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LPDDR5 8GB放量起跳,三大原厂厉兵秣马备产能

5G时代如何用最低的功耗获得最极致的性能是设计旗舰手机最重要的衡量标准之一。过去几年,作为系统性能的关键决定因素之一,以华为麒麟990、高通骁龙865、三星Exynos 990为代表的手机CPU芯片一路在飞速进步,但是制约系统性能的内存架构却一直没有升级。

小米集团副总裁常程日前在个人微博发贴称,对PC而言,内存是计算机和CPU之间沟通的高速公路;对手机而言,内存是河南到北京的动车。在JEDEC(固态技术协会)的推动下,内存在2020年取得了革命性进步,即将大规模商用的LPDDR5相比于LPDDR4x是革命性的一代,相当于把河南到北京之间的动车直接升级为高铁,原来近6个小时的路程现在3个小时就能到达。MQ5esmc

简单一句话:LPDDR5是5G时代的内存标准,速率提升50%,但是省电5-10%。MQ5esmc

LPDDR5标准带来哪些变化?

2019年2月,JEDEC正式发布LPDDR5全新低功耗内存标准,即Low Power Double Data Rate 5。相较于LPDDR4标准,LPDDR5的I/O速度从3200MT/s提升到6400MT/s,速度直接翻番。如果匹配高端智能机常见的64bit BUS,每秒可以传送51.2GB数据;如果匹配PC的128bit BUS,每秒可突破100GB数据。MQ5esmc

固态协会认为,LPDDR5有望对下一代便携电子设备(手机、平板)的性能产生巨大提升,为了实现这一改进,标准对LPDDR5体系结构进行了重新设计,转向最高16 Bank可编程和多时钟体系结构。同时,还引入了数据复制(Data-Copy)和写X(Write-X)两个减少数据传输操作的命令来降低整体系统功耗,前者可以将单个阵脚的数据直接复制到其它针脚,后者则减少了SoC和RAM传递数据时的耗电。MQ5esmc

另外,LPDDR5还引入了链路ECC纠错,信号电压250mV,Vddq/Vdd2电压还是1.1V。MQ5esmc

常程从三方面对LPDDR5进行了解释:MQ5esmc

1.多车道Bank Group架构MQ5esmc

LPDDR4x仅支持Single Bank Group,而LPDDR5支持多Bank Group模式,更多的Bank Group相当于数据传输从单车道变为多车道,增加更多的并行数据通路,提升数据传输带宽。MQ5esmc

2.速率跨越式升级最多可达50%性能提升MQ5esmc

得益于多Bank Group模式,与上代LPDDR4x相比,LPDDR5的数据传输速率从4266Mbps提升至5500Mbps,传输带宽从34GB/s提升到了44GB/s,这是人类历史目前最高速率的内存规格。未来,这一速率还会提升到6400Mbps,带宽提升到51.2GB/s,提升50%之多。MQ5esmc

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3.超低功耗MQ5esmc

LPDDR5内部有三组电压:VDD1/VDD2/VDDQ,其中VDD2又分为VDD2H和VDD2L,VDD1和VDD2属于Core电源,VDDQ属于I/O接口电源。相比LPDDR4X,LPDDR5的VDD2H由1.1V降至1.05V,VDDQ由0.6V降至0.5V,另外还有新加入的DVFSC和DVFSQ功能,可在低速工作时切换至更低的0.9V和0.3V电压,进一步降低功耗。MQ5esmc

与之相比,LPDDR4x器件在高速工作时,时钟为2133MHz,且需要一直保持在这样的状态,无形中会增加功耗。而LPDDR5器件修改了这一设计,LPDDR5的时钟只有800MHz,而在数据有读写操作时,会有一个WCK信号,这个WCK信号会达到最大工作频率,当读/写工作停止时,WCK信号也会停止,从而降低功耗。MQ5esmc

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5G时代的标配

“2020年,5G手机为什么要搭配LPDDR5?”是知乎上的热帖之一。除了小米和三星外,截止目前,努比亚、Realme、OPPO和中兴等品牌也确认了要采用LPDDR5。MQ5esmc

我们知道,CPU是手机中进行数据运算的核心部件,运行速度非常快,但缺点是存储空间非常小。闪存的存储空间大,用来存储程序等各种数据,但它与CPU的速度相差悬殊。这就需要内存这一中枢去传导数据与指令,以使数据处理与数据传输的速度相匹配,程序的运行都在内存中进行。如果没有内存,CPU整个的处理速度就会受到严重拖累。MQ5esmc

当前智能手机所需应对的数据吞吐量正加速增长,对手机瞬时处理数据的能力(即内存性能)提出了更高要求。从2010年首先出现的4G应用,到2012年出现LPDDR3用以支持4G LTE应用,再到2014年手机厂商首次采用LPDDR4支持分屏应用,消费者的体验得到了大幅提升。MQ5esmc

而如果我们再看一下2020年小米10智能手机所配备的LPDDR5内存,就会发现其速率达到了5500Mbps,相当于每秒可传送44GB数据,大约为12个高清视频文件(3.7GB/个)。CPU把需要运算的数据调到内存中进行,运算完成返回结果。内存对手机的稳定运行至关重要,高性能内存对手机整体流畅度的提升大有裨益。MQ5esmc

比如手机拍照,它涉及了大量的数据运算,尤其是手机相机像素已进入到亿级的现在,内存性能低下,传导数据慢,就会造成拍照延迟;44GB/s的传输速率对游戏玩家来说更是巨大的利好消息;而2K120Hz高刷新率屏幕需要很高的带宽,想不用LPDDR5都不行。同时,LPDDR5的电压非常低,它可以做到和其他芯片堆叠在一起,而且发热和功耗还会进一步降低。MQ5esmc

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根据小米用户续航DOU测试结果看,LPDDR5对比LPDDR4X续航优势明显。MQ5esmc

1、综合场景下,用户续航提升约10%。MQ5esmc

2、在游戏(王者荣耀)场景中,省电约20%。MQ5esmc

3、在微信语音和视频场景中,省电约10%。MQ5esmc

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让雷军直夸牛的美光

小米能赶在三星之前实现小米10全系搭配LPDDR5技术,最应该感谢的是美光科技。MQ5esmc

2月6日,美光科技宣布已交付全球首款量产的应用于高端智能手机的低功耗DDR5 DRAM芯片,并将率先搭载于小米10智能手机。美光科技移动产品事业部市场副总裁Christopher Moore更是将此次量产交付的LPDDR5 DRAM内存芯片视作美光重要的里程碑之一。MQ5esmc

美光目前出货给客户的LPDDR5内存容量包括6GB、8GB和12GB,数据传输速率为5.5Gbps和6.4Gbps,因此今年的旗舰产品将不会有8GB以下的版本。按照Moore的说法,美光12GB单块裸片是目前市场上能够提供的容量最大的LPDDR5产品,而且其12GB的封装尺寸能够提供业界领先的规格和封装容量。同时,美光也是唯一一个满足JEDEC标准,首个供应最大数据传输速率6.4Gbps产品的厂商。MQ5esmc

相对于LPDDR4x,LPDDR5如果以5.5 Gbps的传输速度运行,手机续航时间能够延长5%-10%;如果是以最高的6.4Gbps传输速率运行,手机续航时间能够提高10%以上,这就意味着能够实现全天候的电池续航。MQ5esmc

Moore对此解释说LPDDR5的功耗节约并不仅仅是来自于器件的层面,还因为DRAM的速度更快了,所以手机处理器能够以更快速的速度传输数据,以便能够尽早进入睡眠模式,整个系统加总的结果使电池节约更多功耗。MQ5esmc

在功耗降低的情况下,LPDDR5在性能方面也能够更好的支持应用:比如用LPDDR4的旗舰手机的高像素摄像头需要好几秒的时间才能够完成处理并且存储,而如果用LPDDR5就会是一个无缝的过程;如果同时运行多个的App,要捕捉视频,还要打AI的游戏,还有进行屏幕分享,在使用LPDDR4的情况下很容易出现瓶颈,但是对于LP5来说是绰绰有余的。MQ5esmc

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在2020年这样一个特殊的节点,5G网络正加快普及,5G云游戏、AI运算等场景更是会带来终端数据吞吐量的成倍增长。LPDDR5高性能内存可以有效降低云游戏延迟、确保AI运算数据实时同步,为5G相关服务的衍生与发展做好了充分的终端性能保障。例如在使用LPDDR5之后,智能手机的边缘计算就能够成为一个数据处理的枢纽,能够支持数据处理、人工智能并且减轻云计算的负载,使得很多云计算功能转移到边缘计算,能够充分利用高速网络、5G带宽以及高速高容量的内存。MQ5esmc

LPDDR5群雄争霸

LPDDR5的使用是一个正常的技术迭代,就像从LPDDR3到LPDDR4,再到LPDDR4 X一样。不过,技术迭代的背后,是三星、美光、SK海力士三家国际巨头在全球DRAM市场上的激烈竞争。MQ5esmc

三星在2018年就开始向LPDDR5标准过渡,当年就宣布成功开发并量产业界首款10nm级8GB LPDDR5芯片。时隔一年,三星再次推出12GB LPDDR5,并宣布将于2020年开发16GB LPDDR5,即将面世的三星Galaxy S20系列预计将标配自家的16GB LPDDR5 RAM和UFS 3.0储存。MQ5esmc

美光此番采用的是1Y纳米的光刻技术,2020年上半年还将通过基于UFS的多芯片封装(uMCP5)把LPDDR5内存应用于中高端智能手机,并于今年晚些时候推出1Z纳米级的产品。Moore预测称,到2020年底,绝大多数主流旗舰机都会搭载LPDDR5,2021年至2022年,这一趋势将下沉至更多的中高端5G智能手机中,并据此成为市场的主流。MQ5esmc

然而1Z纳米技术并不是美光规划的产品路线图的尽头。据报道,美光将计划引入至少四种以上的10nm级制造工艺:1Z、1α、1β和1γ,从而使其10nm级制造工艺总数超过6种。MQ5esmc

目前,美光正在加大其第二代10nm级制造工艺(即1Y nm)的使用规模,该工艺用于制造美光的各种产品,包括12Gb LPDDR4X、16Gb DDR4和12Gb LPDDR5存储器件。下一代1Z nm将用于生产16Gb LPDDR5存储器件以及DDR5存储器件,1Z nm节点后,美光计划开始使用1αnm和1βnm制造技术,并同时为1γnm技术的可行架构寻找路径。MQ5esmc

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SK海力士目前主要是提高第三代10nm级(1Znm)工艺量产16Gb DDR4,且积极拓展到LPDDR5和HBM2E市场,计划在2020年大规模量产。在今年的CES 2020上,SK海力士展示的LPDDR5芯片频率已达5500MHz,远远高于LPDDR4X-4667,而且功耗更低。MQ5esmc

因此,从上述三家的DRAM技术发展路线来看来看,从2019下半年开始,三大原厂均已陆续进入1Znm DRAM技术阶段,到2020年,量产的单颗Die容量可达到16GB,未来基于基于8颗封装量产型16GB芯片进一步提高容量并非遥不可及。MQ5esmc

产能方面,除三星正在考虑从2020年开始将12GB LPDDR5转移到Pyeongtaek工厂生产外。美光将计划对广岛工厂B2楼进行第二阶段投资,即建设F栋制造工厂用于量产1Znm工艺之后的1α、1β技术。相信随着美光和SK海力士在2020年产能的逐渐放量,LPDDR5商用加速的步伐会更加迅速。MQ5esmc

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邵乐峰
ASPENCORE中国区首席分析师。
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