LPDDR5究竟有多強：幫助消除5G數(shù)據(jù)瓶頸和實現(xiàn)智能駕駛

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

美光宣稱，其LPDDR5內(nèi)存能使5G智能手機以高達6.4Gbps的傳輸速度處理數(shù)據(jù)，對消除5G數(shù)據(jù)瓶頸將起到關(guān)鍵作用。同時，也可以滿足自動駕駛汽車中對大帶寬內(nèi)存及實時數(shù)據(jù)處理等高性能計算的需求。

另一家存儲大廠三星也宣布已量產(chǎn)LPDDR5內(nèi)存，該16Gb LPDDR5內(nèi)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(nèi)存，也是迄今移動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(nèi)存工藝進入20nm之后，由于制造難度越來越高，內(nèi)存芯片公司對工藝的定義已經(jīng)不是具體的線寬，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(gòu)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(shù)來看，三星后來居上，新量產(chǎn)的LPDDR5內(nèi)存產(chǎn)品要比美光的產(chǎn)品略勝一籌，由于采用了更先進的工藝，在性能和容量上都有了進一步提升。

LPDDR5是什么？

LPDDR全稱Low Power Double Data Rate，是美國JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會面向低功耗內(nèi)存而制定的通信標準，以低功耗和小體積著稱，專門用于移動式電子產(chǎn)品。簡稱“低功耗內(nèi)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(nèi)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(nèi)存產(chǎn)品總是滯后于內(nèi)存標準的發(fā)布，但在智能手機對速度和功耗的無限追求下，LPDDR5內(nèi)存很快也就面世了。

LPDDR的發(fā)展旅程

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

· LPDDR3：第三代低功耗內(nèi)存技術(shù)LPDDR3的標準規(guī)范于2012年5月由JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會正式發(fā)布。LPDDR3重點加入了新技術(shù) —— Write-Leveling and CA Training（寫入均衡與指令地址調(diào)馴）和On Die Termination（片內(nèi)終結(jié)器/ODT）。

· LPDDR4：由于輸入/輸出接口數(shù)據(jù)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(nèi)存可以支持超高清影像的拍攝和播放，并能持續(xù)拍攝2000萬像素的高清照片。與LPDDR3內(nèi)存芯片相比，LPDDR4的運行電壓降為1.1伏，堪稱適用于大屏幕智能手機和平板電腦、高性能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最低功耗存儲解決方案。

LPDDR5的三大優(yōu)勢

簡單點來說，LPDDR5有三大優(yōu)勢，分別是多車道Bank Group架構(gòu)、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(shù)據(jù)傳輸從單車道變成了多車道，進一步提升了傳輸數(shù)據(jù)帶寬。得益于多Bank Group模式，相比LPDDR4X，LPDDR5的數(shù)據(jù)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(nèi)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，可在低速工作時切換至更低的0.9V和0.3V電壓，因此，LPDDR5的功耗會更低。

另外，相比LPDDR4x器件在高速工作時需要一直保持2133MHz時鐘頻率，而LPDDR5的時鐘頻率僅為800MHz，無疑大大降低功耗，同時在讀/寫工作停止時，還會進一步降低功耗。

LPDDR5的應用場景

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

· 沉浸式體驗：更高的性能和更低時延的5G環(huán)境也使消費者能夠同時使用更多的媒介，他們可以快速地下載高清視頻，并進行流媒體播放，實現(xiàn)360°的視覺體驗。由于LPDDR5的時延非常低，所以終端用戶在看虛擬現(xiàn)實（VR）的時候就像是看到現(xiàn)實一樣。VR的一個場景是球迷可以從體育場的各個角度去身臨其境觀看足球賽，而他本人不用離開他的客廳。

· 游戲操控：5G的低時延和毫米波技術(shù)也能夠極大推動游戲操控，游戲玩家可以把自己的手機當成一個操作的樞紐，直接投屏到電視上實現(xiàn)無縫的體驗，所以為了滿足游戲玩家的預期，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(xiàn)的新應用。硬件平臺再加上5G能夠為企業(yè)和終端消費者帶來真正的創(chuàng)新。

LPDDR5成為5G手機標配

隨著我們的手機慢慢都支持5G信號，2020年可以說是5G手機真正成為主流的第一年。手機的內(nèi)存隨著移動網(wǎng)絡(luò)的代際升級而演進，為什么手機機紛紛開始使用LPDDR5內(nèi)存，其實也是為了迎合5G的市場趨勢。

關(guān)于內(nèi)存容量趨勢，由于5G是一項創(chuàng)新轉(zhuǎn)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，沒有人會愿意自己的手機在內(nèi)存技術(shù)方面落后于整體的大趨勢。

LPDDR5去年已經(jīng)順利實現(xiàn)商用，并成為5G旗艦手機標配?，F(xiàn)在大多數(shù)的主流旗艦機很多都使用了LPDDR5，它可以實現(xiàn)的當今非常先進的手機應用，這些應用往往要求非常高的帶寬。例如現(xiàn)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間才能夠完成處理并存儲，而如果用LPDDR5，會是一個無縫的過程。如果同時運行多個App，例如要捕捉視頻，還要打AI游戲，同時要進行屏幕分享，在使用LPDDR4時很容易出現(xiàn)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。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。

其中還有一個重要領(lǐng)域就是汽車，現(xiàn)在在自動駕駛汽車的發(fā)展過程當中看到越來越多LPDDR3和LPDDR4的使用。隨著汽車越來越自動化，而且汽車的功能越來越AI化，未來汽車領(lǐng)域也會有越來越多LPDDR5應用。

因為真正自動智能駕駛，需要汽車通過各種傳感器幾乎是“實時的”計算數(shù)據(jù)，分析路況，然后馬上操控汽車做對應的動作。如果沒有LPDDR5這樣的高速內(nèi)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將車用市場大展身手

隨著智能駕駛技術(shù)的發(fā)展，Gartner預測到2024年汽車內(nèi)存市場將增長到63億美元，比2020年的24億美元增長一倍以上。屆時，采用ADAS系統(tǒng)的智能汽車需要運行超過1億行代碼，并需要數(shù)百條代碼每秒萬億次操作，可與數(shù)據(jù)中心計算媲美。LPDDR5通過提高50％的數(shù)據(jù)訪問速度和20％以上的電源效率來滿足這些要求。

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

美光已經(jīng)開始推動LPDDR5進入車用市場，宣布首款車用LPDDR5存儲器已開始送樣，該方案根據(jù)基于國際化標準ISO 26262（汽車系統(tǒng)電氣部件的國際安全標準）設(shè)計，符合汽車安全完整性水平ASIL D。

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

此前，特斯拉宣布召回部分Model X和S車型，原因是其微控制器中的8GB嵌入式多媒體卡（eMMC）存在問題。eMMC上累積的磨損會損害主顯示屏、車輛警報信號、存儲設(shè)備和檢查攝像頭，所有這些損失加起來會耗盡內(nèi)存安全操作的可靠性。這起事件表明，安全是汽車數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和內(nèi)存的重要組成部分。

安全汽車存儲器的一個重要考慮因素是糾錯碼（ECC）。簡單說一下什么叫ECC。ECC即內(nèi)存糾錯，簡單的說，其具有發(fā)現(xiàn)錯誤、糾正錯誤的功能，一般多應用在臺式電腦/服務器及圖形工作站上，這將使整個電腦系統(tǒng)在工作時更趨于安全穩(wěn)定。

對于車用內(nèi)存而言，這是一種關(guān)鍵的汽車協(xié)議，能夠自我檢測和檢索通過嵌入式硬件傳輸?shù)臄?shù)據(jù)錯誤。SK海力士表示ECC是汽車存儲器中的一個關(guān)鍵因素，因為它可以防止系統(tǒng)故障，同時提供流暢的自主駕駛體驗。

LPDDR4能夠傳輸128位的數(shù)據(jù)陣列，其中8位用于ECC檢索。相比之下，LPDDR5預計將有一個16GB DRAM來支持5.2GB/S的數(shù)據(jù)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(nèi)存設(shè)備的一大特性，但設(shè)計者應該考慮DDR5的其他設(shè)計特性。例如，DDR5具有較低的工作電壓VDD，這意味著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(shè)計師在復雜的汽車設(shè)計方面將具有更大的靈活性。

在高度壟斷的DRAM市場上，三星、美光、SK海力士在LPDDR5領(lǐng)域互相競逐。但車規(guī)級的DRAM才剛剛興起，對于自動駕駛，安全是所有車輛的首要任務，尤其是那些配備自動系統(tǒng)的車輛。隨著DDR5進入汽車市場，各種傳感器、控制器、開關(guān)和門將蓬勃發(fā)展，因為它們同時以比以前更快、更安全的速度操作和傳輸數(shù)據(jù)。