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

根據(jù)今年2月份消息，南方電網(wǎng)公司歷經(jīng)5年研制、多場景驗證，國內(nèi)首個基于國產(chǎn)指令架構、國產(chǎn)內(nèi)核的電力專用主控芯片“伏羲”實現(xiàn)量產(chǎn)，標志著我國電力工控領域核心芯片從“進口通用”向“自主專用”轉(zhuǎn)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(chuàng)新大會上，“電力芯片保護關鍵技術攻關及核心器件國產(chǎn)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(chǎn)廠商壟斷，嚴重制約我國電網(wǎng)核心技術的發(fā)展。針對此“卡脖子”問題，南方電網(wǎng)公司依托國家重點研發(fā)計劃，基于國產(chǎn)自主CPU內(nèi)核和境內(nèi)代工封測技術，集中公司科研力量重點攻關，起先后在電網(wǎng)控制保護、自動化、新能源等多個電網(wǎng)關鍵場景對“伏羲”進行驗證及應用，表現(xiàn)良好。

南方電網(wǎng)展出的伏羲芯片 圖片來源：南方電網(wǎng)

近日，南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院技術研發(fā)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(wǎng)專訪，首度對外談起了伏羲芯片的“前世、今生、未來”。

以下內(nèi)容為本次采訪實錄，僅做不改變原意的調(diào)整。

（采訪/周昊 陳興華，編輯/周遠方）

觀察者網(wǎng)：當初為什么要做伏羲芯片？

姚浩：大家一開始可能會有疑惑，電網(wǎng)公司為什么也要來做芯片？其實很好理解，因為在芯片市場的發(fā)展初期，芯片大多由專門的芯片廠商設計，因此大多數(shù)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(yè)化的芯片來處理專業(yè)化的數(shù)據(jù)，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于專業(yè)領域公司。因此，基于對能源工控領域的深刻理解以及對電網(wǎng)未來發(fā)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，于2015年啟動國產(chǎn)電力專用芯片“伏羲”的研究開發(fā)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(chǎn)化，另一個是芯片的場景化支撐。大多數(shù)電力裝備長期依賴進口芯片，比如電網(wǎng)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(nèi)市場占有率近90%，如若被禁運，那國內(nèi)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(nèi)市場較大，未來，專用領域?qū)Ｓ眯酒€是有較大的機會，有望實現(xiàn)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(nèi)跟海外相比并沒有落后，所以我們就是想做電力領域的一個專用芯片。

觀察者網(wǎng)：請問伏羲芯片的國產(chǎn)指令集架構、內(nèi)核和IP具體分別是什么？以及采用它們的原因？

姚浩：伏羲芯片是國內(nèi)首顆國產(chǎn)電力專用芯片，采用C-sky國產(chǎn)指令集，玄鐵系列國產(chǎn)內(nèi)核作為計算核心，保障了芯片核心知識產(chǎn)權自主可控；同時，伏羲芯片首創(chuàng)滿足電力工控應用需求的電氣參量計算、電力網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)并行處理等專用硬件算法IP，有效實現(xiàn)電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型對電力裝備基礎算力提升需求的支撐。

與大多數(shù)采用國外指令架構體系工業(yè)控制芯片區(qū)別的是，伏羲芯片率先采用完全國產(chǎn)的指令集生態(tài)，這源于技術路線選擇的考量：如果照著進口芯片依葫蘆畫瓢再做出一款基于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(chǎn)指令集、國產(chǎn)內(nèi)核不能永遠不發(fā)展，沒有人用它就永遠發(fā)展不起來。

當前，外國廠商所建立的芯片生態(tài)壁壘很高，培育新的生態(tài)需要百萬級、千萬級開發(fā)者的支持，在手機等消費類領域去發(fā)展國產(chǎn)指令集、內(nèi)核是很難的。但是在能源工控等相對封閉的專業(yè)領域，芯片生態(tài)所面對的開發(fā)者數(shù)量將下降幾個數(shù)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(fā)者、應用場景，逐步培育起國產(chǎn)芯片應用生態(tài)是有機會的，而這也是現(xiàn)今電網(wǎng)企業(yè)、終端制造企業(yè)的擔當與義務。

另外從國家層面來看，也更希望這種國產(chǎn)知識產(chǎn)權、國產(chǎn)內(nèi)核、國產(chǎn)生態(tài)能夠培育起來，不然就算不上自主可控。因此對于國內(nèi)整個芯片行業(yè)來說，我們不能只滿足于目前能自主設計芯片，還需要在核心知識產(chǎn)權、國內(nèi)自主可控芯片制造等領域跟全行業(yè)一起努力。即便我們現(xiàn)在五年內(nèi)、甚至十年內(nèi)都沒辦法超越人家，但起碼也要一步步縮小差距。

觀察者網(wǎng)：生產(chǎn)情況怎么樣，與國際上同類產(chǎn)品相比伏羲芯片的優(yōu)勢有哪些？有沒有盈利的需求？

姚浩：伏羲芯片在多家境內(nèi)晶圓廠代工生產(chǎn)，良品率達到90%，已具備批量推廣條件，后續(xù)將根據(jù)電網(wǎng)數(shù)字化進程逐步擴大伏羲芯片產(chǎn)能。

與同類競品比較，伏羲芯片的主要優(yōu)勢首先就是可控，伏羲芯片從核心知識產(chǎn)權到芯片設計、流片、封裝、測試全鏈條境內(nèi)自主可控，最大限度保障了電網(wǎng)關鍵核心元器件供應鏈安全、穩(wěn)定；其次是專用，伏羲芯片立足電力工控領域?qū)崟r、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制設計，從元件級實現(xiàn)對電網(wǎng)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、電力電子化等發(fā)展需求的支撐。

最新一版量產(chǎn)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(yè)務的實時計算等方面，具有1.3至1.9倍的性能優(yōu)勢，而功耗與競品基本實現(xiàn)持平。

至于盈利方面，我們首先還是聚焦于如何保障電網(wǎng)的安全可控，后續(xù)除了主控、安全等芯片外，我們還會往更多與業(yè)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(fā)的持續(xù)投入。

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

姚浩：電力行業(yè)每年涉及千萬級新增設備用量，涉及芯片達到數(shù)百億人民幣規(guī)模，相比全國每年數(shù)千億美金進口額來看其實并不多；雖然在低端領域有很多已經(jīng)是國產(chǎn)芯片了，但其中95%以上都是基于海外的指令架構。

“真正實現(xiàn)了自主可控”是因為伏羲芯片從核心知識產(chǎn)權到芯片設計、流片、封裝、測試全鏈條境內(nèi)自主可控，最大限度保障了電網(wǎng)關鍵核心元器件供應鏈安全、穩(wěn)定；目前大量采用進口指令架構芯片對于能源、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(nèi)做指令集、內(nèi)核的廠商屈指可數(shù)，而伏羲芯片采用的C-sky國產(chǎn)指令集、玄鐵系列國產(chǎn)內(nèi)核在國內(nèi)都做的比較好，其中C-sky的用量已經(jīng)達到了10億級別，在國內(nèi)來說相對比較成熟，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(chǎn)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于安全層面的顧慮。

觀察者網(wǎng)：你們覺得，南方電網(wǎng)能夠在電力芯片領域?qū)崿F(xiàn)突破的關鍵因素是什么？

姚浩：電力專用芯片這個概念其實是我們設計伏羲后才開始提出的，并不是所有應用到電力系統(tǒng)、電網(wǎng)產(chǎn)品的都叫電力專用芯片，我們指的電力專用芯片是能跟業(yè)務強關聯(lián)、具有專業(yè)屬性的芯片，比如主控、安全、邊緣計算芯片等。

傳統(tǒng)上講芯片產(chǎn)業(yè)鏈包括設計、制造、封裝、測試四大環(huán)節(jié)，但我們認為芯片應用也是一個很重要的環(huán)節(jié)。以前多采用通用芯片方案去滿足特定場景應用需求，而隨著專業(yè)領域技術發(fā)展，場景對于芯片的專用化需求日益增長，這種芯片在研發(fā)之初，用戶、應用場景、發(fā)展形態(tài)等都是已經(jīng)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，對于各行業(yè)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(yè)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(yè)用戶參與到專用芯片研發(fā)的原因。

在確定了這個方向后，隨著數(shù)字電網(wǎng)的深化發(fā)展建設，新舊業(yè)務的發(fā)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(wǎng)技術發(fā)展建設的關鍵支撐技術；南方電網(wǎng)作為數(shù)字電網(wǎng)的設計者、倡導者，有基礎，也有能力去主導芯片技術與電網(wǎng)應用的深度融合，南方電網(wǎng)在電力專用芯片領域走出了一條完全國產(chǎn)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(wǎng)：近幾年，國際上發(fā)生了一些電網(wǎng)被黑客攻擊癱瘓的事件。作為電力控制工業(yè)的大腦，請問伏羲芯片怎么保障國內(nèi)電網(wǎng)的安全？

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

實現(xiàn)國產(chǎn)化替代后，從電網(wǎng)安全的角度來看，有兩方面的優(yōu)點，第一是有效避免了進口器件、進口IP所可能隱藏的“攻擊后門”，因為完全自主化的芯片本身對我們而言是透明化的，也就不存在后門、黑盒等問題；第二就是伏羲芯片采用了非開源的國產(chǎn)指令架構，對于攻擊的黑客而言，它會是一個黑盒，所以在安全的防范上會更有效。

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

觀察者網(wǎng)：就從業(yè)者角度來看，你們認為電力芯片的國產(chǎn)化替代之路要走多久？兩大電網(wǎng)公司在其中是怎么協(xié)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(chǎn)化替代，很多領域已經(jīng)在進行部分國產(chǎn)器件的驗證和批量化使用。

伏羲芯片的使命也在于此。我們不在最高端工藝上去做突破，而是基于對這個行業(yè)的理解，從行業(yè)的生態(tài)、應用去突破，從而降低對高端工藝的依賴。目前電網(wǎng)在進行數(shù)字化轉(zhuǎn)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。以前需要考慮用什么裝置，后來需要考慮用什么元器件，而現(xiàn)在我們需要考慮讓芯片達到什么樣的技術指標，有什么樣的功能，是否安全可控等。

國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)都在電力芯片產(chǎn)業(yè)進行研發(fā)，但只靠我們兩家肯定不行，還需要很多行業(yè)領域的生態(tài)用戶來一起努力，電網(wǎng)公司充分發(fā)揮好“產(chǎn)業(yè)鏈鏈主”角色，進而帶動整個產(chǎn)業(yè)鏈、領域、生態(tài)圈的發(fā)展。

觀察者網(wǎng)：伏羲芯片現(xiàn)在的應用成果怎么樣？

姚浩：目前已應用于繼電保護、變電站自動化、配網(wǎng)自動化、計量自動化、邊緣計算、新能源等領域，后續(xù)將形成全系列產(chǎn)品，實現(xiàn)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(yè)開放，目前已有不少高校、研究機構、終端廠商提出合作，并發(fā)出共建國產(chǎn)芯片生態(tài)的倡議。立足電網(wǎng)，逐步向其他能源工礦、軌道交通領域發(fā)展是我們的愿景，也期望借助我國龐大的工控市場，不斷培育完善國產(chǎn)芯片生態(tài)。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(yōu)勢。

我們也會爭取在今年做一個產(chǎn)品發(fā)布，也希望以后每年都能夠發(fā)布新的電力芯片產(chǎn)品。

觀察者網(wǎng)：南方電網(wǎng)為伏羲芯片的研發(fā)投入了哪些資源？研發(fā)團隊的規(guī)模如何？

姚浩：南方電網(wǎng)啟動國產(chǎn)電力專用芯片“伏羲”的研究及開發(fā)工作以來，先后投入近200人次、上億元資金，走出一條具有電力工控特色的芯片發(fā)展路線。

從研發(fā)團隊來看，第一是具有產(chǎn)品開發(fā)能力，能夠確定電網(wǎng)以后需要哪些產(chǎn)品，用到電網(wǎng)的哪個環(huán)節(jié)；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(xiàn)出不同技術形態(tài)，以充分發(fā)揮其技術價值，以實現(xiàn)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；第三是芯片的定制化能力，根據(jù)業(yè)務場景需求開展芯片硬件、軟件定制化開發(fā)能力，比如電力網(wǎng)絡通信、電氣參量計算、安全動態(tài)度量等專業(yè)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(wǎng)已將“電力系統(tǒng)自主專用芯片” 納入公司 “十四五”10大重點研發(fā)方向和8大產(chǎn)業(yè)鏈方向之一，后續(xù)將逐步提升自主芯片在電網(wǎng)場景的覆蓋率，不斷提升芯片技術在電網(wǎng)建設中的關鍵支撐作用。

觀察者網(wǎng)：在開發(fā)芯片的過程中，你們感覺電力芯片產(chǎn)業(yè)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(nèi)的半導體行業(yè)，我們只是國產(chǎn)芯片里面的一個縮影；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(fā)展很快，尤其是數(shù)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(guī)模相去甚遠；再往后的芯片制造等領域，卡脖子最為嚴重。

另外在人才領域，與國外相比目前國內(nèi)市場上的芯片人才缺口依舊非常大，南方電網(wǎng)未來也會采取跟高校聯(lián)合加強人才培養(yǎng)。

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

姚浩：南方電網(wǎng)自2015年啟動“伏羲”研究計劃，與芯英科技沒有合作。

后記：“伏羲”的成功研發(fā)及量產(chǎn)，對于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(wǎng)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(wǎng)多領域場景新增設備的自主芯片覆蓋率，實現(xiàn)國產(chǎn)工業(yè)控制芯片規(guī)模化應用，防范化解電網(wǎng)安全運行重大風險。

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