基于专利数据的芯片领域技术创新动态测度

毛荐其 ，郭夏夏 ，毛才玮，郝存浩

（1.山东工商学院工商管理学院，山东 烟台 264005；2.叶史瓦大学科学与健康学院，美国 纽约 10033）

1 引言

2018年，美国悍然发起对华贸易战，限制高科技产品对华出口，特别是芯片，中国相关企业被迫从依赖进口向自主研发转型。2018年以来，我国中兴通讯在内的多家实体企业被美国列入了出口管制清单；2019年5月，美国商务部正式把华为列入了“实体清单”；《日经亚洲评论》称，德国芯片供应商英飞凌也已暂停向华为供货。以上事件无不表明，我国芯片领域“卡脖子”问题已然严峻，发展国产芯片产业刻不容缓。为什么是芯片？芯片何以如此重要？这是因为芯片是战略性、基础性、先导性产业，是信息技术产业的核心。作为现代工业的“食粮”，芯片被广泛应用于人工智能、云计算、智能制造等众多新兴领域，离开芯片产业的支撑，智能终端的发展将无从谈起。

对某一特定技术领域背后的技术创新动态及技术演变图景的分析，有助于获得关于该领域发展方向和优化发展布局的有价值的信息。现有芯片领域研究多从技术角度出发，大部分集中在描述性的定性研究以及简单的专利数量统计研究，未从全方位、多角度深入剖析芯片领域的技术创新动态。芯片产业是高新技术产业的核心，而要解决我国当前的“卡脖子”问题，关键要依靠科技创新，这是我国实现战略性产业核心技术突破的必然选择，也是现实要求，因此，有必要对芯片领域的技术创新动态进行全面系统的分析。本研究从芯片领域技术研发机构、高产机构所属的国家/地区、芯片技术自身等多个层面展开，旨在为芯片领域的技术创新提供一个清晰的图景，进而为未来国家该如何布局芯片产业的发展提供有价值的参考。

2 文献综述

在集成电路芯片领域，早期研究主要从定性描述与简单的专利计量着手。如姜丽楼等从专利数量和专利内容方面对芯片领域的发明专利进行了比较分析，并提出了相关建议以加大我国的知识产权保护力度；张百尚等从产业链、政策等角度分析了当前我国芯片产业的发展概况；王立娜等列举一批极具发展潜力的未来芯片技术，分析了当前这些技术的市场成熟度、应用前景，提出了发展规划及建议；刘毅对移动终端基带芯片的专利布局、主要技术主题和主要研发机构进行了简单阐述。近年来，芯片领域的研究主题逐渐多样化，部分学者把社会网络分析方法引入芯片技术的研究中。例如：张贝贝等从技术集成创新理论和结构再造理论出发，分析了芯片制造技术的集成创新机理；孙冰等以手机芯片专利数据为基础，构建专利引文网络，识别了手机芯片领域的核心企业；马丽仪等构建了芯片领域专利申请者的合作网络，并分析了其结构变化特征；类似地，刘奕涵等也通过构建芯片领域的地区合作网络，分析了粤港澳大湾区的芯片技术协同创新情况。国际上对芯片领域的研究主要集中在片上系统和片上实验室。例如：Vakilian等对芯片实验室研究进行了文献计量分析，探讨了其主要研究机构与研究领域；Shiu等对比了美国与中国台湾地区的片上系统技术专利，阐述了片上系统技术发展的过程和技术研发组织之间的合作结构。

在创新测度领域，现有研究多从科学研究和技术研发两个角度着手。科学论文产出是评价科研主体创新能力和质量的重要体现；一个国家的专利活动又很大程度上反映了其技术创新能力，因而用论文数据和专利数据对某一技术领域进行创新测度和识别，可准确反映出这一领域的创新综合实力。例如：毛荐其等使用科学论文数据对储能技术领域的科学创新进行了系统分析；Guan等基于复杂网络理论，使用社会网络分析方法测度了纳米能源领域的科学与技术创新，并明确了中国在该领域的国际地位和影响力。此外，国内外学者还从指标体系构建和评价方面对技术创新测度进行了实证研究。例如，李志春等从创新广度、深度、生命周期等多维角度，分析了高技术产业的创新动态演化。

综上，当前芯片领域的研究主要有定性与定量两个方面。其中，定性研究主要分析芯片的产业发展态势，定量研究主要集中在芯片技术研发机构与区域之间的合作网络构建。芯片技术的创新测度也仅仅局限于手机芯片，鲜有研究系统分析芯片领域的技术创新动态。芯片领域的技术知识主要源于哪里？哪些组织是芯片技术研发的主要创新者？它们的创新成果分布如何随时间的推移而变化？哪些技术是芯片领域的核心技术？解决这些问题有助于认清和把握芯片技术研发的当前现状和未来走向，从而为优化我国技术研发布局提供借鉴。为了实现这一目标，本研究结合专利计量方法和社会网络分析方法，从芯片领域技术研发机构、高产机构所属的国家/地区、芯片技术自身等多层面展现芯片领域的技术创新全貌，并划分时间窗口进行动态比较，以期为芯片技术的发展及“卡脖子”技术的突破提供参考。

3 研究方法与数据来源

3.1 研究方法与框架

本研究先描述芯片领域技术产出数量的总体分布情况，接下来从技术研发组织机构、高产机构所属国家/地区、技术自身等多角度全方位展示芯片领域的技术创新动态。

在组织机构层面：第一，选取在数据库中申请专利数量最多的TOP20机构，并将这些机构与其所属国家/地区进行匹配，以识别芯片技术研发中高产出的创新者。第二，研究表明合作能够带来创新质量的实质性提高，为了明确各组织机构间合作研发专利的情况，本研究绘制了反映知识流动的组织机构合作网络。创新者的知识需求及兴趣甚至组织环境等均会随时间而发生变化，这促使创新者不断重构自我网络，因而本研究将整体数据分为3个时间窗，进一步分析在3个时间窗内TOP50的组织机构间合作网络的结构动态演变。第三，构建基于组织机构创新力与控制力两个指标的二维象限图，依次识别3个时间窗内芯片领域技术创新的核心机构。由于企业的创新力可以参考专利授权量以及新产品销售收入两类指标，本研究采用企业的专利授权量占时间窗内专利总量的比值来测度企业的创新力。判断一个节点是否为核心节点不仅要考虑它的重要性，结合网络连接结构会更有说服力，因为创新主体在网络中占据不同的位置对其创新绩效会产生不同程度的影响。鉴于核心企业大多位于网络中的核心位置，掌握着大量资源，是知识扩散和知识转移的中心，所以其通常占据网络中结构洞的位置；又因中介中心度可以反映网络中结构洞控制网络资源的能力，因而本研究采用跨机构合作网络中节点的中介中心性测度企业的控制力。节点的中介中心性的计算公式为：

其中：g表示从节点到节点（，≠）的最短路径数量；g表示经过节点的从到的最短路径的数量。

在技术层面：第一，选取IPC技术分类码的前四位代表技术主题，统计芯片技术领域使用最频繁的技术主题，选取超过2 000项专利使用的技术主题进行展示。第二，将所选时间段分为3个时间窗，分别识别3个时间窗内的关键核心技术并进行动态比较。由于关键核心技术具有主导性，而技术主导性又展现了技术影响力强的特点，又因核心技术在整个产业链中起着关键作用，在技术系统中控制着网络中的技术资源，所以在关键核心技术识别中，本研究使用技术影响力和技术控制力两个指标进行组合分析。其中，技术影响力是指技术对技术系统发展的影响程度，技术控制力是指某一技术在技术系统中控制资源的能力。本研究借鉴黄鲁成等提出的技术影响力系数来测度技术的主导性，其计算公式为：

其中:S表示技术的影响力系数；表示技术全集；和表示技术子集；a表示技术对技术的影响值，本研究用技术共现网络中与之间的共现频次来计算。参考上文对机构控制力的计算方法计算技术的控制力，最后基于技术影响力与技术控制力构建二维象限图，分别识别各时间窗内的关键核心技术。

3.2 数据来源

本研究所用的专利数据来自德温特数据库（DII），参考 Liu等、刘明艳、陈昆等对芯片领域专有名词的表述，构建检索式如表1所示，时间跨度为1991—2020年，检索日期为2021年7月23日，经过数据清洗，共获得芯片技术专利138 462项。

表1 芯片领域技术检索词

4 研究结果

图1展示的是1991—2020年全球芯片技术专利申请的总体发展趋势。1992年芯片领域专利数量实现首次增长，接下来经历了一个不稳定的发展阶段，直到1997年和1998年，专利数量实现大幅增长，增长率高达54.7%和55.3%；随后，该领域专利数量在接下来的10年左右稳定增长，平均增长率为4.27%；从2008年开始，该领域专利发展进入了瓶颈期，专利数量呈总体下降、局部回升的变化趋势，到2020年，该领域专利数量累积达到138 462项。纵观整个时间段，除1996—2008年该领域专利数量稳步增长外，其他时间段均呈现不稳定的发展状态。本研究将1991—2020年这30年间的专利产出以每10年划分一个时间窗口，来系统描述芯片领域的技术创新动态。

图1 1991—2020年全球芯片技术领域专利数量逐年产出情况

4.1 组织机构层面

4.1.1 高产机构。由于同一组织机构可能存在不同形式的名称，为了数据的精确性，本研究对组织机构的名称进行标准化。首先使用SciTool的检测重复节点功能检测出相似节点，然后根据生成的文本文档对原始数据进行手动标准化，最后使用Excel自动去重。表2展示了芯片领域技术创新产出TOP20的组织机构及其所属的国家/地区和专利产出数量，这20个高产机构的专利数量占专利总数的44.7%。

表2 芯片领域技术创新产出TOP20机构

为了反映不同国家/地区的芯片领域专利产出能力，本研究对TOP20机构与所属国家/地区进行匹配并计算出了其产出数量所占的世界份额，如图2所示。结合表2与图2可以明显看出，日本在芯片技术领域占据绝对优势地位，其次是韩国和美国，值得注意的是，中国台湾地区以专利产出占比1.51%的成绩超过德国位居第四，这揭示了中国台湾地区在芯片技术领域的雄厚实力。此外，在芯片领域专利产出TOP20机构中，所有机构类型均为企业，无科研院所和高校，这表明在芯片技术创新中，企业是最活跃的创新者。

图2 芯片领域技术创新产出TOP20机构所属国家/地区的专利数量及所占世界份额

4.1.2 跨机构技术研发合作。为了展现芯片技术领域组织机构间的合作结构及动态演化，本研究将整个时间段划分为3个时间窗，分别为1991—2000年，2001—2010年及2011—2020年。首先分别提取3个时间段内专利产出TOP50的组织机构，然后依据它们之间的合作关系构建组织机构合作网络，结果如图3—5所示。其中，节点代表某个组织机构，连边代表两机构间存在合作关系，且节点越大表明与该节点的合作者越多，连边越粗表明两机构间合作频次越高。表3还展示了反映各时间段内网络结构特征的指标。

图3 1991—2000年芯片领域技术创新跨机构合作网络

图4 1991—2000年芯片领域技术创新跨机构合作网络

图5 2011—2020年芯片领域技术创新跨机构合作网络

表3 芯片领域技术创新跨机构合作网络特性

从网络整体结构来看，第一阶段到第二阶段组织机构间合作网络扩张显著，结合表3可知，其联结数量由64个增加到了149个。这表明高产创新者越来越多地打破自身局限、实施跨组织的知识搜索，组织间的知识流动进一步增强。但是，第三阶段组织间的合作却明显减少，网络结构稀疏，联结数量甚至低于第一阶段。这从侧面反映了企业对知识产权的高度重视。

从网络内部成员来看，3个时间段内的合作网络均形成了清晰的内部集群，揭示了组织间知识流动的聚集情况。第一阶段的红色集群主要涉及来自德国的企业，以英飞凌和西门子为首，二者之间形成了强大的知识联系，集群的外围位置还涉及日本和美国的企业，如东芝、IBM、夏普、新科等；绿色集群几乎全部是来自日本的企业，以日立和瑞萨电子为首，还有国际电信、三菱电机、日本电气、住友电气等；蓝色集群主要是来自韩国的现代电子和LG集团，三星集团处在这个集群的边缘位置。第二阶段高产机构之间的合作强度显著增大，同样形成了3个内部集群。红色集群主要包含来自日本的企业，其中，瑞萨电子、日本电气、三菱电机3个企业处于领头羊位置，松下、索尼、夏普、东芝、东京电子等企业在该网络中也较为突出；绿色集群主要包含来自韩国的企业，其中，海力士和美格纳半导体之间的合作关系最强，此外，在这个集群中，韩国的三星与德国英飞凌、美国IBM公司也存在合作关系；蓝色集群主要包含的还是日本的企业，如日立和尔必达，其中，日立还与第一个集群中的瑞萨电子形成了强大的知识联系。第三阶段网络较为分散，分别形成了以美国企业IBM及格芯为首的蓝色集群、以日本企业尔必达为核心的绿色集群及分散的来自德国、日本、韩国各公司的红色集群。总体来说，第一阶段与第二阶段日本、德国、韩国3个国家合作活动最多，第三阶段网络规模最小，但美国和中国的地位凸显出来，中国台湾地区的台积电加入与美国机构的合作行列中来。

4.1.3 核心机构识别。本研究还计算了TOP50机构的创新力与控制力，并以此为依据识别各阶段的核心机构，结果如图6—8所示，图中虚线为平均值。从图中可以看出，只有少数组织拥有较高的创新力与控制力，其余组织都处于较低水平。因此，在芯片领域的技术创新中，只有少数组织控制着知识流动的规模，担任着活跃创新者的角色。由图6可知，第一阶段位于第一象限的9家核心机构均来自日本，其中日立、东芝和日本电气三家企业尤为突出，这表明在早期的芯片领域日本占据绝对领先地位。但是在第二阶段，日本企业的实力明显下降，尤其是日立公司，其在第二阶段的创新力依旧保持不变，但控制力却远低于平均值，到了第三阶段创新力也明显下降。第二阶段除继续保持核心地位的东芝、松下、索尼、富士通及夏普等5家日本公司外，美国的IBM和美光科技、德国的英飞凌以及韩国的三星也跃居世界核心位置。此外，自2001年以来，日本的瑞萨电子也持续保持着行业的核心地位。值得注意的是，第三阶段中国台湾地区的台积电脱颖而出成为该行业具有世界水平的核心机构；美国的英特尔和格芯、德国的欧司朗半导体也成为了全球芯片领域技术创新的核心机构；中国大陆的中芯国际在国际上的地位也展现出来，其创新力虽高，但控制力却处于较低水平。从时间上来看，日本的东芝在1991—2020年30年间一直保持着高水平的创新力和控制力，2001年以来美国的IBM和韩国的三星也是如此。

图6 1991—2000年机构创新力与机构控制力组合分析

图7 2001—2010年机构创新力与机构控制力组合分析

图8 2011—2020年机构创新力与机构控制力组合分析

4.2 技术层面

4.2.1 技术领域分布。芯片领域的专利申请涵盖广泛的技术领域，在本研究收集的专利数据中，共有554个技术子类，其中有25个运用次数在四位数级别的IPC子类。图9展示了运用次数超过2 000次的技术代码。从图中可以看出，首先是H01L（半导体或电固体相关的器件及处理它们的方法或设备）这一技术主题占据绝对领先位置，有77.38%的专利运用了这一技术，而其他技术主题运用数量与之差距悬殊，说明该技术在芯片领域不可或缺。其次是H05K（印刷电路；电设备的外壳或结构零部件；电气元件组件的制造）、G06F（电数字数据处理）和G01R（测量电变量与磁变量），运用率分别为5.58%、4.92%和4.59%。最后是与电学类相关的技术子类，H03K（如脉冲技术）、H01S（利用受激发射的器件）和H01J（放电管或放电灯）。

图9 1991—2020年芯片领域TOP IPC分布情况

4.2.2 关键核心技术识别。关键核心技术的识别来自技术影响力和技术控制力两个变量的组合分析，测度方法如上文所示。具体而言，首先使用技术影响力系数判断3个时间窗内各技术的主导性，技术影响力系数越大表示技术主导性越强；然后选取TOP50主导性技术进行其控制力的计算；最后构建两个指标的二维象限图进行组合分析，进而识别出关键核心技术。在专利组合分析中，以技术影响力和技术控制力的平均值为界将二维象限图划分为四个象限。本研究将处于第一象限的具有高影响力和高控制力的技术认定为芯片领域的关键核心技术，识别结果如图10—12所示。

图10 1991—2000年技术影响力与技术控制力组合分析

图11 2001—2010年技术影响力与技术控制力组合分析

图12 2011—2020年技术影响力与技术控制力组合分析

半导体或电固体相关的器件及处理它们的方法或设备（H01L）这一技术子类的技术影响力与技术控制力极高且其他技术子类与之差距悬殊，无疑在芯片领域中占据绝对重要地位，是芯片领域最重要的关键核心技术。为了更清晰地展现其他技术子类的相对地位，图10—12是将H01L这一技术子类剔除后进行的展示。由图10—12可知，H05K（印刷电路；电设备的外壳或结构零部件；电气元件组件的制造）、C23C（用物理或化学方法对金属材料的镀覆）、G01R（测量电变量与磁变量）、G06F（电数字数据处理）、G06K（数据识别及表示；记录载体与对其的处理）以及G01N（借助测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料）等在1991—2020年30年间一直处在行业至关重要的地位，是芯片领域的关键核心技术。从时间发展上来看，1991—2000年间，除上述几项关键核心技术外，B32B（层状产品如泡沫状或蜂窝状的薄层构成的产品）、G11C（静态存储器）及H01J（放电管或放电灯）等也是芯片领域的关键核心技术，到了第三阶段B32B、G01N及H01J退出了关键核心技术的行列，且第二阶段新涌现出了H05B（电热）和B42D（可动条带的记录或读出设备）两项关键核心技术。2011年以来，G05B（控制或调节系统，这种系统的功能单元及监视或测试它们的装置）、H04N（图像通信）及B23K（用焊接方法包覆或镀敷；火焰加热切割；用激光束加工）等3项技术的重要性显现出来，成为该领域的关键核心技术。总体来看，芯片领域的关键核心技术主要是电学和物理学领域的技术，化学领域的技术子类排在第三位。值得注意的是，作业运输领域的部分技术也充当着芯片领域关键核心技术的角色。

5 结论与讨论

本研究描绘了芯片领域技术创新全貌并进行了动态比较，从组织机构、高产机构所属国家/地区及技术自身等多个层面绘制了芯片领域技术创新的产出规模、增长趋势等图景，回答了芯片领域的技术知识主要源于哪里、哪些组织是芯片技术研发的主要参与者、它们的创新分布如何随时间的推移而变化以及该领域的关键核心技术是什么等关键问题，旨在详细了解相关组织如何在该领域开展技术创新活动，为研究人员、决策者、研究资助者等提供借鉴。

具体来说，本研究发现：2008年之前，芯片领域的专利产出总体呈上升趋势，但是2008年之后专利量却逐渐下降，直至2016年才开始有所回升。在组织机构层面，芯片领域技术创新产出机构TOP20中，有60%的机构是日本的企业，这表明日本在芯片技术领域处于世界领先位置，其次是韩国和美国；值得注意的是，中国台湾地区的台积电已跻身于世界TOP20高产机构的行列，甚至超越了德国，这表明中国台湾地区在芯片技术领域的创新实力较强；而在世界TOP20高产机构中未出现中国大陆的企业，这表明中国大陆在芯片领域的创新实力有待提高。从合作情况来看，在2001—2010年间组织机构间的合作网络呈明显扩张的趋势；1991—2020年间3个时间段的合作网络都有明显的区域集群；1991—2010年间，日本、德国、韩国的企业合作强度最大，而2011年以后中美两国的地位逐渐显现出来，中国台湾地区的台积电加入跨组织边界的知识搜索中。从芯片技术领域的核心机构来看，1991—2000年间，芯片领域的核心机构全部来自日本，如日立、东芝、日本电气等，这表明日本进军芯片技术研发领域较早，是该领域的领头羊；2001—2010年间，除东芝、松下、索尼、富士通及夏普五家日本公司外，美国的IBM和美光科技、德国的英飞凌以及韩国的三星等也跃居世界核心位置；2011年以前的核心机构中并未出现属于中国的机构，而在2011年以后，中国台湾地区的台积电脱颖而出成为该领域具有世界水平的核心机构，中国大陆的中芯国际的世界地位也显现出来，中芯国际虽不是核心机构，但其创新力在世界上处于领先水平，机构控制资源的能力有待提高。

从对芯片领域关键核心技术的识别研究中可以看出，除H01L（半导体或电固体相关的器件及处理它们的方法或设备）这一最为重要的关键核心技术外，H05K（印刷电路；电设备的外壳或结构零部件；电气元件组件的制造）、C23C（用物理或化学方法对金属材料的镀覆）、G01R（测量电变量与磁变量）、G06F（电数字数据处理）、G06K（数据识别及表示；记录载体与对其的处理）以及G01N（借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料）等也是芯片技术领域较为重要的6项关键核心技术。

当国家/地区以及机构想要了解自己和竞争对手在芯片技术领域的发展情况时，本研究结果可以作为研究决策的考虑因素之一，同时也可以为技术研发资助者提供参考。此外，本研究还发现芯片研究主要集中于极少数国家/地区和组织，这可能会导致该领域已有创新者与新进入者的信息及权力不对称，未来新政策应促进协同发展。本研究的局限性有以下四点：第一，本研究在参考已有研究的基础上，从芯片的制造流程出发构建检索式，其精确度有待提高；第二，芯片有很多种类，本研究未进行细分，未来研究可对芯片进行细分，从而分析其特定子领域的创新状况；第三，本研究识别出的关键核心技术无法判断国别，这源于数据库的资源有限，我国决策者只能根据关键核心技术识别结果自行判断该技术在国内是否缺失并进行合理的技术研发布局，未来研究可对中国情境进行具体展示；第四，本研究只关注了芯片领域的技术创新发展，未来研究可关注其科学、产业等方面，这有助于全面了解一个国家/地区、机构的综合创新价值。