处理器专利分类体系研究.pdf
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1、 20 第20卷第10期2023年10月Vol.20 No.10 Oct.2023中国发明与专利(知识产权情报学学报)China Invention&Patent(Journal of Intellectual Property Information Science)处理器专利分类体系研究曹卫良1 刘 明1 郭 晨1 楼仙英2 谭章熹1(1.清华-伯克利深圳研究院RIOS实验室,深圳518000;2.金杜律师事务所,深圳518000)摘 要:现有的专利分类体系 IPC 和 CPC 缺乏针对处理器领域的专业划分,为此,本文从处理器的开发和设计角度出发,根据处理器设计过程中技术实现的不同功能模块
2、,提出了处理器技术领域专业的专利分类体系 RPC,并根据 RPC 分类对 MIPS 公司和 ARM 公司的专利进行了统计与分析,发现利用 RPC 分类对专利进行统计与分析,其效率以及其作为技术情报的参考价值明显优于利用 IPC 和 CPC 两大现有专利分类体系的统计与分析之结果。也就是说,基于 RPC 分类的专利研究与分析,可以更好地在加强专利保护的同时方便本领域技术人员使用专利文献。关键词:处理器 专利分析 IPC 分类 CPC 分类 RPC 分类中图分类号:G306 文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1672-6081.2023.10.0030 引言计算机体系结构包含 R
3、ISC(Reduced Instruction Set Computer,精简指令集计算机)和 CISC(Complex Instruction Set Computer,复杂指令集计算机)两大架构1。其中,RISC 架构的代表包括 MIPS 指令集、ARM 指令集(主要用于智能手机)和 RISC-V(第 5代 RISC)指令集,CISC 架构的代表包括 Intel 公司的x86 指令集(主要用于个人电脑和服务器)。在上述指令集架构中,RISC-V 是唯一开源的指令集架构,其重新定义了计算机体系结构,被认为是有望发展为市面上除 x86 和 ARM 之外的第三种主流指令集架构,将推动处理器技术迭
4、代升级和半导体芯片的发展进程。RISC-V 指令集架构(Instruction Set Architecture,ISA)和规范是免费开放的,但是,在扩展指令集和微处理器架构等方面,是否存在潜在的专利侵权风险或在实施过程中是否有涉诉风险,需要对相关专利进行检索、分析与统计2。而依据专利文献中现有的 IPC(International Patent Classification,国际专利分类)和CPC(Cooperative Patent Classification,联合专利分类)来进行专利统计时,一方面存在大量噪音专利,另一方面难以直观地反映出其与 RISC-V 指令集和规范所涉及的技术的关
5、系,从而使得业内技术人员难以确定专利池的边界或者排查专利风险。通过本研究项目,RIOS 实验室1尝试通过在技术专家指导下建立处理器领域的专利分类体系,系统地了解微处理器的专利状况(包括所有来自 RISC/CISC架构的微处理器相关专利),为 RISC-V 的实施建立一个针对潜在知识产权风险的防御和监控系统(例如绘制 RISC-V 技术的专利全景图)。1 专利分类研究对象和方法初始阶段,本文选取 MIPS 公司和 ARM 公司的作者简介:曹卫良(1980),男,湖南益阳人,硕士,知识产权研究员,研究方向:知识产权法律研究;刘明(1963),男,湖南桑植人,博士,研究方向:人工智能和开源法律研究;
6、郭晨(1989),女,江西吉安人,硕士,知识产权研究员,研究方向:知识产权法律研究;楼仙英(1970),女,浙江诸暨人,硕士,金杜国际中心知识产权业务负责人,研究方向:知识产权事务和跨境技术贸易;谭章熹(1980),男,北京人,博士,教授,RIOS 实验室执行主任,研究方向:计算机体系架构。1 清华-伯克利帕特森 RISC-V 国际开源实验室(RISC-V International Open Source Laboratory,以下简称 RIOS 实验室),是以清华-伯克利深圳学院为依托单位,以 2017 年图灵奖获得者大卫-帕特森教授为常任主任的深圳十大诺奖实验室之一。RIOS 实验室于
7、2019 年 11 月正式挂牌成立,专注于开源处理器的前沿技术和体系结构的基础性创新。21 2023年第10期中国发明与专利(知识产权情报学学报)美国专利进行研究与分析。选取 MIPS 公司作为分析研究对象的原因在于:(1)MIPS 公司是主要的和最早的 RISC 处理器公司之一3;(2)MIPS 公司在 RISC技术领域拥有广泛的专利组合。另外,初始阶段仅选取美国专利进行分析的原因,主要从以下两方面考虑:(1)美国是 MIPS 公司首先申请专利的国家,相同的技术发明创造,MIPS 公司通常先申请美国专利,然后再申请其他国家或地区的专利(其他国家或地区的专利申请技术内容与美国专利基本保持一致)
8、;(2)MIPS 公司的大部分专利都集中在美国。基于类似的理由,本文也选取了 ARM 公司的美国专利进行研究和分析,以更好地验证 RPC 分类方法可以取得预期的分析结果。通过检索得到 510 件 MIPS 相关专利和 4073 件ARM 公司的专利2,其中 MIPS 公司专利数量 510 件(有效专利占比 53%,参见图 1),ARM 公司专利数量 4073 件(有效专利占比 75%,参见图 1)。为了更好地分析 MIPS 公司和 ARM 公司的专利,RIOS 实验室提出了自己的专利分类体系 RPC(RIOS Patent Classification,RPC),并根据 RPC 分类进行专利分
9、析与统计3。30566114060100020003000ARM公司美国专利法律状态75%15%10%26823570150300有效专利失效专利审查中专利有效失效审查中MIPS公司美国专利法律状态53%46%1%专 利 数 量专 利 数 量有效专利失效专利审查中专利有效失效审查中图 1 MIPS 和 ARM 公司专利法律状态2 RPC 专利分类体系2.1 RPC 分类提出的背景由于现有的专利分类体系 IPC 和 CPC 分类号涵盖了生物、化学、政治、经济、物理等多个方面4,技术划分过于宽泛,对于计算机处理器的划分起始于 G(物理),没有专门针对处理器各个功能模块的技术细节进行划分,导致利用
10、IPC 和 CPC 方法统计出的结果缺乏本领域研发人员想要的技术信息。例如,针对MIPS 和 ARM 公司的专利进行 IPC 分类的统计,得到的分析结果如图 2 所示。11977324013672722612222152121860100029515267605333322116160200专 利 数 量IPC分类下ARM公司美国专利(前10)国际专利分类(IPC)是一种层级专利分类系统,以统一方式对专利内容进行分类专 利 数 量IPC分类下MIPS公司美国专利(前10)图 2 IPC 分类下 MIPS 和 ARM 公司专利的统计结果从图 2 可以看出,通过 IPC 分类号统计分析得到的专利技
11、术类别包括程序控制(Program Control)、内存分配(Memory Allocating)、数字计算(Digital Computer)、设备互联(Device Interconnect)、数据处理(Data Processing)、错误校正(Error Correction)等,并且,MIPS 公司和 ARM 公司的统计结果基本相同,缺乏区分度。从处理器设计者的角度看,上述统计结果缺乏专业性,不能满足研发人员的需求。例如,处理器开发人员在进行缓存一致性(Cache Coherence)设计时,如果想要了解该方面技术的相关专利,无法从上述统计结果中得到。125975047844930
12、72962522522322200100030713870464038352423230200专 利 数 量CPC分类下MIPS公司美国专利(前10)CPC分类下ARM公司美国专利(前10)合作专利分类(CPC)是由欧洲专利局(EPO)和美国专利商标局(USPTO)共同开发的专利分类系统CPC分类系统比IPC系统更加具体和详细专 利 数 量图 3 CPC 分类下 MIPS 和 ARM 公司专利的统计结果2 检索条件:当前申请人/专利权人为 MIPS 或 ARM,或者原始申请人/专利权人为 MIPS 或 ARM;检索数据库:USPTO 和 Google Patents;时间范围:MIPS(198
13、4 年 1 月 1 日至 2022 年 5 月 19 日),ARM(1990 年 11 月 1 日至2022 年 5 月 19 日)。3 本文所采用的 RPC 分类得到 RIOS 实验室技术专家组成员谭章熹博士、王翕博士的协助,另外,实验室成员郭晨、姚越、赖凝月,北京大学法学院张平教授以及金杜律师事务所楼仙英团队也对本文的完成作出贡献。处理器专利分类体系研究 22 2023年第10期中国发明与专利(知识产权情报学学报)同样的,针对 MIPS 和 ARM 公司的专利进行CPC 分类的统计,得到的分析结果如图 3 所示。从图 3 可以看出,根据 CPC 分类号统计分析得到结果,MIPS 和 ARM
14、 公司的专利技术类别主要包括程序控制(Program Control)、内存分配(Memory Allocating)、索引结构(Indexing Scheme)、错误校正(Error Correction)、数据处理(Data Processing)、电 源 管 理(Power Management)、通 信 方 法(Communication Method)等。根据 CPC 分类统计结果,MIPS 公司和 ARM 公司的统计结果同样基本相同,缺乏区分度(与 IPC 分类相似)。该 CPC 统计结果同样缺乏专业性,不能满足处理器设计者的要求。鉴于当前专利分类体系的局限性,本文从处理器的开发和
15、设计角度出发,根据处理器设计过程中技术实现的不同功能模块,来划分处理器的技术类别,以体现处理器设计的专业性,同时方便研发人员检索某一特定处理器功能模块的专利。需要说明的是,本文提出的 RPC 分类并不排斥 IPC 和 CPC 分类号,将本文提出的 RPC 分类号与 IPC 和 CPC 分类号相结合,能更好地帮助技术人员理解处理器各个功能模块的专利技术。2.2 RPC 分类的概述RPC 分类的思路来源于加利福尼亚大学伯克利分 校 的 EECS(Electrical Engineering and Computer Sciences)课程体系,从 CPU 设计领域技术专家的角度对专利进行分类(参见
16、图 4 所示)。图 4 RPC 分类来源(技术维度)RPC 目前主要分为三个层级(参见图 5 所示),第一层级包括 R01(Micro-architecture,微处理器架构)、R02(Instruction Set Architecture,指 令 集 架 构ISA)、R03(Operating System&Virtualization,操作系统和虚拟化)、R04(Circuit Design,电路设计)、R05(Physics&Device,材料和物理元件)、R06(Fabrication&Testing,制造和测试)等4。其中,R01 和 R02 是处理器设计实践中的两个主要类别,R0
17、X 代表未来可能需要新增的一些技术分类。需要补充说明的是,RPC分类目前主要依据技术维度进行划分,未来可以考虑增加其他分类的维度,例如增加产品维度和产业维度(不同产品的应用场景)等。图 5 RPC 分类示意图(部分)R01(Micro-architecture)在第二层级进一步包括R01A(Core,内核)、R01B(Cache,缓存)、R01C(Co-processor,协 处 理 器)、R01D(Interconnect,网 络 连 接)、R01E(Miscellaneous system)、R01F(Debugger,调 试 程 序)、R01G(Security Unit,安全单元)等。
18、第二层级的 Core(R01A)在第三层级进 一 步 包 括 Fetch Unit(R01A01)、Branch Predictor(R01A02)、Decode Unit(R01A03)、Hazard Handling处理器专利分类体系研究4 实验室研究生张璐童、韦业鑫、傅泽欣对 R01(Micro-architecture)分类作出重要贡献,朱奕霏、陈禹诚对 R02(ISA)分类作出重要贡献,张璐童、韦业鑫、傅泽欣、曹野、张乙海对 R03 至 R06 分类作出重要贡献。23 2023年第10期中国发明与专利(知识产权情报学学报)处理器专利分类体系研究(R01A04)、Dispatch Un
19、it(R01A05)、Issue Unit(R01A06)、Function Unit(R01A07)等,以此类推。R02(ISA)在 第 二 层 级 进 一 步 包 括 R02A(Computational Instructions,计 算 指 令)、R02B(Control Transfer Instructions,控制转移指令)、R02C(Memory Access Instructions,内存访问指令)、R02D(Float-Point Instructions,浮点指令)、R02E(Memory Ordering Instructions,内存排序指令)、R02F(Environ
20、ment Call and Breakpoints Instructions,环境调用和断点指令)、R02G(HINT Instructions,HINT 指 令)、R02H(Atomic Instructions,原 子 操 作 指 令)、R02I(Control and Status Register Instructions,控制和状态寄存器指令)、R02J(Compressed Instructions,压 缩 指 令)、R02K(Bit Manipulation Instructions,位 操作指令)、R02L(Language Translated Instructions,语
21、言 翻 译 指 令)、R02M(Transactional Memory Instructions,事务性内存指令)、R02N(Packed-SIMD Instructions,Packed-SIMD指令)、R02O(Vector Instructions,向量指令)、R02P(Debug Instructions,调 试 指 令)、R02Q(Privileged Instructions,特权指令)等。第二层级的计算指令(R02A)在第三层级进一步包括 Arithmetic Operation Instructions(算术运算指令,R02A01)、Logical Operation Ins
22、tructions(逻辑运算指令,R02A02)、Shift Operation Instructions(移 位 运 算 指 令,R02A03)、Conditional Execution Instruction(条件执行指令,R02A04)等,以此类推。R03(Operating System&Virtualization)在第二层级进一步包括 R03A(Operating System,操作系统)和 R03B(Virtualization,虚拟化)等。第二层级的操作系统(R03A)在第三层级进一步包括 Scheduling&Concurrency(任务调度和并发,R03A01)、Memo
23、ry Management(内存管理,R03A02)、Protection(操作系统保护,R03A03)、Storage(数据存储,R03A04)等;第二层级的的虚拟化(R03B)在第三层级进一步包括Hypervisor(管理程序,R03B01)和 Container(容器,R03B02)等。R04(Circuit Design,电路设计)在第二层级进一步包括 R04A(Clock,时钟)和 R04B(Power,电源)等。第二层级的时钟(R04A)在第三层级进一步包括 Clock Domain Crossing(跨时钟域,R04A01)等;第二层级的电源(R04B)在第三层级进一步包括Pow
24、er Management Unit(电源管理单元,R04B01)、Dynamic Voltage Scaling(动态电压调节,R04B02)、Power Domains(电源域,R04B03)、Voltage Domains(电压域,R04B04)等。R05(Physics&Device)在第二层级进一步包括R05A(Physics,材料)和 R05B(Device,物理元件)等。第二层级的材料(R05A)在第三层级进一步包括 Silicon substrate(硅衬底,R05A01)等;第二层级的物理元件(R05B)在第三层级进一步包括 Diodes(二极管,R05B01)、Capaci
25、tors(电容器,R05B02)、Transistors(晶体管,R05B03)、MOS 元件(R05B04)等。R06(Fabrication&Testing)在第二层级进一步包括 R06A(Fabrication,芯片制造)和 R06B(Testing,芯片测试)等。第二层级的芯片制造(R06A)在第 三 层 级 进 一 步 包 括 Cleaning(清 洗,R06A01)、Passivation(钝 化,R06A02)、Photolithography(光刻,R06A03)、Ion Implantation(离子注入,R06A04)、Etching(蚀刻,R06A05)、Thermal
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