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【芯观点】剑指“卡脖子”技术,南网、国网“南征北战”

来源:爱集微

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2021-11-30

芯观点──聚焦国内外产业大事件,汇聚中外名人专家观点,剖析行业发展动态,带你读懂未来趋势!

集微网报道,近年来,随着国际政治、科技、能源与半导体产业发展形势风云变化,我国电力芯片领域的“卡脖子”问题日益突出。与使用5年左右退出市场的消费级芯片不同,电力专用芯片往往需要不间断工作达10年以上,并经受住多重极端环境的考验。

简而言之,电力芯片要求必须在宽温、高湿、盐雾、冰雪、电磁辐射等环境中7×24h带电稳定运行,而且对静电防护等级、耐擦写次数等方面都提出了极高要求,因而研制难度远超普通消费级芯片。

通常,国内将芯片分为消费级、汽车级、工业级和军工级四个层级。其中,电力芯片属于要求极为严苛的工业级芯片,而且需要根据电网的特定技术标准,开展针对性设计方案。

然而,国内电力芯片产业发展长期滞后,高度依赖外国技术和产品,进口比率长期达九成以上。这不仅无法满足我国电力技术发展的迫切需求,而且对能源行业的供应链安全造成重大威胁,甚至存在严重的网络安全和电网稳定隐患。

基于此,推进电力芯片国产化逐渐成为业界主流议题。而作为两大“产业链链主”,国家电网和南方电网担起重任,并躬身力行、砥砺攻坚。

南网伏羲电力主控芯片 

依据不同发展及攻坚战略,国网在“面”的维度上已有所获,研发出八大类100多种电力芯片产品。与此同时,南网侧重在“点”上突破卡脖子技术,研发出伏羲主控芯片等。

不过,由少数企业单枪匹马在工业级的电力芯片领域试图各个击破,发力分散同时也注定路途漫漫。复杂的半导体工业不仅需要“链主”长期持续性的研发投入,也需要更多机构、企业和专家等通力协作。“举国一致,才能其利断金。”

困局:高度依赖进口芯片

众所周知,电力事关生产之基、民生之本,对于国家经济、人民生活都至关重要。而电力芯片为电力行业的发展提供底层核心支撑,是电力控制系统中最关键的部件。

如果按应用的场景分类,电力芯片大致分为主控芯片、传感芯片、安全芯片、载波芯片、通信芯片、通用芯片、数字处理芯片及图像处理芯片等种类。 

其中,作为电网二次装备的核心器件,主控芯片在电力工业控制中扮演着“大脑”的角色,主要对电网数据进行控制、加工和传输,共涉及千万量级的电网关键装置。

另外,传感芯片大量应用于现场数据采集,安全芯片广泛应用于关键数据保护,载波芯片及各类无线通信芯片在不同电力通信网中均发挥重要作用,而人工智能芯片的应用则可以大幅提升电网各环节自动化水平等等。

显而易见,中国电力芯片市场十分庞大。据智芯微相关统计,截至2020年,我国电力智能装置数量累计40亿个,对芯片产品的整体需求量超过200亿片,市场规模超过4500亿元。 

但令人担忧的是,电力芯片的国产化进程远远无法跟上市场需求提速的步伐,国内绝大部分产品都要向国外半导体巨头采购,进口比例高达90%以上。

公开报道显示,近十年来,虽然电力系统用电侧智能设备的芯片国产化率从不足10%提高到了85%,但其它环节依旧停留在较低水平,如输变电、配用电等设备中的核心芯片国产化率仍然仅约一成左右。

目前,国内电力芯片企业主要聚焦于中低端市场。其中,智芯微电子的安全芯片、 射频芯片及主控芯片已广泛应用于市场;复旦微电子、大唐微电子等在智能卡、主控芯片等领域也有较成熟的产品应用;青岛鼎信、东软等企业则向市场提供了电力线载波芯片。

但一个严峻的问题是,国内电力行业的高端芯片长期以进口为主,多年来一直依赖德州仪器和ADI的DSP芯片、英特尔的通用芯片、英飞凌及恩智浦的工业控制芯片、霍尼韦尔的传感器系列等。

整体而言,近年来国内电力芯片产业的发展有所改善,但依然没有取得实质性的明显破局。而电力芯片对外依存度过高,将主要带来三大隐患。

首先,严重依赖进口就使芯片定价权牢牢掌握在国外厂商手里,导致价格居高不下。而过去多年一旦国内有竞品出现,国外厂商就将相关电力芯片大幅降价。如此一来,国内厂商大受打击,而国外厂商依然能获得极高利润。

其次,供货周期长,而且在不稳定的国际政治及产业发展形势下无法获得保证。例如中国2010年推进安装智能电表时,RTC模块主要从日本采购,但日本“311大地震”后芯片产能紧缺,一度导致国内安装计划无法完成。

另外,作为信息技术底层核心支撑,电力芯片一旦出现问题将严重影响电网的安全运行。目前,随着电力数字化、网络化和智能化程度越来越高,非法网络攻击正给电力行业乃至国家安全都带来了重大威胁。

近几年来,无论是从乌克兰、美国电力系统遭黑客攻击事件,还是委内瑞拉、阿根廷等几个南美国家电网干线遭攻击事件来看,已十分有必要将电力芯片国产化替代提升到国家级安全层次。

综合来看,在能源工控领域,可以说当前国内电力芯片被国外“卡脖子”的问题,一定程度上要比智能手机、电脑等消费级芯片短缺更为严重和急需处理。而对于这一受制于人的严峻困局,中国电网人艰难困苦、玉汝于成,攻下了部分“城池”。

国网:两发“一号文”多维攻坚 

毋庸置疑,如果电力芯片始终从海外大量采购,那么我国电网的核心技术发展必然只会亦步亦趋,并在当前及未来的国际博弈下处于较大劣势或被动局面。

鉴于此,作为全国电力系统建设的主干,国家电网首先挺身而出,在推动全国智能电网的建设过程中,致力于打破电力芯片无法自研、自产的状况。

2010年1月,国网以“一号文”发布《关于加快推进坚强智能电网建设的意见》。得益于这一指导政策推动,行业当时预计电力芯片的市场需求量在百亿片以上。而为了与国外巨头在市场中竞争,国网体系内的自研芯片公司应运而生。 

北京智芯微电子内部 

同年,北京智芯微电子正式成立,由国网信通公司、南瑞集团、中国电力科学院分别持股40%、40%、20%,并拥有国内第一个工业级芯片的国家级实验室。 

通常,芯片产业链通常分为设计、制造、封装、应用四个环节。但由于产业链极为复杂,国电的电力芯片布局集中在资金与人才密集型的“两端”,即芯片设计与应用。 

战略方向定调后,智芯迅速组建了一支由工程院院士、中国密码学会密码芯片专家、国际知名的失效分析专家等作为团队顾问及研发支撑的芯片设计队伍。

在攻坚路径上,国网在电力芯片领域的切入口是智能电表中的安全芯片,并以极快的速度达到行业领先水平。而以安全芯片为起点,国网开启了电力芯片版图的征程,投入大量资源不断研发主控、通信、传感等各类电力芯片,同时智芯的实力不断增强。

基于研发人员艰苦付出、关键技术不断突破以及各类资源持续投入,2017年11月,智芯研发的“海燕330”芯片成功面世、一鸣惊人。这款芯片整体性能处于同类产品前列,独创超低功耗设计理念,同时静态功耗达到国际领先水平。

在应用环节,“海燕330”芯片可用在配网自动化、用电信息采集、能源替代、工业物联网及智能楼宇等多个领域,如故障指示器、充电桩、智能电表等。

时移势易,2018年或受“中兴事件”影响,国网意识到集中资源突破的迫切性,因而完成了其三大股东增资及内部芯片业务的重要整合。此后,国网内部重复竞争的“老大难”问题得以解决,而智芯成为唯一的芯片研发设计主体。

紧接着,伴随着智能电网和泛互联网的不断推进,因电网转型牵动的国内集成电路市场,还在获得进一步激活。

2019年1月21日,国网再度在“一号文”中释放重磅信号,提出推动电网与互联网深度融合,打造承载电力流的坚强智能电网与承载数据流的泛在电力物联网。

这直接促使国网“泛在电力物联网”构架中的感知层和网络层芯片需求迅速提升。其中典型的是感知层的传感器芯片,以及通讯传输领域的高速电力线载波系列芯片。

国网“智能电网专用芯片安全技术科技攻关团队”带头人、智芯微电子执行董事赵东艳 

近年来,在国网不遗余力攻坚研发和推动应用下,电力领域的国产芯片应用脚步加速。日前,国网天津电力、新疆电力、冀北电力等公司的众多电力设备均先后装配了新的“国网芯”。截至2020年底,国网已累计销售各类芯片超18亿颗。

与此同时,智芯的产品矩阵也在不断丰富及完善,相继开发出具有自主知识产权的"安全、主控、通信、传感、射频、计量、模拟、人工智能"八大类100多种芯片产品,并在全国电力行业实现较大规模应用。

另外,智芯的芯片产品在石油石化、汽车电子、银行金融等领域也得到广泛应用,部分芯片还成功出口至比利时、伊朗、巴西等80个国家和地区,实现了我国电力芯片从“受制于人”到“走向世界”的重要转变。

整体上,作为国内电网系统开发建设的绝对主力,国网在电力芯片研发上勇于担当、大胆布局,并通过“十年磨一剑”初步构建了自主芯片应用生态。只是“革命尚未完全成功”——外部挑战没有解除、内部机制问题有待优化,国网仍需继续奋斗、再创辉煌。

南网:聚焦突破“卡脖子”技术 

一张电网分南北,但两网接通是一国。在中华大地上,国家电网和南方电网也围绕着共同目标在前进。当国网在电力芯片领域“面”的维度不断突破时,南网则主要侧重在“点”上攻坚“卡脖子”技术,并取得了重要成果。

2013年,受“棱镜门”事件影响,中国将硬件层面的芯片国产化等治本性措施,上升到了国家安全战略的高度。其中,长期依赖国外技术和产品的电力芯片成为关注重点。 

在这样的大背景下,南网立即组织专门团队,着手布局能够适用于电网控制保护装置核心芯片的设计研发。当时,团队还做了一项评估:如果相关芯片被禁运,那国内继电保护领域起码要倒退近二十年。 

于是,南网研发团队快马加鞭、彻夜鏖战,并在第二年就研发出了符合国密要求的电能计量安全芯片。紧接着,研发团队又启动了电力主控芯片伏羲的研究及开发工作。

南网伏羲芯片 

经过数年研发积累,南网逐渐掌握了电力主控芯片的相关技术。因此,2017年,国家将重点科技项目“电力系统终端嵌入式组件和控制单元安全防护技术”交由南网,以创建电力终端主动免疫和安全自主可控体系。

此后,针对主控芯片“卡脖子”问题,南网基于国产自主CPU内核和境内代工封测技术,统筹各方资源、集中科研力量,先后投入约两百人及上亿元资金,重点攻关伏羲等系列芯片。

据了解,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,同时适配国产实时操作系统SylixOS以及Linux开源操作系统,可支持AMP、SMP等多种运行模式。 

值得一提的是,国产玄铁内核及C- sky指令集目前均隶属于阿里平头哥半导体。

无疑,芯片设计研发是一项非常耗时费力的工程。多年来,在夜以继日、“连轴”运转的艰苦奋斗下,南网研发团队才得以攻克一个又一个难关。

比如为了同时满足工控系统快速性和灵活性的要求,伏羲芯片采用了高难度的异构系统架构,即在一块芯片上既要完成微秒级的实时信号处理,也要完成毫秒级的管理信号处理,以实现实时调度的“龟兔协同”。

自2019年起,南网在电网控制保护、自动化、新能源等多个关键场景对伏羲进行验证及应用,均表现良好。到了2021年2月,南网正式宣布:伏羲实现量产,并成为首个基于国产指令架构、国产内核的电力专用主控芯片。

这意味着伏羲芯片将不会受到外国技术限制,同时标志着我国电力主控芯片由“进口通用”迈向“自主专用”。自此,我国电力工控技术的发展乃至国家电力能源和信息安全均获得了重要的基本保障。 

而伏羲芯片之所以有如此“功效”,是因为在可控、专用及性能等方面具有独特优势。 

首先,在可控方面,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,伏羲芯片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,在专用方面,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,同时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。

另外,在性能上,通过Benchmark基准测试以及场景专项测试进行比较,伏羲芯片在整型、浮点运算以及融合业务的实时性计算等方面,相较进口芯片具有1.3到1.9倍的性能优势,而功耗与竞品基本实现持平。

至于颇受关注的应对网络攻击能力,伏羲芯片也具有两方面优点:采用国产内核,有效避免了进口器件、进口IP可能隐藏的“攻击后门”;采用非开源的国产指令架构,从而形成“黑盒”,受攻击难度较大。

目前,伴随着产能提升,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,后续将形成规模应用的全系列产品,并逐步提升自主芯片在电网场景的覆盖率。

当然,除了主控芯片外,南网还同时在安全、射频识别、传感、边缘计算、人工智能等多领域开展布局,形成面向电力系统多应用场景的“芯片-模组-智能装置”整体解决方案。

在未来发展战略上,南网已将“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。而伏羲芯片必将是南网打造自主电力芯片产业,构建稳定、安全、可靠电网版图的重大起点。

国产电力芯片“稳了”? 

随着电力数字化、网络化和智能化不断推进,国内的电网建设正从电力行业的设备与设备、人与设备,逐步延伸到企业、家庭、城市的智能化。而一旦实现万物互联,电力芯片的应用将以指数级数量增加,预计市场需求也将达千亿片。

但与此同时,电网遭受的潜在攻击隐患正越来越多。近年来,在全球多国发生的大面积停电事件中,或多或少都存在电力芯片失效或受攻击的问题。

面对潜在的隐患和严峻的形势,中国电力芯片在技术和市场上取得了一定突破,但国产化进程仍然相对缓慢,并在诸多细分领域上一直高度依赖进口芯片。

其中,国产电力芯片发展中存在的许多棘手问题不容忽视。

首先,国内电力芯片相关企业扎堆在中低端领域竞争,在高端领域鲜有涉及。如复旦微电子、锐能微、鼎信等多家企业都推出了电力芯片产品,但主要仅聚焦在计量芯片、安全芯片及智能电表中的应用。

其次,芯片是典型的人才及资金密集型行业,但国内电力芯片行业的相关投入较为匮乏。据南网方面透露,伏羲芯片前后历时研发多年,但在投入上资金仅为上亿元、研发人员为约两百人。而国外同类企业动辄投入数十上百亿元。

电力芯片标准体系架构 图源:智芯微电子

另外,由于没有相关统一标准,不同厂家芯片存在巨大的性能、可靠性差异。这已成为国内电网发展的新隐患。随着电力芯片应用越发广泛及技术要求越来越具体,国内已十分有必要建立统一的技术标准体系。

再者,作为电力芯片应用最大的终端,国网和南网尚未充分推动发挥市场机制的作用。这使得两者持续“执着”进口电力芯片,而对国内产品犹疑。

那要如何去改变当前的不利局面,以及改善与之相关的一系列问题?既然电网属于国家能源基础设施,电力芯片的破局便有赖于顶层设计的统筹发展、支持引导以及大力改革。

近年来,在行业痛点的人才和资金上,国家明确制定了较多政策、投入了大量资金推动产业发展,但官方机构在行业统一标准制定上仍有待完善。

因此,发展电力芯片标准的一大当务之急是完成芯片通用及安全技术要求,从整体制度上对电力用芯片进行规范。另外,标准建设的远期规划应主要集中于应用数量巨大,但技术仍掌控在国外厂家的产品,如主控芯片、人工智能芯片等。

与此同时,作为市场经营主体,国内电力相关企业要获得更核心的电力芯片技术突破,势必需要充分发挥主观能动性,切实埋头苦干、攻坚研发。而在制定适合自身发展的精准策略上,亦十分有必要跳脱出中低端市场,长线布局、走精品化路线,向高端市场进发。

对于两大电力企业而言,国网亟待集中优势兵力重点突破关键核心技术,而南网有待加强整体产品研发布局以及团队建设等。而要推动电力芯片的国产化进程,国网和南网作为两大业主,还要一定程度摒弃对国外产品的“执着”,敢于落地试点运营生态链企业的相关产品,以提供相关自主芯片企业得以发展壮大的“黑土地”。

作为国网和南网的主管方,国资委当前也在积极推动他们在电力芯片研发上达成更多合作,以促进电网自主生态发展,并给两家电网企业起了一个名字叫“产业链链主”。这便是寄望他们能带动整个产业链、生态圈的发展。

总而言之,电力芯片的自主可控发展模式,本质上就是要打造一个良好的发展生态圈:电力芯片应用单位、终端厂商、设计和制造公司、芯片标准组织等方面,充分沟通、密切协作以及合理分工,共同推进电力芯片国产化进程。 

有句话说,“在一起,才能更强大。”只有国内政策、资本、人才、科研机构及产业链等要素有机结合,各方目标一致、团结协作、积极践行,中国才能从根本上打破进口电力芯片强势垄断的局面,并最终由“电力大国”转变为“电力强国”。 

参考资料: 

1.国家电网的“芯片计划”:国产化路漫漫 需要一些勇气,南方能源观察:周慧之 

2.首款全面国产化电力专用主控芯片伏羲实现量产,南方电网报 

3.电力芯片技术标准体系架构设计及路线图,智芯微电子:徐平江等 

4.芯片“卡脖”,我们的电网安全吗,南方电网:数研院研发团队

(校对/Jenny)

责编: 隐德来希

Aaron

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