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半导体领域专利分析——GPU设计

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标签:知识产权-专利电信、传媒、娱乐与高科技-高科技

2023年10月17日,美国商务部工业和安全局(BIS)更新了“先进计算芯片和半导体制造设备出口管制规则[1]”,将两家中国GPU企业列入了实体清单。2024年1月18日,工业和信息化部、教育部、科技部、交通运输部、文化和旅游部、国务院国资委、中国科学院七部门联合印发了《关于推动未来产业创新发展的实施意见》,该实施意见要求加快突破GPU芯片、集群低时延互连网络、异构资源管理等关键技术,建设超大规模智算中心,以满足大模型迭代训练和应用推理的需求,并提出“到2025年,未来产业技术创新、产业培育、安全治理等全面发展,部分领域达到国际先进水平,产业规模稳步提升”,“到2027年,未来产业综合实力显著提升,部分领域实现全球引领”的整体发展目标。2024年3月5日,第十四届全国人民代表大会上,国务院总理李强在政府工作报告中强调深化大数据、人工智能等研发应用,开展“人工智能+”行动,打造具有国际竞争力的数字产业集群。这一系列举措再次凸显了GPU芯片的重要性以及其在科技创新中的关键地位。

GPU全称为Graphics Processing Unit,中文为图形处理器,就如它的名字一样,GPU最初是用在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备(如平板电脑、智能手机等)上运行图形运算工作的微处理器。[2]

由于GPU在结构上并没有专门为图像服务的部件,只是对CPU的结构进行了优化与调整,所以现在GPU不仅可以在图像处理领域大显身手,它还被用来科学计算、密码破解、数值分析,海量数据处理和金融分析等需要大规模并行计算的领域。

当下GPU可以分为三类,分别是AI型、FP型和渲染型,AI型GPU以用于深度学习的加速卡为代表;FP型GPU则是那些用在超算上的加速卡,支持双精度的浮点数运算,可以进行科学计算;渲染型GPU主要是在较为传统的游戏、桌面等图形化上应用。

根据Verified Market Research数据统计,2020年全球GPU市场价值为254.1亿美元,2027年有望达到1853.1亿美元[3]。其中,2020年中国[4]GPU的市场规模为47.39亿美元,预计2027年市场规模将达345.57亿美元。随着市场对GPU需求的增长和美国近年来多次升级的对华芯片禁令措施,可能极大地刺激中国自主发展GPU的决心,加速中国对于GPU相关的研制工作,本文希望通过对比中、外企业的专利情况,一窥当前中国GPU设计的发展现状。

为了准确统计GPU设计技术领域的专利[5],我们通过分类号和关键词检索最近十一年(2013~2023年)中国受理的、与GPU设计技术相关的专利,并分别挑选了专利申请量排名靠前的十家中国企业和十家外国企业[6]进行下面的一系列的专利对比分析。

中、外国企业的CN专利申请趋势对比

2014年6月,《国家集成电路产业发展推进纲要》宣布实行,并明确提出加强集成电路知识产权的运用和保护,建立国家重大项目知识产权风险管理体系,引导建立知识产权战略联盟,积极探索与知识产权相关的直接融资方式和资产管理制度。随着政策的推进,在2016年中国集成电路知识产权高峰论坛上,由工信部科技司、工信部电子信息司指导并成立中国集成电路知识产权联盟,旨在整合全产业链资源,建成具有全球影响力的集成电路产业新兴知识产权组织。[7]同年7月,中共中央办公厅、国务院办公厅印发《国家信息化发展战略纲要》,提出要“构建先进技术体系,制定国家信息领域核心技术设备发展战略纲要,以体系化思维弥补单点弱势,打造国际先进、安全可控的核心技术体系,带动集成电路、基础软件、核心元器件等薄弱环节实现根本性突破”。

 

图1  中、外企业专利的CN专利申请量、授权量和授权率对比

正是伴随着这一系列政策集成电路相关政策的推动,GPU设计相关的中国企业的专利申请量随之逐年攀升。如图 1所示,本文所指的授权量指截至本文撰写日,2013-2023 逐年中请专利的当前授权量,授权率指授权量占当年申请量之百分比。从图1中可以看出,在2017年以前,中国企业的GPU设计相关专利的申请量一直落后于外国企业;2017年,中国企业的专利申请量首次超过外国企业的申请量,而从2019年后,中国企业的GPU设计相关专利申请量一路高歌猛进,在2023年时,尽管部分专利申请尚未公开,但是中国企业当年的申请量已经达到了外国企业专利申请量的7倍。由此,可以看出,政策切实地得到了落实,并印证到专利总量中。

从中、外企业的专利授权率来看,中国企业的授权率一直高于外国企业,并且,在2017年之后,外国企业的授权率急剧下滑,与中国企业拉开了巨大差距。通过对数据的解读,我们将外国企业的授权率急剧下滑的原因归结于以下两点:其一,由于外国企业更青睐于通过PCT途径进入中国,外国企业相比中国企业,更难通过快速预审程序加快专利授权,根据各地方知识产权保护中心规定,按照专利合作条约(PCT)提出的专利国际申请、进入中国国家阶段的PCT国际申请和分案申请不能申请快速预审程序[8]。其二,不少外国企业更擅长使用分案规则,使用多次分案的形式进行专利布局,如图2所示,CN202211664801.9继承母案CN201380045297.7的申请日,并在分案CN201810999968.8授权前继续提出再分案,使得该专利存在申请日为十年前,而距离申请日十年后该专利仍在实质审查中的情形,从而构成图1出现外国企业授权率大幅低于中国企业的情形之一。因此,对于中、外企业的授权率趋势,不能单凭曲线去评价专利质量高低。

 

图2  CN202211664801.9的专利申请时间轴

进一步地,我们分别对图1中的中、外国企业的专利申请趋势进行分析,发现中国企业的专利集中于电数字数据处理领域、计算机零部件领域、计算模型领域和图像数据处理应用领域。结合相关专利和专利申请的国际IPC主分类号的来看,中国企业的专利在电数字数据处理领域进行程序控制装置的专利申请量最多,超过4300件;其次是计算机零部件领域中进行识别模式的方法或装置专利,约2200件;此外,针对电数字数据处理领域与信息检索、数据库结构、文件系统结构有关的专利和将所要处理的数据转变成为计算机能够处理的形式的输入装置、用于将数据从处理机传送到输出设备的输出装置的专利也有上千件,具体参见下图:

 

图3  中国企业应用领域分类与IPC主分类号对比

 

同样地,在外国企业的专利和专利申请中,在电数字数据处理领域进行程序控制装置的专利申请量也是最多的,这说明该领域是当前中、外企业都关注的热点领域,具体参见下图:

 

图4  中国企业应用领域分类与IPC主分类号对比

 

与中国企业不同的是,外国企业的专利中,申请量排在第二位的专利为计算模型应用领域中,基于生物学模型的计算机系统。而在中国企业的专利中,原本排在第二位的、针对电数字数据处理领域对所要处理的数据转变成为计算机能够处理的形式的输入装置,在外国企业的专利中,下滑至第三位,双方关注的技术领域有微小的差别。

中、外国企业的独立权利要求与权利要求数的分布情况对比

权利要求书是确定专利权保护范围的依据,能在一定程度上反应权利的稳定性和技术方案的数量,一件专利的权利要求数量越多,该专利的保护层次越丰富,能更灵活地应对专利权挑战。其中,独立权利要求是权利要求书中最重要的权项,其限定了专利所要求的最大的保护范围,一件专利的独立权利要求数量越多,则说明专利保护的角度越多元,能从一定程度上反映专利覆盖的深度。而且,由于在中国的专利制度中,权利要求数超过10项则会产生附加费,因此,一件专利的权利要求数超过10项意味着专利权人为其技术方案支付额外费用的意愿更强。

 

图5   中国企业的独立权利要求与权利要求数的分布情况

如图4所示,在GPU设计技术相关的授权专利中,中国企业的专利权利要求数为11-20项权利要求的占比59.59%;其次为1-10项权利要求的占比23.03%;权利要求数大于21-50项的占比33.26%。上述数据表明,在中国企业申请的GPU设计技术相关的专利中,23.03%的授权专利将权利要求的数量控制在10项以内,不希望支付额外的费用,但他们中有19.79%的授权专利选择设置3-5项独立权利要求,说明这些企业有一定的、从多角度保护发明构思的意识;权利要求数在11项以上的授权专利占比共计59.59%,并且,这些专利也最倾向于撰写3-5项独立权利要求,由此可以看出,虽然中国企业为过半的GPU设计技术相关的授权专利权利要求支付了额外费用,但59.59%的专利将超出的权利要求数量控制在10项以内,可能由于中国企业并不希望花费过多的钱在权利要求中或其技术方案的层次一般只能达到20个。

 

图6    外国企业的独立权利要求与权利要求数的分布情况

如图5所示,在GPU设计技术相关的授权专利中,外国企业的专利权利要求数分布最多的区间也是11-20项权利要求,占比52.84%,与中国企业的占比59.59%差不多;其次为21-50项权利要求,占比42.27%,高于中国企业的33.26%;权利要求数区间为1-10项的占比仅为4.18%,远低于中国企业的23.03%。

上述数据说明,在外国企业申请的GPU设计技术相关的专利中,仅有4.18%的授权专利将权利要求的数量控制在10项以内,以避免支付额外费用,而且他们大多只设置1-2项独立权利要求,出现这类专利的原因,可能是相关专利的技术方案较为简单或者来源于某个复杂申请的分案。

通过对比上述中、外企业在GPU设计技术相关的授权专利的权利要求数和独立权利要求的分布情况,我们认为,目前中国企业已经有成熟的、从多角度保护发明构思的意识,而且也愿意为布局多层次权利要求支付一定额外费用,但与外国企业相比,中国企业在专利的稳定性和技术方案的数量上都不及外国企业的专利,这体现在外国企业在权利要求中构建了更为丰富的保护层次设计,同时,外国企业为权利要求所支付的额外费用也高于中国企业。

中、外国企业授权专利的文献页数对比

 

图7   中、外国企业授权专利的文献页数情况

授权专利文献的文献页数能够从一定程度上反映技术方案的复杂程度,根据中国的专利制度中,说明书从第31页起每页加收50元附加费,从第301页起每页加收100元附加费,因此,一件专利的页数越多,则意味着专利权人额外支付的费用越高。

由于我们在统计专利的文献页数时,无法单独统计说明书的页数,因此,图6中的文献页数包括了扉页和权利要求的页数。当文献页数到达35页以上时,说明书有较大可能超过31页,因此,我们解读文献页数大于35页的GPU设计技术相关的授权专利,数据表明,外国企业专利文献页数36-50页的占比37.9%,远高于中国企业的9.59%。中外企业专利文献页数在51-100页的占比相当,中国企业甚至略高近5%;但对于专利文献页数处于101-1000页区间的专利,外国企业有26.64%的专利,而中国企业仅有3.11%的专利,由此可以看出,外国企业对于GPU设计技术相关的授权专利的投入、技术方案的复杂程度都高于中国企业。

综上所述,对于寻求专利保护的企业而言,应该在不同的专利保护策略之间进行选择和权衡,以便在所处技术领域具有更显著的竞争力和优势。中国企业在专利布局中可以多借鉴先进企业GPU领域的专利策略,在项目启动前期开展专利地图项目,吸收先进企业的GPU专利组合布局经验,探寻适合自身发展水平的专利布局的手段,并且用专利分析的成果为研发做好探路工作;对于外国GPU行业巨头的强专利,做好自由实施风险分析工作,提前规避侵权风险。在专利撰写方面,应当积极学习先进企业的说明书撰写思路和权利要求架构,提前考虑用分案方式加强保护技术方案,以高质量撰写保护来之不易的科研成果。

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来自https://www.bis.doc.gov/index.php/documents/about-bis/newsroom/press-releases/3355-2023-10-17-bis-press-release-acs-and-sme-rules-final-js/file.

仅指中国大陆。

本文所指的专利,如无具体说明,则指含专利申请及授权专利。

本文所指的外国企业含港澳台地区企业。

《中国电子报》中国集成电路知识产权联盟在京成立 徐恒 详见:中国电子报文章 (cena.com.cn)

https://www.sohu.com/a/355794313_805739.

参考资料

  • [1]

    来自https://www.bis.doc.gov/index.php/documents/about-bis/newsroom/press-releases/3355-2023-10-17-bis-press-release-acs-and-sme-rules-final-js/file.

  • [4]

    仅指中国大陆。

  • [5]

    本文所指的专利,如无具体说明,则指含专利申请及授权专利。

  • [6]

    本文所指的外国企业含港澳台地区企业。

  • [7]

    《中国电子报》中国集成电路知识产权联盟在京成立 徐恒 详见:中国电子报文章 (cena.com.cn)

  • [8]

    https://www.sohu.com/a/355794313_805739.

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