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国家电网的“芯片计划”:国产化路漫漫 需要一些勇气

国际电力网  来源:南方能源观察  作者:周慧之  日期:2019-04-22
  一款华为海思的麒麟芯片通常使用5年后退出市场,为此年度研发投入超百亿。而一颗工业级的“电力专用芯片”需要不间断工作10年以上,并经受住N重极端环境的考验。
 
  从西北可能遇到的极寒天气,到长江中下游梅雨季的持续高湿度,再到沿海地带的高含盐量空气,以及可能遭受到强电磁辐射的干扰,“电力专用芯片”需要同步适应千差万别甚至有点恶劣的电力工业条件。可靠性要求苛刻,工艺制造与研发难度远超普通消费级芯片。
 
  电力专用芯片是国内电力系统的说法,属于芯片行业通行四大类别(消费级、工业级、汽车级、军工级)中的工业级芯片。由于在电力领域使用时,有针对电力应用的专门设计,故得此称。
 
  例如要考虑主控芯片的电磁兼容功能,安全芯片有针对电力业务的安全防护,专用性方面计量芯片需适用电能计量等等。通常芯片商会根据电网的技术标准,开展并提供针对性的设计和方案。
 
  电力专用芯片正是电力公司打造蓝图宏伟的智能电网时,必备的元器件。2019年年初国家电网“泛在电力物联网”构想的提出,对电力专用芯片的需求将呈指数级上升。从发电、输电、变电、配电、调度到用电六大环节,上万个智能化场景都离不开芯片的使用。具体到日常可见的智能电表、智能充电桩,均有芯片植入其中。
 
  然而国内芯片产业发展滞后,国产化进程远无法跟上需求提速的步伐。且大众所熟知的华为、紫光、中兴等企业以研发消费级芯片为主,与工业级电力专用芯片对于工作时长、温度适应区间以及其他可靠性方面的要求存在明显差异。
 
  国家电网公司早在九年前智能电网建设初期,就成立了集成电路设计公司。可是由少数企业单枪匹马在工业级电力专用芯片领域试图各个击破,发力分散,也注定路途漫漫。复杂的半导体工业需要长期持续性的巨额研发投入,以及更多企业协作完成。
 
  电力物联网的浪潮,似乎在探索一个可能的方向:通过营造一个更具吸引力的市场,打破边界,带动更多企业参与到适配于电力业务的芯片研发当中。然而这又取决于国网对于芯片业务的定位,并采取怎样的市场策略。
 
  两度激活
 
  国家电网是全球规模最大、覆盖人群最多的公用事业公司,2010年1月正式全面推进智能电网建设,并以“一号文”发布《关于加快推进坚强智能电网建设的意见》。这就酝酿了一个极为庞大的工业级集成电路市场,当时预计芯片需求量在200亿片。
 
  不过彼时国内绝大部分的电力专用芯片需要从英飞凌、恩智浦、瑞萨、爱普生等欧美日半导体巨头采购。关键元器件受制于海外供应商,无论是议价能力还是产能、供货周期的匹配显然过于被动。另外考虑到电网数据安全,亦存在隐患。如此,国网体系内的自研芯片公司应运而生。
 
  2010年,北京智芯微电子有限公司(以下简称“智芯公司”)组建,目前由国网信息通信产业集团(以下简称“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。
 
  “智能电表中的安全芯片,是最初国网进军芯片领域的切入口。当时国网也表示有能力实现安全芯片的自主研发。”一位芯片专家告诉eo,“目前国网智能电表中的安全芯片,基本由智芯公司提供。”
 
  芯片产业链通常划分为设计、制造、封装、应用四个环节。国家电网的布局集中在资金与人才密集型的“两端”,即芯片设计与芯片应用。
 
  “国网做不了生产,也没必要做生产。”上述芯片专家解释,这是因为芯片全流程涉及技术面广泛,如果专注做设计,能做好就很好了。只有当产品具备足够竞争力,能够生存、盈利后,才会考虑扩展产品线。
 
  而且相对而言,制造与封装属于重资产。该人士补充道,这两个环节同样是技术密集型、资金紧密型产业。“制造环节其实是国内芯片产业的薄弱环节,尤其是光刻,一台先进工艺的光刻机就几亿美元,有钱不一定买得到,国际上只有一家荷兰公司能生产;而在封装环节,承担着绝大部分可靠性的责任,尤其对于航空航天用芯片来说,非常关键。”
 
  因电网转型牵动的集成电路市场,还在获得进一步激活。2019年1月21日,国家电网再度在“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。
 
  这意味着,国家电网事实上将拥有两张实体网络。全球能源互联网研究院高级工程师陆阳曾指出即将到来的5G时代对于国网的意义,“一张是电网,一张是信息通信网,而且随着未来业务的不断发展,信息通信网络的地位和重要性也是越来越突出。”
 
  这也是为什么国网信通产业集团副总经理孙德栋会强调,“信息通讯技术迅速发展到这个阶段,才能真正(支撑)建设泛在电力物联网。”国家电网可以通过信息通信网这“第二张网”,将触角从过去的电力设备之间,继续延展、发散到以电力为纽带的各类设备终端。
 
  这将直接促进泛在电力物联网构架中,感知层和网络层的芯片需求。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。不难预见,电力物联网时代能为芯片及其一整套解决方案的市场需求,带来巨大想象空间。
 
  据官方介绍,智芯公司目前已开发包括安全、主控、通信、传感、射频识别五大类别的76款产品。芯片销售量从2010年起步时期的0.25亿颗每年,提升到1亿颗每年。除本土外,还销往中亚、欧洲、南美、非洲等地。
 
  有业内人士告诉eo,在电力专用芯片领域,国家层面的推动体现并不显著,主要是电网领域的重要研发计划,属于科技项目的支持。“电网属于国家能源基础设施领域,具有开展国产化的有利条件,(电力专用芯片)可以作为一个较好的切入点,尤其是安全芯片。”
 
  根据智芯公司预计,泛在电力物联网建设将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,实现万物互联会给集成电路应用带来指数级数量增加,预计需求达千亿片。
 
  一边是黄金市场前景广阔,另一边却是国产化进程缓慢而艰难。
 
  国产化路漫漫
 
  “记得2010年之前,我跟大家一起做电力芯片的需求调研,那时候电力装置中所有设备里面的芯片90%依赖于集成,高端主要是欧美的,低端基本是日韩系列。”赵东艳在“第二届综合能源系统峰会暨泛在电力物联网论坛”上回忆。
 
  赵东艳是北京智芯微电子科技有限公司执行董事、党委书记。谈及中国芯片产业的整体现状,赵东艳感慨,“其实还是比较令人难过的。”中国芯片需求量占全球消费量一半以上,但自主研发的产品仅占到总体需求的四分之一。
 
  据她介绍,智芯公司已经将电力系统用电侧设备的核心芯片国产化率,从九年前的不足10%提升至60%以上。不过在用电环节之外,国产化率依旧停留在较低水平。2018年,配电环节的国产化率约10%,输变电及调度环节的国产化率低于5%。
 
  “其实芯片国产化依然很难。”赵东艳说。
 
  赵东艳提到电力专用芯片对外依存度高易存在三大隐患。一是信息安全风险,随着泛在电力物联网建设的深化,芯片的应用量将迅猛增加。作为信息技术底层支撑的芯片出问题,将严重影响到电网的安全运行。
 
  据了解,目前国网范围内智能电表中的安全芯片,全部来自智芯公司自主研发的产品,对于安全芯片排他性的采购,正是基于电网业务安全性的考量。
 
  二是价格居高不下,芯片严重依赖进口,芯片定价权牢牢掌握在国外厂商手里,芯片价格一直居高不下。
 
  上述芯片专家举例说,一款芯片产品如果国内无法供应,国外供应商可能会卖到3美元一颗,等国内有竞品出现后,他们会降价30%,但依然有70%左右的利润。也就是说,成本只有几十美分,而且成本与销售量成反比。
 
  三是供货周期长,国外芯片供不应求,加之部分国家对中国出口芯片有数量及附加条件限制等原因,芯片供货周期无法保证。
 
  一个例子发生在国内推进安装智能电表的初期,当时智能电表的RTC模块依赖于从日本采购,恰逢日本发生了9级的“311大地震”,并引发海啸以及福岛第一核电站核泄漏等事故。“日本地震之后,芯片用不上,我们整个国家智能电表的安装都无法完成。”赵东艳说。
 
  在上述专家看来,芯片属于交叉学科,其发展需要许多学科做支撑。从设计到生产,涉及电子信息、材料学等多个基础科学,而且在技术、专利、人才等多个方面存在壁垒。“所以不是一朝一夕能追赶上的。”
 
  除智芯公司之外,复旦微电子、锐能微、鼎信等多家企业在电力专用芯片领域有芯片产品推出,尤其在计量芯片、安全芯片以及智能电表中的应用,存在多家国产芯片公司竞争的局面。比如在计量芯片领域,国内厂商竞争激烈,国外厂商的利润达不到要求,就会选择退出。
 
  不过总体在主网、配网等环节而言,国产化率依旧偏低。据相关人士分析,如果功能方面的假设没问题的话,稳定性是一个重要的考量。“其实经过几年的市场验证,或多或少都有问题,厂家未必会放心大胆使用。就像我们买车,可能对国产车或多或少还是有疑虑的。”
 
  除此之外,国产芯片在成本竞争力上相对较弱,国外供应商更有底气打价格战。“因为前期国外厂商已经赚回了成本,在出现竞争对手时,可以将价格定的很低。”他说。
 
  持续探路
 
  “需要更明确的顶层设计支持。”有相关人士对此感到困惑,如何推动需要一个明确的思路与分工。过去在国网内部,存在多家企业同时研发芯片并存在业务竞争的情况,智芯公司的归属也有过几段流转。“宝贵的资源不要冲突,内部竞争有点浪费。”
 
  2018年9月26日,国网推进智芯公司与三大股东方签订增资协议。或许是受到2018年上半年“中兴事件”掀起全民对“国产芯”热切追求的影响,意识到进一步集中资源加注对芯片领域投入的迫切性,国网通过增资扩股完成内部芯片业务的资源整合,重复竞争的“老大难”问题得以解决。至此,智芯公司成为国网系统内唯一的芯片研发设计主体。
 
  国网公司总会计师罗乾宜称,这一增资行动,标志者智芯公司进入整合发展的新阶段。南瑞集团董事长奚富国表示,此次增资是国网公司准确把握经济发展形势和行业发展规律的战略决策,通过整合三方优势资源,有利于打通芯片产业上下游各个环节,实现研发与应用协同发展。
 
  与此同时,“需要一些勇气来试用这些(国产化)芯片。”上述业内人士说,有些芯片内部怀疑声音很大,不太敢用。如果要推动国产化,电网作为业主要有勇气去试点。
 
  泛在电力物联网的一大思路,其实是开放和跨界协作。赵东艳说,自主可控芯片的发展模式,不能靠一家企业来完成,本质上是打造一个良好的电力芯片发展生态圈,让这个生态圈里的电力芯片应用单位、电力终端厂商、电力芯片设计公司、电力芯片标准组织等充分沟通、密切协作、合理分工,共同推进电力芯片国产化进程。
 
  不过这可能需要国网明晰对智芯公司的业务定位,是全产品线参与?还是集中火力于几种芯片研发?在采购与竞争策略上,给其他国内芯片厂商多大空间?
 
  “只要是市场行为,都无可厚非。不过如果都同质化生产,做着完全相同规格、参数的芯片产品,容易导致资源浪费。但如果都各有所长,各个方面都有拿得出手的产品,整个芯片产业会更健康。”上述芯片专家说。
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