姚浩：電力工控芯片為何也要強調自主可控？

作為根本性支柱行業，電力對整個國家安全、發展都至關重要。如果關鍵技術掌握在外國手裏，就卡住了我國能源工控領域的“脖子”。主控芯片作為電網二次裝備核心器件，涉及千萬量級的電網關鍵裝置，是電力工業控制的大腦。

根據今年2月份消息，南方電網公司歷經5年研製、多場景驗證，國內首個基於國產指令架構、國產內核的電力專用主控芯片“伏羲”實現量產，標誌着我國電力工控領域核心芯片從“進口通用”向“自主專用”轉變，電力二次設備核心元器件做到了自主可控。在5月20日召開的廣東省科技創新大會上，“電力芯片保護關鍵技術攻關及核心器件國產化”項目也獲得了2020年度廣東省科技進步獎一等獎。

此前主控芯片長期為國外生產廠商壟斷，嚴重製約我國電網核心技術的發展。針對此“卡脖子”問題，南方電網公司依託國家重點研發計劃，基於國產自主CPU內核和境內代工封測技術，集中公司科研力量重點攻關，起先後在電網控制保護、自動化、新能源等多個電網關鍵場景對“伏羲”進行驗證及應用，表現良好。

南方電網展出的伏羲芯片 圖片來源：南方電網

近日，南方電網數字電網研究院技術研發中心芯片與智能終端團隊技術負責人姚浩博士接受了觀察者網專訪，首度對外談起了伏羲芯片的“前世、今生、未來”。

以下內容為本次採訪實錄，僅做不改變原意的調整。

（採訪/周昊 陳興華，編輯/周遠方）

觀察者網：當初為什麼要做伏羲芯片？

**姚浩：**大家一開始可能會有疑惑，電網公司為什麼也要來做芯片？其實很好理解，因為在芯片市場的發展初期，芯片大多由專門的芯片廠商設計，因此大多數芯片都是面向通用領域、通用需求；而在未來，尤其是能源工控等細分市場將更加關注芯片在功能、性能、功耗等方面的特定需求，即用更專業化的芯片來處理專業化的數據，異構計算將逐漸成為主流計算模式，計算跟領域強相關，專用領域芯片將孵化於專業領域公司。因此，基於對能源工控領域的深刻理解以及對電網未來發展趨勢的把握，我們團隊在李立浧院士以及團隊首席專家李鵬的帶領下，於2015年啓動國產電力專用芯片“伏羲”的研究開發工作。

同時，我們做自主芯片有兩個層面的考慮：一是芯片的國產化，另一個是芯片的場景化支撐。大多數電力裝備長期依賴進口芯片，比如電網關鍵設備繼電保護核心芯片大多以進口芯片為主，部分關鍵芯片在國內市場佔有率近90%****，如若被禁運，那國內繼電保護領域起碼要倒退20年，會造成重大影響。

海外廠商在通用芯片方面確實比我們領先很多，但好在國內市場較大，未來，專用領域專用芯片還是有較大的機會，有望實現彎道超車。比如5G芯片就是通信領域的專用芯片，包括人工智能芯片等，國內跟海外相比並沒有落後，所以我們就是想做電力領域的一個專用芯片。

觀察者網：請問伏羲芯片的國產指令集架構、內核和IP具體分別是什麼？以及採用它們的原因？

**姚浩：**伏羲芯片是國內首顆國產電力專用芯片，採用C-sky國產指令集，玄鐵系列國產內核作為計算核心，保障了芯片核心知識產權自主可控；同時，伏羲芯片首創滿足電力工控應用需求的電氣參量計算、電力網絡通信、數據並行處理等專用硬件算法IP，有效實現電網數字化轉型對電力裝備基礎算力提升需求的支撐。

與大多數採用國外指令架構體系工業控制芯片區別的是，伏羲芯片率先採用完全國產的指令集生態，這源於技術路線選擇的考量：如果照着進口芯片依葫蘆畫瓢再做出一款基於ARM等國外指令架構體系的芯片，其實沒有徹底解決自主化問題，假如技術禁運擴大化，打擊面是很大的。所以我們那時考慮就是國產指令集、國產內核不能永遠不發展，沒有人用它就永遠發展不起來。

當前，外國廠商所建立的芯片生態壁壘很高，培育新的生態需要百萬級、千萬級開發者的支持，在手機等消費類領域去發展國產指令集、內核是很難的。但是在能源工控等相對封閉的專業領域，芯片生態所面對的開發者數量將下降幾個數量級，應用場景也是可預見的，只要投入充足的資源去支持上述開發者、應用場景，逐步培育起國產芯片應用生態是有機會的，而這也是現今電網企業、終端製造企業的擔當與義務。

另外從國家層面來看，也更希望這種國產知識產權、國產內核、國產生態能夠培育起來，不然就算不上自主可控。因此對於國內整個芯片行業來説，我們不能只滿足於目前能自主設計芯片，還需要在核心知識產權、國內自主可控芯片製造等領域跟全行業一起努力。即便我們現在五年內、甚至十年內都沒辦法超越人家，但起碼也要一步步縮小差距。

觀察者網：生產情況怎麼樣，與國際上同類產品相比伏羲芯片的優勢有哪些？有沒有盈利的需求？

**姚浩：**伏羲芯片在多家境內晶圓廠代工生產，良品率達到90%，已具備批量推廣條件，後續將根據電網數字化進程逐步擴大伏羲芯片產能。

與同類競品比較，伏羲芯片的主要優勢首先就是可控，伏羲芯片從核心知識產權到芯片設計、流片、封裝、測試全鏈條境內自主可控，最大限度保障了電網關鍵核心元器件供應鏈安全、穩定；其次是專用，伏羲芯片立足電力工控領域實時、安全、智能等計算需求，從芯片架構、資源、算法等方面開展場景化定製設計，從元件級實現對電網數字化、網絡化、電力電子化等發展需求的支撐。

最新一版量產的伏羲芯片，我們與競品通過通用測試工具以及場景專項測試進行比較，芯片在整型、浮點運算等通用計算能力以及融合業務的實時計算等方面，具有1.3至1.9倍的性能優勢，而功耗與競品基本實現持平。

至於盈利方面，我們首先還是聚焦於如何保障電網的安全可控，後續除了主控、安全等芯片外，我們還會往更多與業務緊耦合的芯片領域去拓展，在做好保障的同時，也會考慮盈利的事情，畢竟，只有盈利才能保障芯片研發的持續投入。

觀察者網：你們是如何定義“真正實現了自主可控”？此前國內每年進口的電力芯片有多少？

**姚浩：**電力行業每年涉及千萬級新增設備用量，涉及芯片達到數百億人民幣規模，相比全國每年數千億美金進口額來看其實並不多；雖然在低端領域有很多已經是國產芯片了，但其中95%以上都是基於海外的指令架構。

“真正實現了自主可控”是因為伏羲芯片從核心知識產權到芯片設計、流片、封裝、測試全鏈條境內自主可控，最大限度保障了電網關鍵核心元器件供應鏈安全、穩定；目前大量採用進口指令架構芯片對於能源、軌道交通等關鍵工控領域的運行安全、供應鏈安全均有較大隱患。

國內做指令集、內核的廠商屈指可數，而伏羲芯片採用的C-sky國產指令集、玄鐵系列國產內核在國內都做的比較好，其中C-sky的用量已經達到了10億級別，在國內來説相對比較成熟，而且在工控、打印機等領域應用較多。另外就是C-sky是一個非開源國產指令架構，在電力工控終端領域不選擇開源的指令架構也有出於安全層面的顧慮。

觀察者網：你們覺得，南方電網能夠在電力芯片領域實現突破的關鍵因素是什麼？

**姚浩：**電力專用芯片這個概念其實是我們設計伏羲後才開始提出的，並不是所有應用到電力系統、電網產品的都叫電力專用芯片，我們指的電力專用芯片是能跟業務強關聯、具有專業屬性的芯片，比如主控、安全、邊緣計算芯片等。

傳統上講芯片產業鏈包括設計、製造、封裝、測試四大環節，但我們認為芯片應用也是一個很重要的環節。以前多采用通用芯片方案去滿足特定場景應用需求，而隨着專業領域技術發展，場景對於芯片的專用化需求日益增長，這種芯片在研發之初，用户、應用場景、發展形態等都是已經確定好的。

通用芯片雖然也可滿足電力領域當前的需求，但是通用芯片設計廠商，對於各行業領域的理解是有限的，他們設計的芯片具備適應多領域的條件，但在專業領域一般難以達到最佳效果。這也是我們判定未來會有越來越多的行業用户參與到專用芯片研發的原因。

在確定了這個方向後，隨着數字電網的深化發展建設，新舊業務的發展升級都需要從底層計算框架提供支撐，芯片技術將作為電網技術發展建設的關鍵支撐技術；南方電網作為數字電網的設計者、倡導者，有基礎，也有能力去主導芯片技術與電網應用的深度融合，南方電網在電力專用芯片領域走出了一條完全國產自主可控的技術領域，奠定了科技自主自強的關鍵基礎。

觀察者網：近幾年，國際上發生了一些電網被黑客攻擊癱瘓的事件。作為電力控制工業的大腦，請問伏羲芯片怎麼保障國內電網的安全？

**姚浩：**電網被攻擊癱瘓事件原因有很多種，國家級網絡攻擊居多。其實在大眾看不到的地方，電網、通信等領域每天每時每刻都在遭受各種各樣的網絡攻擊，只是國家投入較大的防禦力量，防範了大量的攻擊。大家可以看到國外不少因為網絡攻擊而造成停電的新聞；一個城市的停電對於國家、社會的影響是很大的。

實現國產化替代後，從電網安全的角度來看，有兩方面的優點，第一是有效避免了進口器件、進口IP所可能隱藏的“攻擊後門”，因為完全自主化的芯片本身對我們而言是透明化的，也就不存在後門、黑盒等問題；第二就是伏羲芯片採用了非開源的國產指令架構，對於攻擊的黑客而言，它會是一個黑盒，所以在安全的防範上會更有效。

網絡安全是能源工控領域的永恆主題，伏羲芯片將為電網安全奠定堅實的原生安全基礎，未來的電網安全防護有賴從“芯片-裝備-系統”的多級聯動防護，不斷堵上安全漏洞。

觀察者網：就從業者角度來看，你們認為電力芯片的國產化替代之路要走多久？兩大電網公司在其中是怎麼協作的？

**姚浩：**從我個人的角度來看，預計在未來五至十年，有望在關鍵的核心組件上完成國產化替代，很多領域已經在進行部分國產器件的驗證和批量化使用。

伏羲芯片的使命也在於此。我們不在最高端工藝上去做突破，而是基於對這個行業的理解，從行業的生態、應用去突破，從而降低對高端工藝的依賴。目前電網在進行數字化轉型，需要的芯片也越來越多，所以一切工作就應該從頂層設計開始。以前需要考慮用什麼裝置，後來需要考慮用什麼元器件，而現在我們需要考慮讓芯片達到什麼樣的技術指標，有什麼樣的功能，是否安全可控等。

國家電網和南方電網都在電力芯片產業進行研發，但只靠我們兩家肯定不行，還需要很多行業領域的生態用户來一起努力，電網公司充分發揮好“產業鏈鏈主”角色，進而帶動整個產業鏈、領域、生態圈的發展。

觀察者網：伏羲芯片現在的應用成果怎麼樣？

**姚浩：**目前已應用於繼電保護、變電站自動化、配網自動化、計量自動化、邊緣計算、新能源等領域，後續將形成全系列產品，實現對工控領域全場景支撐。

下一步，伏羲芯片將逐步向各行各業開放，目前已有不少高校、研究機構、終端廠商提出合作，併發出共建國產芯片生態的倡議。立足電網，逐步向其他能源工礦、軌道交通領域發展是我們的願景，也期望藉助我國龐大的工控市場，不斷培育完善國產芯片生態。我們也將通過技術手段不斷降低芯片成本，我們有信心，綜合芯片的性能及成本，伏羲芯片將具有較好的市場優勢。

我們也會爭取在今年做一個產品發佈，也希望以後每年都能夠發佈新的電力芯片產品。

觀察者網：南方電網為伏羲芯片的研發投入了哪些資源？研發團隊的規模如何？

**姚浩：**南方電網啓動國產電力專用芯片“伏羲”的研究及開發工作以來，先後投入近200人次、上億元資金，走出一條具有電力工控特色的芯片發展路線。

從研發團隊來看，第一是具有產品開發能力，能夠確定電網以後需要哪些產品，用到電網的哪個環節；第二個是要有技術場景化的能力，即如何將單一技術在不同場景中呈現出不同技術形態，以充分發揮其技術價值，以實現技術與場景需求的高度融合，芯片模組是一個好的承載模式；第三是芯片的定製化能力，根據業務場景需求開展芯片硬件、軟件定製化開發能力，比如電力網絡通信、電氣參量計算、安全動態度量等專業屬性模塊，從“有沒有”的問題進一步擴展到“好不好用”的問題。

另外，南方電網已將“電力系統自主專用芯片” 納入公司 “十四五”10大重點研發方向和8大產業鏈方向之一，後續將逐步提升自主芯片在電網場景的覆蓋率，不斷提升芯片技術在電網建設中的關鍵支撐作用。

觀察者網：在開發芯片的過程中，你們感覺電力芯片產業鏈的短板在哪？

**姚浩：**短板不僅僅是在電力領域，而是在整個國內的半導體行業，我們只是國產芯片裏面的一個縮影；比如在芯片核心IP方面，跟西方有很大的差距；芯片設計近幾年發展很快，尤其是數字邏輯芯片差距有所縮小，但是模擬器件這一塊差距仍很大，且芯片整體應用規模相去甚遠；再往後的芯片製造等領域，卡脖子最為嚴重。

另外在人才領域，與國外相比目前國內市場上的芯片人才缺口依舊非常大，南方電網未來也會採取跟高校聯合加強人才培養。

觀察者網：有媒體報道稱深圳芯英科技也研發了伏羲芯片，請問南網是否與芯英科技存在合作關聯？

**姚浩：**南方電網自2015年啓動“伏羲”研究計劃，與芯英科技沒有合作。

後記：“伏羲”的成功研發及量產，對於國家電力能源和信息安全、工控領域科技自主可控具有重大意義。南方電網表示，公司接下來將按照“成功一個試點一個，試點一個推廣一片”的工作思路，逐步提高電網多領域場景新增設備的自主芯片覆蓋率，實現國產工業控制芯片規模化應用，防範化解電網安全運行重大風險。

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