熟睡。错失的父亲节来信里,女儿笔迹稚嫩,歪歪斜斜地写道:“亲爱的爸爸,父亲节快乐!妈妈跟我说您工作很忙,她说您正在做一件伟大的事!我相信爸爸可以做到的,我为您骄傲!”

量产那天,他摸摸女儿熟睡的小脑袋,轻声说:“爸爸做到了。”

做到了。快十年了,我们做到了。

2021年12月30日,国务院国资委“2021年度央企十大国之重器”重磅揭晓,南网数研院“伏羲”芯片与“天问一号”探测器等国家级重点项目一同当选为十大“国之重器”,举世瞩目。

这是属于他们的加冕时刻。最初的他们并不为青史留名,荣誉只是他们逐梦的馈赠,那一片赤诚之心,日月可鉴。

读懂他们的赤子心,也就读懂了“伏羲”。 (彭雅莹)

● 延伸阅读

“伏羲”的前生今世

夜幕降临,城市白天的喧嚣渐入夜晚的灯火璀璨,弹指间,千里之外的发电机组转动为东方都市点燃夜晚的霓虹灯,电能顺着自西向东绵延数千公里的交直流输电通道实现了跨区域传输,而后又经过中低压配电线路将电能输送至千家万户,电网犹如血管为现代社会、工业输送着能量。

相隔千里的电能生产和消费需要依赖强有力的电力工控系统实现实时平衡,这分毫不差、精准控制的电网控制逻辑植根于千千万万的电力工控装备核心控制芯片中,可以说,主控芯片是电力工业控制的大脑,也是战略和技术的制高点。

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,芯片被赋予了越来越多技术发展重担。

电网数字化建设的基础单元——电力专用芯片

为应对电网数字化、网络化发展,支撑电网电力电子化趋势下的精准测控控制需求,南方电网公司依托国家重点研发计划,基于国产自主CPU内核和境内代工封测技术,集中公司科研力量重点攻关,历经5年研制、多场景验证,研发了国内首颗基于国产指令架构、国产内核的电力专用主控芯片“伏羲”。

“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”具有与竞品近1.5倍的性能优势,而功耗与竞品基本实现持平。

从“进口通用跟跑”到“自主专用领跑”

2013年,在中国工程院李立浧院士的带领下,“伏羲”团队负责人李鹏主持研发出了高集成、小型化、动作快、高可靠的新一代控制保护装置“芯片化保护”。相比传统多板卡架构装置,体积缩小98%,功耗降低了85%,动作速率提升了20%,整体防护等级达到了IP67,运行环境温度拓宽至-40℃~85℃,彻底颠覆了二次设备的装置形态。

然而,在“黑科技”芯片化保护横空出世之余,李立浧院士、李鹏亦认识到,上述技术创新仍需依赖进口芯片,难言自主可控。于是,团队启动第二阶段攻关,向“芯片即保护”这一终极目标发起了挑战,旨在以芯片化保护的设计理念进行国产电力专用芯片的研究设计工作,并将此计划命名为“伏羲”,旨在开创电力工控装备核心元器件的新篇章。

“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。

推动国产电力专用芯片支撑数字电网建设

“伏羲”芯片自2019年率先在变电站继电保护应用以来,已先后在变电、配电、新能源、边缘计算等领域的近30类装置成功应用,获得了行业专家学者、各主流厂商的高度认可。后续,南方电网也将秉承“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,为防范化解电网安全运行重大风险作出贡献。 (姚浩)


原标题:“伏羲”初问世 南网“中国芯”
投稿与新闻线索:陈女士 微信/手机:13693626116 邮箱:chenchen#bjxmail.com(请将#改成@)

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