专利情报 AI芯片-人工智能领域典型技术及应用专利分析之五【中国科讯】
自2016年英国人工智能公司DeepMind研发的AlphaGo击败人类职业围棋选手以来,全球对于人工智能的关注不断升温,相关技术研发不断突破,技术应用愈发广泛,世界经济社会的发展进程受到深刻影响。就像人工智能科学家吴恩达说的那样:“人工智能就是新电力。很难想象有哪个行业不会被人工智能所改变”。在此背景下,客观揭示人工智能领域典型技术的发展态势和创新格局、呈现人工智能技术的应用现状、对比全球各国围绕人工智能技术的技术布局差异,对于开展人工智能技术研发、指引宏观决策具有现实意义。
专利文献是技术创新成果的重要载体,能够有效反映技术研发的进展和趋势。因此,本系列报告从专利分析的角度出发,针对人工智能领域的五项典型技术和应用——机器学习、自然语言处理、计算机视觉、语音处理、AI芯片——分别开展分析,以期为我国人工智能技术研发和决策提供支撑和启发。
本文是系列报告的第五篇,针对AI芯片技术进行专利分析,揭示全球AI芯片技术的专利布局态势和竞争格局。
随着深度学习领域带来的技术性突破,人工智能无论在科研还是在产业应用方面都取得了快速的发展。深度学习算法需要大量的矩阵乘加运算,对大规模并行计算能力有很高的要求,CPU和传统计算架构无法满足对于并行计算能力的需求,需要特殊定制的芯片,因此,AI芯片技术得以迅速发展。
为更好地把握AI芯片技术的内涵及产品类型,更准确地制定AI芯片专利的检索策略,本文对AI芯片进行了拆解,详见表 1。
基于上述对AI芯片技术的拆解,制定检索词并构建检索策略,获取相关专利后,从专利态势、专利来源国/地区、专利申请人、高价值专利四个角度对AI芯片及其分支领域进行专利布局分析。
通过专利布局数量随时间的演化趋势,以及各分支领域专利数量分布,可以揭示AI芯片领域的全球专利技术研发及布局态势。
第一阶段(1960年~1980年),起始阶段,该时期AI芯片专利布局数量增长速度较慢,体量较小,属于AI芯片技术研发初始时期;
第二阶段(1980年~1994年),稳定增长阶段,该时期AI芯片专利布局数量增长加快且增速保持平稳,体量逐渐扩大;
第三阶段(1994年~2008年),波动增长阶段,该时期AI芯片专利布局数量呈现波动增长态势,出现了三起三落的技术研发态势;
第四阶段(2008年~2019年),快速增长阶段,该时期AI芯片专利布局数量呈现快速增长态势,是AI芯片在近60年发展历程中的黄金时期。
通过分析专利技术构成(图 2)可以看出,GPU、FPGI、ASIC、CPLD四个分支领域的专利布局数量最多,分别是59071项、31455项、8769项、4531项。其他如类脑芯片、VPU、NPU、DPU等分支领域的专利布局数量较少,仍处于概念设计或原型制造的阶段,尚未形成大规模产品化能力。
通过分析全球专利来源国/地区分布情况,揭示AI芯片领域的优势技术国家/地区。从AI芯片专利布局总量(图 3)上看,中国在AI芯片领域的专利布局数量最多,达37775项。其次是日本(22227项)、美国(10912项)和韩国(5224项)。此外,德国和中国台湾的专利布局数量均大于500项,但与上述四国间的差距较大。
通过AI芯片专利布局数量五年变化趋势(图 4)可以看出,中国在AI芯片领域的专利布局数量增长速度极快,相较2000年~2004年,2015年~2019年中国专利布局数量增长了37倍。此外,美国的专利布局数量呈现平稳态势,增长趋势不明显;日本的专利布局数量呈现下降态势,2010年~2014年、2015年~2019年相较前一个五年均出现专利布局数量折半的现象。
通过分析全球专利申请人分布情况,揭示AI芯片领域的优势机构。从申请人专利布局(图 5)情况上看,AI芯片领域优势机构主要来自日本、中国、美国和韩国。其中,日本共有11家机构进入TOP20,佳能公司以3489项专利位列全球首位,日本理光株式会社紧随其后,共有2226项专利;中国共有5家机构进入TOP20,中国科学院以1228项专利位列全球第6位,此外还包括浪潮集团、国家电网公司、郑州云海信息技术有限公司、中国电子科技集团公司;美国共有3家机构进入TOP20,富士施乐公司以1744项专利位列全球第3位,此外还包括英特尔公司和英伟达公司;韩国有1家机构进入TOP20,即三星公司,其专利布局数量为1525项,位列全球第4位。
通过申请人专利布局数量五年变化趋势(图 6)可以看出,2015年~2019年,浪潮集团和中国科学院在AI芯片领域的专利布局数量分列全球第1、2位,且自2000年~2004年以来,这两家机构的专利布局数量呈现快速增长的态势。相较之下,日本佳能公司和理光株式会社的专利布局数量呈现下降趋势,2015年~2019年间的专利数量分列全球第4、5位。
“四方专利”是指同时在中国专利局、欧洲专利局、日本专利局、美国专利与商标局提交专利申请的发明创造。由于上述专利机构的专利申请和维护成本较高,如果发明者同时在上述市场寻求专利保护,并愿意支付高成本的专利申请和维护费,一般认为这些专利背后的技术发明可能有较高价值。
通过四方专利数量TOP20国家/地区分布情况(图 7)可知,日本所拥有的AI芯片四方专利数量最多,达929项,其次是美国(282项)、韩国(96项)、德国(43项)、荷兰(42项),中国拥有32项AI芯片四方专利,位列全球第6位。同时,应注意的是,中国在AI芯片专利总量方面占据优势,但是四方专利数量与日本和美国存在较大差距,专利整体质量有待进一步提升。
从专利数量演化趋势(图 8)中可以看出,1960年至2019年间,GPU领域的全球专利布局总体呈现增长态势,共计产出58967项专利,2006年专利布局数量最多,达2494项。
第一阶段(1960年~1977年),起始阶段,该时期GPU专利布局数量增长速度较慢,体量较小,属于GPU技术研发初始时期;
第二阶段(1977年~1986年),快速增长阶段,该时期GPU专利布局数量呈现快速增长态势,增速逐渐加大;
第三阶段(1986年~2000年),稳定增长阶段,该时期GPU专利布局数量增长加快且增速保持平稳,体量逐渐扩大;
第四阶段(2000年~2019年),波动稳定阶段,该时期GPU专利布局数量呈现波动稳定态势,整体上未有大的增长或减少。
从GPU专利布局总量(图 9)上看,日本在GPU领域的专利布局数量最多,达20141项,与其他国家/地区相比,占据数量上的绝对优势。其次是中国(7826项)、美国(5481项)和韩国(3515项)。此外,中国台湾和德国的专利布局数量均大于400项,但与上述四国间的差距较大。
通过GPU专利布局数量五年变化趋势(图 10)可以看出,中国在GPU领域的专利布局数量增长速度极快,相较2000年~2004年,2015年~2019年中国专利布局数量增长了近56倍。此外,美国的专利布局数量呈现平稳增长态势,专利体量逐渐扩大;日本的专利布局数量呈现下降态势,2010年~2014年、2015年~2019年相较前一个五年均出现专利布局数量折半的现象。
从申请人专利布局(图 11)上看,GPU领域优势机构主要来自日本、美国和韩国。其中,日本共有13家机构进入TOP20,佳能公司以3389项专利位列全球首位,日本理光株式会社紧随其后,共有2007项专利;美国共有6家机构进入TOP20,富士施乐公司1698项专利位列全球第3位,此外还包括英伟达公司、英特尔公司、微软公司、苹果公司和高通公司;韩国有1家机构进入TOP20,即三星公司,其专利布局数量为1226项,位列全球第4位。中国未有一家机构进入全球TOP20。
通过申请人专利布局数量五年变化趋势(图 12)可以看出,2015年~2019年,三星公司、佳能公司和索尼公司在GPU领域专利布局数量分列全球前3位,其中,三星公司GPU专利布局数量呈现增长态势,而佳能公司和索尼公司则均处于下降趋势。此外,日本理光株式会社、柯尼卡美能达公司等日本机构的专利布局数量也处于下降趋势。
通过四方专利数量TOP20国家/地区分布情况(图 13)可知,日本所拥有的GPU四方专利数量最多,达857项,其次是美国(194项)、韩国(76项)、荷兰(36项),中国拥有14项GPU四方专利,位列全球第7位。同时,应注意的是,中国GPU专利总量虽位列全球第2位,但是四方专利数量与日本和美国存在较大差距,专利整体质量有待进一步提升。
从专利数量演化趋势(图 14)中可以看出,1960年至2019年间,FPGA领域的全球专利布局总体呈现快速增长态势,共计产出31225项专利,2018年专利布局数量最多,达3491项。
第一阶段(1960年~1994年),起始阶段,该时期FPGA专利布局数量增长速度较慢,体量较小,属于FPGA技术研发初始时期;
第二阶段(1994年~2007年),稳定增长阶段,该时期FPGA专利布局数量增长加快且增速保持平稳,体量逐渐扩大;
第三阶段(2007年~2019年),波动增长阶段,该时期FPGA专利布局数量呈现快速成长态势,是FPGA在近60年发展历程中的黄金时期。
从FPGA专利布局总量(图 15)上看,中国在FPGA领域的专利布局数量最多,达23829项,与其他国家/地区相比,占据数量上的绝对优势。其次是美国(2849项)、韩国(975项)和日本(959项)。此外,德国、印度、中国台湾、英国的专利布局数量均大于100项,但与上述四国间的差距较大。
通过FPGA专利布局数量五年变化趋势(图 16)可以看出,中国在FPGA领域的专利布局数量增长速度极快,相较2000年~2004年,2015年~2019年中国专利布局数量增长了近68倍。此外,美国、韩国和日本的专利布局数量均呈现不同程度的下降态势。
从申请人专利布局(图 17)上看,FPGA领域优势机构主要来自中国、美国和韩国。其中,中国共有15家机构进入TOP20,中国科学院以838项专利位列全球首位,国家电网公司紧随其后,共有544项专利,此外还包括中国电子科技集团公司、浪潮集团、北京航空航天大学、西安电子科技大学等;美国共有3家机构进入TOP20,赛灵思公司以243项专利位列全球第7位,此外还包括Altera公司、Actel公司;韩国共有2家机构进入TOP20,LG集团以180项专利位列全球第13位,此外还包括三星公司。
通过申请人专利布局数量五年变化趋势(图 18)可以看出,2015年~2019年,包括中国科学院在内的9家机构FPGA专利布局数量分列全球第1至9位,且自2000年~2004年以来,上述9家专利布局数量呈现快速增长的态势。相较之下,美国赛灵思公司的专利布局数量呈现下降趋势,2015年~2019年间的专利数量位列全球第10位。
通过四方专利数量TOP10国家/地区分布情况(图 13)可知,美国所拥有的FPGA四方专利数量最多,达39项,其次是日本(34项)和德国(11项),中国拥有9项FPGA四方专利,位列全球第4位。同时,应注意的是,中国FPGA专利总量遥遥领先于其他国家,但是四方专利数量与美国和日本仍存在一定差距,专利整体质量有待进一步提升。
从专利数量演化趋势(图 20)中可以看出,1990年至2019年间,CPLD领域的全球专利布局总体呈现快速增长态势,共计产出4511项专利,2015年专利布局数量最多,达420项。
第一阶段(1990年~2000年),起始阶段,该时期CPLD专利布局数量增长速度较慢,体量较小,属于CPLD技术研发初始时期;
第二阶段(2000年~2007年),稳定增长阶段,该时期CPLD专利布局数量增长加快且增速保持平稳,体量逐渐扩大;
第三阶段(2007年~2019年),快速增长阶段,该时期CPLD专利布局数量呈现快速成长态势,是CPLD在近30年发展历程中的黄金时期。
从CPLD专利布局总量(图 21)上看,中国在CPLD领域的专利布局数量最多,达4036项,与其他国家/地区相比,占据数量上的绝对优势。其次是美国(113项)、韩国(104项)和中国台湾(101项)。此外,日本、印度、法国和德国的专利布局数量均大于10项,但与中国间的差距较大。
通过CPLD专利布局数量五年变化趋势(图 22)可以看出,中国在CPLD领域的专利布局数量增长速度极快,相较2000年~2004年,2015年~2019年中国专利布局数量增长了近18倍。
从申请人专利布局(图 23)上看,CPLD领域优势机构主要来自中国、美国和韩国。其中,中国共有18家机构进入TOP20,浪潮集团以264项专利位列全球首位,郑州云海信息技术有限公司紧随其后,共有215项专利,此外还包括英业达科技有限公司、国家电网公司、鸿海集团、中国科学院等;美国有1家机构进入TOP20,赛灵思公司以20项专利位列全球第16位;韩国有1家机构进入TOP20,LG集团以20项专利位列全球第15位。
通过申请人专利布局数量五年变化趋势(图 24)可以看出,2015年~2019年,中国10家机构CPLD专利布局数量占据全球前10位,且自2000年~2004年以来,多数机构专利布局数量呈现快速增长的态势。
通过四方专利数量TOP10国家/地区分布情况(图 25)可知,法国所拥有的CPLD四方专利数量最多,共3项,中国台湾、德国、日本、比利时等均拥有1项CPLD四方专利。中国未拥有CPLD四方专利。
本报告面向揭示AI芯片专利布局态势的客观需求,基于全球范围内AI芯片专利数据,从总体和典型分支领域两个层面,从专利态势分析、专利来源国/地区、专利申请人、高价值专利四个角度,对AI芯片领域的专利布局情况进行分析,得到如下结论:
(一)AI芯片全球专利布局总体呈现快速增长态势,经历了起始、稳定增长、波动增长和快速增长四个发展阶段,GPU、FPGI、ASIC、CPLD四个分支领域是AI芯片技术研发的主流方向。
(二)中国在AI芯片领域的专利布局数量最多且增速最快,日本、美国和韩国具有良好的AI芯片专利布局基础,但近年来增长势头不明显,日本专利布局呈现下降趋势。
(三)AI芯片领域优势机构仍主要集中在日本,但近年来,浪潮集团、中国科学院等中国机构在AI芯片领域的专利布局力度提升明显。
(四)AI芯片领域的四方专利主要由日本和美国持有,中国的持有量与上述两国间仍有较大的差距,专利整体质量有待进一步提升。
(五)中国在FPGA和CPLD领域的技术优势明显,在GPU领域与日本仍存在一定的差距,但是中国在上述分支领域持续保持着较强的专利布局力度。
[1] 取专利总量位列全球TOP10的国家/地区为分析对象,以2015-2019年专利数量降序排列展示图像。
[2] 取专利总量位列全球TOP10的申请人为分析对象,以2015-2019年专利数量降序排列展示图像。
[3] 取GPU专利总量位列全球TOP10的国家/地区为分析对象,以2015-2019年专利数量降序排列展示图像。
[4] 取GPU专利总量位列全球TOP10的申请人为分析对象,以2015-2019年专利数量降序排列展示图像。
[5] 取FPGA专利总量位列全球TOP10的国家/地区为分析对象,以2015-2019年专利数量降序排列展示图像。
[6] 取FPGA专利总量位列全球TOP10的申请人为分析对象,以2015-2019年专利数量降序排列展示图像。
[7] 取CPLD专利总量位列全球TOP10的国家/地区为分析对象,以2015-2019年专利数量降序排列展示图像。
[8] 取CPLD专利总量位列全球TOP10的申请人为分析对象,以2015-2019年专利数量降序排列展示图像。返回搜狐,查看更多
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