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姚浩|姚浩：电力工控芯片为何也要强调自主可控？

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作为根本性支柱行业 ， 电力对整个国家安全、发展都至关重要 。 如果关键技术掌握在外国手里 ， 就卡住了我国能源工控领域的“脖子” 。 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 。
根据今年2月份消息 ， 南方电网公司历经5年研制、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做到了自主可控 。 在5月20日召开的广东省科技创新大会上 ， “电力芯片保护关键技术攻关及核心器件国产化”项目也获得了2020年度广东省科技进步奖一等奖 。
此前主控芯片长期为国外生产厂商垄断 ， 严重制约我国电网核心技术的发展 。 针对此“卡脖子”问题 ， 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 ， 起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 。

姚浩|姚浩：电力工控芯片为何也要强调自主可控？
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南方电网展出的伏羲芯片 图片来源：南方电网
近日 ， 南方电网数字电网研究院技术研发中心芯片与智能终端团队技术负责人姚浩博士接受了观察者网专访 ， 首度对外谈起了伏羲芯片的“前世、今生、未来” 。
以下内容为本次采访实录 ， 仅做不改变原意的调整 。
（采访/周昊 陈兴华 ， 编辑/周远方）
观察者网：当初为什么要做伏羲芯片？
姚浩：大家一开始可能会有疑惑 ， 电网公司为什么也要来做芯片？其实很好理解 ， 因为在芯片市场的发展初期 ， 芯片大多由专门的芯片厂商设计 ， 因此大多数芯片都是面向通用领域、通用需求；而在未来 ， 尤其是能源工控等细分市场将更加关注芯片在功能、性能、功耗等方面的特定需求 ， 即用更专业化的芯片来处理专业化的数据 ， 异构计算将逐渐成为主流计算模式 ， 计算跟领域强相关 ， 专用领域芯片将孵化于专业领域公司 。 因此 ， 基于对能源工控领域的深刻理解以及对电网未来发展趋势的把握 ， 我们团队在李立浧院士以及团队首席李鹏的带领下 ， 于2015年启动国产电力专用芯片“伏羲”的研究开发工作 。
同时 ， 我们做自主芯片有两个层面的考虑：一是芯片的国产化 ， 另一个是芯片的场景化支撑 。 大多数电力装备长期依赖进口芯片 ， 比如电网关键设备继电保护核心芯片大多以进口芯片为主 ， 部分关键芯片在国内市场占有率近90% ， 如若被禁运 ， 那国内继电保护领域起码要倒退20年 ， 会造成重大影响 。
海外厂商在通用芯片方面确实比我们领先很多 ， 但好在国内市场较大 ， 未来 ， 专用领域专用芯片还是有较大的机会 ， 有望实现弯道超车 。 比如5G芯片就是通信领域的专用芯片 ， 包括人工智能芯片等 ， 国内跟海外相比并没有落后 ， 所以我们就是想做电力领域的一个专用芯片 。
观察者网：请问伏羲芯片的国产指令集架构、内核和IP具体分别是什么？以及采用它们的原因？
姚浩：伏羲芯片是国内首颗国产电力专用芯片 ， 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；同时 ， 伏羲芯片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需求的支撑 。
与大多数采用国外指令架构体系工业控制芯片区别的是 ， 伏羲芯片率先采用完全国产的指令集生态 ， 这源于技术路线选择的考量：如果照着进口芯片依葫芦画瓢再做出一款基于ARM等国外指令架构体系的芯片 ， 其实没有彻底解决自主化问题 ， 假如技术禁运扩大化 ， 打击面是很大的 。 所以我们那时考虑就是国产指令集、国产内核不能永远不发展 ， 没有人用它就永远发展不起来 。
当前 ， 外国厂商所建立的芯片生态壁垒很高 ， 培育新的生态需要百万级、千万级开发者的支持 ， 在手机等消费类领域去发展国产指令集、内核是很难的 。 但是在能源工控等相对封闭的专业领域 ， 芯片生态所面对的开发者数量将下降几个数量级 ， 应用场景也是可预见的 ， 只要投入充足的资源去支持上述开发者、应用场景 ， 逐步培育起国产芯片应用生态是有机会的 ， 而这也是现今电网企业、终端制造企业的担当与义务 。
另外从国家层面来看 ， 也更希望这种国产知识产权、国产内核、国产生态能够培育起来 ， 不然就算不上自主可控 。 因此对于国内整个芯片行业来说 ， 我们不能只满足于目前能自主设计芯片 ， 还需要在核心知识产权、国内自主可控芯片制造等领域跟全行业一起努力 。 即便我们现在五年内、甚至十年内都没办法超越人家 ， 但起码也要一步步缩小差距 。
观察者网：生产情况怎么样 ， 与国际上同类产品相比伏羲芯片的优势有哪些？有没有盈利的需求？
姚浩：伏羲芯片在多家境内晶圆厂代工生产 ， 良品率达到90% ， 已具备批量推广条件 ， 后续将根据电网数字化进程逐步扩大伏羲芯片产能 。
与同类竞品比较 ， 伏羲芯片的主要优势首先就是可控 ， 伏羲芯片从核心知识产权到芯片设计、流片、封装、测试全链条境内自主可控 ， 最大限度保障了电网关键核心元器件供应链安全、稳定；其次是专用 ， 伏羲芯片立足电力工控领域实时、安全、智能等计算需求 ， 从芯片架构、资源、算法等方面开展场景化定制设计 ， 从元件级实现对电网数字化、网络化、电力电子化等发展需求的支撑 。
最新一版量产的伏羲芯片 ， 我们与竞品通过通用测试工具以及场景专项测试进行比较 ， 芯片在整型、浮点运算等通用计算能力以及融合业务的实时计算等方面 ， 具有1.3至1.9倍的性能优势 ， 而功耗与竞品基本实现持平 。
至于盈利方面 ， 我们首先还是聚焦于如何保障电网的安全可控 ， 后续除了主控、安全等芯片外 ， 我们还会往更多与业务紧耦合的芯片领域去拓展 ， 在做好保障的同时 ， 也会考虑盈利的事情 ， 毕竟 ， 只有盈利才能保障芯片研发的持续投入 。
观察者网：你们是如何定义“真正实现了自主可控”？此前国内每年进口的电力芯片有多少？
姚浩：电力行业每年涉及千万级新增设备用量 ， 涉及芯片达到数百亿人民币规模 ， 相比全国每年数千亿美金进口额来看其实并不多；虽然在低端领域有很多已经是国产芯片了 ， 但其中95%以上都是基于海外的指令架构 。
“真正实现了自主可控”是因为伏羲芯片从核心知识产权到芯片设计、流片、封装、测试全链条境内自主可控 ， 最大限度保障了电网关键核心元器件供应链安全、稳定；目前大量采用进口指令架构芯片对于能源、轨道交通等关键工控领域的运行安全、供应链安全均有较大隐患 。
国内做指令集、内核的厂商屈指可数 ， 而伏羲芯片采用的C-sky国产指令集、玄铁系列国产内核在国内都做的比较好 ， 其中C-sky的用量已经达到了10亿级别 ， 在国内来说相对比较成熟 ， 而且在工控、打印机等领域应用较多 。 另外就是C-sky是一个非开源国产指令架构 ， 在电力工控终端领域不选择开源的指令架构也有出于安全层面的顾虑 。
观察者网：你们觉得 ， 南方电网能够在电力芯片领域实现突破的关键因素是什么？
姚浩：电力专用芯片这个概念其实是我们设计伏羲后才开始提出的 ， 并不是所有应用到电力系统、电网产品的都叫电力专用芯片 ， 我们指的电力专用芯片是能跟业务强关联、具有专业属性的芯片 ， 比如主控、安全、边缘计算芯片等 。
传统上讲芯片产业链包括设计、制造、封装、测试四大环节 ， 但我们认为芯片应用也是一个很重要的环节 。 以前多采用通用芯片方案去满足特定场景应用需求 ， 而随着专业领域技术发展 ， 场景对于芯片的专用化需求日益增长 ， 这种芯片在研发之初 ， 用户、应用场景、发展形态等都是已经确定好的 。
通用芯片虽然也可满足电力领域当前的需求 ， 但是通用芯片设计厂商 ， 对于各行业领域的理解是有限的 ， 他们设计的芯片具备适应多领域的条件 ， 但在专业领域一般难以达到最佳效果 。 这也是我们判定未来会有越来越多的行业用户参与到专用芯片研发的原因 。
在确定了这个方向后 ， 随着数字电网的深化发展建设 ， 新旧业务的发展升级都需要从底层计算框架提供支撑 ， 芯片技术将作为电网技术发展建设的关键支撑技术；南方电网作为数字电网的设计者、倡导者 ， 有基础 ， 也有能力去主导芯片技术与电网应用的深度融合 ， 南方电网在电力专用芯片领域走出了一条完全国产自主可控的技术领域 ， 奠定了科技自主自强的关键基础 。
观察者网：近几年 ， 国际上发生了一些电网被黑客攻击瘫痪的事件 。 作为电力控制工业的大脑 ， 请问伏羲芯片怎么保障国内电网的安全？
姚浩：电网被攻击瘫痪事件原因有很多种 ， 国家级网络攻击居多 。 其实在大众看不到的地方 ， 电网、通信等领域每天每时每刻都在遭受各种各样的网络攻击 ， 只是国家投入较大的防御力量 ， 防范了大量的攻击 。 大家可以看到国外不少因为网络攻击而造成停电的新闻；一个城市的停电对于国家、社会的影响是很大的 。
实现国产化替代后 ， 从电网安全的角度来看 ， 有两方面的优点 ， 第一是有效避免了进口器件、进口IP所可能隐藏的“攻击后门” ， 因为完全自主化的芯片本身对我们而言是透明化的 ， 也就不存在后门、黑盒等问题；第二就是伏羲芯片采用了非开源的国产指令架构 ， 对于攻击的黑客而言 ， 它会是一个黑盒 ， 所以在安全的防范上会更有效 。
网络安全是能源工控领域的永恒主题 ， 伏羲芯片将为电网安全奠定坚实的原生安全基础 ， 未来的电网安全防护有赖从“芯片-装备-系统”的多级联动防护 ， 不断堵上安全漏洞 。
观察者网：就从业者角度来看 ， 你们认为电力芯片的国产化替代之路要走多久？两大电网公司在其中是怎么协作的？
姚浩：从我个人的角度来看 ， 预计在未来五至十年 ， 有望在关键的核心组件上完成国产化替代 ， 很多领域已经在进行部分国产器件的验证和批量化使用 。
伏羲芯片的使命也在于此 。 我们不在最高端工艺上去做突破 ， 而是基于对这个行业的理解 ， 从行业的生态、应用去突破 ， 从而降低对高端工艺的依赖 。 目前电网在进行数字化转型 ， 需要的芯片也越来越多 ， 所以一切工作就应该从顶层设计开始 。 以前需要考虑用什么装置 ， 后来需要考虑用什么元器件 ， 而现在我们需要考虑让芯片达到什么样的技术指标 ， 有什么样的功能 ， 是否安全可控等 。
国家电网和南方电网都在电力芯片产业进行研发 ， 但只靠我们两家肯定不行 ， 还需要很多行业领域的生态用户来一起努力 ， 电网公司充分发挥好“产业链链主”角色 ， 进而带动整个产业链、领域、生态圈的发展 。
观察者网：伏羲芯片现在的应用成果怎么样？
姚浩：目前已应用于继电保护、变电站自动化、配网自动化、计量自动化、边缘计算、新能源等领域 ， 后续将形成全系列产品 ， 实现对工控领域全场景支撑 。
下一步 ， 伏羲芯片将逐步向各行各业开放 ， 目前已有不少高校、研究机构、终端厂商提出合作 ， 并发出共建国产芯片生态的倡议 。 立足电网 ， 逐步向其他能源工矿、轨道交通领域发展是我们的愿景 ， 也期望借助我国庞大的工控市场 ， 不断培育完善国产芯片生态 。 我们也将通过技术手段不断降低芯片成本 ， 我们有信心 ， 综合芯片的性能及成本 ， 伏羲芯片将具有较好的市场优势 。
我们也会争取在今年做一个产品发布 ， 也希望以后每年都能够发布新的电力芯片产品 。
观察者网：南方电网为伏羲芯片的研发投入了哪些资源？研发团队的规模如何？
姚浩：南方电网启动国产电力专用芯片“伏羲”的研究及开发工作以来 ， 先后投入近200人次、上亿元资金 ， 走出一条具有电力工控特色的芯片发展路线 。
从研发团队来看 ， 第一是具有产品开发能力 ， 能够确定电网以后需要哪些产品 ， 用到电网的哪个环节；第二个是要有技术场景化的能力 ， 即如何将单一技术在不同场景中呈现出不同技术形态 ， 以充分发挥其技术价值 ， 以实现技术与场景需求的高度融合 ， 芯片模组是一个好的承载模式；第三是芯片的定制化能力 ， 根据业务场景需求开展芯片硬件、软件定制化开发能力 ， 比如电力网络通信、电气参量计算、安全动态度量等专业属性模块 ， 从“有没有”的问题进一步扩展到“好不好用”的问题 。
另外 ， 南方电网已将“电力系统自主专用芯片” 纳入公司 “十四五”10大重点研发方向和8大产业链方向之一 ， 后续将逐步提升自主芯片在电网场景的覆盖率 ， 不断提升芯片技术在电网建设中的关键支撑作用 。
观察者网：在开发芯片的过程中 ， 你们感觉电力芯片产业链的短板在哪？
姚浩：短板不仅仅是在电力领域 ， 而是在整个国内的半导体行业 ， 我们只是国产芯片里面的一个缩影；比如在芯片核心IP方面 ， 跟西方有很大的差距；芯片设计近几年发展很快 ， 尤其是数字逻辑芯片差距有所缩小 ， 但是模拟器件这一块差距仍很大 ， 且芯片整体应用规模相去甚远；再往后的芯片制造等领域 ， 卡脖子最为严重 。
另外在人才领域 ， 与国外相比目前国内市场上的芯片人才缺口依旧非常大 ， 南方电网未来也会采取跟高校联合加强人才培养 。
观察者网：有媒体报道称深圳芯英科技也研发了伏羲芯片 ， 请问南网是否与芯英科技存在合作关联？
姚浩：南方电网自2015年启动“伏羲”研究计划 ， 与芯英科技没有合作 。
后记：“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 。 南方电网表示 ， 公司接下来将按照“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 。
【姚浩|姚浩：电力工控芯片为何也要强调自主可控？】本文系观察者网独家稿件 ， 文章内容纯属作者个人观点 ， 不代表平台观点 ， 未经授权 ， 不得转载 ， 否则将追究法律责任 。 关注观察者网微信guanchacn ， 每日阅读趣味文章 。

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