摘 要：【目的】隨著數(shù)據(jù)量的爆炸式增長，馮·諾依曼架構(gòu)成為阻礙計算性能進一步提升的關(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。對存算一體技術(shù)進行專利分析，可為國內(nèi)企業(yè)在該領(lǐng)域的研究和市場競爭提供有價值的專利信息。【方法】對存算一體技術(shù)的專利申請進行統(tǒng)計，并從多個維度對存算一體技術(shù)的專利申請情況進行分析?！窘Y(jié)果】基于存算一體技術(shù)的專利申請量穩(wěn)步增加；中國是重要的技術(shù)原創(chuàng)國，高校和科研院所是主要的申請主體，企業(yè)也在積極地進行專利布局?！窘Y(jié)論】中國申請人在該領(lǐng)域具有一定的科研實力，但離國際領(lǐng)先的科技公司水平還有一定的差距。未來需持續(xù)在該領(lǐng)域進行研發(fā)投入，提升綜合競爭能力。

關(guān)鍵詞：存算一體；馮·諾依曼；專利分析

中圖分類號：TG333" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：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，隨著人工智能、云計算、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。根據(jù)國際數(shù)據(jù)公司IDC（International Data Corporation）發(fā)布的《數(shù)據(jù)時代2025》，全球數(shù)據(jù)將由2018年的33 ZB增長到2025年的175 ZB，約每40個月翻一番 ［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)時會遇到存儲墻和功耗墻兩大問題［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)通過在基本單元上將計算和存儲融合，支持直接在存儲模塊中進行數(shù)據(jù)運算，并將計算結(jié)果反饋給處理單元，從而大幅度降低數(shù)據(jù)的傳輸時間和功耗。存算一體構(gòu)架被認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），通過將經(jīng)DRAM優(yōu)化的AI引擎置于每個存儲子單元內(nèi)，實現(xiàn)并行處理的同時減少了數(shù)據(jù)移動。SK海力士發(fā)布了由多片DRAM芯片在垂直堆疊后，通過TSV實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號傳輸架構(gòu)的堆疊高帶寬存儲器（HBM）。后摩智能公司在2023年的世界人工智能大會上發(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，實現(xiàn)了量產(chǎn)并投入了應(yīng)用［5］。因此，為了給國內(nèi)相關(guān)機構(gòu)在該領(lǐng)域的專利布局和市場競爭提供有價值的專利信息，對存算一體技術(shù)的專利進行分析尤為必要。本研究基于incoPat專利數(shù)據(jù)庫中的專利信息，探究存算一體技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢，以期為我國存算一體產(chǎn)業(yè)的未來布局提供參考。

1 全球?qū)＠暾埱闆r

1.1 專利申請量

全球存算一體技術(shù)的專利申請量如圖1所示。由圖1可知，全球存算一體技術(shù)的專利申請量為11 739項。其中，中國的申請量為3 016項，全球占比約為25.69%。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展及專利申請狀況可以得出，中國是存算一體技術(shù)的主要申請國之一，在國際競爭中占有一定的優(yōu)勢地位。

1.2 專利申請趨勢

存算一體技術(shù)的專利申請趨勢如圖2所示。由圖2可知，存算一體技術(shù)的專利申請量總體呈上升趨勢，其申請量的變化趨勢可以細分為以下幾個階段。

2001年以前為技術(shù)萌芽期。在該時期，存算一體技術(shù)的研究逐漸起步，但發(fā)展較慢，專利的申請數(shù)量不多，呈現(xiàn)十分緩慢的增長趨勢。其原因是當時的數(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)架下實現(xiàn)硬件的升級。

的發(fā)展，對數(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)重于通過增加使用的存儲空間等來提高處理器的處理速度，增加總線的傳輸帶寬等來提高數(shù)據(jù)的處理量，導(dǎo)致該時期的申請量呈現(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。雖然各大廠商在努力改進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)越來越難以滿足未來發(fā)展需求。

2016年至今為高速發(fā)展期。隨著5G技術(shù)開始普及商用，各種高新技術(shù)應(yīng)用蓬勃發(fā)展，數(shù)據(jù)量迎來爆炸式增長。但此時半導(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)路徑是未來發(fā)展的迫切需求。該階段的專利申請呈現(xiàn)指數(shù)級增長。由于專利申請公開在時間上具有滯后性，除了提前公開外，一般是在受理之后的18個月，因此2022—2023年的專利申請數(shù)量有所減少。

1.3 專利主要申請人的申請量

在全球?qū)＠暾堉?，存算一體技術(shù)主要申請人的申請量排名情況如圖3所示。由圖3可知，申請量最多的是美光科技公司；排名第二的是三星電子。從申請量排名前15位的企業(yè)來看，中國專利申請人有5個，其余10個均為科技巨頭公司。這表明存算一體技術(shù)屬于重點前沿技術(shù)，是芯片技術(shù)的研究熱點，也說明存算一體技術(shù)蘊藏著巨大的商業(yè)價值。同時，從排名靠前的申請人所屬國別及其申請量上均可以看出，中國在該新興技術(shù)研究領(lǐng)域中處于重要地位，但相比于國外科技巨頭還有所差距，且申請人單位以高校和科研院所為主。未來須持續(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 專利申請人區(qū)域分布

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

2 中國專利申請情況

2.1 專利申請趨勢

中國存算一體技術(shù)專利申請趨勢如圖5所示?？梢钥闯觯嫠阋惑w技術(shù)的專利申請從1995年開始出現(xiàn)；1995—2016年，專利申請數(shù)量較少，該時期屬于技術(shù)的緩慢發(fā)展期；2016年至今，隨著對存算一體技術(shù)研究的重視程度不斷加深，其國內(nèi)專利申請量迅速增長，增長趨勢與全球?qū)＠暾埩孔兓厔菀恢?。由于除要求提前公開的部分專利，發(fā)明專利申請一般在18個月后公開，因此，2022—2023年專利申請量較少主要是部分專利申請尚未公開導(dǎo)致的。

2.2 專利申請人分布

存算一體技術(shù)中國專利主要申請人的申請量排名情況如圖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，其中以清華大學和北京大學為代表。還包括2家國內(nèi)企業(yè)，1家國

外企業(yè)。因此，在國內(nèi)專利申請方面，中國本土企業(yè)和科研院所的專利申請量遠高于國外企業(yè)和科研院所。這說明在國內(nèi)的存算一體技術(shù)領(lǐng)域的專利申請中，中國本土企業(yè)和科研院所占主導(dǎo)地位，具有絕對的領(lǐng)先優(yōu)勢，有利于提高自主競爭力。

2.3 各省（區(qū)、市）申請量分布

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

基于上述分析，可以初步看出，全球?qū)＠暾埩亢腿蛑饕暾埲酥饕獊碜悦绹?、中國、日本、韓國。從我國專利申請量來看，存算一體技術(shù)的專利申請近幾年呈迅猛增長態(tài)勢，其申請量在全球?qū)＠械恼急容^大。這反映出中國存算一體產(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的研究熱點。

3 結(jié)語

本文對存算一體技術(shù)領(lǐng)域全球及國內(nèi)的專利申請趨勢、主要申請人、申請地域等進行了分析。中國屬于發(fā)展較早的區(qū)域，且目前已成為全球研究的熱門區(qū)域，這對于中國芯片技術(shù)的發(fā)展起到了十分重要的推動作用。以清華大學、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)勢地位，但中國離世界科技巨頭仍然有較大的差距。因此，中國相關(guān)企業(yè)和機構(gòu)還需要不斷加大研發(fā)投入力度，通過自主創(chuàng)新開發(fā)存算一體芯片設(shè)計工具等產(chǎn)品，加強算法優(yōu)化，提升綜合設(shè)計能力，構(gòu)建存算一體芯片的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用與生態(tài)。

參考文獻：

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［5］張心怡.破除“存儲墻”，存內(nèi)計算來助力［N］.中國電子報，2022.

收稿日期：2023-11-10

作者簡介：杜克奎（1990—），男，碩士，知識產(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）。