基于專利情報的先進計算領域行業競爭者分析

白弋楓，靳云迪

（中國電子科技集團公司第二十九研究所，四川 成都 610000）

0 引 言

先進計算是融合了計算、存儲、網絡、控制等技術，以更高效地實現人、機、物互通和智能應用的新一代信息基礎設施。近年來，先進計算正在與大數據、物聯網、人工智能等技術融合，成為促進國家經濟建設、社會發展、科學進步的重要推動力量。隨著全球計算產業發展加速變革，前沿創新技術不斷涌現，先進計算已成為電子信息技術發展的核心和本質，也是各國新一輪科技革命與產業變革的關鍵切入點。先進計算的重要性已引起了發達國家的高度重視，2020年11月18 日，美國白宮發布《開拓未來的先進計算生態系統戰略計劃》（Pioneering The Future Advanced Computing Ecosystem ：A Strategic Plan），構想了一個面向未來的先進計算生態系統。該生態系統將為美國繼續保持在科學與工程、經濟競爭力及國家安全領域的領先地位奠定基礎。該戰略計劃明確了將面向未來的先進計算生態系統作為跨政府、學術界、非營利性組織和產業界的戰略資源等戰略目標。我國宜及早研究先進計算戰略布局，搶抓計算產業發展的歷史機遇。

本文針對以數模/模數轉換器（AD/DA轉換器）、現場可編程門陣列（FPGA）以及數字信號處理（DSP）為代表的先進計算，依托Incopat專利數據庫開展分析，分析內容包括先進計算領域專利態勢、行業主要競爭者分析，并提出我國先進計算領域的未來發展方向建議。

1 先進計算領域專利申請態勢

1.1 總體申請趨勢

2010年至今（數據截至2021年6月1日，下同）先進計算領域相關專利申請18 818件，包括10 132個專利族，其專利申請趨勢如圖1所示。

圖1 先進計算專利總體申請趨勢

2010年至今，總體年申請量約1 200件；同時，隨著時間的推移，中國的專利申請量占總申請量的比例在穩步提升，由2010年的40%提升到了2020年的61%，說明中國市場變得越來越重要，也說明中國國內申請人的技術正在穩步進步。

1.2 主要競爭者分析

本節依托Incopat專利數據庫，對數模/模數轉換器（AD/DA轉換器）、現場可編程門陣列（FPGA）以及數字信號處理（DSP）領域進行申請人的專利申請量排名統計，分析研究3個領域的主要行業競爭者的專利布局狀況，見表1所列。

表1 先進計算領域主要競爭者分析

數模/模數轉換器領域主要申請人包括：亞德諾半導體（Analog Devices）、高通（Qualcomm Incorporated）、德州儀器（TEXAS INSTRUMENTS）、微芯科技（MICRO CHIP）和英特爾（INTEL）等美國企業，索尼（SONY）、日本電氣（RENESAS ELECTRONICS）和松下（PANASONIC）等日本企業，以及三星（Samsung）等韓國企業，中國臺灣的聯發科技（MediaTek）實力也比較突出。排名前十的企業多數分布在美國和日本等，說明數模/模數轉換器技術目前準入門檻較高。

現場可編程門陣列前十位的申請人主要為中國申請人、美國申請人和日本申請人，其中：美國申請人包括賽靈思（XILINX）、阿爾特拉（Altera）、鮑爾德西（Actel）、萊迪思半導體（Lattice Semiconductor）以及國際商業（International Business），日本申請人包括富士通（FUJITSU）、東芝（TOSHIBA）、日立（HITACHI）以及日本電氣（NEC）。其中：意法半導體是由是由意大利的SGS微電子公司和法國Thomson半導體公司合并而成，總部在瑞士。與數模/模數轉換器領域類似，排名前十的企業多數分布在美國和日本等，說明現場可編程門陣列技術目前的準入門檻較高。

數字信號處理領域的主要申請人包括：阿爾特拉（Altera）、亞德諾半導體（Analog Devices）、高通（Qualcomm Incorporated）、德 州 儀 器（TEXAS INSTRUMENTS）、微芯科技（MICRO CHIP）和英特爾（INTEL）等美國企業，以及三星（Samsung）等韓國企業，中國臺灣的聯發科技（MediaTek）實力也比較突出；同時，還包括中國電子科技集團、華為以及中國科學院等中國企業及院所。雖然排名前十的企業多數分布在美國等區域，但是中國企業也占據了一定的市場份額，可以充分說明，在數字信號處理領域，國內企業、科研機構以及高校也有一定的技術積累。

2 行業主要競爭者分析

在先進計算領域，有的企業產品覆蓋多個技術分支，采用全面覆蓋的橫向發展策略，例如美國企業德州儀器（TEXAS INSTRUMENTS），在包括數字信號處理器（DSP）、數字模擬轉換器（ADDA）、模擬數字轉換器、能源管理、模擬集成電路等不同產品領域都占據領先位置。無線通信也是德州儀器的焦點，全球有大約50%的移動電話都裝有德州儀器生產的芯片。同時，它也生產針對應用的集成電路以及單片機等。有的企業其產品高度聚焦，采用以關鍵產品為核心的縱向發展模式，例如美國企業賽靈思（Xilinx）高度聚焦可編程芯片（FPGA），目前，在可編程邏輯器件市場，賽靈思（Xilinx）為領頭羊，市場占有率超40%，其產品可以達到宇航級，因此，在航天產品里也占有一定的市場份額。以美國企業賽靈思（Xilinx）為目標展開分析。

賽靈思（Xilinx）公司成立于1984年，總部設在加利福尼亞圣何塞市（San Jose）。公司在全世界約有3 800名員工，憑借4 200多項專利和60余項行業第一，Xilinx取得了一系列成就。Xilinx在2017年收入為25.39億美元，該公司研發、制造并銷售高級集成電路、軟件設計工具以及作為預定義系統級功能的IP（Intellectual Property）核。在可編程邏輯器件市場，賽靈思（Xilinx）的市場占有率超50%，目前為行業第一。賽靈思是FPGA、可編程SoC及ACAP的發明者，提供了業界最具活力的處理器技術，實現了智能計算。

2017年9月，Xilinx、Arm、Cadence等公司宣布，將共同構建首款基于臺積7納米FinFET工藝的支持芯片間緩存一致性（CCIX）的加速器測試芯片。2018年3月，Xilinx宣布推出一款超越FPGA功能的突破性新型產品，名為自適應計算加速平臺（Adaptive Compute Acceleration Platform, ACAP）。ACAP是一個高度集成的多核異構計算平臺，能根據應用與工作負載的需求從硬件層對其進行靈活修改。ACAP可在工作過程中進行動態調節，實現了CPU與GPU無法企及的性能與性能功耗比。2018年7月，Xilinx收購深鑒科技，深鑒科技是一家總部位于北京的初創企業，擁有業界領先的機器學習能力，專注于神經網絡深度壓縮技術及系統級優化。

2.1 賽靈思（Xilinx）的專利態勢

2.1.1 賽靈思（Xilinx）的專利申請態勢

1984年至今（數據截至2021年6月1日，下同）賽靈思相關專利申請6 085件，包括4 253個專利族，其專利申請趨勢如圖2所示。可以看出，賽靈思公司的專利申請趨勢整體呈遞增趨勢，且存在一定的上下波動；賽靈思公司的專利申請量出現了4個高峰期，結合公司發展情況，分析其原因。

圖2 先進計算對標申請人專利申請趨勢

第一階段：1997年，專利申請數量達到第一個高峰期，其專利申請數量為180件。1998年，推出VirtexFPGA系列，并為公司開辟了新市場。為保護其知識產權，賽靈思在1997年就申請了大量的專利，使得專利申請趨勢中出現第一個高峰，說明賽靈思具有較強的專利保護意識。第二階段：2000年—2004年，賽靈思的專利數據一直處于增長階段，從2000年的200件增加到2004年的463件，在此期間，賽靈思推出了CoolRunner-II以及Spartan-3系列產品，其中Spartan-3系列產品為世界上首款90 nm FPGA，且成本較低。第三階段：2009年專利申請數量達到417件，其原因是賽靈思在2009年推出了2款新一代FPGA系列產品，以及2011年收購了Sarance技術公司，專利申請的數量可能有一部分來源于新產品上市前的專利布局，另一部分來源于收購公司的專利。第四階段：2015年專利申請數量達到497件，其原因是在2015年11月推出的Spartan?-7 FPGA系列產品上市之前，賽靈思布局了相關專利以保護Spartan?-7 FPGA系列產品。2018—2020年，專利申請的數據呈下降趨勢，其原因一部分可能是申請的專利目前處于未公開狀態，另一部分可能是專利數據庫中的數據較為滯后。

綜上，結合公司的技術發展狀況，發現在每個高峰期前，賽靈思都推出了一些新產品，而這些專利申請量高峰期都是為新產品而布局，說明賽靈思對技術的保護意識較強。

2.1.2 賽靈思（Xilinx）的專利申請在各產品上分析

（1）技術申請分類：圖3為賽靈思公司在數模/模數轉換器、數字信號處理以及現場可編程門陣列三個技術分支的專利申請情況。賽靈思公司的現場可編程門陣列相關專利申請達2 891件，占到所有專利申請的81%，賽靈思公司的主要產品為現場可編程門陣列，在可編程邏輯器件市場，賽靈思的市場占有率超50%。賽靈思在數模/模數轉換器以及數字信號處理方面申請專利較少，均不超過500件，兩者之和占所有專利的20%。

圖3 賽靈思專利申請分類統計

（2）地域布局：表2為賽靈思公司的布局地域情況，其主要布局在7大國家/地區，其中在美國布局數量最多，為2 642件，其中，現場可編程門陣列在美國的專利布局數量最多，與其他國家的專利布局情況相比，數模/模數轉換器以及數字信號處理在美國的專利布局數量也最多。可以看到，賽靈思在中國布局的專利中，現場可編程門陣列相關專利達到了50件，占中國布局總量的60%，說明賽靈思公司的現場可編程門陣列的系列產品在中國擁有巨大的市場。

表2 先進計算領域申請人專利布局方向統計

2.1.3 賽靈思（Xilinx）的合作關系

通過檢索，我們發現賽靈思公司在先進計算領域的專利申請數量為3 565件，其合作申請數量約40件，除與IMEC以及International Business Machines等企業合作外，其他均為與科研院所或個人的合作申請，說明賽靈思的研發主要依靠自身，極少借助外部研發機構。

2.2 小結

通過以上分析，可以看到目前各技術的重點申請人多數來自美國和日本，說明目前美國和日本的企業掌握了先進的技術和廣闊的市場。具體來看，數模/模數轉換器領域重點申請人包括亞德諾半導體和聯發科技，此外，高通和索尼公司也有較多專利申請；現場可編程門陣列領域重點申請人中，賽靈思、阿爾特拉以及鮑爾德西的專利數量較多，幾乎瓜分了整個市場；數字信號處理領域重點申請人包括：高通、阿爾特拉以及德州儀器等美國企業，國內方面中國電子科技集團、華為公司以及中國科學院的申請數量較高。

通過對賽靈思公司的分析，可以看到賽靈思的專利申請側重在現場可編程門陣列領域；過去十年專利申請相對平穩，在2004年有一段時間的專利產出高峰；其專利主要布局在美國、日本、中國、韓國、世界知識產權以及歐洲專利局；并且其專利質量也高于行業平均水平，而其與其他企業或科研機構的合作較少，主要依靠自身的技術支撐。

3 結 語

中國目前在全球人工智能產業生態中處于領先地位：技術上，中國科研團隊在多項國際人工智能比賽中取得佳績，龍頭公司大舉吸收人才并在國內外設立研究部門；設施和數據上，隨著互聯網的發展和普及，中國已經具備了相當成熟的IT基礎設施和個人智能終端，全球最大互聯網用戶群體每天產生的海量數據為人工智能訓練提供了豐富的素材；應用上，各大互聯網和IT龍頭企業及雨后春筍般出現的創業企業在人工智能各領域做了積極的布局和嘗試。人工智能產業要素中唯獨在計算能力的基石—智能計算芯片領域我國還嚴重依賴海外產品：目前國內CPU、GPU民用市場幾乎被Intel、AMD和NVIDIA占據。高端FPGA市場也主要被 Xilinx、Intel PSG（原 Altera）、Microsemi（原 Actel）、Lattice等海外公司占據。在新興的人工智能ASIC專用芯片領域，國內技術處于比較領先的地位。

在我國芯片產業相對薄弱嚴重依賴海外產品的同時，美歐等發達國家、地區出于安全和技術保護，對我國高端芯片進口以及技術獲取設置了障礙，并多次阻止中國企業和基金收購海外芯片業務。在人工智能大數據產業以及國產化安全可控雙重需求驅動下，國產智能計算芯片成為人工智能產業生態中有待突破的瓶頸，未來發展潛力大，具有投資價值。