LPDDR5究竟有多強：幫助消除5G數據瓶頸和實(shí)現智能駕駛

2020年2月，內存大廠(chǎng)美光率先宣布量產(chǎn)LPDDR5 DRAM芯片，并同時(shí)宣布首發(fā)于小米10智能手機。據小米官方數據，由于采用LPDDR5高性能內存，小米10手機在5G云游戲、AI運算等場(chǎng)景方面可以有效降低云游戲延遲、確保AI運算數據實(shí)時(shí)同步。在游戲（王者榮耀）場(chǎng)景中，采用LPDDR5可以省電約20%，在微信語(yǔ)音和視頻場(chǎng)景應用中，可省電約10%。

美光宣稱(chēng)，其LPDDR5內存能使5G智能手機以高達6.4Gbps的傳輸速度處理數據，對消除5G數據瓶頸將起到關(guān)鍵作用。同時(shí)，也可以滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛汽車(chē)中對大帶寬內存及實(shí)時(shí)數據處理等高性能計算的需求。

另一家存儲大廠(chǎng)三星也宣布已量產(chǎn)LPDDR5內存，該16Gb LPDDR5內存基于三星第三代10nm級（1z）工藝打造，是首款采用EUV技術(shù)量產(chǎn)的內存，也是迄今移動(dòng)DRAM產(chǎn)品中速度最高、容量最大的產(chǎn)品。

（注：1Z納米技術(shù)并不是工藝的極限，在1Z納米之后，還會(huì )有1α、1β、1γ等10納米級制造的工藝。那么，1Y、1Z是什么意思呢？首先，20納米相當于一根頭發(fā)絲直徑的三千分之一。在內存工藝進(jìn)入20nm之后，由于制造難度越來(lái)越高，內存芯片公司對工藝的定義已經(jīng)不是具體的線(xiàn)寬，而是分成了1X、1Y、1Z，1X工藝相當于16~19納米、1Y相當于14~16納米，1Z相當于12~14納米的級別。）

另外，由于采用了三星的先進(jìn)1z工藝制造，LPDDR5在尺寸上比上一代產(chǎn)品薄了30%，更能適應智能手機對多功能小體積的苛刻要求。三星介紹，只需8顆16Gb LPDDR5芯片就能構建16GB封裝，而基于上一代1y工藝制造的產(chǎn)品則需要12顆芯片（8顆12Gb芯片和4顆8Gb芯片）才能提供同樣的容量。

從公布的參數來(lái)看，三星后來(lái)居上，新量產(chǎn)的LPDDR5內存產(chǎn)品要比美光的產(chǎn)品略勝一籌，由于采用了更先進(jìn)的工藝，在性能和容量上都有了進(jìn)一步提升。

LPDDR5是什么？

LPDDR全稱(chēng)Low Power Double Data Rate，是美國JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì )面向低功耗內存而制定的通信標準，以低功耗和小體積著(zhù)稱(chēng)，專(zhuān)門(mén)用于移動(dòng)式電子產(chǎn)品。簡(jiǎn)稱(chēng)“低功耗內存”，而LPDDR5就是最新的標準。

2019年2月，JEDEC正式發(fā)布了LPDDR5全新低功耗內存標準。相較于2014年發(fā)布的上一代LPDDR4標準，LPDDR5的I/O速度從3200 MT/s提升到6400 MT/s（DRAM速度6400Mbps），直接翻番。

內存產(chǎn)品總是滯后于內存標準的發(fā)布，但在智能手機對速度和功耗的無(wú)限追求下，LPDDR5內存很快也就面世了。

LPDDR的發(fā)展旅程

· LPDDR2：第二代低功耗內存技術(shù)LPDDR2的標準規范于2010年12月由JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì )正式發(fā)布。

· LPDDR3：第三代低功耗內存技術(shù)LPDDR3的標準規范于2012年5月由JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì )正式發(fā)布。LPDDR3重點(diǎn)加入了新技術(shù) —— Write-Leveling and CA Training（寫(xiě)入均衡與指令地址調馴）和On Die Termination（片內終結器/ODT）。

· LPDDR4：由于輸入/輸出接口數據傳輸速度最高可達3200Mbps，是通常使用的DDR3 DRAM的兩倍，新推出的8Gb LPDDR4內存可以支持超高清影像的拍攝和播放，并能持續拍攝2000萬(wàn)像素的高清照片。與LPDDR3內存芯片相比，LPDDR4的運行電壓降為1.1伏，堪稱(chēng)適用于大屏幕智能手機和平板電腦、高性能網(wǎng)絡(luò )系統的最低功耗存儲解決方案。

LPDDR5的三大優(yōu)勢

簡(jiǎn)單點(diǎn)來(lái)說(shuō)，LPDDR5有三大優(yōu)勢，分別是多車(chē)道Bank Group架構、速率跨越式升級最多可達50%性能提升、超低功耗。

LPDDR4X僅支持Single Bank Group，而LPDDR5支持多Bank Group模式，這里可以理解為數據傳輸從單車(chē)道變成了多車(chē)道，進(jìn)一步提升了傳輸數據帶寬。得益于多Bank Group模式，相比LPDDR4X，LPDDR5的數據傳輸速率從4266MT/s提升至5500MT/s，傳輸帶寬從34GB/s提升到了44GB/s。

LPDDR5內部有三組電壓，VDD1/VDD2/VDDQ，其中VDD2又分為VDD2H和VDD2L，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，因此，LPDDR5的功耗會(huì )更低。

另外，相比LPDDR4x器件在高速工作時(shí)需要一直保持2133MHz時(shí)鐘頻率，而LPDDR5的時(shí)鐘頻率僅為800MHz，無(wú)疑大大降低功耗，同時(shí)在讀/寫(xiě)工作停止時(shí)，還會(huì )進(jìn)一步降低功耗。

LPDDR5的應用場(chǎng)景

· 真正的多任務(wù)處理：在2019年“世界移動(dòng)通信大會(huì )”（MWC）上已經(jīng)推出可折疊屏的手機。1個(gè)手機屏幕可以同時(shí)運行2個(gè)App，而且可以在這2個(gè)App之間非常自由地進(jìn)行復制、粘貼，就像現在人們在PC端做的那樣。這種多任務(wù)處理會(huì )要求更高性能的內存，這樣才能使終端用戶(hù)能夠像操作電腦一樣去操作手機。因此，現在有一些旗艦的智能手機內存已經(jīng)從8GB轉到12GB，甚至轉到16GB。

· 沉浸式體驗：更高的性能和更低時(shí)延的5G環(huán)境也使消費者能夠同時(shí)使用更多的媒介，他們可以快速地下載高清視頻，并進(jìn)行流媒體播放，實(shí)現360°的視覺(jué)體驗。由于LPDDR5的時(shí)延非常低，所以終端用戶(hù)在看虛擬現實(shí)（VR）的時(shí)候就像是看到現實(shí)一樣。VR的一個(gè)場(chǎng)景是球迷可以從體育場(chǎng)的各個(gè)角度去身臨其境觀(guān)看足球賽，而他本人不用離開(kāi)他的客廳。

· 游戲操控：5G的低時(shí)延和毫米波技術(shù)也能夠極大推動(dòng)游戲操控，游戲玩家可以把自己的手機當成一個(gè)操作的樞紐，直接投屏到電視上實(shí)現無(wú)縫的體驗，所以為了滿(mǎn)足游戲玩家的預期，就必須要采用LPDDR5的技術(shù)。

但是更重要的應用是今后將出現的新應用。硬件平臺再加上5G能夠為企業(yè)和終端消費者帶來(lái)真正的創(chuàng )新。

LPDDR5成為5G手機標配

隨著(zhù)我們的手機慢慢都支持5G信號，2020年可以說(shuō)是5G手機真正成為主流的第一年。手機的內存隨著(zhù)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的代際升級而演進(jìn)，為什么手機機紛紛開(kāi)始使用LPDDR5內存，其實(shí)也是為了迎合5G的市場(chǎng)趨勢。

關(guān)于內存容量趨勢，由于5G是一項創(chuàng )新轉型的真正技術(shù)，所以手機制造商要確保自己的硬件能夠支持今后一系列的創(chuàng )新，沒(méi)有人會(huì )愿意自己的手機在內存技術(shù)方面落后于整體的大趨勢。

LPDDR5去年已經(jīng)順利實(shí)現商用，并成為5G旗艦手機標配?，F在大多數的主流旗艦機很多都使用了LPDDR5，它可以實(shí)現的當今非常先進(jìn)的手機應用，這些應用往往要求非常高的帶寬。例如現在如果是用LPDDR4的旗艦手機，里面的高像素攝像頭需要好幾秒的時(shí)間才能夠完成處理并存儲，而如果用LPDDR5，會(huì )是一個(gè)無(wú)縫的過(guò)程。如果同時(shí)運行多個(gè)App，例如要捕捉視頻，還要打AI游戲，同時(shí)要進(jìn)行屏幕分享，在使用LPDDR4時(shí)很容易出現瓶頸，但是對于LPDDR5是綽綽有余。

除了手機外，LPDDR5的其他應用機會(huì )。例如物聯(lián)網(wǎng)對于低功耗也有非常高的要求，另外還有平板、個(gè)人電腦，尤其是緊湊型的平板和電腦對于速度和功耗也有非常高的要求。

其中還有一個(gè)重要領(lǐng)域就是汽車(chē)，現在在自動(dòng)駕駛汽車(chē)的發(fā)展過(guò)程當中看到越來(lái)越多LPDDR3和LPDDR4的使用。隨著(zhù)汽車(chē)越來(lái)越自動(dòng)化，而且汽車(chē)的功能越來(lái)越AI化，未來(lái)汽車(chē)領(lǐng)域也會(huì )有越來(lái)越多LPDDR5應用。

因為真正自動(dòng)智能駕駛，需要汽車(chē)通過(guò)各種傳感器幾乎是“實(shí)時(shí)的”計算數據，分析路況，然后馬上操控汽車(chē)做對應的動(dòng)作。如果沒(méi)有LPDDR5這樣的高速內存支持，在計算中突然“卡了”，那真就是秒秒鐘造成不可挽回的后果。

LPDDR5將車(chē)用市場(chǎng)大展身手

隨著(zhù)智能駕駛技術(shù)的發(fā)展，Gartner預測到2024年汽車(chē)內存市場(chǎng)將增長(cháng)到63億美元，比2020年的24億美元增長(cháng)一倍以上。屆時(shí)，采用ADAS系統的智能汽車(chē)需要運行超過(guò)1億行代碼，并需要數百條代碼每秒萬(wàn)億次操作，可與數據中心計算媲美。LPDDR5通過(guò)提高50％的數據訪(fǎng)問(wèn)速度和20％以上的電源效率來(lái)滿(mǎn)足這些要求。

雖然DDR5因其增加的內存、處理可靠性和性能而受到歡迎，但有一個(gè)經(jīng)常被忽視的特性是它的安全性能 —— 尤其是在汽車(chē)應用程序中。通常，我們只聽(tīng)到有關(guān)DDR5在移動(dòng)設備和CPU中使用的傳言，但DDR5的功能足夠多，也可以在汽車(chē)應用程序中操作。將DDR5引入汽車(chē)系統，在提高安全力的同時(shí)，提高了內存、處理、可靠性和性能。  

美光已經(jīng)開(kāi)始推動(dòng)LPDDR5進(jìn)入車(chē)用市場(chǎng)，宣布首款車(chē)用LPDDR5存儲器已開(kāi)始送樣，該方案根據基于國際化標準ISO 26262（汽車(chē)系統電氣部件的國際安全標準）設計，符合汽車(chē)安全完整性水平ASIL D。

（注：ASIL是ISO 26262定義的風(fēng)險分類(lèi)。ASIL將安全級別分為：① ASIL B（剎車(chē)燈、后視攝像頭、前照燈）；② ASIL C（主動(dòng)懸架，雷達巡航控制）；③ ASIL D（防抱死制動(dòng)、電動(dòng)助力轉向、安全氣囊、發(fā)動(dòng)機管理）。）

此前，特斯拉宣布召回部分Model X和S車(chē)型，原因是其微控制器中的8GB嵌入式多媒體卡（eMMC）存在問(wèn)題。eMMC上累積的磨損會(huì )損害主顯示屏、車(chē)輛警報信號、存儲設備和檢查攝像頭，所有這些損失加起來(lái)會(huì )耗盡內存安全操作的可靠性。這起事件表明，安全是汽車(chē)數據處理系統和內存的重要組成部分。

安全汽車(chē)存儲器的一個(gè)重要考慮因素是糾錯碼（ECC）。簡(jiǎn)單說(shuō)一下什么叫ECC。ECC即內存糾錯，簡(jiǎn)單的說(shuō)，其具有發(fā)現錯誤、糾正錯誤的功能，一般多應用在臺式電腦/服務(wù)器及圖形工作站上，這將使整個(gè)電腦系統在工作時(shí)更趨于安全穩定。

對于車(chē)用內存而言，這是一種關(guān)鍵的汽車(chē)協(xié)議，能夠自我檢測和檢索通過(guò)嵌入式硬件傳輸的數據錯誤。SK海力士表示ECC是汽車(chē)存儲器中的一個(gè)關(guān)鍵因素，因為它可以防止系統故障，同時(shí)提供流暢的自主駕駛體驗。

LPDDR4能夠傳輸128位的數據陣列，其中8位用于ECC檢索。相比之下，LPDDR5預計將有一個(gè)16GB DRAM來(lái)支持5.2GB/S的數據傳輸速率，這將比它的前任快近60%。

雖然這種級別的安全性和速度是內存設備的一大特性，但設計者應該考慮DDR5的其他設計特性。例如，DDR5具有較低的工作電壓VDD，這意味著(zhù)噪聲抗擾度的裕度較小。除此之外，由于DDR5嵌入式集成電路中存在獨立的電源管理，設計師在復雜的汽車(chē)設計方面將具有更大的靈活性。

在高度壟斷的DRAM市場(chǎng)上，三星、美光、SK海力士在LPDDR5領(lǐng)域互相競逐。但車(chē)規級的DRAM才剛剛興起，對于自動(dòng)駕駛，安全是所有車(chē)輛的首要任務(wù)，尤其是那些配備自動(dòng)系統的車(chē)輛。隨著(zhù)DDR5進(jìn)入汽車(chē)市場(chǎng)，各種傳感器、控制器、開(kāi)關(guān)和門(mén)將蓬勃發(fā)展，因為它們同時(shí)以比以前更快、更安全的速度操作和傳輸數據。