“奋进新时代”主题成就展中央综合展区“方寸之间”陈列墙上的“伏羲”芯片(左上两个方块状展品)。 南网传媒全媒体记者 邱宇 摄
带有“伏羲”芯片的线路装置大多体积小巧而功能强大。
“伏羲”芯片已经实现量产。
首颗“伏羲”芯片成功面世，研发团队欢欣鼓舞。
日前，由中央宣传部、国家发展改革委、中央军委政治工作部和北京市委市政府联合主办的“奋进新时代”主题成就展在京展出。展览集中生动展现了新时代10年党和国家事业的伟大成就、伟大变革。
其中，南方电网公司研发的首款全国产化电力专用主控芯片“伏羲”位于中央综合展区“方寸之间”陈列墙。主控芯片被称为电力工业控制的“大脑”。这枚芯片长23毫米、宽23毫米、厚1.6毫米，仅有4个指甲盖大小，于方寸之间集成了约3亿个晶体管。
“将芯片命名为‘伏羲’，代表电网装备核心器件从0到1的突破。”南方电网公司首席技术专家、南网数字集团董事、总经理、党委副书记李鹏说，他同时也是“伏羲”芯片研发团队(以下简称“‘伏羲’团队”)首席带头人。作为国内首款采用国产指令集、国产内核的电力专用芯片，“伏羲”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，交互相连的客户已达40余家。
芯片的研发应用，是南方电网公司在基础零部件及元器件、基础软件、基础材料、基础工艺和产业技术基础等“五基”工业基础领域的夯实与突破。“五基”基础领域的有力支撑，可高效赋能数字电网升级。
牛在哪里？——“从0到1”的突破
党的二十大报告指出，要加快实施创新驱动发展战略。加快实现高水平科技自立自强。以国家战略需求为导向，集聚力量进行原创性引领性科技攻关，坚决打赢关键核心技术攻坚战。加快实施一批具有战略性全局性前瞻性的国家重大科技项目，增强自主创新能力。
近年来，公司制定印发《南方电网公司“十四五”创新驱动发展规划》《南方电网公司科技体制改革三年攻坚方案》，紧盯关系能源安全的“卡脖子”关键核心技术，完成多项国家攻关任务。其中，首款全国产化电力专用主控芯片“伏羲”实现量产，并入选“2021年度央企十大国之重器”。该芯片相关专利——“用于并行冗余协议网络中的时钟输出控制方法和系统”获第23届中国专利金奖。
“伏羲”何以入列？
1颗“中国芯”，它是破解电力芯片“卡脖子”问题的开山斧。电力行业同样面临“中国芯”之痛的沉重拷问。能源工控领域部分关键芯片进口率达90%，断供至少倒退20年。没有自主，谈何发展？相比其他长期垄断市场的工业控制通用芯片，南网数研院自主研发的首款全国产化电力专用主控芯片“伏羲”，不仅实现了设计、流片、封装、测试全链条境内自主可控，更率先在工业控制领域采用了国产指令集、国产内核，实现了核心知识产权自主可控，能够有效缓解该领域“卡脖子”技术风险，杜绝芯片“后门”等安全隐患。
1.5倍性能优势，它是支撑新型电力系统构建的算力基石。为有效支撑电力工控装备数字化，“伏羲”芯片围绕算力、安全实现了多方面技术创新：一是采用了同异构混合芯片架构，实现了实时、智能、安全、通信、数字信号处理等多元异构算力的融合，突破工业级芯片成熟工艺制程算力瓶颈；二是首创并内嵌了满足数字化并发采样、电气参量快速计算、时间同步精确对时等硬件算法电路，以硬件并发处理方式替代软件串行处理，效率提升2个数量级；三是在控制芯片中嵌入融合国密算法计算引擎的内生安全防护子系统，有效支撑安全与业务高效协同，为开放环境下电力工控装备提供了主动防护能力。基于上述技术优势，“伏羲”芯片的综合性能相比同类竞品提升了1.5倍，在性能、功耗、安全、成本等方面具有较大优势。
“‘伏羲’芯片立足国产化，聚焦数字化，实现了电网装备核心器件‘从0到1’的突破。”南方电网公司创新管理部相关负责人表示，“伏羲”芯片是数字电网的算力基石，为公司以数字电网构建新型电力系统的目标提供强大支撑。
诞生之路——成如容易却艰辛
“伏羲”的研发之路并非一蹴而就，争议与质疑贯穿始终。电网人凭什么攻克芯片难题？“伏羲”又是如何诞生的？
一切还要追溯到2013年，南网人对继电保护装备核心芯片的研发梦想。
“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，关键技术掌握在外国手里，就相当于卡住了我们的‘脖子’。”2013年，在中国工程院院士李立浧的指导下，李鹏带领南方电网芯片团队启动“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，风险太大。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，电力行业的中国“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，南方电网公司理应背负起民族与国家的使命。2018年，由南方电网公司牵头的国家重点研发计划“电力专用CPU及芯片和内嵌入式操作系统研发及应用”课题申报成功。
“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，我可能就得卷铺盖走人咯。”
习伟谈起这辈子都不会忘记的一天。那是2018年12月6日，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。其时，孟晚舟在温哥华蒙冤入狱的新闻正铺天盖地。习伟在回国路上一言不发，不强则辱，他回想造芯路上的种种，心下立誓：“伏羲不成，甘当罪人。”
芯片虽小，精细如丝，耗费成百上千道工序未可知，更别提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，昼与夜交错，无数个加班度过的日日夜夜，无数次对家人的陪伴“失约”，精密仪器的微光默默见证着他们的抱负与辛勤的努力。
克服种种艰难险阻，耗时6年，“伏羲”终于诞生并成功量产。
无限未来——服务数字电网建设
党的二十大报告指出，要加快建设数字中国。
近年来，南方电网公司积极推动将数字电网打造为承载新型电力系统的关键载体，大力推进数字化转型。电网管理平台上线运行，南网在线、智瞰、智搜、智用等全面应用，承制全国首张公共数据资产凭证，启动数字货币结算电费试点，“5G+数字电网”荣获通信领域世界级大奖……数字电网建设领域，正是“伏羲”大展拳脚的地方。
自“伏羲”诞生以来，南方电网公司不断推动“伏羲”芯片转化应用，从“攻得出”加快走向“用得上”。
为完善国产芯片应用生态，“伏羲”团队围绕变电、配电、计量等主要场景，研发了系列典型应用开发平台及核心控制模组，支持适配了多类型主流操作系统、功能组件，形成了围绕“算法—芯片—操作系统—组件—模组”的技术生态，有效降低了终端厂商应用国产芯片的技术门槛，提升芯片验证及产品研发效率30%以上。
为推动“伏羲”芯片的规模化应用，“伏羲”团队主动“走出去”，对接国内主流配电终端厂商启动了自主可控配电终端的研发、测试及试点应用工作。
“伏羲”团队软硬件专家陈军健与陶伟回忆，起初推广时曾遇到难题，大多数终端厂家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。”这让他们下定决心，一定要破解刻板成见，为国产芯片正名。
“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。”陈军健与陶伟建立了“客户服务357制度”——小问题3天闭环解决，一般问题5天，再复杂也绝不能超过7天。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。
“通过同类技术横向对比，大部分厂商均主动采用了‘伏羲’芯片的国产化解决方案，进一步提升了装置的集成度、控制性能以及安全防护水平。”团队技术专家姚浩介绍，目前，与“伏羲”交互相连的系统外部客户已达40余家，研发形成上百款电力工控装备，搭载“伏羲”芯片的装置已在继电保护、配网自动化、用电计量、新能源等领域稳定可靠运行。
李鹏表示，“十四五”期间，“伏羲”团队将加快核心技术自主创新，立足数字电网顶层设计，围绕发输变配用全环节关键场景数字化需求，研发布局全系电力专用芯片，为数字电网提供自主、高效、智能、安全的算力底座。加快“伏羲”芯片在输电、变电、配电、用电计量、新能源等领域的规模化应用，以南方电网“云—管—边—端—芯”的全栈数字化解决方案构筑数字化转型范式，并将研究成果推广至轨道交通、石油化工等其他能源工控领域。
南网传媒全媒体记者 刘洋洋 通讯员 彭雅莹 刘德宏
(本版图片除署名外均为“伏羲”团队提供)
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“伏羲”四问
A.“伏羲”芯片的指令集架构、内核和IP分别是什么？
“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，有效支撑电网数字化转型对电力装备基础算力提升的需求。
B.“伏羲”与国际上同类产品相比有哪些优势？
与同类竞品比较，“伏羲”芯片的主要优势首先在于可控，该芯片从核心知识产权到芯片设计、流片、封装、测试，实现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。与竞品通过通用测试工具以及场景专项测试进行比较，最新一版量产的“伏羲”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。
C.我国电力芯片进口及使用情况如何？
我国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，这种芯片对于能源、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。
D.“伏羲”芯片目前的应用成果怎么样？
“伏羲”芯片已应用于继电保护、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。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。下一步，“伏羲”芯片将立足电网，逐步向各行各业开放适配，包括其他能源工矿、轨道交通领域等。 (姚浩)
