一、报告背景

《芯片产业知识产权战略规划与风险防控研究报告》[1]是北京大学粤港澳大湾区知识产权发展研究院接受中新广州知识城开发建设办公室委托进行研究、发布的报告。本报告以企业和政府为建议对象，旨在了解以AI芯片和生物芯片为代表的芯片产业的行业发展状况和知识产权状况，探讨其技术发展方向和知识产权战略规划，尤其是海内外专利布局，为广州市黄埔区开发区的芯片产业“走出去”提供法律风险防控建议。

本报告于2020年11月25日在北京和广州同时发布。本报告选取了AI芯片和生物芯片两个具体芯片领域，分析和总结了全球、全国及目标区域的芯片发展情况，包括专利情况、产业政策与产业环境、重点法律纠纷等，并针对分析结果提出知识产权战略规划与法律风险防控。以下为本报告中“芯片产业全球发展趋势和专利布局”部分的简要内容。

二、报告摘要

l   全球AI芯片技术专利和生物芯片技术专利集中在低价值专利。

l   全球AI芯片技术和生物芯片技术在中国的专利数量最多，但人工智能芯片技术中，我国没有一家机构位居全球专利主要权利人位居全球专利主要权利人前十榜单；在生物芯片技术中，我国在前二十全球专利主要权利人排名中，占5家。

l   纵观各国对芯片产业的政策和芯片企业国际纠纷，芯片产业战略是国家竞争战略，芯片企业之间的国际纠纷实际上是国家之间的科技博弈，我国芯片产业在“走出去”所要面临的知识产权打击是不可避免的，因此企业需要提前谋划知识产权布局，增强应对能力。

三、数据和分析

（一）全球芯片产业相关专利发展趋势

1. 全球AI芯片相关专利发展趋势

图1.1 全球AI芯片相关专利发展趋势

图1.1显示了AI芯片在1990年—2020年间全球专利申请量和专利公开量的增长趋势。1990年—2010年间，全球AI芯片相关专利发展趋势缓慢，专利申请量和专利公开量的增长速度平缓，每年AI芯片的专利申请量和专利公开量都在五百件以下。2010年至今，全球AI芯片相关专利发展趋势迅速，专利申请量和专利公开量的增长速度明显加快，专利申请量从2010年的524件增长到2019年1458件，专利公开量从2010年的493件增长到2019年的2412件。

2. 全球生物芯片相关专利发展趋势

图1.2 全球生物芯片相关专利1990年至2020年间的发展趋势

图1.2展示了全球生物芯片相关专利1990年至2020年间的发展趋势。可以看出，生物芯片技术在1998年之前发展极为缓慢，专利申请量和专利公开量都在100件以下。1998年之后，生物芯片相关专利的申请量和公开量都有了迅猛的增长，专利申请量在2000年达到了峰值，为4606件；专利公开量也在2002年达到峰值，为5071件。但是在接下来的2000-2020年专利申请量总体出现了缓慢下降的趋势，截止2019年专利申请量已经下降为1935件。而专利公开量在2002-2007年的增长率有下降的趋势，但随后平缓增长，于2019年达到第二个高峰4530件。

（二） 芯片技术集中的产业环节及其趋势

1. 产业模式概况

从产业链来看，芯片产业主要分为设计、制造、封测环节；从产业模式来看，芯片行业存在以下三种产业模式。

（1）垂直整合模式（Integrated Device Manufacture，简称IDM），即由一家企业独立负责芯片产品的设计、制造、封装测试等全部环节。

（2）代工模式（Foundry），即芯片设计等环节与制造环节相分离的模式。

（3）无工厂模式（Fabless），即专注于芯片的设计与销售环节，不涉及其他环节的模式。

2. 发展趋势

趋势一：目前，AI芯片技术领域出现一种Designless-Fabless新模式，即互联网公司为了吸引用户，逐步从产业链下游的采购环节转向上游设计环节，并将大部分设计工作外包给设计公司，由代工厂进行芯片制造。这种模式下，传统依赖于互联网企业的半导体公司将失去巨大的市场，这些半导体公司今后可能逐步向设计环节靠拢以应对这一变化。

趋势二：芯片设计则决定了基因芯片的应用和功能，由于高密度基因芯片对生物、医药等领域贡献巨大，因此，高密度基因芯片或将成为生物芯片领域未来发展的热门之选，芯片设计环节也将逐渐成为发展潮流。

趋势三：封测代工厂模式（Outsourced Assembly and Test，OSAT）或将成为芯片创新发展重点。后摩尔时代，封装环节在提高芯片产品价值、保持/提高芯片产品性能等方面拥有不俗表现，因此OSAT模式将成为不少芯片企业发展的重点。

（三） 目前芯片技术的主要应用场景及其趋势

1. AI芯片技术

近年来，AI芯片需求急剧上升，全球AI产业快速增长。目前，AI芯片技术目前主要集中于智能手机、语音交互、机器人等行业。随着人工智能的不断发展，AI芯片技术将会应用到更多领域。本报告认为，数据中心、物联网芯片、智能手机终端等应用场景将会成为AI芯片产业未来发展的重点。

2. 生物芯片技术

据统计，全球目前生物芯片工业产值为10亿美元左右，预计今后5年之内，生物芯片的市场销售可达到200亿美元以上。目前，最成功的生物芯片形式是以基因序列为分析对象的“微阵列（microarray）”，也被称为基因芯片（Gene chip）或DNA芯片（DNA chip）。

基因芯片用途广泛，在生命科学研究及实践、医学科研及临床、药物设计、环境保护、农业、军事等领域均具备巨大发展潜力，具有广泛的经济价值和科研价值。普遍认为，基因芯片可能成为下一世纪最大的高技术产业，具有巨大的商业潜力。其中，表达谱基因芯片是目前技术比较成熟，应用最广泛的一种基因芯片。

（四） 芯片技术集中的主要国家/地区、主要权利人排名

1. AI芯片技术

（1） AI芯片技术集中的主要国家/地区

图1.3 AI芯片技术专利国际分布

分析AI芯片技术专利的国际分布，可以看出AI技术全球专利在世界各地分布广泛，主要分布在东亚地区、北美地区、欧洲、及大洋洲地区，巴西、南非、印度等国也有分布。AI芯片技术在中国分布的专利数量最多，为7495件，占全球专利总量的29.9%。其次是美国，为4566件，占全球专利总量的18.2%。AI芯片技术在日本和韩国也分布了大量专利，分别为1170件和903件，分别占全球专利总量的4.7%和3.6%。

（2） IPC分类

图1.4 AI芯片专利IPC分类

从AI芯片专利申请的最多的20个IPC分类看，AI芯片技术分布基本全部集中在G06小类下即计算、推算、计数，其中G06F（电数字数据处理）类别下的专利占到绝大多数，包括：G06F 9/00（程序控制装置）、G06F 17/00（特别适用于特定功能的数字计算设备或数据处理设备或数据处理方法）、G06F 13/00（信息或其他信号在存储器、输入/输出设备或者中央处理机之间的互连或传送）、G06F 15/00（通用数字计算机和通用数据处理设备）、G06F 11/00（错误检测；错误校正；监控）等，分别占分别占AI专利芯片IPC分类TOP20总数的17.5%、14.5%、8.6%、7.2%、6.5%。另外，G06T（一般的图像数据处理或产生）也有不少专利分布，其中G06T 1/00（通用图像数据处理）占到了Top 20总数的8.6%。G06N（基于特定计算模型的计算机系统）和G06K（数据识别；数据表示；记录载体；记录载体的处理）也有少量专利分布，分别占Top 20总数3.9%和3.5%。

（3） 主要权利人排名

图1.5 AI芯片技术专利主要权利人

图1.5展示了AI芯片技术专利数量的主要权利人的占比情况。可以看出，英特尔公司以13.6%的占比位列第一，其次是高通公司以11.4%的占比位列第二，这也是仅有的两家在专利数量占比超过10%的公司。位居第三至第十的机构分别是英伟达公司、微软公司、三星公司、IBM公司、AMD公司、索尼公司、赛灵思公司、苹果公司。值得一提的是，我国没有一家机构位居前十。另外，在排名前二十的权利人中，美国公司拥有绝对的领先，有十一家之多，总占比达到68.2%；我国有五家机构上榜，总占比达到15.3%，位列第二；其次是日本的三家公司以总占比9.7%位居第三；最后是韩国仅有的三星公司占比6.6%。

（4） 文本聚类

图1.6 AI芯片技术专利文本聚类

统计了AI芯片技术专利在申请的全球专利，共18452专利家族。对上述专利家族使用Innography 的文本聚类（Text Cluster）功能进行分析。文本聚类分析是对所收集的专利文本内容进一步地进行语义分析，按专利中出现的高频词进行技术分类，可快速直观的了解专利数据集的技术特点，对专利进行快速评估。根据专利文本中提取出的技术主题的相似性对专利进行定位。每个技术主题包括不超过3个不同颜色标记的子技术主题，颜色越深表示这个技术主题的相关专利越多。由上图可见，AI芯片的专利聚焦于F现场可编程门阵列设备（FPGA device）、控制信号（control signal）、控制模块（control module）、人工智能（artiticial intelligence）、数字信号处理（digital signal processing）、处理单元（processing unit）等。

（5） 专利强度

图1.7 AI芯片全球专利平均专利强度

对AI芯片技术的全球专利的平均专利强度进行了统计，发现高价值（70-100分）专利为1750件，占全球总专利数量的7.0%；中等价值（30-70分）专利为5940件，占全球总专利数量的23.7%；低价值（30分以下）专利占全球总专利数量的69.4%。可以看出，AI芯片技术专利集中在低价值专利，高价值专利和中等价值专利所占比例并不高。

2. 生物芯片技术

（1） 生物芯片技术集中的主要国家/地区

图1.8 生物芯片专利国际分布

分析生物芯片专利申请的国际分布，可以看出生物芯片在全球专利申请分布较为平均，且在各个地区的专利申请数量都较多。生物芯片技术在中国拥有15078件专利，占总数的18.64%。其次是在美国有13120件专利，在欧洲有6573件专利，分别占总数的16.22%和8.13%。在日本有5987件专利，在韩国有5145件专利。在加拿大、澳大利亚、德国也有1000件以上的专利分布。另外，生物芯片申请了10762项WIPO专利，占总数的13.30%。值得注意的是，印度和中国台湾地区也分别有500件以上的专利布局。

（2） IPC分类

图1.9 生物芯片专利IPC分类

根据生物芯片技术在各个IPC分类下的专利申请数量，主要的技术方向为C12Q 0/00（包含酶或微生物的测定或检验方法；其所用的组合物或试纸；这种组合物的制备方法；在微生物学方法或酶学方法中的条件反应控制），这个类别有17440件专利，占Top 20总数的27.7%；以及G01N 0/00（借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料），有15994件专利，占总数的25.4%。此外，专利数量占比较多的IPC分类还包括：C12N 0/00（微生物或酶；其组合物；繁殖、保藏或维持微生物；变异或遗传工程；培养基）占比达到10.8%、A61K 0/00（医用、牙科用或梳妆用的配制品）占比达到9.0%。另外，C40B 0/00（石灰；氧化镁；矿渣；水泥；其组合物，例如：砂浆、混凝土或类似的建筑材料；人造石；陶瓷；耐火材料；天然石的处理）、C12M 0/00（酶学或微生物学装置）、H01L 0/00（半导体器件；其他类目中不包括的电固体器件）、G06F 0/00（电数字数据处理）、C07H 0/00（糖类；及其衍生物；核苷；核苷酸；核酸）等专利数量占比均在5%以下。

（3） 主要权利人排名

图1.10 生物芯片技术专利主要权利人

图1.10展示了生物芯片技术专利数量的主要权利人的占比情况。由图可知，上海博德基因开发有限公司以18.9%的占比位列第一，其次是赛默飞世尔科技公司（美国）以12.4%的占比位列第二，这也是仅有的两家在专利数量占比超过10%的公司。占比在5%-10%的机构有四家，分别是上海世界之窗基因开发有限公司、罗氏集团（瑞士）、因塞特基因组公司（美国）、默克集团（德国）。除此之外，其余十四家机构生物芯片技术专利均不超过5%。在Top20的主要权利人排名中，中国机构有5家，总占比达到35.6%。美国机构有7家，总占比达到32.5%。

（4） 文本聚类

图1.11 生物芯片全球专利文本聚类

 统计了生物芯片技术申请的全球专利，共32371专利家族。对上述专利家族使用Innography 的文本聚类（Text Cluster）功能进行分析。由上图可见，生物芯片专利聚焦于基因芯片（gene chip）、微流体芯片（microfluidic chip）、核苷酸序列（nucleotide sequence）、DNA重组技术（DNA recombination technology）、微阵列（microarray）、多核苷酸编码（polynucleotide encoding）、DNA重组（DNA recombination）、DNA微阵列（DNA microarray）。

（5） 专利强度

图1.12 生物芯片专利平均专利强度

对生物芯片的全球专利的平均专利强度进行统计，发现高价值（70-100分）专利为4184件，占所有专利总数的5.2%。另外，68.5%的专利的平均专利强度为0-30分；26.3%的专利的平均专利强度为30-70分。

（五）全球主要国家及地区芯片产业的发展历程及借鉴

1. 美国芯片产业发展历程

美国是芯片产业的起源地，也是目前全球芯片产业最发达的国家、世界上主要的集成电路出口国。回溯美国芯片产业的发展历史，美国经历了“兴起-强大-被日本赶超-再次复兴”的发展历程。

（1） 组织机构革新

1989年底，美国组建了国家半导体咨询委员会(National Advisory Committee on Semiconductors, NACS)，通过确立“集中攻关通用集成电路的大规模制造技术，重点发展微组件及逻辑器件等附加价值高、技术创新性强的半导体芯片产品”这一发展思路，在国家层面上实现了半导体产业的战略转型。[2] 1992年，美国政府设立了国家基础设施咨询委员会(National Infrastructure Advisory Council, NIAC)， 该委员会的组建使得美国“国家信息基础设施计划”（National Information Infrastructure， NII）得以顺利实施，促成了美国半导体芯片产品在民用市场的大规模应用，奠定了美国在全球半导体芯片市场的绝对主导地位。

（2）芯片企业合作

随着20世纪80年代日本芯片产业逐渐崛起，美国国会和司法部倡议各美国企业形成研发联合体，以促进美国芯片行业的统一性与连贯性。1984年，美国国会制定实施了《国家合作研究法》（National Cooperative Research Act of 1984, NCRA）；1993年，NCRA修正案(National Cooperative Research and Production Act of 1993， NCRPA)出台，允许企业共同生产研发成果。NCRA与NCRPA的出台为美国芯片企业的合作研发行为及之后的SEMATECH计划提供了法律基础。在相关法律与SEMATECH计划的引导下，美国半导体行业协会（Semiconductor Industry Association, SIA）持续倡议推进美国半导体企业间的合资生产和并购，以达到合资企业技术协同和强强联合的目的。[3]

（3）SEMATECH计划

1987年，美国国防部科研委员会（National Defense Research Committee， NDRC）和美国半导体协会共同成立了美国“半导体制造技术研究联合体”（Semiconductor Manufacturing Technology Research Consortium，SEMATECH），正式启动SEMATECH计划。

SEMATECH计划以IBM、TI、HP等13家美国企业为核心，目标在于弥补美国在芯片设计、制造环节方面的短板。SEMATECH计划启动后，美国的芯片制造能力得到大幅提升，材料研发进程显著加快。SEMATECH作为美国芯片制造企业与政府协同创新的产物，纠正了美国半导体行业过去“各自为政”的倾向，对于美国芯片技术创新组织模式的变革具有特殊的意义。

（4）出口政策

20世纪90年代初期，正值美国芯片设计、制造技术实现对日反超的关键时期，美国通过政府采购、支持出口等方式，不断扩大芯片技术产品的市场需求。一方面，美国政府加强政府采购，促进政府在半导体芯片等高科技领域投资。另一方面，美国政府逐步放宽了对半导体芯片等高科技产品的出口管制，允许在不危及国家安全的前提下，利用多元化的手段促进半导体产品的出口。1993年，美国政府公布了《国家出口战略》，致力于强化美国企业的外部竞争能力。战略的出台实施，对于美国加快芯片出口，并逐步实现对全球信息技术生态的垄断起到巨大推动作用。

（5）产学研一体化

为加强半导体研发和美国大学半导体的课程教学，美国半导体协会于1982年成立了半导体研究联盟（Semiconductor. Research Corporation， SRC），每年投资3000万美元资助美国大学中有关半导体芯片的研究项目。

此外，《杜拜法案》《联邦技术转移法》《国家竞争力技术转让法》等法案的出台，为推动半导体芯片等创新技术成果由学术界向产业界转移，实现成果产业化奠定了法律基础。随着SEMATECH计划的实施，美国在半导体芯片领域，逐步形成了政府、国家研究机构、高校、民营研究机构和企业联合开发的协同创新机制，半导体芯片技术由高校和研究机构向产业转移。

（6）科技创新金融市场机制

早在20世纪40年代，美国就开始成立风险投资，向科技企业提供融资。之后数十年间，美国通过出台《小企业投资法案》《公平信贷机会法》《小企业创新发展法》《国内税收法》等系列法规，逐步建立了一整套支持创新的天使投资、风险投资、垃圾债券、股票市场市场等科技创新市场金融机制。完善的科技创新金融市场机制，使得美国成为全球风险投资最活跃的地区，有力地保障了美国半导体产业领域的新技术、新成果迅速完成产业化转换，为美国半导体芯片技术产业创新发展，以及20世纪80和90年代实现对日本技术反超，提供了巨大助力。

（7）外资监管审查机制

美国的外资监管制度始于20世纪70年代，美国先后于1974年和1976年出台《外国投资研究法》《国际投资调查法》，并以11858号行政令的方式设立了《美国外国投资委员会》（The Committee on Foreign Investment in the United States, CFIUS）这一跨部门机构，专门负责外资监管。美国于1988年出台《埃克松－弗洛里奥修正案》 (Exon-Florio Amendment)，授权美国总统中止或禁止任何威胁美国国家安全的外国收购、并购或接管从事州际贸易的美国公司的行为。1992年《伯德修正案》出台，将具有外国政府背景的外国企业纳入CFIUS审查范围。至此，美国外资监管审查机制得到进一步强化和完善。

2.日本芯片产业发展环境

日本集成电路产业可以追溯到20世纪50年代。从二战后的百废待兴到80年代的IC强国，再到近年来全球化下的格局重组，日本在集成电路产业经历了从小到大、从弱到强的演变。如今，日本的半导体产业没有二十世纪八九十年代那么辉煌，但是作为芯片行业的先驱国家,它仍是我们可以学习和借鉴的对象。

九州地区是日本芯片产业生产的聚集地，被称为日本“硅岛”，记录了日本各个时代的变迁。1967年，三菱电机在日本熊本县建立了第一家生产厂，标志着九州地区正式与“芯片”关联起来。归纳九州半导体地区的发展路线，可以看到如下发展：（1）纵向一体化为主发展成为结合本土优势进行合理分工；（2）零星芯片企业发展成为企业协同发展；（3）劳动密集型芯片生产发展至芯片设计研发环节；（4）从低端芯片产品转变为高附加值专用电路。

目前，九州地区占据着日本半导体产业三分之一的产值，是各大芯片企业的驻地首选。其中，芯片设计企业是九州地区的主力军。自2001年起，日本政府共实施了19个产业集群计划。在设立专门主管机构、制定相关法律法规、提供基金支持、培育人才等措施的合力作用下，日本全国各地都形成各自领域的产业集群带。

总体而言，日本半导体产业成功的经验在于：（1）自主研发与技术引进相结合；（2）将产业重心放在民用领域，利用高需求带动产业发展；（3）政府在政策扶持、协调发展与贸易保护等方面做出的巨大贡献。

日本在20世纪90年代逐渐没落的原因在于：（1）经济发展停滞导致投资和需求不足；（2）固守旧时代的成功，错失新需求带来的行业拐点机遇；（3）企业决策保守，外部合作相对不足

3. 中国台湾芯片产业发展状况

台湾半导体行业从20世纪80年代开始起步，至今二十余年，已取得较为理想的成绩。据数据显示，中国台湾地区是2018年半导体设备的最大市场，销售额增长了68％，达到171.2亿美元。[4]

台湾芯片产业起步于生产消费型电子产品。20世纪40年代,台湾利用日本零部件及中国大陆来的设备组装收音机。20世纪50年代末至60年代，美国、日本等国家的芯片企业陆续进入台湾市场。经过几十年的发展，台湾在与外国企业的交流合作中逐步奠定了技术与人才基础。

在台湾芯片产业起步后，台湾开始大力发展圆晶代工。圆晶代工（Original Equipment Manufacturer, OEM）模式帮助台湾获得外国专利授权并打开市场。总体而言，1970年到1990年，台湾抓住了跨国公司垂直整合工序进行分拆外包、产业链纵向延伸的时机，以圆晶代工模式成功地把产业链延续下来，形成半导体发展热潮。截止2000年，台湾圆晶代工占全球76.8%的份额。

20世纪90年代初，低价电脑风潮使得台湾开始思索芯片产业的转型。1993年，台湾从纯粹圆晶代工模式（OEM）走向了具备设计能力的设计制造（ODM）模式。2000年，台湾半导体设计产业的全球市场占有率为20%，仅次于美国。国外大厂将设计部分转交给台湾，使台湾企业完全进入设计制造模式。

在从圆晶代工模式向设计制造模式提升的同时，台湾开始向自主品牌研发（OBM）升级。但由于台湾自主技术创新能力尚不能领先于发达国家，因此,在后来的国际大厂大幅度降价时，台湾自主品牌研发比例大幅下降，多数厂商转回圆晶代工模式。

台湾的成功经验在于：（1）抓住产业垂直分工趋势；（2）台湾将产业链延伸到岛内，发挥生产成本优势规模经济，成功巩固了全球代工龙头地位；（3）龙头企业带动上下游发展，上游设计产业和下游封装测试产业以及外围产业同时发展。

4. 总结

总体而言，在芯片产业这一自由竞争的市场里，技术、资本、人才是缺一不可的。总结日本和中国台湾的发展经验，可以看出后发国家和地区主要通过以下几个方面来实现产业的发展和超越：一是通过技术引进和自主研发相结合，集中资源进行产业突破；二是及时抓住产业新需求爆发带来的发展机遇；三是在行业低谷时逆周期投资超越竞争对手；四是随着产业发展，发挥比较优势，努力创新产业工作模式。

报告委托方：中新广州知识城开发建设办公室

报 告 编 写：北京大学粤港澳大湾区知识产权发展研究院

主    持   人：张  平

课题参与人：张宇枢、黄菁茹、闫文光、熊诗敏、谢  阳、梁欣然、刘伟斌、赵  丹、王予君、齐嘉懿、郝建雄。

分 析 支 持: CPA Global思保环球

特 别 鸣 谢：安雪梅、程永顺、邱绛雯、陶鑫良、杨建兵（按姓名首字母顺序）

撰 写 日 期：2020年11月

         （整理：刘伟斌、梁欣然^*[5]）

[1] 北京大学粤港澳大湾区知识产权发展研究院.《芯片产业知识产权战略规划与风险防控研究报告》[R]．北京、广州，2020年.

[2] 王超：《美国20世纪90年代半导体芯片技术产业复兴的经验分析》，《网络空间安全（2020）》，第100-105页。

[3] 周建军：《寡头竞合与并购重组:全球半导体产业的赶超逻辑》，《国际经济评论（2018）》，第135-156页。

[4] SEMIChina：“SEMI报告：2019年全球半导体设备销售额下滑7％至598亿美元”，链接：https://www.sohu.com/a/388618329_280890，最后访问日期：2020年7月31日。

^* 刘伟斌：北京大学粤港澳大湾区知识产权发展研究院研究助理；梁欣然：北京大学粤港澳大湾区知识产权发展研究院行政办公室主任。