LPDDR5需求放量 三大原廠厲兵秣馬備產能

作者 : 邵樂峰, EETimes China

LPDDR5的出現是一個正常的技術迭代,就像從LPDDR3到LPDDR4,再進展到LPDDR4 X一樣。但在此技術迭代的背後,是三星、美光和海力士這三大巨頭在全球DRAM市場上的角力…

LPDDR5可說是5G時代的記憶體標準,不僅速率提升了50%,也更省電5-10%。

如同小米集團副總裁常程日前在微博發帖說的,對PC而言,記憶體是電腦和CPU之間溝通的高速公路;對手機而言,記憶體是河南到北京的動車。在固態儲存協會(JEDEC)的推動下,記憶體在2020年取得了革命性的進展,即將大規模商用的LPDDR5相較於LPDDR4x是革命性的一代,相當於把河南到北京之間的動車直接升級為高鐵,原來近6個小時的路程現在3個小時就能到達。

LPDDR5帶來哪些變化?

2019年2月,JEDEC正式發佈LPDDR5全新低功耗記憶體標準。相較於上一代的LPDDR4,LPDDR5的I/O速度從3200MT/s提升到6400MT/s,速度直接翻倍。如果搭配高階智慧裝置常見的64bit BUS,每秒可以傳送51.2GB的資料;如果搭配PC的128bit BUS,每秒可突破100GB資料。

JEDEC認為,LPDDR5有望對下一代可攜式電子裝置(手機、平板)的性能產生巨大提升,為了實現這一改進,標準對LPDDR5系統架構進行了重新設計,轉向最高16 Bank可程式設計和多時脈架構。同時,還導入了資料複製(Data-Copy)和寫入X (Write-X)兩個減少資料傳輸操作的命令來降低整體系統功耗,前者可以將單個接腳的資料直接複製到其它接腳,後者則減少了SoC和RAM傳遞資料時的耗電。

此外,LPDDR5還導入了鏈路ECC糾錯,訊號電壓250mV,Vddq/Vdd2電壓還是1.1V。

常程從三方面對LPDDR5進行了解釋:

多車道Bank Group架構
LPDDR4x僅支援Single Bank Group,而LPDDR5支援多Bank Group模式,更多的Bank Group相當於資料傳輸從單車道變為多車道,增加更多的平行資料通路,提升資料傳輸頻寬。

速率跨越式升級最多可提升50%性能
得益於多Bank Group模式,與上一代LPDDR4x相比,LPDDR5的資料傳輸速率從4266Mbps提升至5500Mbps,傳輸頻寬從34GB/s提升到了44GB/s,這是目前最高速率的記憶體規格。未來,這一速率還會提升到6400Mbps,頻寬提升到51.2GB/s,提升50%之多。

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LPDDR4 vs. LPDDR5

超低功耗
LPDDR5內部有三組電壓:VDD1/VDD2/VDDQ,其中VDD2又分為VDD2H和VDD2L,VDD1和VDD2屬於Core電源,VDDQ屬於I/O介面電源。相較於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,可在低速工作時切換至更低的0.9V和0.3V電壓,進一步降低功耗。

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LPDDR5內部WCK訊號工作示意圖。

相形之下,LPDDR4x元件在高速工作時,時脈速度為2133MHz,而且需要一直保持在這樣的狀態,無形中會增加功耗。而LPDDR5元件修改了這一設計,LPDDR5的時脈只有800MHz,而在資料進行讀寫作業時,會有一個WCK訊號,這個WCK訊號會達到最大工作頻率,當讀/寫工作停止時,WCK訊號也會停止,從而降低功耗。

5G時代的標配

「2020年,5G手機為什麼要搭配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了要採用LPDDR5。

我們知道,CPU是手機中進行資料運算的核心元件,執行速度非常快,但缺點是儲存空間非常小。快閃記憶體的儲存空間大,用來儲存程式等各種資料,但它與CPU的速度相差懸殊。這就需要記憶體這一中樞去傳達資料與指令,以使資料處理與資料傳輸的速度相匹配,程式的運行都在記憶體中進行。如果沒有記憶體,CPU整個的處理速度就會受到嚴重拖累。

當前智慧型手機所需處理的資料量正加速成長,對手機暫態處理資料的能力(即記憶體性能)提出了更高要求。從2010年首先出現的4G應用,到2012年出現LPDDR3用以支援4G LTE應用,再到2014年手機廠商首次採用LPDDR4支援分屏應用,消費者的體驗得到了大幅提升。

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手機記憶體發展路徑。

而如果我們再看一下2020年小米10智慧型手機所配備的LPDDR5記憶體,就會發現其速率達到了5500Mbps���相當於每秒可傳送44GB資料,大約為12個高解析視訊檔案(3.7GB/個)。CPU把需要運算的資料調整到記憶體中進行,運算完成返回結果。記憶體對手機的穩定運行至關重要,高性能記憶體對手機整體流暢度的提升大有裨益。


LPDDR5增加>5-10%的手機續航時間,滿足全天候電量需求。

例如手機拍照時涉及了大量的資料運算,尤其是手機相機畫素已進入億級的今天,如果記憶體性能低、傳輸資料慢,就會造成拍照延遲;44GB/s的傳輸速率對遊戲玩家來說更是大好消息;而2K120Hz高刷新率螢幕需要很高的頻寬,想不用LPDDR5都不行。同時,LPDDR5的電壓非常低,可以做到和其他晶片堆疊在一起,而且發熱和功耗還會進一步降低。

根據小米使用者續航DOU測試結果看,LPDDR5對比LPDDR4X續航優勢明顯。

  1. 綜合場景下,用戶續航力提升約10%。
  2. 在遊戲——王者榮耀(King of Glory)場景中,省電約20%。
  3. 在微信語音和視訊場景中,省電約10%。

小米10率先搭載美光LPDDR5

小米能趕在三星之前實現小米10全系列搭配LPDDR5,最應該感謝的是美光科技(Micron Technology)。

2月6日,美光科技宣佈交付全球首款量產的高階智慧型手機用低功耗DDR5 DRAM晶片,並將率先搭載於小米10智慧型手機。美光科技行動產品事業部市場副總裁Christopher Moore更將此次量產交付的LPDDR5 DRAM視為美光的重要里程碑之一。

美光目前出貨給客戶的LPDDR5記憶體容量包括6GB、8GB和12GB,資料傳輸速率為5.5Gbps和6.4Gbps,因此今年的旗艦產品將不會有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所能提供容量最大的LPDDR5產品,其12GB的封裝尺寸實現了領先的規格和封裝容量。同時,美光也是唯一一家滿足JEDEC標準且率先供應最大資料傳輸速率6.4Gbps產品的廠商。

相對於LPDDR4x,LPDDR5如果以5.5Gbps的傳送速率運行,手機續航時間能夠延長5%-10%;如果以最高的6.4Gbps傳輸速率運行,手機續航時間能夠提高10%以上,這就意味著能夠實現全天候的電池續航。

Moore對此解釋說,LPDDR5的功耗節約並不僅僅來自於元件的層面,還因為DRAM的速度更快了,所以手機處理器能夠以更快速的速度傳輸資料,以便能儘早進入睡眠模式,整個系統加總的結果使電池節約更多功耗。

在功耗降低的情況下,LPDDR5在性能方面也更能支援相關應用:例如採用LPDDR4的旗艦級手機,高畫素的攝影機需要好幾秒的時間才能完成處理與儲存,而如果採用LPDDR5就會是一個無縫的過程。如果同時運行多個App,一面捕捉視訊,一面玩人工智慧(AI)遊戲,還要進行螢幕分享等,在使用LPDDR4的情況下很容易出現瓶頸,但對於LP5來說則是綽綽有餘的。

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來到2020年,5G網路正加快普及,5G雲端遊戲、AI運算等場景更有助於促進終端資料輸送量的成倍增加。LPDDR5高性能記憶體能有效降低雲端遊戲延遲、確保AI運算資料即時同步,為5G相關服務的衍生與發展做好充份的終端性能保障。例如在使用LPDDR5之後,智慧型手機的邊緣運算就能夠成為一個資料處理的樞紐,能夠支援資料處理、AI並且減輕雲端運算的負載,使得很多雲端運算功能轉移到邊緣運算,能夠充分利用高速網路、5G頻寬以及高速高容量的記憶體。

LPDDR5群雄爭霸

LPDDR5的出現是一個正常的技術迭代,就像從LPDDR3到LPDDR4,再進展到LPDDR4 X一樣。不過,在此技術迭代的背後,是三星、美光、海力士(SK Hynix)三家國際巨頭在全球DRAM市場上的激烈競爭。

三星在2018年開始過渡到LPDDR5標準,當年就宣佈成功開發並量產首款10nm的8GB LPDDR5晶片。時隔一年,三星再次推出12GB LPDDR5,並宣佈將於2020年開發16GB LPDDR5,即將面世的三星Galaxy S20系列預計將標配自家的16GB LPDDR5 RAM和UFS 3.0記憶體。

美光此番採用的是1Ynm的微影技術,2020年上半年還將通過基於UFS的多晶片封裝(uMCP5)把LPDDR5記憶體應用於中高階智慧型手機,並於今年晚些時候推出1Znm級的產品。Moore預測,到2020年底,絕大多數主流旗艦機都會搭載LPDDR5,2021年至2022年,這一趨勢將下沉至更多的中高階5G智慧型手機中,並據此成為市場的主流。

然而1Znm技術並不是美光規劃的產品路線圖之盡頭。據報導,美光將計畫導入至少四種以上的10nm級製程:1Z、1α、1β和1γ,從而使其10nm級製程總數超過6種。

目前,美光正加大其第二代10nm級製程(即1Y nm)的使用規模,該製程用於製造美光的各種產品,包括12Gb LPDDR4X、16Gb DDR4和12Gb LPDDR5記憶體。下一代1Z nm將用於生產16Gb LPDDR5記憶體以及DDR5記憶體,1Z nm節點後,美光計畫開始使用1αnm和1βnm製造技術,並同時為1γnm技術的可行架構尋找路徑。

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美光科技下一代記憶體技術藍圖。

海力士目前主要提高第三代10nm級(1Znm)製程的16Gb DDR4,且積極拓展到LPDDR5和HBM2E市場,計畫在2020年大規模量產。在CES 2020,海力士展示的LPDDR5晶片頻率已達5500MHz,遠遠高於LPDDR4X-4667,而且功耗更低。

因此,從上述三家的DRAM技術發展路線來看,從2019下半年開始,三大原廠均已陸續進入1Znm DRAM技術階段,到2020年,量產的單顆Die容量可達到16GB,未來基於基於8顆封裝量產型16GB晶片進一步提高容量並非遙不可及。

產能方面,除了三星正考慮從2020年開始將12GB LPDDR5轉移到平澤(Pyeongtaek)廠生產外,美光將計畫對廣島工廠B2樓進行第二階段投資,即建設F棟製造廠用於量產1Znm製程之後的1α、1β技術。隨著美光和海力士在2020年產能的逐漸放量,LPDDR5商用加速的步伐預計也將加速。

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