半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)＠治?GPU設(shè)計

2023年10月17日，美國商務(wù)部工業(yè)和安全局（BIS）更新了“先進計算芯片和半導(dǎo)體制造設(shè)備出口管制規(guī)則[1]”，將兩家中國GPU企業(yè)列入了實體清單。2024年1月18日，工業(yè)和信息化部、教育部、科技部、交通運輸部、文化和旅游部、國務(wù)院國資委、中國科學(xué)院七部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推動未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實施意見》，該實施意見要求加快突破GPU芯片、集群低時延互連網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)資源管理等關(guān)鍵技術(shù)，建設(shè)超大規(guī)模智算中心，以滿足大模型迭代訓(xùn)練和應(yīng)用推理的需求，并提出“到2025年，未來產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)培育、安全治理等全面發(fā)展，部分領(lǐng)域達到國際先進水平，產(chǎn)業(yè)規(guī)模穩(wěn)步提升”，“到2027年，未來產(chǎn)業(yè)綜合實力顯著提升，部分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全球引領(lǐng)”的整體發(fā)展目標(biāo)。2024年3月5日，第十四屆全國人民代表大會上，國務(wù)院總理李強在政府工作報告中強調(diào)深化大數(shù)據(jù)、人工智能等研發(fā)應(yīng)用，開展“人工智能+”行動，打造具有國際競爭力的數(shù)字產(chǎn)業(yè)集群。這一系列舉措再次凸顯了GPU芯片的重要性以及其在科技創(chuàng)新中的關(guān)鍵地位。GPU全稱為GraphicsProcessingUnit，中文為圖形處理器，就如它的名字一樣，GPU最初是用在個人電腦、工作站、游戲機和一些移動設(shè)備（如平板電腦、智能手機等）上運行圖形運算工作的微處理器。[2]由于GPU在結(jié)構(gòu)上并沒有專門為圖像服務(wù)的部件，只是對CPU的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化與調(diào)整，所以現(xiàn)在GPU不僅可以在圖像處理領(lǐng)域大顯身手，它還被用來科學(xué)計算、密碼破解、數(shù)值分析，海量數(shù)據(jù)處理和金融分析等需要大規(guī)模并行計算的領(lǐng)域。當(dāng)下GPU可以分為三類，分別是AI型、FP型和渲染型，AI型GPU以用于深度學(xué)習(xí)的加速卡為代表；FP型GPU則是那些用在超算上的加速卡，支持雙精度的浮點數(shù)運算，可以進行科學(xué)計算；渲染型GPU主要是在較為傳統(tǒng)的游戲、桌面等圖形化上應(yīng)用。根據(jù)VerifiedMarketResearch數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2020年全球GPU市場價值為254.1億美元，2027年有望達到1853.1億美元[3]。其中，2020年中國[4]GPU的市場規(guī)模為47.39億美元，預(yù)計2027年市場規(guī)模將達345.57億美元。隨著市場對GPU需求的增長和美國近年來多次升級的對華芯片禁令措施，可能極大地刺激中國自主發(fā)展GPU的決心，加速中國對于GPU相關(guān)的研制工作，本文希望通過對比中、外企業(yè)的專利情況，一窺當(dāng)前中國GPU設(shè)計為了準(zhǔn)確統(tǒng)計GPU設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域的專利[5]，我們通過分類號和關(guān)鍵詞檢索最近十一年（2013~2023年）中國受理的、與GPU設(shè)計技術(shù)相關(guān)的專利，并分別挑選了專利申請量排名靠前的十家中國企業(yè)和十家外國企業(yè)[6]進行下面的一系列的專利對比分析。中、外國企業(yè)的CN專利申請趨勢對比2014年6月，《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》宣布實行，并明確提出加強集成電路知識產(chǎn)權(quán)的運用和保護，建立國家重大項目知識產(chǎn)權(quán)風(fēng)險管理體系，引導(dǎo)建立知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略聯(lián)盟，積極探索與知識產(chǎn)權(quán)相關(guān)的直接融資方式和資產(chǎn)管理制度。隨著政策的推進，在2016年中國集成電路知識產(chǎn)權(quán)高峰論壇上，由工信部科技司、工信部電子信息司指導(dǎo)并成立中國集成電路知識產(chǎn)權(quán)聯(lián)盟，旨在整合全產(chǎn)業(yè)鏈資源，建成具有全球影響力的集成電路產(chǎn)業(yè)新興知識產(chǎn)權(quán)組織。[7]同年7月，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)《國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》，提出要“構(gòu)建先進技術(shù)體系，制定國家信息領(lǐng)域核心技術(shù)設(shè)備發(fā)展戰(zhàn)略綱要，以體系化思維彌補單點弱勢，打造國際先進、安全可控的核心技術(shù)體系，帶動集成電路、基礎(chǔ)軟件、核心元器件等薄弱環(huán)節(jié)實現(xiàn)根本性突破”。圖1中、外企業(yè)專利的CN專利申請量、授權(quán)量和授權(quán)率對比正是伴隨著這一系列政策集成電路相關(guān)政策的推動，GPU設(shè)計相關(guān)的中國企業(yè)的專利申請量隨之逐年攀升。如圖1所示，本文所指的授權(quán)量指截至本文撰寫日，2013-2023逐年中請專利的當(dāng)前授權(quán)量，授權(quán)率指授權(quán)量占當(dāng)年申請量之百分比。從圖1中可以看出，在2017年以前，中國企業(yè)的GPU設(shè)計相關(guān)專利的申請量一直落后于外國企業(yè)；2017年，中國企業(yè)的專利申請量首次超過外國企業(yè)的申請量，而從2019年后，中國企業(yè)的GPU設(shè)計相關(guān)專利申請量一路高歌猛進，在2023年時，盡管部分專利申請尚未公開，但是中國企業(yè)當(dāng)年的申請量已經(jīng)達到了外國企業(yè)專利申請量的7倍。由此，可以看出，政策切實地得到了落實，并印證到專利總量中。從中、外企業(yè)的專利授權(quán)率來看，中國企業(yè)的授權(quán)率一直高于外國企業(yè)，并且，在2017年之后，外國企業(yè)的授權(quán)率急劇下滑，與中國企業(yè)拉開了巨大差距。通過對數(shù)據(jù)的解讀，我們將外國企業(yè)的授權(quán)率急劇下滑的原因歸結(jié)于以下兩點：其一，由于外國企業(yè)更青睞于通過PCT途徑進入中國，外國企業(yè)相比中國企業(yè)，更難通過快速預(yù)審程序加快專利授權(quán)，根據(jù)各地方知識產(chǎn)權(quán)保護中心規(guī)定，按照專利合作條約(PCT)提出的專利國際申請、進入中國國家階段的PCT國際申請和分案申請不能申請快速預(yù)審程序[8]。其二，不少外國企業(yè)更擅長使用分案規(guī)則，使用多次分案的形式進行專利布局，如圖2所示，CN202211664801.9繼承母案CN201380045297.7的申請日，并在分案CN201810999968.8授權(quán)前繼續(xù)提出再分案，使得該專利存在申請日為十年前，而距離申請日十年后該專利仍在實質(zhì)審查中的情形，從而構(gòu)成圖1出現(xiàn)外國企業(yè)授權(quán)率大幅低于中國企業(yè)的情形之一。因此，對于中、外企業(yè)的授權(quán)率趨勢，不能單憑曲線去評價專利質(zhì)量高低。圖2CN202211664801.9的專利申請時間軸進一步地，我們分別對圖1中的中、外國企業(yè)的專利申請趨勢進行分析，發(fā)現(xiàn)中國企業(yè)的專利集中于電數(shù)字數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域、計算機零部件領(lǐng)域、計算模型領(lǐng)域和圖像數(shù)據(jù)處理應(yīng)用領(lǐng)域。結(jié)合相關(guān)專利和專利申請的國際IPC主分類號的來看，中國企業(yè)的專利在電數(shù)字數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域進行程序控制裝置的專利申請量最多，超過4300件；其次是計算機零部件領(lǐng)域中進行識別模式的方法或裝置專利，約2200件；此外，針對電數(shù)字數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域與信息檢索、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)的專利和將所要處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成為計算機能夠處理的形式的輸入裝置、用于將數(shù)據(jù)從處理機傳送到輸出設(shè)備的輸出裝置的專利也有上千件，具體參見下圖：圖3中國企業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域分類與IPC主分類號對比同樣地，在外國企業(yè)的專利和專利申請中，在電數(shù)字數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域進行程序控制裝置的專利申請量也是最多的，這說明該領(lǐng)域是當(dāng)前中、外企業(yè)都關(guān)注的熱點領(lǐng)域，具體參見下圖：圖4中國企業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域分類與IPC主分類號對比與中國企業(yè)不同的是，外國企業(yè)的專利中，申請量排在第二位的專利為計算模型應(yīng)用領(lǐng)域中，基于生物學(xué)模型的計算機系統(tǒng)。而在中國企業(yè)的專利中，原本排在第二位的、針對電數(shù)字數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域?qū)λ幚淼臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成為計算機能夠處理的形式的輸入裝置，在外國企業(yè)的專利中，下滑至第三位，雙方關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域有微小的中、外國企業(yè)的獨立權(quán)利要求與權(quán)利要求數(shù)的分布情況對比權(quán)利要求書是確定專利權(quán)保護范圍的依據(jù)，能在一定程度上反應(yīng)權(quán)利的穩(wěn)定性和技術(shù)方案的數(shù)量，一件專利的權(quán)利要求數(shù)量越多，該專利的保護層次越豐富，能更靈活地應(yīng)對專利權(quán)挑戰(zhàn)。其中，獨立權(quán)利要求是權(quán)利要求書中最重要的權(quán)項，其限定了專利所要求的最大的保護范圍，一件專利的獨立權(quán)利要求數(shù)量越多，則說明專利保護的角度越多元，能從一定程度上反映專利覆蓋的深度。而且，由于在中國的專利制度中，權(quán)利要求數(shù)超過10項則會產(chǎn)生附加費，因此，一件專利的權(quán)利要求數(shù)超過10項意味著專利權(quán)人為其技術(shù)方案支付額外費用的意圖5中國企業(yè)的獨立權(quán)利要求與權(quán)利要求數(shù)的分布情況如圖4所示，在GPU設(shè)計技術(shù)相關(guān)的授權(quán)專利中，中國企業(yè)的專利權(quán)利要求數(shù)為11-20項權(quán)利要求的占比59.59%；其次為1-10項權(quán)利要求的占比23.03%；權(quán)利要求數(shù)大于21-50項的占比33.26%。上述數(shù)據(jù)表明，在中國企業(yè)申請的GPU設(shè)計技術(shù)相關(guān)的專利中，23.03%的授權(quán)專利將權(quán)利要求的數(shù)量控制在10項以內(nèi)，不希望支付額外的費用，但他們中有19.79%的授權(quán)專利選擇設(shè)置3-5項獨立權(quán)利要求，說明這些企業(yè)有一定的、從多角度保護發(fā)明構(gòu)思的意識；權(quán)利要求數(shù)在11項以上的授權(quán)專利占比共計59.59%，并且，這些專利也最傾向于撰寫3-5項獨立權(quán)利要求，由此可以看出，雖然中國企業(yè)為過半的GPU設(shè)計技術(shù)相關(guān)的授權(quán)專利權(quán)利要求支付了額外費用，但59.59%的專利將超出的權(quán)利要求數(shù)量控制在10項以內(nèi)，可能由于中國企業(yè)并不希望花費過多的錢在權(quán)利要求中或其技術(shù)方案的層次一般只能達到20個。圖6外國企業(yè)的獨立權(quán)利要求與權(quán)利要求數(shù)的分布情況如圖5所示，在GPU設(shè)計技術(shù)相關(guān)的授權(quán)專利中，外國企業(yè)的專利權(quán)利要求數(shù)分布最多的區(qū)間也是11-20項權(quán)利要求，占比52.84%，與中國企業(yè)的占比59.59%差不多；其次為21-50項權(quán)利要求，占比42.27%，高于中國企業(yè)的33.26%；權(quán)利要求數(shù)區(qū)間為1-10項的占比僅為4.18%，遠低于中國企業(yè)的23.03%。上述數(shù)據(jù)說明，在外國企業(yè)申請的GPU設(shè)計技術(shù)相關(guān)的專利中，僅有4.18%的授權(quán)專利將權(quán)利要求的數(shù)量控制在10項以內(nèi)，以避免支付額外費用，而且他們大多只設(shè)置1-2項獨立權(quán)利要求，出現(xiàn)這類專利的原因，可能是相關(guān)專利的技術(shù)方案較為簡單或者來源于某個復(fù)雜申請的分案。通過對比上述中、外企業(yè)在GPU設(shè)計技術(shù)相關(guān)的授權(quán)專利的權(quán)利要求數(shù)和獨立權(quán)利要求的分布情況，我們認為，目前中國企業(yè)已經(jīng)有成熟的、從多角度保護發(fā)明構(gòu)思的意識，而且也愿意為布局多層次權(quán)利要求支付一定額外費用，但與外國企業(yè)相比，中國企業(yè)在專利的穩(wěn)定性和技術(shù)方案的數(shù)量上都不及外國企業(yè)的專利，這體現(xiàn)在外國企業(yè)在權(quán)利要求中構(gòu)建了更為豐富的保護層次設(shè)計，同時，外國企業(yè)為權(quán)利要求所支付的額外費用也高中、外國企業(yè)授權(quán)專利的文獻頁數(shù)對比圖7中、外國企業(yè)授權(quán)專利的文獻頁數(shù)情況授權(quán)專利文獻的文獻頁數(shù)能夠從一定程度上反映技術(shù)方案的復(fù)雜程度，根據(jù)中國的專利制度中，說明書從第31頁起每頁加收50元附加費，從第301頁起每頁加收100元附加費，因此，一件專利的頁數(shù)越多，則意味著專利權(quán)人額外支付的費用越高。由于我們在統(tǒng)計專利的文獻頁數(shù)時，無法單獨統(tǒng)計說明書的頁數(shù)，因此，圖6中的文獻頁數(shù)包括了扉頁和權(quán)利要求的頁數(shù)。當(dāng)文獻頁數(shù)到達35頁以上時，說明書有較大可能超過31頁，因此，我們解讀文獻頁數(shù)大于35頁的GPU設(shè)計技術(shù)相關(guān)的授權(quán)專利，數(shù)據(jù)表明，外國企業(yè)專利文獻頁數(shù)36-50頁的占比37.9%，遠高于中國企業(yè)的9.59%。中外企業(yè)專利文獻頁數(shù)在51-100頁的占比相當(dāng)，中國企業(yè)甚至略高近5%；但對于專利文獻頁數(shù)處于101-1000頁區(qū)間的專利，外國企業(yè)有26.64%的專利，而中國企業(yè)僅有3.11%的專利，由此可以看出，外國企業(yè)對于GPU設(shè)計技術(shù)相關(guān)的授權(quán)專利的投入、技術(shù)方案的復(fù)雜程度都高于中國企業(yè)。綜上所述，對于尋求專利保護的企業(yè)而言，應(yīng)該在不同的專利保護策略之間進