摘 要 ：隨著全球計算產業(yè)發(fā)展加速變革，前沿創(chuàng)新技術不斷涌現(xiàn)，先進計算已成為電子信息技術發(fā)展的核心和本質，也是各國新一輪科技革命與產業(yè)變革的關鍵切入點。先進計算的重要性已引起了發(fā)達國家的高度重視，我國宜及早研究先進計算戰(zhàn)略布局，搶抓計算產業(yè)發(fā)展的歷史機遇期。本文針對以數(shù)模 / 模數(shù)轉換器（AD/DA 轉換器）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）以及數(shù)字信號處理（DSP）為代表的先進計算，依托 Incopat 專利數(shù)據(jù)庫開展分析，分析內容包括先進計算領域專利態(tài)勢、行業(yè)主要競爭者分析，并提出我國先進計算領域的未來發(fā)展方向建議。

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(xiàn)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(shù)據(jù)、物聯(lián)網、人工智能等技術融合，成為促進國家經濟建設、社會發(fā)展、科學進步的重要推動力量 [1]。隨著全球計算產業(yè)發(fā)展加速變革，前沿創(chuàng)新技術不斷涌現(xiàn)，先進計算已成為電子信息技術發(fā)展的核心和本質，也是各國新一輪科技革命與產業(yè)變革的關鍵切入點。先進計算的重要性已引起了發(fā)達國家的高度重視，2020 年11 月 18 日，美國白宮發(fā)布《開拓未來的先進計算生態(tài)系統(tǒng)戰(zhàn)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(tài)系統(tǒng)。該生態(tài)系統(tǒng)將為美國繼續(xù)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(zhàn)略計劃明確了將面向未來的先進計算生態(tài)系統(tǒng)作為跨政府、學術界、非營利性組織和產業(yè)界的戰(zhàn)略資源等戰(zhàn)略目標 [2]。我國宜及早研究先進計算戰(zhàn)略布局，搶抓計算產業(yè)發(fā)展的歷史機遇。

本文針對以數(shù)模 / 模數(shù)轉換器（AD/DA 轉換器）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）以及數(shù)字信號處理（DSP）為代表的先進計算，依托 Incopat 專利數(shù)據(jù)庫開展分析，分析內容包括先進計算領域專利態(tài)勢、行業(yè)主要競爭者分析，并提出我國先進計算領域的未來發(fā)展方向建議。

1 先進計算領域專利申請態(tài)勢

1.1 總體申請趨勢

2010 年至今（數(shù)據(jù)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。

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(wěn)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(wěn)步進步。

1.2 主要競爭者分析

本節(jié)依托 Incopat 專利數(shù)據(jù)庫，對數(shù)模 / 模數(shù)轉換器（AD/DA 轉換器）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）以及數(shù)字信號處理（DSP）領域進行申請人的專利申請量排名統(tǒng)計，分析研究 3 個領域的主要行業(yè)競爭者的專利布局狀況，見表 1 所列。

數(shù)模 / 模數(shù)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(yè)，索尼（SONY）、日本電氣（RENESAS ELECTRONICS）和松下（PANASONIC）等日本企業(yè)，以及三星（Samsung）等韓國企業(yè)，中國臺灣的聯(lián)發(fā)科技（MediaTek）實力也比較突出。排名前十的企業(yè)多數(shù)分布在美國和日本等，說明數(shù)模 / 模數(shù)轉換器技術目前準入門檻較高。

現(xiàn)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(yè)（InternationalBusiness）， 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(shù)模 / 模數(shù)轉換器領域類似，排名前十的企業(yè)多數(shù)分布在美國和日本等，說明現(xiàn)場可編程門陣列技術目前的準入門檻較高 [3-5]。

數(shù)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（QualcommIncorporated）、 德州儀器（TEXAS INSTRUMENTS）、 微芯科技（MICRO CHIP）和英特爾（INTEL）等美國企業(yè)，以及三星（Samsung）等韓國企業(yè)，中國臺灣的聯(lián)發(fā)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(yè)及院所。雖然排名前十的企業(yè)多數(shù)分布在美國等區(qū)域，但是中國企業(yè)也占據(jù)了一定的市場份額，可以充分說明，在數(shù)字信號處理領域，國內企業(yè)、科研機構以及高校也有一定的技術積累 [4-6]。

2 行業(yè)主要競爭者分析

在先進計算領域，有的企業(yè)產品覆蓋多個技術分支，采用全面覆蓋的橫向發(fā)展策略，例如美國企業(yè)德州儀器（TEXASINSTRUMENTS），在包括數(shù)字信號處理器（DSP）、數(shù)字模擬轉換器（ADDA）、模擬數(shù)字轉換器、能源管理、模擬集成電路等不同產品領域都占據(jù)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(yè)其產品高度聚焦，采用以關鍵產品為核心的縱向發(fā)展模式，例如美國企業(yè)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(yè)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(yè)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(fā)、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(tǒng)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(yè)第一。賽靈思是 FPGA、可編程 SoC 及 ACAP 的發(fā)明者，提供了業(yè)界最具活力的處理器技術，實現(xiàn)了智能計算 [7-8]。

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(jù)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(tài)調節(jié)，實現(xiàn)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(chuàng)企業(yè)，擁有業(yè)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(tǒng)級優(yōu)化。

2.1 賽靈思（Xilinx）的專利態(tài)勢

2.1.1 賽靈思（Xilinx）的專利申請態(tài)勢

1984 年至今（數(shù)據(jù)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(xiàn)了4個高峰期，結合公司發(fā)展情況，分析其原因。

第一階段 ：1997 年，專利申請數(shù)量達到第一個高峰期，其專利申請數(shù)量為 180 件。1998 年，推出 VirtexTM FPGA 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(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)據(jù)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(tài)，另一部分可能是專利數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)較為滯后。

綜上，結合公司的技術發(fā)展狀況，發(fā)現(xiàn)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(shù)模 / 模數(shù)轉換器、數(shù)字信號處理以及現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)模 / 模數(shù)轉換器以及數(shù)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%。

（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(qū)，其中在美國布局數(shù)量最多，為2 642 件，其中，現(xiàn)場可編程門陣列在美國的專利布局數(shù)量最多，與其他國家的專利布局情況相比，數(shù)模 / 模數(shù)轉換器以及數(shù)字信號處理在美國的專利布局數(shù)量也最多。可以看到，賽靈思在中國布局的專利中，現(xiàn)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(xiàn)場可編程門陣列的系列產品在中國擁有巨大的市場。

2.1.3 賽靈思（Xilinx）的合作關系

通過檢索，我們發(fā)現(xiàn)賽靈思公司在先進計算領域的專利申請數(shù)量為 3 565 件，其合作申請數(shù)量約 40 件，除與 IMEC以及 International Business Machines 等企業(yè)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(fā)主要依靠自身，極少借助外部研發(fā)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(shù)來自美國和日本，說明目前美國和日本的企業(yè)掌握了先進的技術和廣闊的市場。具體來看，數(shù)模 / 模數(shù)轉換器領域重點申請人包括亞德諾半導體和聯(lián)發(fā)科技，此外，高通和索尼公司也有較多專利申請 ；現(xiàn)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(shù)量較多，幾乎瓜分了整個市場 ；數(shù)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(yè)，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(shù)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(xiàn)場可編程門陣列領域 ；過去十年專利申請相對平穩(wěn)，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(yè)平均水平，而其與其他企業(yè)或科研機構的合作較少，主要依靠自身的技術支撐 [9-10]。

3 結 語

中國目前在全球人工智能產業(yè)生態(tài)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(shù)據(jù)上，隨著互聯(lián)網的發(fā)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(lián)網用戶群體每天產生的海量數(shù)據(jù)為人工智能訓練提供了豐富的素材 ；應用上，各大互聯(lián)網和 IT 龍頭企業(yè)及雨后春筍般出現(xiàn)的創(chuàng)業(yè)企業(yè)在人工智能各領域做了積極的布局和嘗試。人工智能產業(yè)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(jù)。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(jù)。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(yè)相對薄弱嚴重依賴海外產品的同時，美歐等發(fā)達國家、地區(qū)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(yè)和基金收購海外芯片業(yè)務。在人工智能大數(shù)據(jù)產業(yè)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(yè)生態(tài)中有待突破的瓶頸，未來發(fā)展?jié)摿Υ螅哂型顿Y價值。

審核編輯 ：李倩