存算一體技術(shù)的專利分析

摘 要：【目的】隨著數(shù)據(jù)量的爆炸式增長(zhǎng)，馮·諾依曼架構(gòu)成為阻礙計(jì)算性能進(jìn)一步提升的關(guān)鍵瓶頸。而新型存算一體架構(gòu)，有望打破該瓶頸，大幅提高算力和能效。對(duì)存算一體技術(shù)進(jìn)行專利分析，可為國(guó)內(nèi)企業(yè)在該領(lǐng)域的研究和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)提供有價(jià)值的專利信息?！痉椒ā繉?duì)存算一體技術(shù)的專利申請(qǐng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并從多個(gè)維度對(duì)存算一體技術(shù)的專利申請(qǐng)情況進(jìn)行分析?！窘Y(jié)果】基于存算一體技術(shù)的專利申請(qǐng)量穩(wěn)步增加；中國(guó)是重要的技術(shù)原創(chuàng)國(guó)，高校和科研院所是主要的申請(qǐng)主體，企業(yè)也在積極地進(jìn)行專利布局。【結(jié)論】中國(guó)申請(qǐng)人在該領(lǐng)域具有一定的科研實(shí)力，但離國(guó)際領(lǐng)先的科技公司水平還有一定的差距。未來(lái)需持續(xù)在該領(lǐng)域進(jìn)行研發(fā)投入，提升綜合競(jìng)爭(zhēng)能力。

關(guān)鍵詞：存算一體；馮·諾依曼；專利分析

中圖分類號(hào)：TG333" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2024）11-0135-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.025

Patent Analysis of Computing in Memory Technology

DU Kekui ZHANG Qian

（Patent Examination Cooperation （Tianjin） Center of the Patent Office， CNIPA， Tianjin 300304， China）

Abstract： [Purposes] With the explosive growth of data， the von Neumann architecture has become a key bottleneck preventing further improvements in computing performance. The new Computing in Memory architecture is expected to break this bottleneck and greatly improve computing power and energy efficiency. The patent analysis of Computing in Memory technology can provide valuable patent information for domestic enterprises in the field of research and market competition. [Methods] The patent applications of the Computing in Memory technology were analyzed statistically， and the patent applications of the Computing in Memory technology were analyzed from multiple dimensions. [Findings] The number of patent applications based on Computing in Memory technology increased steadily. China was an important original technology country， with universities and research institutes as the main applicants， and enterprises were also actively carrying out patent layout. [Conclusion] Chinese applicants have certain scientific research strength in this field， but there is still a certain gap from the international leading technology companies. In the future， it is necessary to continue to invest in research and development in this field to enhance comprehensive competitiveness.

Keywords： computing in memory; John von Neumann; patent analysis

0 引言

近年來(lái)，隨著人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等高新技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，數(shù)據(jù)量正在爆炸式增長(zhǎng)。根據(jù)國(guó)際數(shù)據(jù)公司IDC（International Data Corporation）發(fā)布的《數(shù)據(jù)時(shí)代2025》，全球數(shù)據(jù)將由2018年的33 ZB增長(zhǎng)到2025年的175 ZB，約每40個(gè)月翻一番 ［1］。然而，由于馮·諾依曼架構(gòu)的局限性，系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)遇到存儲(chǔ)墻和功耗墻兩大問(wèn)題［2-3］。

為打破馮·諾依曼構(gòu)架的瓶頸，研究人員提出了存算一體技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)在基本單元上將計(jì)算和存儲(chǔ)融合，支持直接在存儲(chǔ)模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，并將計(jì)算結(jié)果反饋給處理單元，從而大幅度降低數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間和功耗。存算一體構(gòu)架被認(rèn)為是具有潛力的革命性技術(shù)［4］。三星電子于2021年推出了存內(nèi)處理方案（HBM-PIM），通過(guò)將經(jīng)DRAM優(yōu)化的AI引擎置于每個(gè)存儲(chǔ)子單元內(nèi)，實(shí)現(xiàn)并行處理的同時(shí)減少了數(shù)據(jù)移動(dòng)。SK海力士發(fā)布了由多片DRAM芯片在垂直堆疊后，通過(guò)TSV實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸架構(gòu)的堆疊高帶寬存儲(chǔ)器（HBM）。后摩智能公司在2023年的世界人工智能大會(huì)上發(fā)布了首款基于智能駕駛的存算一體芯片TMH30。知存科技主要采用嵌入式Flash工藝，于2020和2022年分別發(fā)布了WTM 1001芯片和SoC芯片WTM2101，實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)并投入了應(yīng)用［5］。因此，為了給國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域的專利布局和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)提供有價(jià)值的專利信息，對(duì)存算一體技術(shù)的專利進(jìn)行分析尤為必要。本研究基于incoPat專利數(shù)據(jù)庫(kù)中的專利信息，探究存算一體技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，以期為我國(guó)存算一體產(chǎn)業(yè)的未來(lái)布局提供參考。

1 全球?qū)＠暾?qǐng)情況

1.1 專利申請(qǐng)量

全球存算一體技術(shù)的專利申請(qǐng)量如圖1所示。由圖1可知，全球存算一體技術(shù)的專利申請(qǐng)量為11 739項(xiàng)。其中，中國(guó)的申請(qǐng)量為3 016項(xiàng)，全球占比約為25.69%。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展及專利申請(qǐng)狀況可以得出，中國(guó)是存算一體技術(shù)的主要申請(qǐng)國(guó)之一，在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中占有一定的優(yōu)勢(shì)地位。

1.2 專利申請(qǐng)趨勢(shì)

存算一體技術(shù)的專利申請(qǐng)趨勢(shì)如圖2所示。由圖2可知，存算一體技術(shù)的專利申請(qǐng)量總體呈上升趨勢(shì)，其申請(qǐng)量的變化趨勢(shì)可以細(xì)分為以下幾個(gè)階段。

2001年以前為技術(shù)萌芽期。在該時(shí)期，存算一體技術(shù)的研究逐漸起步，但發(fā)展較慢，專利的申請(qǐng)數(shù)量不多，呈現(xiàn)十分緩慢的增長(zhǎng)趨勢(shì)。其原因是當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)處理需求量不大，其技術(shù)的發(fā)展側(cè)重在馮·諾依曼構(gòu)架下實(shí)現(xiàn)硬件的升級(jí)。

的發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)處理速度的要求逐漸提高。但其技術(shù)發(fā)展更側(cè)重于通過(guò)增加使用的存儲(chǔ)空間等來(lái)提高處理器的處理速度，增加總線的傳輸帶寬等來(lái)提高數(shù)據(jù)的處理量，導(dǎo)致該時(shí)期的申請(qǐng)量呈現(xiàn)比較平穩(wěn)的狀態(tài)。

2011—2015年為低速發(fā)展期。隨著3G、4G技術(shù)的成熟及投入實(shí)際商用，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、視頻業(yè)務(wù)、短消息業(yè)務(wù)等多媒體業(yè)務(wù)蓬勃發(fā)展，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的傳輸需求高速增長(zhǎng)。雖然各大廠商在努力改進(jìn)芯片制程以及提升傳輸帶寬，以提升處理速度及降低功耗，但傳統(tǒng)的馮·諾依曼構(gòu)架已經(jīng)越來(lái)越難以滿足未來(lái)發(fā)展需求。

2016年至今為高速發(fā)展期。隨著5G技術(shù)開(kāi)始普及商用，各種高新技術(shù)應(yīng)用蓬勃發(fā)展，數(shù)據(jù)量迎來(lái)爆炸式增長(zhǎng)。但此時(shí)半導(dǎo)體工藝逼近物理極限，摩爾定律的節(jié)奏明顯放緩，探索算力提升的技術(shù)路徑是未來(lái)發(fā)展的迫切需求。該階段的專利申請(qǐng)呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。由于專利申請(qǐng)公開(kāi)在時(shí)間上具有滯后性，除了提前公開(kāi)外，一般是在受理之后的18個(gè)月，因此2022—2023年的專利申請(qǐng)數(shù)量有所減少。

1.3 專利主要申請(qǐng)人的申請(qǐng)量

在全球?qū)＠暾?qǐng)中，存算一體技術(shù)主要申請(qǐng)人的申請(qǐng)量排名情況如圖3所示。由圖3可知，申請(qǐng)量最多的是美光科技公司；排名第二的是三星電子。從申請(qǐng)量排名前15位的企業(yè)來(lái)看，中國(guó)專利申請(qǐng)人有5個(gè)，其余10個(gè)均為科技巨頭公司。這表明存算一體技術(shù)屬于重點(diǎn)前沿技術(shù)，是芯片技術(shù)的研究熱點(diǎn)，也說(shuō)明存算一體技術(shù)蘊(yùn)藏著巨大的商業(yè)價(jià)值。同時(shí)，從排名靠前的申請(qǐng)人所屬國(guó)別及其申請(qǐng)量上均可以看出，中國(guó)在該新興技術(shù)研究領(lǐng)域中處于重要地位，但相比于國(guó)外科技巨頭還有所差距，且申請(qǐng)人單位以高校和科研院所為主。未來(lái)須持續(xù)加大在該領(lǐng)域的研發(fā)投入，提高科研成果轉(zhuǎn)化率。

1.4 專利申請(qǐng)人區(qū)域分布

存算一體技術(shù)專利申請(qǐng)人的全球區(qū)域分布如圖4所示。該技術(shù)專利申請(qǐng)量排名前5的國(guó)家/地區(qū)/組織分別是美國(guó)、中國(guó)、韓國(guó)、WIPO、日本。其中，中國(guó)、美國(guó)在這一領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量遠(yuǎn)高于其他國(guó)家/地區(qū)/組織，占比為70.8%。這反映出中美在芯片科技領(lǐng)域的激烈競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。

2 中國(guó)專利申請(qǐng)情況

2.1 專利申請(qǐng)趨勢(shì)

中國(guó)存算一體技術(shù)專利申請(qǐng)趨勢(shì)如圖5所示?？梢钥闯?，存算一體技術(shù)的專利申請(qǐng)從1995年開(kāi)始出現(xiàn)；1995—2016年，專利申請(qǐng)數(shù)量較少，該時(shí)期屬于技術(shù)的緩慢發(fā)展期；2016年至今，隨著對(duì)存算一體技術(shù)研究的重視程度不斷加深，其國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)量迅速增長(zhǎng)，增長(zhǎng)趨勢(shì)與全球?qū)＠暾?qǐng)量變化趨勢(shì)一致。由于除要求提前公開(kāi)的部分專利，發(fā)明專利申請(qǐng)一般在18個(gè)月后公開(kāi)，因此，2022—2023年專利申請(qǐng)量較少主要是部分專利申請(qǐng)尚未公開(kāi)導(dǎo)致的。

2.2 專利申請(qǐng)人分布

存算一體技術(shù)中國(guó)專利主要申請(qǐng)人的申請(qǐng)量排名情況如圖6所示。由圖6可知，研究力量主要集中在各大高校和科研院所中，其中以清華大學(xué)和北京大學(xué)為代表。還包括2家國(guó)內(nèi)企業(yè)，1家國(guó)

外企業(yè)。因此，在國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)方面，中國(guó)本土企業(yè)和科研院所的專利申請(qǐng)量遠(yuǎn)高于國(guó)外企業(yè)和科研院所。這說(shuō)明在國(guó)內(nèi)的存算一體技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)中，中國(guó)本土企業(yè)和科研院所占主導(dǎo)地位，具有絕對(duì)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，有利于提高自主競(jìng)爭(zhēng)力。

2.3 各省（區(qū)、市）申請(qǐng)量分布

中國(guó)專利申請(qǐng)各?。▍^(qū)、市）申請(qǐng)量分布情況如圖7所示。申請(qǐng)量最多的是北京市，主要申請(qǐng)人有清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院微電子研究所等；緊隨其后的是江蘇省，主要申請(qǐng)人有中科南京智能技術(shù)研究院、南京大學(xué)等；然后分別為廣東省、浙江省和上海市，主要申請(qǐng)人有華為技術(shù)有限公司、之江實(shí)驗(yàn)室及復(fù)旦大學(xué)等。

基于上述分析，可以初步看出，全球?qū)＠暾?qǐng)量和全球主要申請(qǐng)人主要來(lái)自美國(guó)、中國(guó)、日本、韓國(guó)。從我國(guó)專利申請(qǐng)量來(lái)看，存算一體技術(shù)的專利申請(qǐng)近幾年呈迅猛增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，其申請(qǐng)量在全球?qū)＠械恼急容^大。這反映出中國(guó)存算一體產(chǎn)業(yè)技術(shù)的積極發(fā)展。存算一體技術(shù)的提出，為從根本上解決馮·諾依曼架構(gòu)瓶頸開(kāi)辟了一條行之有效的解決途徑。然而，存算一體技術(shù)從概念到應(yīng)用尚面臨很多挑戰(zhàn)，尤其是許多關(guān)鍵技術(shù)需要突破，這也使其成了近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)存算一體技術(shù)領(lǐng)域全球及國(guó)內(nèi)的專利申請(qǐng)趨勢(shì)、主要申請(qǐng)人、申請(qǐng)地域等進(jìn)行了分析。中國(guó)屬于發(fā)展較早的區(qū)域，且目前已成為全球研究的熱門區(qū)域，這對(duì)于中國(guó)芯片技術(shù)的發(fā)展起到了十分重要的推動(dòng)作用。以清華大學(xué)、華為技術(shù)有限公司及北京知存科技有限公司等為代表的高校和企業(yè)，在存算一體技術(shù)方面的研究已經(jīng)處于優(yōu)勢(shì)地位，但中國(guó)離世界科技巨頭仍然有較大的差距。因此，中國(guó)相關(guān)企業(yè)和機(jī)構(gòu)還需要不斷加大研發(fā)投入力度，通過(guò)自主創(chuàng)新開(kāi)發(fā)存算一體芯片設(shè)計(jì)工具等產(chǎn)品，加強(qiáng)算法優(yōu)化，提升綜合設(shè)計(jì)能力，構(gòu)建存算一體芯片的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用與生態(tài)。

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收稿日期：2023-11-10

作者簡(jiǎn)介：杜克奎（1990—），男，碩士，知識(shí)產(chǎn)權(quán)師，研究方向：電子與通信技術(shù)；張茜（1987—），女，碩士，助理研究員，研究方向：交互設(shè)備（等同于第一作者）。