LPDDR4/LPDDR4X的特點、結(jié)構(gòu)及參數(shù)

引言：拍出完美的照片、打網(wǎng)絡(luò)游戲、直播4K視頻和實現(xiàn)高階自動駕駛，都需要向處理器提供大量的圖像、視頻、游戲、5G和雷達數(shù)據(jù)。所有這些數(shù)據(jù)都會流經(jīng)動態(tài)內(nèi)存，需要強大、高效的內(nèi)存來保證流暢的用戶體驗和實時安全性，高性能DDR對于充分發(fā)揮處理器的數(shù)據(jù)處理量，處理速度，算力具有關(guān)鍵的作用，為這些日益增長的數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用場景提供支持。DDR其實是一個很大的緩存器件，在系統(tǒng)運行期間用來短暫存儲文件數(shù)據(jù)，斷電后清空，所有這些數(shù)據(jù)都會流經(jīng)內(nèi)存，使得內(nèi)存成為處理器的關(guān)鍵器件。

1.LPDDR4&LPDDR4X的特點

LPDDR4設(shè)備在命令/地址（CA）總線上使用2或4時鐘架構(gòu)，以減少系統(tǒng)中的輸入引腳數(shù)量。6位CA總線包含命令、地址和存儲體信息，每個命令使用1、2或4個時鐘周期，在此期間，命令信息在時鐘的正沿上傳輸。

LPDDR4內(nèi)存優(yōu)化用于解決電池供電應(yīng)用中的功耗問題，與DDR4相比，這些內(nèi)存器件的峰值帶寬快33%，與標準DRAM相比，LPDDR4內(nèi)存在待機模式下的功耗降低至1/5。這些內(nèi)存器件采用多芯片封裝（MCP）和封裝體疊層（PoP）設(shè)計，可節(jié)省PCB空間。LPDDR4內(nèi)存器件優(yōu)化了x16、x32和x64配置，可為某些應(yīng)用節(jié)省BOM。LPDDR4內(nèi)存在性能、功耗、延遲和物理空間之間實現(xiàn)了完美平衡，因此非常節(jié)能，適合用于手持設(shè)備、電池供電應(yīng)用和超便攜設(shè)備。

LPDDR4和LPDDR4X SDRAM是低壓存儲器器件，有2Gb、4Gb和8Gb密度可供選擇。這些器件具有低壓內(nèi)核和I/O電源要求。LPDDR4和LPDDR4X SDRAM的時鐘頻率范圍為10MHz至1600MHz，每個I/O的數(shù)據(jù)速率高達3200Mbps。LPDDR4和LPDDR4X均具有可編程和“即時”突發(fā)長度的可編程讀寫延遲。

LPDDR4和LPDDR4X SDRAM采用雙數(shù)據(jù)速率架構(gòu)，以實現(xiàn)高速運行。雙數(shù)據(jù)速率架構(gòu)是一個16n預(yù)取架構(gòu)，設(shè)有一個接口，設(shè)計用于在I/O引腳上每時鐘周期傳輸兩個數(shù)據(jù)字。這些器件以時鐘上升沿和下降沿為基準，提供完全同步的操作。這些數(shù)據(jù)路徑在內(nèi)部被設(shè)計為流水線的形式，預(yù)取16n位，以實現(xiàn)非常高的帶寬。

2.LPDDR4&LPDDR4X的結(jié)構(gòu)

圖10-1：LPDDR4/LPDDR4X內(nèi)部結(jié)構(gòu)

如圖10-1是LPDDR的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，內(nèi)部配置有1或2個通道的高速同步DRAM設(shè)備。每通道配置有8個內(nèi)部組，可同時運行，每個通道的密度從1Gb到16Gb。雙通道由16個組組成，總裸片密度從2Gb到32Gb。

圖10-2：單die、單通道、單級方框圖（x16 I/O）

圖10-3：雙die、雙通道、單級封裝方框圖（x32 I/O）

3.LPDDR4&LPDDR4X的參數(shù)

低壓電源：LPDDR4: 1.8V（VDD1 = 1.70-1.95V）；LPDDR4X: 1.1V（VDD2 = 1.06-1.17V）

低壓I/O：LPDDR4: 1.1V（VDDQ = 1.06-1.17V）；LPDDR4X: 0.6V（VDDQ = 0.57-0.65V）

時鐘頻率范圍：10MHz至1866MHz，每I/O端口數(shù)據(jù)速率范圍：每I/O 20Mbps至3733Mbps。

16n預(yù)取DDR體系結(jié)構(gòu)，多路復(fù)用、雙倍數(shù)據(jù)速率、命令/地址輸入，低功耗的移動功能，每通道8個內(nèi)部存儲區(qū)，用于并行操作，便攜特性，可降低功耗，可編程讀寫延遲，可編程和動態(tài)突發(fā)長度（BL=16或32），片上溫度傳感器，實現(xiàn)高效自刷新控制，ZQ校準，可調(diào)驅(qū)動強度，部分陣列自刷新 (PASR)。

4.LPDDR5&LPDDR5X

LPDDR5進一步平衡了性能和功耗，可滿足不同類型SOC的工作負載和系統(tǒng)要求。LPDDR5 DRAM設(shè)計用于滿足5G網(wǎng)絡(luò)的需求，DRAM支持5G智能手機以高達6.4Gbps峰值速度處理數(shù)據(jù)，這對于防止5G數(shù)據(jù)瓶頸至關(guān)重要。LPDDR5 DRAM可以滿足這些要求，數(shù)據(jù)訪問速度提升50%，與前幾代產(chǎn)品相比，該器件的功效也增加20%以上。

5G網(wǎng)絡(luò)速度需要最大限度地提高處理能力以及實現(xiàn)高帶寬內(nèi)存和存儲。12GB LPDDR5 DRAM存儲器，為消費者提供順暢、無滯后的體驗。利用更快的數(shù)據(jù)速度和更低的5G延遲來提高基于云的應(yīng)用（如游戲和流媒體）的性能。

LPDDR5改進了整體DRAM設(shè)計，先進的工藝節(jié)點支持到16GB容量，數(shù)據(jù)速度為6.4Gbps。

5.LPDDR4/X&LPDDR5/X的工作過程和使用場景

LPDDR5提高性能和能效

LPDDR5擁有非常獨特的靈活性，不僅讓處理器擁有極高的性能和能效，出色的用戶體驗取決于向日益精密的處理器提供大量的圖像、視頻、游戲和5G數(shù)據(jù)，同時在內(nèi)存中為操作系統(tǒng)留出足夠的空間來緩沖多任務(wù)應(yīng)用程序，而且能在應(yīng)用程序之間進行平滑的切換。

LPDDR5帶寬高達6400Mb/s——比LPDDR4X性能提升50%，提升5G和AI等性能，能效提高20%，LPDDR5 提供了將AI引擎直接嵌入處理器所需的速度和容量（高達16GB）。為避免5G數(shù)據(jù)瓶頸，LPDDR5支持SOC在四通道系統(tǒng)中以51.2GB/s的峰值帶寬處理數(shù)據(jù)，與LPDDR4相比，電源效率提升超過20%，因此蓄電場景續(xù)航時間更長。

了解內(nèi)存在計算攝影、實時手游和4K視頻直播中的關(guān)鍵作用也很重要，這些應(yīng)用場景依賴于快速有效地將數(shù)據(jù)提供給處理器，同時緩沖應(yīng)用程序，以便實現(xiàn)無延遲的應(yīng)用程序切換。

計算攝影

計算攝影需要大量的內(nèi)存才能讓拍出完美的照片，如圖10-4的數(shù)據(jù)流，其實在點擊拍照按鈕之前，攝像頭已經(jīng)拍攝了幾十張圖像，將其存儲在內(nèi)存緩沖區(qū)中。當按下快門時，預(yù)留好的內(nèi)存會將圖像傳輸?shù)絻?nèi)置于處理器SoC中的人工智能引擎中，并在這個過程中與內(nèi)存緩沖區(qū)中的圖像合并，從而拍出完美的照片。內(nèi)存還存儲圖像，而圖像處理器使用圖像增穩(wěn)、光校正、聚焦和其他技術(shù)來增強圖像。

圖10-4：計算攝影數(shù)據(jù)流

旗艦手機配備了多個攝像頭，包括廣角鏡頭和長焦鏡頭，LPPDR5提供了高帶寬和高容量，可以將來自多個不同圖像傳感器的圖像以足夠快的速度傳送給人工智能引擎，從而實現(xiàn)實時圖像處理，使這些攝像頭擁有更多的內(nèi)存帶寬是拍攝完美照片的關(guān)鍵。當你點擊拍照按鈕時，數(shù)據(jù)就開始流動：傳感器將原始圖像移動到內(nèi)存中，然后圖像信號處理器（ISP）借助人工智能引擎的圖像和場景識別功能處理內(nèi)存中的原始圖像，隨后進行圖像壓縮和編碼。而LPDDR5內(nèi)存加速傳輸了這些引擎所需的數(shù)據(jù)。

能夠以每秒60幀的速度錄制4K視頻，或以每秒30幀的速度錄制6K視頻旗艦手機為用戶配備了先進的攝影和AI功能，可以幫助業(yè)余攝影者拍攝出高質(zhì)量、專業(yè)級的照片，而這些豐富的計算攝影功能只有通過LPDDR5內(nèi)存才能得以實現(xiàn)，也就是在一次點擊后的幾毫秒內(nèi)就可以完成繁重的處理任務(wù)。

4K視頻直播

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，4K視頻直播變得無處不在，LPDDR5提供的高帶寬能夠?qū)崿F(xiàn)同時解碼多個4K視頻。大容量對于處理大型視頻文件以及為操作系統(tǒng)和緩沖應(yīng)用程序留出內(nèi)存空間也是非常必要的，此外5G數(shù)據(jù)流要求超低延遲，以防止用戶體驗出現(xiàn)任何卡頓。

如圖10-5數(shù)據(jù)流，手機上的直播類似于計算攝影，相應(yīng)的傳感器、編碼器和人工智能引擎都需要高帶寬的管道，在這個過程中，所有視頻數(shù)據(jù)都會流經(jīng)內(nèi)存。

圖10-5：4K視頻直播數(shù)據(jù)流

一些旗艦手機可以提供4K/8K直播功能，同時在高刷新率顯示屏上以全分辨率實時預(yù)覽內(nèi)容，進行音樂會、視頻播客和體育賽事直播都需要很高的內(nèi)存帶寬，而分辨率、功能和軟件復(fù)雜性的不斷增加，對內(nèi)存帶寬和容量提出了更高的要求。

游戲

如今玩家越來越多地在手機上玩圖形密集型游戲，對于這類游戲，LPDDR5既能為電池續(xù)航提供高能效，也能滿足高帶寬需求的高刷新率顯示屏、自定義控件、高分辨率音頻和多人游戲。

當啟動一個圖形密集型游戲時，可立即使用的數(shù)據(jù)從存儲加載到內(nèi)存中，或者從網(wǎng)絡(luò)下載到內(nèi)存中。然后SoC處理游戲數(shù)據(jù)以增強視覺和音頻體驗，玩家操作數(shù)據(jù)由SoC處理并存儲到內(nèi)存緩沖中。在實時游戲中，信息通過5G網(wǎng)絡(luò)收發(fā)，內(nèi)存緩沖被不斷更新。

圖10-6：手游數(shù)據(jù)流

復(fù)雜的手游需要高內(nèi)存容量來加載實時游戲關(guān)卡，在手機屏幕開始顯示之前，游戲數(shù)據(jù)已傳輸通過了GPU管道路徑——頂點著色、光柵化、片段著色等等，所有這些都經(jīng)由LPDDR5內(nèi)存進行加速。

注重性能的游戲手機可以最大限度的使用帶寬，提供超高的屏幕分辨率、高幀率144Hz刷新率和300Hz觸摸采樣率。實現(xiàn)這些功能需要足夠的帶寬來處理內(nèi)存中的游戲數(shù)據(jù)，以獲得最佳的視覺和音頻體驗，而5G網(wǎng)絡(luò)上的多人游戲則需要超低的延遲、平滑的渲染、最快的響應(yīng)能力和高級畫質(zhì)，這些高級工作負載需要更高的內(nèi)存性能和更低的能耗，LPDDR5以高達6.4Gb/s的峰值速度處理數(shù)據(jù)，避免了5G數(shù)據(jù)瓶頸。

高階自動駕駛

支持高階自動駕駛的車輛，會配備多顆超高算力的芯片，接入的傳感器多種多樣，包括攝像頭、激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達。在高速行進中的車輛開啟自動駕駛功能時，處理器需要快速無延遲的處理每時刻涌入進來的不同類型的海量數(shù)據(jù)，快速進行算法解析，算法融合，場景實時更新，最后輸出控制邏輯。所有這些數(shù)據(jù)都會流經(jīng)系統(tǒng)的動態(tài)內(nèi)存，供處理器調(diào)用計算，由于車輛在高速行進中并且周圍環(huán)境在不斷變化，從環(huán)境感知到控制邏輯輸出中間的延遲要求極短，以此來保證車輛姿態(tài)調(diào)整的及時性，實現(xiàn)自動駕駛的高安全性。LPDDR5/X卓越的能效可在數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用程序中實現(xiàn)多任務(wù)處理，同時大大降低功耗。

圖10-7：高階自動駕駛數(shù)據(jù)流