存算一體技術的專利分析

摘 要：【目的】隨著數據量的爆炸式增長，馮·諾依曼架構成為阻礙計算性能進一步提升的關鍵瓶頸。而新型存算一體架構，有望打破該瓶頸，大幅提高算力和能效。對存算一體技術進行專利分析，可為國內企業在該領域的研究和市場競爭提供有價值的專利信息。【方法】對存算一體技術的專利申請進行統計，并從多個維度對存算一體技術的專利申請情況進行分析。【結果】基于存算一體技術的專利申請量穩步增加；中國是重要的技術原創國，高校和科研院所是主要的申請主體，企業也在積極地進行專利布局。【結論】中國申請人在該領域具有一定的科研實力，但離國際領先的科技公司水平還有一定的差距。未來需持續在該領域進行研發投入，提升綜合競爭能力。

關鍵詞：存算一體；馮·諾依曼；專利分析

中圖分類號：TG333" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）11-0135-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.025

Patent Analysis of Computing in Memory Technology

DU Kekui ZHANG Qian

（Patent Examination Cooperation （Tianjin） Center of the Patent Office， CNIPA， Tianjin 300304， China）

Abstract： [Purposes] With the explosive growth of data， the von Neumann architecture has become a key bottleneck preventing further improvements in computing performance. The new Computing in Memory architecture is expected to break this bottleneck and greatly improve computing power and energy efficiency. The patent analysis of Computing in Memory technology can provide valuable patent information for domestic enterprises in the field of research and market competition. [Methods] The patent applications of the Computing in Memory technology were analyzed statistically， and the patent applications of the Computing in Memory technology were analyzed from multiple dimensions. [Findings] The number of patent applications based on Computing in Memory technology increased steadily. China was an important original technology country， with universities and research institutes as the main applicants， and enterprises were also actively carrying out patent layout. [Conclusion] Chinese applicants have certain scientific research strength in this field， but there is still a certain gap from the international leading technology companies. In the future， it is necessary to continue to invest in research and development in this field to enhance comprehensive competitiveness.

Keywords： computing in memory; John von Neumann; patent analysis

0 引言

近年來，隨著人工智能、云計算、大數據等高新技術應用的發展，數據量正在爆炸式增長。根據國際數據公司IDC（International Data Corporation）發布的《數據時代2025》，全球數據將由2018年的33 ZB增長到2025年的175 ZB，約每40個月翻一番 ［1］。然而，由于馮·諾依曼架構的局限性，系統在處理數據時會遇到存儲墻和功耗墻兩大問題［2-3］。

為打破馮·諾依曼構架的瓶頸，研究人員提出了存算一體技術。該技術通過在基本單元上將計算和存儲融合，支持直接在存儲模塊中進行數據運算，并將計算結果反饋給處理單元，從而大幅度降低數據的傳輸時間和功耗。存算一體構架被認為是具有潛力的革命性技術［4］。三星電子于2021年推出了存內處理方案（HBM-PIM），通過將經DRAM優化的AI引擎置于每個存儲子單元內，實現并行處理的同時減少了數據移動。SK海力士發布了由多片DRAM芯片在垂直堆疊后，通過TSV實現數據信號傳輸架構的堆疊高帶寬存儲器（HBM）。后摩智能公司在2023年的世界人工智能大會上發布了首款基于智能駕駛的存算一體芯片TMH30。知存科技主要采用嵌入式Flash工藝，于2020和2022年分別發布了WTM 1001芯片和SoC芯片WTM2101，實現了量產并投入了應用［5］。因此，為了給國內相關機構在該領域的專利布局和市場競爭提供有價值的專利信息，對存算一體技術的專利進行分析尤為必要。本研究基于incoPat專利數據庫中的專利信息，探究存算一體技術的發展態勢，以期為我國存算一體產業的未來布局提供參考。

1 全球專利申請情況

1.1 專利申請量

全球存算一體技術的專利申請量如圖1所示。由圖1可知，全球存算一體技術的專利申請量為11 739項。其中，中國的申請量為3 016項，全球占比約為25.69%。從產業發展及專利申請狀況可以得出，中國是存算一體技術的主要申請國之一，在國際競爭中占有一定的優勢地位。

1.2 專利申請趨勢

存算一體技術的專利申請趨勢如圖2所示。由圖2可知，存算一體技術的專利申請量總體呈上升趨勢，其申請量的變化趨勢可以細分為以下幾個階段。

2001年以前為技術萌芽期。在該時期，存算一體技術的研究逐漸起步，但發展較慢，專利的申請數量不多，呈現十分緩慢的增長趨勢。其原因是當時的數據處理需求量不大，其技術的發展側重在馮·諾依曼構架下實現硬件的升級。

的發展，對數據處理速度的要求逐漸提高。但其技術發展更側重于通過增加使用的存儲空間等來提高處理器的處理速度，增加總線的傳輸帶寬等來提高數據的處理量，導致該時期的申請量呈現比較平穩的狀態。

2011—2015年為低速發展期。隨著3G、4G技術的成熟及投入實際商用，網絡服務、視頻業務、短消息業務等多媒體業務蓬勃發展，導致數據的傳輸需求高速增長。雖然各大廠商在努力改進芯片制程以及提升傳輸帶寬，以提升處理速度及降低功耗，但傳統的馮·諾依曼構架已經越來越難以滿足未來發展需求。

2016年至今為高速發展期。隨著5G技術開始普及商用，各種高新技術應用蓬勃發展，數據量迎來爆炸式增長。但此時半導體工藝逼近物理極限，摩爾定律的節奏明顯放緩，探索算力提升的技術路徑是未來發展的迫切需求。該階段的專利申請呈現指數級增長。由于專利申請公開在時間上具有滯后性，除了提前公開外，一般是在受理之后的18個月，因此2022—2023年的專利申請數量有所減少。

1.3 專利主要申請人的申請量

在全球專利申請中，存算一體技術主要申請人的申請量排名情況如圖3所示。由圖3可知，申請量最多的是美光科技公司；排名第二的是三星電子。從申請量排名前15位的企業來看，中國專利申請人有5個，其余10個均為科技巨頭公司。這表明存算一體技術屬于重點前沿技術，是芯片技術的研究熱點，也說明存算一體技術蘊藏著巨大的商業價值。同時，從排名靠前的申請人所屬國別及其申請量上均可以看出，中國在該新興技術研究領域中處于重要地位，但相比于國外科技巨頭還有所差距，且申請人單位以高校和科研院所為主。未來須持續加大在該領域的研發投入，提高科研成果轉化率。

1.4 專利申請人區域分布

存算一體技術專利申請人的全球區域分布如圖4所示。該技術專利申請量排名前5的國家/地區/組織分別是美國、中國、韓國、WIPO、日本。其中，中國、美國在這一領域的專利申請量遠高于其他國家/地區/組織，占比為70.8%。這反映出中美在芯片科技領域的激烈競爭態勢。

2 中國專利申請情況

2.1 專利申請趨勢

中國存算一體技術專利申請趨勢如圖5所示。可以看出，存算一體技術的專利申請從1995年開始出現；1995—2016年，專利申請數量較少，該時期屬于技術的緩慢發展期；2016年至今，隨著對存算一體技術研究的重視程度不斷加深，其國內專利申請量迅速增長，增長趨勢與全球專利申請量變化趨勢一致。由于除要求提前公開的部分專利，發明專利申請一般在18個月后公開，因此，2022—2023年專利申請量較少主要是部分專利申請尚未公開導致的。

2.2 專利申請人分布

存算一體技術中國專利主要申請人的申請量排名情況如圖6所示。由圖6可知，研究力量主要集中在各大高校和科研院所中，其中以清華大學和北京大學為代表。還包括2家國內企業，1家國

外企業。因此，在國內專利申請方面，中國本土企業和科研院所的專利申請量遠高于國外企業和科研院所。這說明在國內的存算一體技術領域的專利申請中，中國本土企業和科研院所占主導地位，具有絕對的領先優勢，有利于提高自主競爭力。

2.3 各省（區、市）申請量分布

中國專利申請各省（區、市）申請量分布情況如圖7所示。申請量最多的是北京市，主要申請人有清華大學、北京大學、中國科學院微電子研究所等；緊隨其后的是江蘇省，主要申請人有中科南京智能技術研究院、南京大學等；然后分別為廣東省、浙江省和上海市，主要申請人有華為技術有限公司、之江實驗室及復旦大學等。

基于上述分析，可以初步看出，全球專利申請量和全球主要申請人主要來自美國、中國、日本、韓國。從我國專利申請量來看，存算一體技術的專利申請近幾年呈迅猛增長態勢，其申請量在全球專利中的占比較大。這反映出中國存算一體產業技術的積極發展。存算一體技術的提出，為從根本上解決馮·諾依曼架構瓶頸開辟了一條行之有效的解決途徑。然而，存算一體技術從概念到應用尚面臨很多挑戰，尤其是許多關鍵技術需要突破，這也使其成了近年來的研究熱點。

3 結語

本文對存算一體技術領域全球及國內的專利申請趨勢、主要申請人、申請地域等進行了分析。中國屬于發展較早的區域，且目前已成為全球研究的熱門區域，這對于中國芯片技術的發展起到了十分重要的推動作用。以清華大學、華為技術有限公司及北京知存科技有限公司等為代表的高校和企業，在存算一體技術方面的研究已經處于優勢地位，但中國離世界科技巨頭仍然有較大的差距。因此，中國相關企業和機構還需要不斷加大研發投入力度，通過自主創新開發存算一體芯片設計工具等產品，加強算法優化，提升綜合設計能力，構建存算一體芯片的產業化應用與生態。

參考文獻：

［1］REINSEL D，" GANTZ J，RYDNING J." Data age 2025：The digitization of the world from edge to core［J］. Seagate Data Age， 2018.

［2］ 郭昕婕，王光燿，王紹迪.存內計算芯片研究進展及應用［J］.電子與信息學報，2023，45（5）：1888-1898.

［3］ 張和. 基于MRAM和SRAM的混合器件存算一體芯片設計［D］.北京：北京航空航天大學，2021.

［4］ 高迪.面向存算一體系統的設計空間探索和系統優化方法研究［D］.杭州：浙江大學，2022.

［5］張心怡.破除“存儲墻”，存內計算來助力［N］.中國電子報，2022.

收稿日期：2023-11-10

作者簡介：杜克奎（1990—），男，碩士，知識產權師，研究方向：電子與通信技術；張茜（1987—），女，碩士，助理研究員，研究方向：交互設備（等同于第一作者）。