1 引言
随着深度学习领域带来的技术性突破,人工智能无论在科研还是在产业应用方面都取得了快速的发展。深度学习算法需要大量的矩阵乘加运算,对大规模并行计算能力有很高的要求,CPU和传统计算架构无法满足对于并行计算能力的需求,需要特殊定制的处理单元,因而AI芯片技术得以迅速发展。当前对AI芯片的定义并没有一个公认的标准。比较通用的看法是面向AI应用的芯片都可以称为AI芯片。AI芯片主要有三种设计思路
[1]：专用于机器学习尤其是深度神经网络算法的训练和推理用加速芯片,如VPU、DPU、NPU、TPU等;受生物脑启发设计的类脑仿生芯片,如类脑芯片等;可高效计算各类人工智能算法的通用AI芯片,如GPU、FPGA、CPLD、ASIC、VLSI等
[2]。
随着智能化逐渐渗透到能源、交通、农业、公共事业等更多行业的商业应用场景中,考虑到智能化任务运算力需求,以及传输带宽、数据安全、功耗、延时等客观条件限制,AI芯片在越来越多的场景中表现出广阔的应用前景。根据全球市场洞察公司（Global Market Insights,GMI）的最新报告显示,2019年AI芯片组市场规模超过80亿美元,预计到2026年将增长至700亿美元,复合年增长率（CAGR）将达到35％左右,其中,中国AI初创公司将是推动亚太地区市场规模增长的主力军。
本文以专利文献为分析对象,分析揭示全球AI芯片专利技术布局态势和竞争格局,以期为我国人工智能及AI芯片技术研发和布局提供情报参考和支撑。
2 数据来源及检索方法
为更好地把握AI芯片技术的内涵及产品类型,更准确地制定AI芯片专利的检索策略,本文对AI芯片技术进行了拆解。基于拆解结果,制定检索词并构建检索策略。专利数据检索自incoPat专利数据库,数据范围为全球范围布局的AI芯片发明专利和实用新型专利,检索日期为2020年6月23日,最终通过简单同族合并共获得专利105 561项。以此为基础,从专利态势、专利来源国/地区、专利申请人、高价值专利四个角度对AI芯片及其分支领域进行专利布局分析。
3 AI芯片专利技术研发态势分析
3.1 全球专利态势分析
通过专利布局数量随时间的演化趋势,以及各分支领域专利数量分布,可以揭示AI芯片领域的全球专利技术研发及布局态势。
从专利数量演化趋势（
图1）可以看出,1960–2019年,AI芯片领域的全球专利布局总体呈现快速增长态势,共计产出105 177项专利,其中2018年专利布局数量最多,达6 596项。
具体来看,AI芯片全球专利布局可以分为四个阶段。
第一阶段（1960–1980年）,起始阶段,该时期AI芯片专利布局数量增长速度较慢,体量较小,属于AI芯片技术研发初始时期;
第二阶段（1981–1994年）,稳定增长阶段,该时期AI芯片专利布局数量增长加快且增速保持平稳,体量逐渐扩大;
第三阶段（1995–2008年）,波动增长阶段,该时期AI芯片专利布局数量呈现波动增长态势,出现了三起三落的技术研发态势;
第四阶段（2009–2019年）,快速增长阶段,该时期AI芯片专利布局数量呈现快速增长态势,是AI芯片在近60年发展历程中的黄金时期。
通过分析专利技术构成（
图2）可以看出,GPU、FPGI、ASIC、CPLD四个分支领域的专利布局数量最多,分别是59 071项、31 455项、8 769项、4 531项。其他如类脑芯片、VPU、NPU、DPU等分支领域的专利布局数量较少,仍处于概念设计或原型制造的阶段,尚未形成大规模产品化能力。
3.2 全球专利来源国/地区分析
通过分析全球专利来源国/地区分布情况,揭示AI芯片领域的优势技术国家/地区。从AI芯片专利布局总量（
图3）上看,中国在AI芯片领域的专利布局数量最多,达37 775项,其次是日本（22 227项）、美国（10 912项）和韩国（5 224项）。此外,德国和中国台湾的专利布局数量均大于500项,但与前四名的差距较大。
通过AI芯片专利布局数量五年变化趋势（
图4）可以看出,中国在AI芯片领域的专利布局数量增长速度极快,相较2000–2004年,2015–2019年中国专利布局数量增长了37倍。此外,美国的专利布局数量呈现平稳态势,增长趋势不明显;日本的专利布局数量呈现下降态势,2010–2014年和2015–2019年相较前一个五年均出现专利布局数量折半的现象。
3.3 全球专利申请人分析
通过分析全球专利申请人分布情况,揭示AI芯片领域的优势机构。从申请人专利布局（
图5）情况上看,AI芯片领域优势机构主要来自日本、中国、美国和韩国。其中,日本共有11家机构进入TOP20,佳能公司以3 489项专利位列全球首位,日本理光株式会社紧随其后,共有2 226项专利;中国共有5家机构进入TOP20,中国科学院以1 228项专利位列全球第6位,此外还包括浪潮集团、国家电网公司、郑州云海信息技术有限公司、中国电子科技集团公司;美国共有3家机构进入TOP20,富士施乐公司以1 744项专利位列全球第3位,此外还包括英特尔公司和英伟达公司;韩国有1家机构进入TOP20,即三星公司,其专利布局数量为1 525项,位列全球第4位。
通过申请人专利布局数量五年变化趋势（
图6）可以看出,2015–2019年,浪潮集团和中国科学院在AI芯片领域的专利布局数量分列全球第1、2位,且自2000–2004年以来,这两家机构的专利布局数量呈现快速增长的态势。相较之下,日本佳能公司和理光株式会社的专利布局数量呈现下降趋势,2015–2019年间的专利数量分列全球第4、5位。
3.4 全球高价值专利分析
“四方专利”是指同时在中国国家知识产权局、欧洲专利局、日本特许厅、美国专利商标局提交专利申请的发明创造。由于上述专利机构的专利申请和维护成本较高,如果发明者同时在上述市场寻求专利保护,并愿意支付高成本的专利申请和维护费,一般认为这些专利背后的技术发明可能有较高价值。通过四方专利数量TOP20国家/地区分布情况（
图7）可知,日本拥有的AI芯片四方专利数量最多,达929项,其次是美国（282项）、韩国（96项）、德国（43项）、荷兰（42项）,中国拥有32项AI芯片四方专利,位列全球第6位。同时,应注意的是,中国在AI芯片专利总量方面占据优势,但是四方专利数量与日本和美国存在较大差距,专利整体质量有待进一步提升。
4 AI芯片分支领域专利技术研发态势分析
4.1 图形处理器（GPU）领域
图形处理器（Graphic Processor Unit,GPU）是CPU、DSP之外的一种高端通用处理器。CPU中计算单元ALU约为25%,逻辑控制为25%,缓存Cache 50%,而GPU中计算单元ALU通常达到95%,缓存Cache为5%。近年,由于图形处理器采用了数量众多的计算单元,具有大规模并行计算能力,在机器视觉和深度学习等人工神经网络、人工智能等领域得到了普遍应用
[3]。
4.1.1 全球专利态势分析
从专利数量演化趋势（
图8）中可以看出,1960–2019年,GPU领域的全球专利布局总体呈现增长态势,共计产出58 967项专利,2006年专利布局数量最多,达2 494项。
具体来看,GPU全球专利布局可以分为四个阶段。
第一阶段（1960–1977年）,起始阶段,该时期GPU专利布局数量增长速度较慢,体量较小,属于GPU技术研发初始时期;
第二阶段（1978–1986年）,快速增长阶段,该时期GPU专利布局数量呈现快速增长态势,增速逐渐加大;
第三阶段（1987–2000年）,稳定增长阶段,该时期GPU专利布局数量增长加快且增速保持平稳,体量逐渐扩大;
第四阶段（2001–2019年）,波动稳定阶段,该时期GPU专利布局数量呈现波动稳定态势,整体上未有大的增长或减少。
4.1.2 全球专利来源国/地区分析
从GPU专利布局总量（
图9）上看,日本在GPU领域的专利布局数量最多,达20 141项,与其他国家/地区相比,占据数量上的绝对优势,其次是中国（7 826项）、美国（5 481项）和韩国（3 515项）。此外,中国台湾和德国的专利布局数量均大于400项,但与前四位差距较大。
通过GPU专利布局数量五年变化趋势（
图10）可以看出,中国在GPU领域的专利布局数量增长速度极快,相较2000–2004年,2015–2019年中国专利布局数量增长了近56倍。此外,美国的专利布局数量呈现平稳增长态势,专利体量逐渐扩大;日本的专利布局数量呈现下降态势,2010–2014年和2015–2019年相较前一个五年均出现专利布局数量折半的现象。
4.1.3 全球专利申请人分析
从申请人专利布局（
图11）上看,GPU领域优势机构主要来自日本、美国和韩国。其中,日本共有13家机构进入TOP20,佳能公司以3 389项专利位列全球首位,日本理光株式会社紧随其后,共有2 007项专利;美国共有6家机构进入TOP20,富士施乐公司以1 698项专利位列全球第3位,此外还包括英伟达公司、英特尔公司、微软公司、苹果公司和高通公司;韩国有1家机构进入TOP20,即三星公司,其专利布局数量为1 226项,位列全球第4位。中国未有一家机构进入全球TOP20。
通过申请人专利布局数量五年变化趋势（
图12）可以看出,2015–2019年,三星公司、佳能公司和索尼公司在GPU领域专利布局数量分列全球前3位,其中,三星公司GPU专利布局数量呈现增长态势,而佳能公司和索尼公司则均处于下降趋势。此外,日本理光株式会社、柯尼卡美能达公司等日本机构的专利布局数量也处于下降趋势。
注：取GPU专利总量位列全球TOP10的申请人为分析对象,以2015–2019年专利数量降序排列展示图像。
4.1.4 全球高价值专利分析
通过四方专利数量TOP20国家/地区分布情况（
图13）可知,日本所拥有的GPU四方专利数量最多,达857项,其次是美国（194项）、韩国（76项）、荷兰（36项）,中国拥有14项GPU四方专利,位列全球第7位。同时,应注意的是,中国GPU专利总量虽位列全球第2位,但是四方专利数量与日本和美国存在较大差距,专利整体质量有待进一步提升。
4.2 现场可编程逻辑门阵列（FPGA）领域
现场可编程门阵列 (Field Programmable Gate Arrays,FPGA) 是一种可编程使用的信号处理器件,用户可通过改变配置信息对其功能进行定义,以满足设计需求。与传统数字电路系统相比,FPGA具有可编程、高集成度、高速和高可靠性等优点,通过配置器件内部的逻辑功能和输入/输出端口,将原来电路板级的设计放在芯片中进行,提高了电路性能,降低了印刷电路板设计的工作量和难度,有效提高了设计的灵活性和效率
[4]。
4.2.1 全球专利态势分析
从专利数量演化趋势（
图14）中可以看出,1960–2019年,FPGA领域的全球专利布局总体呈现快速增长态势,共计产出31 225项专利,2018年专利布局数量最多,达3 491项。
具体来看,FPGA全球专利布局可以分为三个阶段。
第一阶段（1960–1994年）,起始阶段,该时期FPGA专利布局数量增长速度较慢,体量较小,属于FPGA技术研发初始时期。
第二阶段（1995–2007年）,稳定增长阶段,该时期FPGA专利布局数量增长加快且增速保持平稳,体量逐渐扩大。
第三阶段（2008–2019年）,波动增长阶段,该时期FPGA专利布局数量呈现快速成长态势,是FPGA在近60年发展历程中的黄金时期。
4.2.2 全球专利来源国/地区分析
从FPGA专利布局总量（
图15）上看,中国在FPGA领域的专利布局数量最多,达23 829项,与其他国家/地区相比,占据数量上的绝对优势,其次是美国（2 849项）、韩国（975项）和日本（959项）。此外,德国、印度、中国台湾、英国的专利布局数量均大于100项,但与上述四国间的差距较大。
通过FPGA专利布局数量五年变化趋势（
图16）可以看出,中国在FPGA领域的专利布局数量增长速度极快,相较2000–2004年,2015–2019年中国专利布局数量增长了近68倍。此外,美国、韩国和日本的专利布局数量均呈现不同程度的下降态势。
注：取FPGA专利总量位列全球TOP10的国家/地区为分析对象,以2015-2019年专利数量降序排列展示图像。
4.2.3 全球专利申请人分析
从申请人专利布局（
图17）上看,FPGA领域优势机构主要来自中国、美国和韩国。其中,中国共有15家机构进入TOP20,中国科学院以838项专利位列全球首位,国家电网公司紧随其后,共有544项专利,此外还包括中国电子科技集团公司、浪潮集团、北京航空航天大学、西安电子科技大学等;美国共有3家机构进入TOP20,赛灵思公司以243项专利位列全球第7位,此外还包括Altera公司、Actel公司;韩国共有2家机构进入TOP20,LG集团以180项专利位列全球第13位,此外还有位列全球第16位的三星公司。
通过申请人专利布局数量五年变化趋势（
图18）可以看出,2015–2019年,包括中国科学院在内的9家机构FPGA专利布局数量分列全球第1至9位,且2000–2004年以来,上述9家机构专利布局数量呈现快速增长的态势。相较之下,美国赛灵思公司的专利布局数量呈现下降趋势,2015–2019年间的专利数量位列全球第10位。
4.2.4 全球高价值专利分析
通过四方专利数量TOP10国家/地区分布情况（
图19）可知,美国所拥有的FPGA四方专利数量最多,达39项,其次是日本（34项）和德国（11项）,中国拥有9项FPGA四方专利,位列全球第4位。同时,应注意的是,中国FPGA专利总量遥遥领先于其他国家,但是四方专利数量与美国和日本仍存在一定差距,专利整体质量有待进一步提升。
4.3 复杂可编程逻辑器件（CPLD）领域
CPLD（Complex Programmable Logic Device,CPLD）是一种较PLD更为复杂的逻辑元件。CPLD是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台,用原理图、硬件描述语言等方法,生成相应的目标文件,通过下载电缆将代码传送到目标芯片中,实现设计的数字系统。
4.3.1 全球专利态势分析
从专利数量演化趋势（
图20）中可以看出,1990–2019年间,CPLD领域的全球专利布局总体呈现快速增长态势,共计产出4 511项专利,2015年专利布局数量最多,达420项。
具体来看,CPLD全球专利布局可以分为三个阶段.
第一阶段（1990–2000年）,起始阶段,该时期CPLD专利布局数量增长速度较慢,体量较小,属于CPLD技术研发初始时期;
第二阶段（2001–2007年）,稳定增长阶段,该时期CPLD专利布局数量增长加快且增速保持平稳,体量逐渐扩大;
第三阶段（2008–2019年）,快速增长阶段,该时期CPLD专利布局数量呈现快速增长态势,是CPLD在近30年发展历程中的黄金时期。
4.3.2 全球专利来源国/地区分析
从CPLD专利布局总量（
图21）上看,中国在CPLD领域的专利布局数量最多,达4 036项,与其他国家/地区相比,占据数量上的绝对优势,其次是美国（113项）、韩国（104项）和中国台湾（101项）。此外,日本、印度、法国和德国的专利布局数量均大于10项,但与中国的差距较大。
通过CPLD专利布局数量五年变化趋势（
图22）可以看出,中国在CPLD领域的专利布局数量增长速度极快,相较2000–2004年,2015–2019年中国专利布局数量增长了近18倍。
4.3.3 全球专利申请人分析
从申请人专利布局（
图23）上看,CPLD领域优势机构主要来自中国、美国和韩国。其中,中国共有18家机构进入TOP20,浪潮集团以264项专利位列全球首位,郑州云海信息技术有限公司紧随其后,共有215项专利,此外还包括英业达科技有限公司、国家电网公司、鸿海集团、中国科学院等;美国有1家机构进入TOP20,赛灵思公司以20项专利位列全球第12位;韩国有1家机构进入TOP20,LG集团以20项专利并列全球第12位。
通过申请人专利布局数量五年变化趋势（
图24）可以看出,2015–2019年,中国10家机构CPLD专利布局数量占据全球前10位,且2000–2004年以来,多数机构专利布局数量呈现快速增长的态势。
4.4.4 全球高价值专利分析
通过四方专利数量TOP10国家/地区分布情况（
图25）可知,法国所拥有的CPLD四方专利数量最多,共3项,中国台湾、德国、日本、比利时等均拥有1项CPLD四方专利。中国未拥有CPLD四方专利。
5 总结
本文面向揭示AI芯片专利技术研发态势的客观需求,基于全球范围内AI芯片专利数据,从总体和典型分支领域两个层面,从专利态势分析、专利来源国/地区、专利申请人、高价值专利四个角度,对AI芯片领域的专利布局情况进行分析,由此发现：（1）AI芯片全球专利布局总体呈现快速增长态势,经历了起始、稳定增长、波动增长和快速增长四个发展阶段,GPU、FPGI、ASIC、CPLD四个分支领域是AI芯片技术研发的主流方向;（2）中国在AI芯片领域的专利布局数量最多且增速最快,日本、美国和韩国具有良好的AI芯片专利布局基础,但近年来增长势头不明显,日本专利布局呈现下降趋势;（3）AI芯片领域优势机构仍主要集中在日本,但近年来,浪潮集团、中国科学院等国内机构在AI芯片领域的专利布局力度提升明显;（4）AI芯片领域的四方专利主要由日本和美国持有,中国的持有量与上述两国间仍有较大的差距,专利整体质量有待进一步提升;（5）中国在FPGA和CPLD领域的技术优势明显,在GPU领域与日本仍存在一定的差距,但是中国在上述分支领域持续保持着较强的专利布局力度。
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