基于专利情报的先进计算领域行业竞争者分析

白弋枫，靳云迪

（中国电子科技集团公司第二十九研究所，四川 成都 610000）

0 引 言

先进计算是融合了计算、存储、网络、控制等技术，以更高效地实现人、机、物互通和智能应用的新一代信息基础设施。近年来，先进计算正在与大数据、物联网、人工智能等技术融合，成为促进国家经济建设、社会发展、科学进步的重要推动力量。随着全球计算产业发展加速变革，前沿创新技术不断涌现，先进计算已成为电子信息技术发展的核心和本质，也是各国新一轮科技革命与产业变革的关键切入点。先进计算的重要性已引起了发达国家的高度重视，2020年11月18 日，美国白宫发布《开拓未来的先进计算生态系统战略计划》（Pioneering The Future Advanced Computing Ecosystem ：A Strategic Plan），构想了一个面向未来的先进计算生态系统。该生态系统将为美国继续保持在科学与工程、经济竞争力及国家安全领域的领先地位奠定基础。该战略计划明确了将面向未来的先进计算生态系统作为跨政府、学术界、非营利性组织和产业界的战略资源等战略目标。我国宜及早研究先进计算战略布局，抢抓计算产业发展的历史机遇。

本文针对以数模/模数转换器（AD/DA转换器）、现场可编程门阵列（FPGA）以及数字信号处理（DSP）为代表的先进计算，依托Incopat专利数据库开展分析，分析内容包括先进计算领域专利态势、行业主要竞争者分析，并提出我国先进计算领域的未来发展方向建议。

1 先进计算领域专利申请态势

1.1 总体申请趋势

2010年至今（数据截至2021年6月1日，下同）先进计算领域相关专利申请18 818件，包括10 132个专利族，其专利申请趋势如图1所示。

图1 先进计算专利总体申请趋势

2010年至今，总体年申请量约1 200件；同时，随着时间的推移，中国的专利申请量占总申请量的比例在稳步提升，由2010年的40%提升到了2020年的61%，说明中国市场变得越来越重要，也说明中国国内申请人的技术正在稳步进步。

1.2 主要竞争者分析

本节依托Incopat专利数据库，对数模/模数转换器（AD/DA转换器）、现场可编程门阵列（FPGA）以及数字信号处理（DSP）领域进行申请人的专利申请量排名统计，分析研究3个领域的主要行业竞争者的专利布局状况，见表1所列。

表1 先进计算领域主要竞争者分析

数模/模数转换器领域主要申请人包括：亚德诺半导体（Analog Devices）、高通（Qualcomm Incorporated）、德州仪器（TEXAS INSTRUMENTS）、微芯科技（MICRO CHIP）和英特尔（INTEL）等美国企业，索尼（SONY）、日本电气（RENESAS ELECTRONICS）和松下（PANASONIC）等日本企业，以及三星（Samsung）等韩国企业，中国台湾的联发科技（MediaTek）实力也比较突出。排名前十的企业多数分布在美国和日本等，说明数模/模数转换器技术目前准入门槛较高。

现场可编程门阵列前十位的申请人主要为中国申请人、美国申请人和日本申请人，其中：美国申请人包括赛灵思（XILINX）、阿尔特拉（Altera）、鲍尔德西（Actel）、莱迪思半导体（Lattice Semiconductor）以及国际商业（International Business），日本申请人包括富士通（FUJITSU）、东芝（TOSHIBA）、日立（HITACHI）以及日本电气（NEC）。其中：意法半导体是由是由意大利的SGS微电子公司和法国Thomson半导体公司合并而成，总部在瑞士。与数模/模数转换器领域类似，排名前十的企业多数分布在美国和日本等，说明现场可编程门阵列技术目前的准入门槛较高。

数字信号处理领域的主要申请人包括：阿尔特拉（Altera）、亚德诺半导体（Analog Devices）、高通（Qualcomm Incorporated）、德 州 仪 器（TEXAS INSTRUMENTS）、微芯科技（MICRO CHIP）和英特尔（INTEL）等美国企业，以及三星（Samsung）等韩国企业，中国台湾的联发科技（MediaTek）实力也比较突出；同时，还包括中国电子科技集团、华为以及中国科学院等中国企业及院所。虽然排名前十的企业多数分布在美国等区域，但是中国企业也占据了一定的市场份额，可以充分说明，在数字信号处理领域，国内企业、科研机构以及高校也有一定的技术积累。

2 行业主要竞争者分析

在先进计算领域，有的企业产品覆盖多个技术分支，采用全面覆盖的横向发展策略，例如美国企业德州仪器（TEXAS INSTRUMENTS），在包括数字信号处理器（DSP）、数字模拟转换器（ADDA）、模拟数字转换器、能源管理、模拟集成电路等不同产品领域都占据领先位置。无线通信也是德州仪器的焦点，全球有大约50%的移动电话都装有德州仪器生产的芯片。同时，它也生产针对应用的集成电路以及单片机等。有的企业其产品高度聚焦，采用以关键产品为核心的纵向发展模式，例如美国企业赛灵思（Xilinx）高度聚焦可编程芯片（FPGA），目前，在可编程逻辑器件市场，赛灵思（Xilinx）为领头羊，市场占有率超40%，其产品可以达到宇航级，因此，在航天产品里也占有一定的市场份额。以美国企业赛灵思（Xilinx）为目标展开分析。

赛灵思（Xilinx）公司成立于1984年，总部设在加利福尼亚圣何塞市（San Jose）。公司在全世界约有3 800名员工，凭借4 200多项专利和60余项行业第一，Xilinx取得了一系列成就。Xilinx在2017年收入为25.39亿美元，该公司研发、制造并销售高级集成电路、软件设计工具以及作为预定义系统级功能的IP（Intellectual Property）核。在可编程逻辑器件市场，赛灵思（Xilinx）的市场占有率超50%，目前为行业第一。赛灵思是FPGA、可编程SoC及ACAP的发明者，提供了业界最具活力的处理器技术，实现了智能计算。

2017年9月，Xilinx、Arm、Cadence等公司宣布，将共同构建首款基于台积7纳米FinFET工艺的支持芯片间缓存一致性（CCIX）的加速器测试芯片。2018年3月，Xilinx宣布推出一款超越FPGA功能的突破性新型产品，名为自适应计算加速平台（Adaptive Compute Acceleration Platform, ACAP）。ACAP是一个高度集成的多核异构计算平台，能根据应用与工作负载的需求从硬件层对其进行灵活修改。ACAP可在工作过程中进行动态调节，实现了CPU与GPU无法企及的性能与性能功耗比。2018年7月，Xilinx收购深鉴科技，深鉴科技是一家总部位于北京的初创企业，拥有业界领先的机器学习能力，专注于神经网络深度压缩技术及系统级优化。

2.1 赛灵思（Xilinx）的专利态势

2.1.1 赛灵思（Xilinx）的专利申请态势

1984年至今（数据截至2021年6月1日，下同）赛灵思相关专利申请6 085件，包括4 253个专利族，其专利申请趋势如图2所示。可以看出，赛灵思公司的专利申请趋势整体呈递增趋势，且存在一定的上下波动；赛灵思公司的专利申请量出现了4个高峰期，结合公司发展情况，分析其原因。

图2 先进计算对标申请人专利申请趋势

第一阶段：1997年，专利申请数量达到第一个高峰期，其专利申请数量为180件。1998年，推出VirtexFPGA系列，并为公司开辟了新市场。为保护其知识产权，赛灵思在1997年就申请了大量的专利，使得专利申请趋势中出现第一个高峰，说明赛灵思具有较强的专利保护意识。第二阶段：2000年—2004年，赛灵思的专利数据一直处于增长阶段，从2000年的200件增加到2004年的463件，在此期间，赛灵思推出了CoolRunner-II以及Spartan-3系列产品，其中Spartan-3系列产品为世界上首款90 nm FPGA，且成本较低。第三阶段：2009年专利申请数量达到417件，其原因是赛灵思在2009年推出了2款新一代FPGA系列产品，以及2011年收购了Sarance技术公司，专利申请的数量可能有一部分来源于新产品上市前的专利布局，另一部分来源于收购公司的专利。第四阶段：2015年专利申请数量达到497件，其原因是在2015年11月推出的Spartan®-7 FPGA系列产品上市之前，赛灵思布局了相关专利以保护Spartan®-7 FPGA系列产品。2018—2020年，专利申请的数据呈下降趋势，其原因一部分可能是申请的专利目前处于未公开状态，另一部分可能是专利数据库中的数据较为滞后。

综上，结合公司的技术发展状况，发现在每个高峰期前，赛灵思都推出了一些新产品，而这些专利申请量高峰期都是为新产品而布局，说明赛灵思对技术的保护意识较强。

2.1.2 赛灵思（Xilinx）的专利申请在各产品上分析

（1）技术申请分类：图3为赛灵思公司在数模/模数转换器、数字信号处理以及现场可编程门阵列三个技术分支的专利申请情况。赛灵思公司的现场可编程门阵列相关专利申请达2 891件，占到所有专利申请的81%，赛灵思公司的主要产品为现场可编程门阵列，在可编程逻辑器件市场，赛灵思的市场占有率超50%。赛灵思在数模/模数转换器以及数字信号处理方面申请专利较少，均不超过500件，两者之和占所有专利的20%。

图3 赛灵思专利申请分类统计

（2）地域布局：表2为赛灵思公司的布局地域情况，其主要布局在7大国家/地区，其中在美国布局数量最多，为2 642件，其中，现场可编程门阵列在美国的专利布局数量最多，与其他国家的专利布局情况相比，数模/模数转换器以及数字信号处理在美国的专利布局数量也最多。可以看到，赛灵思在中国布局的专利中，现场可编程门阵列相关专利达到了50件，占中国布局总量的60%，说明赛灵思公司的现场可编程门阵列的系列产品在中国拥有巨大的市场。

表2 先进计算领域申请人专利布局方向统计

2.1.3 赛灵思（Xilinx）的合作关系

通过检索，我们发现赛灵思公司在先进计算领域的专利申请数量为3 565件，其合作申请数量约40件，除与IMEC以及International Business Machines等企业合作外，其他均为与科研院所或个人的合作申请，说明赛灵思的研发主要依靠自身，极少借助外部研发机构。

2.2 小结

通过以上分析，可以看到目前各技术的重点申请人多数来自美国和日本，说明目前美国和日本的企业掌握了先进的技术和广阔的市场。具体来看，数模/模数转换器领域重点申请人包括亚德诺半导体和联发科技，此外，高通和索尼公司也有较多专利申请；现场可编程门阵列领域重点申请人中，赛灵思、阿尔特拉以及鲍尔德西的专利数量较多，几乎瓜分了整个市场；数字信号处理领域重点申请人包括：高通、阿尔特拉以及德州仪器等美国企业，国内方面中国电子科技集团、华为公司以及中国科学院的申请数量较高。

通过对赛灵思公司的分析，可以看到赛灵思的专利申请侧重在现场可编程门阵列领域；过去十年专利申请相对平稳，在2004年有一段时间的专利产出高峰；其专利主要布局在美国、日本、中国、韩国、世界知识产权以及欧洲专利局；并且其专利质量也高于行业平均水平，而其与其他企业或科研机构的合作较少，主要依靠自身的技术支撑。

3 结 语

中国目前在全球人工智能产业生态中处于领先地位：技术上，中国科研团队在多项国际人工智能比赛中取得佳绩，龙头公司大举吸收人才并在国内外设立研究部门；设施和数据上，随着互联网的发展和普及，中国已经具备了相当成熟的IT基础设施和个人智能终端，全球最大互联网用户群体每天产生的海量数据为人工智能训练提供了丰富的素材；应用上，各大互联网和IT龙头企业及雨后春笋般出现的创业企业在人工智能各领域做了积极的布局和尝试。人工智能产业要素中唯独在计算能力的基石—智能计算芯片领域我国还严重依赖海外产品：目前国内CPU、GPU民用市场几乎被Intel、AMD和NVIDIA占据。高端FPGA市场也主要被 Xilinx、Intel PSG（原 Altera）、Microsemi（原 Actel）、Lattice等海外公司占据。在新兴的人工智能ASIC专用芯片领域，国内技术处于比较领先的地位。

在我国芯片产业相对薄弱严重依赖海外产品的同时，美欧等发达国家、地区出于安全和技术保护，对我国高端芯片进口以及技术获取设置了障碍，并多次阻止中国企业和基金收购海外芯片业务。在人工智能大数据产业以及国产化安全可控双重需求驱动下，国产智能计算芯片成为人工智能产业生态中有待突破的瓶颈，未来发展潜力大，具有投资价值。