LPDDR5內存韓美企業(yè)“三雄爭霸”，中國進(jìn)展如何？

【文/ 科工力量專(zhuān)欄作者 陳辰】

日前，三星、小米發(fā)布了各自最新的年度旗艦Galaxy S20和小米10系列。與以往有所不同，LPDDR5這一內存竟成為兩款手機“吹爆”的賣(mài)點(diǎn)。其中，小米各高管在微博上密集對LPDDR5進(jìn)行營(yíng)銷(xiāo)和“科普”。而三星也早已開(kāi)始預熱，并搶在小米10前一天“全球首發(fā)”LPDDR5。

2月12日凌晨，三星在美國舊金山發(fā)布Galaxy S20系列時(shí)宣傳LPDDR5

相對上一代際的LPDDR4x內存，LPDDR5在速率、功耗和性能等方面著(zhù)實(shí)有較大提升。鑒于此，LPDDR5曾被多家企業(yè)高管和媒體稱(chēng)為“5G時(shí)代旗艦機的標配”。而目前，全球僅有三星、美光、SK海力士進(jìn)入LPDDR5領(lǐng)域競爭角逐，且均已陸續進(jìn)入1Znm DRAM技術(shù)階段。

在中國三大存儲基地中，福建晉華曾受美國“實(shí)體清單”制裁，DRAM項目至今處于停擺狀態(tài)；長(cháng)江存儲去年剛剛重建DRAM事業(yè)群，正大肆“招兵買(mǎi)馬”，計劃5年內量產(chǎn)；合肥長(cháng)鑫暫時(shí)成為“獨苗”，實(shí)現了8Gb DDR4量產(chǎn)，預計今年下半年制造LPDDR4x，LPDDR5則尚在規劃中。

合肥長(cháng)鑫存儲Fab1工廠(chǎng) 圖源：新華社

LPDDR5是什么？

首先，先來(lái)看下LPDDR5是什么。LPDDR屬于DDR SDRAM的一種，全稱(chēng)Low Power Double Data Rate，是美國JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì )（JEDEC Solid State Technology Association）面向低功耗內存而制定的通信標準。LPDDR5代表第五代通信標準。

LPDDR以低功耗、小體積著(zhù)稱(chēng)，主要應用于移動(dòng)端電子產(chǎn)品（如16GB+512GB的前者）。從十余年前誕生至今，這個(gè)協(xié)議隨著(zhù)技術(shù)的演變和產(chǎn)品需求進(jìn)行升級和革新。到目前的LPDDR5，LPDDR內存產(chǎn)品應用場(chǎng)景和定制需求等方面出現了明顯代差。

其中，最常見(jiàn)的智能手機等基本會(huì )應用最新標準的LPDDR產(chǎn)品，即LPDDR4或是LPDDR5；至于對性能需求不太高的汽車(chē)內嵌存儲、智能硬件內置存儲，以及連接固定電源的臺式機等場(chǎng)景，則可能會(huì )應用成本更低的LPDDR4、LPDDR3等。

2019年2月，JEDEC協(xié)會(huì )正式發(fā)布LPDDR5全新低功耗內存標準。相較于LPDDR4標準，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常見(jiàn)的64bit BUS，每秒可以傳送51.2GB數據；若匹配PC的128bit BUS，每秒可突破100GB數據。

JEDEC協(xié)會(huì )認為，LPDDR5有望對下一代便攜電子設備（手機、平板）的性能產(chǎn)生巨大提升，為了實(shí)現這一改進(jìn)，協(xié)會(huì )標準對LPDDR5體系結構進(jìn)行了重新設計，轉向最高16 Bank可編程和多時(shí)鐘體系結構?？紤]到汽車(chē)等相關(guān)市場(chǎng)需求，LPDDR5引入了鏈路ECC糾錯功能。

此外，LPDDR5引入了數據復制（Data-Copy）和寫(xiě)X（Write-X）兩個(gè)減少數據傳輸操作的命令來(lái)降低整體系統功耗。前者可以將單個(gè)陣腳的數據直接復制到其它針腳，提升數據傳輸的效率，后者則減少了SoC和RAM傳遞數據時(shí)的耗電。

圖源：美光，下同

具體而言，LPDDR5較上一代際的LPDDR4x有較多方面優(yōu)勢。首先，LPDDR4x僅支持Single Bank Group，而LPDDR5支持多Bank Group模式。更多的Bank Group相當于數據傳輸從單車(chē)道變?yōu)槎嘬?chē)道，增加更多的并行數據通路，提升數據傳輸帶寬。

得益于多Bank Group模式，與上代LPDDR4x相比，LPDDR5的數據傳輸速率從4266Mbps提升至5500Mbps，傳輸帶寬從34GB/s提升到了44GB/s，這是人類(lèi)歷史目前最高速率的內存規格。未來(lái)，這一速率還將分別達到6400Mbps、51.2GB/s，提升50%之多。

另外，LPDDR4x器件在高速工作時(shí)，時(shí)鐘為2133MHz，且需要一直保持這樣的狀態(tài)。而LPDDR5器件修改了這一設計，時(shí)鐘只有800MHz。當讀/寫(xiě)工作停止時(shí)，達到最大工作頻率的WCK信號也會(huì )停止，從而降低功耗。同時(shí)在低速工作狀態(tài)，LPDDR5也可切換至更低的電壓。

韓美企業(yè)“三雄爭霸”

與2012年的LPDDR3，2014年的LPDDR4以及2016年的LPDDR4x類(lèi)似，LPDDR5在今年商用是一個(gè)正常的技術(shù)迭代。而這背后，在智能手機更高性能和容量需求情況下，是韓國的三星、SK海力士以及美國的美光三家巨頭正在全球LPDDR5這一最新技術(shù)領(lǐng)域激烈競爭。

三星在2018年就開(kāi)始向LPDDR5標準過(guò)渡，開(kāi)發(fā)出業(yè)界首款基于第二代10nm制造工藝（1Y nm）的8Gb LPDDR5，2019年7月再次宣布推出業(yè)內首款12Gb LPDDR5，并基于8顆12Gb封裝量產(chǎn)12GB LPDDR5。此外，三星還將在今年開(kāi)發(fā)16Gb LPDDR5。

2月12日凌晨，三星發(fā)布了新一代旗艦智能手機Galaxy S20系列，整體配置上有不小升級。其中，內存方面全球首發(fā)LPDDR5，三星S20/S20+ 4G版本采用8GB LPDDR5 RAM，5G版本為12GB LPDDR5 RAM，S20 Ultra則獨享12/16GB LPDDR5 RAM。

與此同時(shí)，美光也在爭搶LPDDR5“全球首發(fā)”。2月6日，美光宣布已交付全球首款量產(chǎn)的LPDDR5，并透露小米10將首發(fā)應用該芯片。但由于小米10推遲至2月13日線(xiàn)上發(fā)布，這一“全球首發(fā)”被三星提前一天截胡，而雷軍也稱(chēng)小米10同時(shí)搭載三星和美光LPDDR5內存。

美光LPDDR5采用的是1Y nm光刻技術(shù)，將通過(guò)基于UFS的多芯片封裝（uMCP5）技術(shù)應用于智能手機，且計劃今年晚些時(shí)候推出1Z nm級的產(chǎn)品。整體而言，美光計劃引入至少四種以上的10nm級制造工藝：1Z、1α、1β和1γ，從而使其10nm級制造工藝總數超過(guò)6種。

美光技術(shù)路線(xiàn)圖

目前，美光正將1Y nm工藝用于制造12Gb LPDDR4X、16Gb DDR4和12Gb LPDDR5等多種產(chǎn)品，下一代1Z nm將用于生產(chǎn)16Gb LPDDR5以及DDR5存儲器件。而在1Z nm節點(diǎn)后，美光計劃開(kāi)始使用1αnm和1βnm制造技術(shù)，并同時(shí)為1γnm技術(shù)的可行架構尋找路徑。

韓國另一家公司SK海力士目前主要致力于提高1Znm工藝量產(chǎn)16Gb DDR4，且正在拓展到LPDDR5和HBM2E市場(chǎng)，計劃在2020年規模量產(chǎn)。在今年1月舉辦的CES 2020上，SK海力士展示的LPDDR5芯片頻率已達5500MHz，遠遠高于LPDDR4x-4667，而且功耗更低。

SK海力士在CES 2020上展示的LPDDR5存儲芯片

整體而言，根據三星、美光、SK海力士的DRAM技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)來(lái)看，從2019下半年開(kāi)始，三大廠(chǎng)商均已陸續進(jìn)入1Znm DRAM技術(shù)階段。到2020年，隨著(zhù)單晶圓（Die）容量已可達到16Gb，預計有望基于8顆16Gb芯片封裝量產(chǎn)16GB LPDDR5，進(jìn)一步提高容量和性能。

在制造方面，為靈活管理和提高產(chǎn)能，三星正考慮從今年開(kāi)始將12GB LPDDR5轉移到平澤工廠(chǎng)。而美光計劃對日本廣島工廠(chǎng)進(jìn)行第二階段投資，即建設F棟制造工廠(chǎng)用于量產(chǎn)1Znm工藝之后的1α、1β技術(shù)。未來(lái)隨著(zhù)各廠(chǎng)商產(chǎn)能逐漸放量，LPDDR5的商用步伐將會(huì )加快。

三星平澤工廠(chǎng)

“5G時(shí)代旗艦的標配”

多家企業(yè)高管和媒體發(fā)出這樣的聲音，“LPDDR5將成為 5G時(shí)代旗艦手機的標配?！苯刂聊壳?，除了三星和小米之外，中興、Realme、OPPO、努比亞和iQOO等品牌也確認了要采用LPDDR5?？梢灶A見(jiàn)，到2020年后期，多數主流5G旗艦機將會(huì )搭載LPDDR5。那么，其中的技術(shù)邏輯在哪？

首先，功耗問(wèn)題是移動(dòng)設備最敏感的問(wèn)題之一，而5G手機相比4G手機更耗電已成共識。美光方面發(fā)布的數據顯示，LPDDR5如果以5.5 Gbps的傳輸速度運行，手機續航時(shí)間能夠延長(cháng)5%-10%；如果以最高的6.4Gbps傳輸速率運行，手機續航時(shí)間能夠提高10%以上。

圖源：美光，下同

這背后的邏輯是：當內存運行速度更快，處理器得以用更快的速度傳輸數據，也就能更早地進(jìn)入“睡眠模式”，不再花費更多時(shí)間高負荷、高耗電地運轉。簡(jiǎn)而言之，就是LPDDR5可以降低后臺應用的功耗，更好的滿(mǎn)足5G手機的功耗控制需求。

其次，5G旗艦機的性能表現也受制于內存。眾所周知，CPU是手機數據處理的核心，運行速度快、存儲空間小，而閃存剛好相反，這便需要內存中樞去傳導數據與指令，以使數據處理與數據傳輸速度相匹配。這時(shí)，高性能內存對手機整體流暢度提升大有裨益。

具體而言，在手機拍照邁進(jìn)億級像素時(shí)，LPDDR4需要幾秒的時(shí)間才能夠完成處理并且存儲，而LPDDR5能提供一種幾乎“零時(shí)差”的體驗。另外，如果同時(shí)運行視頻、游戲、屏幕分享等多個(gè)App，依靠LPDDR4容易捉襟見(jiàn)肘——出現切換卡頓、黑屏或“殺死”后臺應用，而LPDDR5相對更能應對自如。

自2020年起，5G網(wǎng)絡(luò )正加快普及，5G云游戲、AI運算等場(chǎng)景更是會(huì )帶來(lái)終端數據吞吐量的成倍增長(cháng)。LPDDR5高性能內存可以有效降低云游戲延遲、確保AI運算數據實(shí)時(shí)同步，以及為5G相關(guān)服務(wù)的衍生與發(fā)展做好更充分的終端性能保障。

例如在使用LPDDR5之后，智能手機的邊緣計算就能夠成為一個(gè)數據處理的樞紐，能夠支持數據處理、人工智能并且減輕云計算的負載，使得很多云計算功能轉移到邊緣計算，能夠充分利用高速網(wǎng)絡(luò )、5G帶寬以及高速高容量的內存。

值得注意，隨著(zhù)5G的應用和處理器性能提升，智能手機對LPDDR5的需求趨于明顯，移動(dòng)辦公已經(jīng)成為可能。其中，折疊屏的出現讓移動(dòng)端能像PC一樣進(jìn)行多任務(wù)操作，大尺寸、5G低時(shí)延和LPDDR5共同協(xié)作以實(shí)現這樣的創(chuàng )新體驗。

華為Mate X折疊屏手機