万雪佼、徐步陆（上海硅知识产权交易中心有限公司，上海 201109）
摘要：
作为图形处理器（GPU）技术发展的风向标，报告对全球和中国的GPU技术发展历史、专利发展状况和主要厂商分别进行了分析，包括年度公开趋势、专利公开国分布、专利技术趋势、重点发明人，专利引证排名等分析，可供产业发展和投资决策参考。
关键词：
图形处理器；GPU；专利；集成电路产业
基金论文：
上海市软件和集成电路产业发展专项资金资助项目（2016160505）
作者简介：
万雪佼，上海硅知识产权交易中心有限公司项目经理，研究方向：集成电路知识产权交易与授权。徐步陆，上海硅知识产权交易中心有限公司总经理，研究方向：集成电路知识产权专利交易IP授权。
本文来源：
《集成电路应用》第34卷第7期（总第286期）
图形处理器（GPU，Graphic Processor Unit）是CPU、DSP之外的一种高端通用处理器。CPU中计算单元ALU约为25%，逻辑控制为25%，缓存Cache 50%，而GPU中计算单元ALU通常达到95%，缓存Cache为5%。近年，由于图形处理器采用了数量众多的计算单元，具有大规模并行计算能力，在机器视觉和深度学习等人工神经网络、人工智能等领域得到了普遍应用。
1 GPU概述
图形芯片主要的功能就是把CPU计算好的数据转换为显示像素，并产生对应的同步模拟信号到显示器上。早期的代表性产品是3dfx公司于1996年推出的代号Voodoo3D图形加速芯片。NVIDIA于1999年推出GeForce 256产品时提出的GPU技术定义是“集成了变换（transform）、光照（lighting）、三角形设置/剪裁（triangle setup/clipping）和渲染引擎，每秒能处理1000万多边形的单芯片处理器”[1]。目前全球有约10家公司推出商用GPU，包括产品如独立显卡、集成显卡、核芯显卡（集成在CPU中[2]）、嵌入式SoC，以及GPU架构授权。当前GPU的芯片提供商有：
（1）美国处理器芯片公司：Intel，AMD和NVIDIA。Intel，AMD和NVIDIA是国际上仅有的三家桌面PC机GPU提供商。Intel提供桌面和笔记本核芯显卡Gen系列，推出的嵌入式处理器多采用自主设计Gen系列。AMD提供核芯显卡Radeon品牌系列，其嵌入式处理器和GPU采用的也是自主设计GPU核心。AMD集成CPU和GPU的芯片被AMD公司称为APU。NVIDIA提供Geforce品牌系列显卡，还提供移动包含嵌入式GPU的应用芯片Tegra品牌系列。其中Tegra和其他公司嵌入式GPU SoC主要用于手机不同，主要用于汽车领域。
（2）美国系统级SoC芯片公司：Qualcomm。Qualcomm拥有自主GPU品牌Adreno。Qualcomm将Adreno GPU和来自ARM授权的CPU组成SoC芯片产品销售，产品广泛用于移动领域包括手机和平板电脑。Qualcomm在2009年之前采用图形芯片设计公司ATI的Imageon平台。2009年之后Qualcomm使用购自AMD的“向量绘图与3D绘图技术”，并发展为自己的GPU品牌Adreno。
（3）日本芯片公司：DMP和Takumi。DMP的GPU主要用于任天堂游戏机，Takumi的GPU主要用于数码相机。
（4）中国芯片公司：长沙景嘉微电子、上海兆芯。长沙景嘉微电子公司的GPU技术源自国防科大，推出的GPU芯片完全军用，主要客户是中国航空无线电电子研究所。上海兆芯集成电路公司的GPU技术源自威盛电子旗下合资的S3 Graphics，目前推出了包含自主知识产权GPU的Elite系列SoC。
（5）国际IP架构授权公司：ARM（英）、Imagination Tech（英）和Vivante（美）。ARM（2016年被日本软银收购）提供Mali系列GPU，Imagination Tech提供PowerVR系列GPU，Vivante公司（美国公司，2015年被上海芯原收购）提供GC系列GPU。这三家公司的业务是IP核授权模式，不直接提供芯片。客户获得IP核授权后，整合入SoC产品，多用于移动领域。APPLE公司原先使用Imagination Tech的GPU，但今后将自行开发。
2 GPU专利分析
本报告检索了GPU领域相关技术专利，主要是GPU硬件技术，包括GPU架构、管线、着色器、纹理单元、光栅化单元等等，也包含部分处理器通用技术如线程调度、指令缓存等，并且不排除部分和硬件结合紧密或具有相同名称（或关键词）的软件技术[3]。专利检索方法为限定国际专利分类IPC和联合专利分类CPC，以及GPU相关各结构组成并限定“GPU以及其同义词”为关键词，最后剔除噪声。IPC和CPC限定为G06F、G06T、G06N。专利检索截至日期为2015年12月31日前公开（公告）专利。检索时间为2016年9月，分析数据不包含该日期之后检索工具收录的2015年12月31日之前公开（公告）的专利。
本报告专利检索采用法国Questel公司的Orbit系统的专利家族库，即Fampat库[4]。对全球和中国专利数据分析采用Orbit系统的分析功能，专利引证分析排名采用Questel公司Intellixir专利分析系统（分析数据源从Orbit检索结果中导出）。如无特殊说明，本报告中专利分析对象为专利家族的，数量单位为“个”；分析对象为单件专利的，数量单位为“件”。检索分析专利类型包含发明（美国专利含申请和授权专利，中国专利含公开和授权公告）和实用新型，不包含外观专利设计。
GPU技术专利趋势分析结果具体如下：
（1）从专利年度趋势看，截至2015年在GPU技术领域全球共计6522个专利家族，其中1766个家族有中国专利。GPU技术领域全球专利公开有三波增长，特别是2010年以来较快一波增长，复合增长率高达12%；并且自2013年开始每年的公开数量均超过五百专利家族。近三年中国专利公开量较多，每年公开数量都超过二百个家族。
（2）从全球专利公开国看，GPU专利全球布局重心在美国。其中超过总数80%的5459个专利家族有美国专利，剩余世界五大专利局的中日欧韩分布也排名靠前，均有超过10%专利家族有该国专利布局。从各国公开趋势来看，在美国、中国和韩国专利布局比重呈逐年上升趋势。
（3）从专利技术趋势看，全球GPU领域专利IPC排名前三的分别是G06T15/00（三维图像的加工）、G06T1/20（通用图像数据处理的处理器结构；处理器配置，如流水线）和G09G5/00（阴极射线管指示器及其他目标指示器通用的目视指示器的控制装置或电路），并且近三年全球GPU专利在IPC总数排名靠前的两个领域比重有显著增加。
（4）从专利权人分布看，全球GPU技术领域专利数量排名前20的公司占有全球70%的GPU专利，GPU专利技术相对集中。排名靠前的公司以美国居多，其次是英国（ARM和Imagination Tech）。日本游戏公司索尼电脑娱乐公司和任天堂公司也有少量GPU专利。除台湾VIA公司外，排名前100的没有中国专利权人。GPU技术领域全球专利家族持有数量排名前三的分别是NVIDIA，Intel和AMD，它们的GPU技术研发都有二十年，历经整个GPU发展历程。其中NVIDIA最早提出GPU定义，其持有专利数量占全球总量的近20%。微软的多媒体编程接口DirectX被GPU普遍支持，微软持有的GPU相关专利数量也有两百多件，大部分专利为架构、渲染流程以及软硬件接口和资源映射类。截至2015年底，单个中国专利权人仅持有个位级别数量的GPU技术专利家族。例如长沙景嘉持有11个专利家族，上海兆芯有7个专利家族。
