LPDDR5標(biāo)準(zhǔn)帶來的變化詳解

2019年2月，JEDEC正式發(fā)布LPDDR5全新低功耗內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)，即Low Power Double Data Rate 5。相較于LPDDR4標(biāo)準(zhǔn)，LPDDR5的I/O速度從3200MT/s提升到6400MT/s，速度直接翻番。如果匹配高端智能機(jī)常見的64bit BUS，每秒可以傳送51.2GB數(shù)據(jù)；如果匹配PC的128bit BUS，每秒可突破100GB數(shù)據(jù)。

固態(tài)協(xié)會(huì)認(rèn)為，LPDDR5有望對(duì)下一代便攜電子設(shè)備（手機(jī)、平板）的性能產(chǎn)生巨大提升，為了實(shí)現(xiàn)這一改進(jìn)，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)LPDDR5體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)向最高16 Bank可編程和多時(shí)鐘體系結(jié)構(gòu)。同時(shí)，還引入了數(shù)據(jù)復(fù)制（Data-Copy）和寫X（Write-X）兩個(gè)減少數(shù)據(jù)傳輸操作的命令來降低整體系統(tǒng)功耗，前者可以將單個(gè)陣腳的數(shù)據(jù)直接復(fù)制到其它針腳，后者則減少了SoC和RAM傳遞數(shù)據(jù)時(shí)的耗電。

另外，LPDDR5還引入了鏈路ECC糾錯(cuò)，信號(hào)電壓250mV，Vddq/Vdd2電壓還是1.1V。

常程從三方面對(duì)LPDDR5進(jìn)行了解釋：

1.多車道Bank Group架構(gòu)

LPDDR4x僅支持Single Bank Group，而LPDDR5支持多Bank Group模式，更多的Bank Group相當(dāng)于數(shù)據(jù)傳輸從單車道變?yōu)槎嘬嚨?，增加更多的并行?shù)據(jù)通路，提升數(shù)據(jù)傳輸帶寬。

2.速率跨越式升級(jí)最多可達(dá)50%性能提升

得益于多Bank Group模式，與上代LPDDR4x相比，LPDDR5的數(shù)據(jù)傳輸速率從4266Mbps提升至5500Mbps，傳輸帶寬從34GB/s提升到了44GB/s，這是人類歷史目前最高速率的內(nèi)存規(guī)格。未來，這一速率還會(huì)提升到6400Mbps，帶寬提升到51.2GB/s，提升50%之多。

3.超低功耗

LPDDR5內(nèi)部有三組電壓：VDD1/VDD2/VDDQ，其中VDD2又分為VDD2H和VDD2L，VDD1和VDD2屬于Core電源，VDDQ屬于I/O接口電源。相比LPDDR4X，LPDDR5的VDD2H由1.1V降至1.05V，VDDQ由0.6V降至0.5V，另外還有新加入的DVFSC和DVFSQ功能，可在低速工作時(shí)切換至更低的0.9V和0.3V電壓，進(jìn)一步降低功耗。

與之相比，LPDDR4x器件在高速工作時(shí)，時(shí)鐘為2133MHz，且需要一直保持在這樣的狀態(tài)，無形中會(huì)增加功耗。而LPDDR5器件修改了這一設(shè)計(jì)，LPDDR5的時(shí)鐘只有800MHz，而在數(shù)據(jù)有讀寫操作時(shí)，會(huì)有一個(gè)WCK信號(hào)，這個(gè)WCK信號(hào)會(huì)達(dá)到最大工作頻率，當(dāng)讀/寫工作停止時(shí)，WCK信號(hào)也會(huì)停止，從而降低功耗。

5G時(shí)代的標(biāo)配

“2020年，5G手機(jī)為什么要搭配LPDDR5？”是知乎上的熱帖之一。除了小米和三星外，截止目前，努比亞、Realme、OPPO和中興等品牌也確認(rèn)了要采用LPDDR5。

我們知道，CPU是手機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算的核心部件，運(yùn)行速度非常快，但缺點(diǎn)是存儲(chǔ)空間非常小。閃存的存儲(chǔ)空間大，用來存儲(chǔ)程序等各種數(shù)據(jù)，但它與CPU的速度相差懸殊。這就需要內(nèi)存這一中樞去傳導(dǎo)數(shù)據(jù)與指令，以使數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣认嗥ヅ?，程序的運(yùn)行都在內(nèi)存中進(jìn)行。如果沒有內(nèi)存，CPU整個(gè)的處理速度就會(huì)受到嚴(yán)重拖累。

當(dāng)前智能手機(jī)所需應(yīng)對(duì)的數(shù)據(jù)吞吐量正加速增長，對(duì)手機(jī)瞬時(shí)處理數(shù)據(jù)的能力（即內(nèi)存性能）提出了更高要求。從2010年首先出現(xiàn)的4G應(yīng)用，到2012年出現(xiàn)LPDDR3用以支持4G LTE應(yīng)用，再到2014年手機(jī)廠商首次采用LPDDR4支持分屏應(yīng)用，消費(fèi)者的體驗(yàn)得到了大幅提升。

而如果我們?cè)倏匆幌?020年小米10智能手機(jī)所配備的LPDDR5內(nèi)存，就會(huì)發(fā)現(xiàn)其速率達(dá)到了5500Mbps，相當(dāng)于每秒可傳送44GB數(shù)據(jù)，大約為12個(gè)高清視頻文件（3.7GB/個(gè)）。CPU把需要運(yùn)算的數(shù)據(jù)調(diào)到內(nèi)存中進(jìn)行，運(yùn)算完成返回結(jié)果。內(nèi)存對(duì)手機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，高性能內(nèi)存對(duì)手機(jī)整體流暢度的提升大有裨益。

比如手機(jī)拍照，它涉及了大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算，尤其是手機(jī)相機(jī)像素已進(jìn)入到億級(jí)的現(xiàn)在，內(nèi)存性能低下，傳導(dǎo)數(shù)據(jù)慢，就會(huì)造成拍照延遲；44GB/s的傳輸速率對(duì)游戲玩家來說更是巨大的利好消息；而2K120Hz高刷新率屏幕需要很高的帶寬，想不用LPDDR5都不行。同時(shí)，LPDDR5的電壓非常低，它可以做到和其他芯片堆疊在一起，而且發(fā)熱和功耗還會(huì)進(jìn)一步降低。

根據(jù)小米用戶續(xù)航DOU測試結(jié)果看，LPDDR5對(duì)比LPDDR4X續(xù)航優(yōu)勢明顯。

1、綜合場景下，用戶續(xù)航提升約10%。

2、在游戲（王者榮耀）場景中，省電約20%。

3、在微信語音和視頻場景中，省電約10%。

讓雷軍直夸牛的美光

小米能趕在三星之前實(shí)現(xiàn)小米10全系搭配LPDDR5技術(shù)，最應(yīng)該感謝的是美光科技。

2月6日，美光科技宣布已交付全球首款量產(chǎn)的應(yīng)用于高端智能手機(jī)的低功耗DDR5 DRAM芯片，并將率先搭載于小米10智能手機(jī)。美光科技移動(dòng)產(chǎn)品事業(yè)部市場副總裁Christopher Moore更是將此次量產(chǎn)交付的LPDDR5 DRAM內(nèi)存芯片視作美光重要的里程碑之一。

美光目前出貨給客戶的LPDDR5內(nèi)存容量包括6GB、8GB和12GB，數(shù)據(jù)傳輸速率為5.5Gbps和6.4Gbps，因此今年的旗艦產(chǎn)品將不會(huì)有8GB以下的版本。按照Moore的說法，美光12GB單塊裸片是目前市場上能夠提供的容量最大的LPDDR5產(chǎn)品，而且其12GB的封裝尺寸能夠提供業(yè)界領(lǐng)先的規(guī)格和封裝容量。同時(shí)，美光也是唯一一個(gè)滿足JEDEC標(biāo)準(zhǔn)，首個(gè)供應(yīng)最大數(shù)據(jù)傳輸速率6.4Gbps產(chǎn)品的廠商。

相對(duì)于LPDDR4x，LPDDR5如果以5.5 Gbps的傳輸速度運(yùn)行，手機(jī)續(xù)航時(shí)間能夠延長5%-10%；如果是以最高的6.4Gbps傳輸速率運(yùn)行，手機(jī)續(xù)航時(shí)間能夠提高10%以上，這就意味著能夠?qū)崿F(xiàn)全天候的電池續(xù)航。

Moore對(duì)此解釋說LPDDR5的功耗節(jié)約并不僅僅是來自于器件的層面，還因?yàn)镈RAM的速度更快了，所以手機(jī)處理器能夠以更快速的速度傳輸數(shù)據(jù)，以便能夠盡早進(jìn)入睡眠模式，整個(gè)系統(tǒng)加總的結(jié)果使電池節(jié)約更多功耗。

在功耗降低的情況下，LPDDR5在性能方面也能夠更好的支持應(yīng)用：比如用LPDDR4的旗艦手機(jī)的高像素?cái)z像頭需要好幾秒的時(shí)間才能夠完成處理并且存儲(chǔ)，而如果用LPDDR5就會(huì)是一個(gè)無縫的過程；如果同時(shí)運(yùn)行多個(gè)的App，要捕捉視頻，還要打AI的游戲，還有進(jìn)行屏幕分享，在使用LPDDR4的情況下很容易出現(xiàn)瓶頸，但是對(duì)于LP5來說是綽綽有余的。

在2020年這樣一個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)，5G網(wǎng)絡(luò)正加快普及，5G云游戲、AI運(yùn)算等場景更是會(huì)帶來終端數(shù)據(jù)吞吐量的成倍增長。LPDDR5高性能內(nèi)存可以有效降低云游戲延遲、確保AI運(yùn)算數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步，為5G相關(guān)服務(wù)的衍生與發(fā)展做好了充分的終端性能保障。例如在使用LPDDR5之后，智能手機(jī)的邊緣計(jì)算就能夠成為一個(gè)數(shù)據(jù)處理的樞紐，能夠支持?jǐn)?shù)據(jù)處理、人工智能并且減輕云計(jì)算的負(fù)載，使得很多云計(jì)算功能轉(zhuǎn)移到邊緣計(jì)算，能夠充分利用高速網(wǎng)絡(luò)、5G帶寬以及高速高容量的內(nèi)存。

LPDDR5群雄爭霸

LPDDR5的使用是一個(gè)正常的技術(shù)迭代，就像從LPDDR3到LPDDR4，再到LPDDR4 X一樣。不過，技術(shù)迭代的背后，是三星、美光、SK海力士三家國際巨頭在全球DRAM市場上的激烈競爭。

三星在2018年就開始向LPDDR5標(biāo)準(zhǔn)過渡，當(dāng)年就宣布成功開發(fā)并量產(chǎn)業(yè)界首款10nm級(jí)8GB LPDDR5芯片。時(shí)隔一年，三星再次推出12GB LPDDR5，并宣布將于2020年開發(fā)16GB LPDDR5，即將面世的三星Galaxy S20系列預(yù)計(jì)將標(biāo)配自家的16GB LPDDR5 RAM和UFS 3.0儲(chǔ)存。

美光此番采用的是1Y納米的光刻技術(shù)，2020年上半年還將通過基于UFS的多芯片封裝（uMCP5）把LPDDR5內(nèi)存應(yīng)用于中高端智能手機(jī)，并于今年晚些時(shí)候推出1Z納米級(jí)的產(chǎn)品。Moore預(yù)測稱，到2020年底，絕大多數(shù)主流旗艦機(jī)都會(huì)搭載LPDDR5，2021年至2022年，這一趨勢將下沉至更多的中高端5G智能手機(jī)中，并據(jù)此成為市場的主流。

然而1Z納米技術(shù)并不是美光規(guī)劃的產(chǎn)品路線圖的盡頭。據(jù)報(bào)道，美光將計(jì)劃引入至少四種以上的10nm級(jí)制造工藝：1Z、1α、1β和1γ，從而使其10nm級(jí)制造工藝總數(shù)超過6種。

目前，美光正在加大其第二代10nm級(jí)制造工藝（即1Y nm）的使用規(guī)模，該工藝用于制造美光的各種產(chǎn)品，包括12Gb LPDDR4X、16Gb DDR4和12Gb LPDDR5存儲(chǔ)器件。下一代1Z nm將用于生產(chǎn)16Gb LPDDR5存儲(chǔ)器件以及DDR5存儲(chǔ)器件，1Z nm節(jié)點(diǎn)后，美光計(jì)劃開始使用1αnm和1βnm制造技術(shù)，并同時(shí)為1γnm技術(shù)的可行架構(gòu)尋找路徑。

SK海力士目前主要是提高第三代10nm級(jí)（1Znm）工藝量產(chǎn)16Gb DDR4，且積極拓展到LPDDR5和HBM2E市場，計(jì)劃在2020年大規(guī)模量產(chǎn)。在今年的CES 2020上，SK海力士展示的LPDDR5芯片頻率已達(dá)5500MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于LPDDR4X-4667，而且功耗更低。

因此，從上述三家的DRAM技術(shù)發(fā)展路線來看來看，從2019下半年開始，三大原廠均已陸續(xù)進(jìn)入1Znm DRAM技術(shù)階段，到2020年，量產(chǎn)的單顆Die容量可達(dá)到16GB，未來基于基于8顆封裝量產(chǎn)型16GB芯片進(jìn)一步提高容量并非遙不可及。

產(chǎn)能方面，除三星正在考慮從2020年開始將12GB LPDDR5轉(zhuǎn)移到Pyeongtaek工廠生產(chǎn)外。美光將計(jì)劃對(duì)廣島工廠B2樓進(jìn)行第二階段投資，即建設(shè)F棟制造工廠用于量產(chǎn)1Znm工藝之后的1α、1β技術(shù)。相信隨著美光和SK海力士在2020年產(chǎn)能的逐漸放量，LPDDR5商用加速的步伐會(huì)更加迅速。