LPDDR5X，前進(jìn)的不止是一小步

很多人在談?wù)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/LPDDR5X">LPDDR5X的時(shí)候，總是認(rèn)為它只是LPDDR5同一代的改進(jìn)產(chǎn)品，在各個(gè)指標(biāo)方面的提升也不會(huì)很大，似乎沒(méi)必要作為更換設(shè)備的考慮因素之一。但是如果你真的去仔細(xì)梳理一下LPDDR5X和LPDDR5的技術(shù)規(guī)格對(duì)比和實(shí)際表現(xiàn)測(cè)評(píng)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這一次LPDDR5X進(jìn)步得真的不止一小步而已，更重要的是，這些進(jìn)步可能帶來(lái)讓諸多熱門應(yīng)用在移動(dòng)端的實(shí)現(xiàn)成為可能。

性能帶動(dòng)多應(yīng)用變革

從JEDEC 發(fā)布的LPDDR5X和LPDDR5的標(biāo)準(zhǔn)文檔中我們可以清晰發(fā)現(xiàn)，從理論性能上，LPDDR5X 的 8533MT/s 比LPDDR5提升了 33%，這部分讀取速度的提升對(duì)于人工智能、深度學(xué)習(xí)等應(yīng)用來(lái)說(shuō)也許就是將以前的不可能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵。除了性能上的提升外，為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率以及提高低功耗內(nèi)存子系統(tǒng)的可靠性，LPDDR5X 引入了名為 pre-emphasis（預(yù)加重）的功能來(lái)提高信噪比（從而達(dá)成更高的頻率和性能）并降低誤碼率以及自適應(yīng)刷新管理，此外還有每引腳決策反饋均衡器，可以增強(qiáng)內(nèi)存通道穩(wěn)健性。兩種內(nèi)存顆粒的引腳完全兼容，這可以從各個(gè)層面上簡(jiǎn)化處理器對(duì)LPDDR5X支持所需要的內(nèi)存控制策略。

歷代LPDDR系列的性能提升

除此之外，在內(nèi)存庫(kù)分組和可變電壓方面，LPDDR5X進(jìn)行了更好的優(yōu)化，從而能有效降低系統(tǒng)的整體功耗。針對(duì)LPDDR5X帶來(lái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)能夠引發(fā)的應(yīng)用層面突破，Micron Mobile Business Unit product manager Ashish Ranjan做了更為詳細(xì)的闡述。他強(qiáng)調(diào)，LPDDR5X帶來(lái)了更快的速率，更高的帶寬和更低的延遲，這些全新的技術(shù)優(yōu)勢(shì)將有望在計(jì)算攝影和人工智能（AI）等應(yīng)用領(lǐng)域大展拳腳。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于那些需要大量處理數(shù)據(jù)的應(yīng)用（比如夜間模式和人像模式攝影），特別是在后期處理階段，搭載了LPDDR5X的應(yīng)用將幫助智能手機(jī)用戶獲得更好的用戶體驗(yàn)。隨著AI引擎變得越來(lái)越復(fù)雜，需要的數(shù)據(jù)量也越來(lái)越多，這些應(yīng)用和用例可以充分利用LPDDR5X帶來(lái)的速率優(yōu)勢(shì)，幫助AI引擎更迅速做出決策，更快速提煉出數(shù)據(jù)洞察。

天璣 9000平臺(tái)下LPDDR5X的性能表現(xiàn)

作為L(zhǎng)PDDR系列存儲(chǔ)最大的應(yīng)用領(lǐng)域，手機(jī)和便攜消費(fèi)電子產(chǎn)品對(duì)功耗非常敏感，Ashish Ranjan談到LPDDR5X的功耗表現(xiàn)時(shí)介紹，業(yè)內(nèi)通常用“一天使用情況”（DoU）的水平來(lái)測(cè)量功耗，根據(jù)智能手機(jī)每天執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)用例和任務(wù)情況，例如使用WiFi、玩游戲、待機(jī)、使用多媒體和相機(jī)等任務(wù)，美光通過(guò)合作伙伴一起的測(cè)試和分析得出LPDDR5X的功耗降低了20%。由于LPDDR5X性能提高，我們能更快速訪問(wèn)智能手機(jī)內(nèi)部DRAM，從而能更快進(jìn)入低功耗模式，帶寬從6400Mpbs增加到8533Mbps同時(shí)也優(yōu)化了功耗。如今電池技術(shù)已經(jīng)成為智能手機(jī)性能提升最大的瓶頸，作為數(shù)據(jù)處理最常用的存儲(chǔ)部分如果可以適當(dāng)降低功耗，無(wú)疑對(duì)手機(jī)的整體續(xù)航將帶來(lái)極大的提升。當(dāng)然，他還特別提到LPDDR5X有可能在智能連接設(shè)備中被使用，例如可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。LPDDR5X的高速率將有助于催生依賴于人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)工作負(fù)載（例如邊緣計(jì)算機(jī)視覺(jué)）的高帶寬接口的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。然而，這些類型設(shè)備中的絕大部分，例如可穿戴設(shè)備，其數(shù)據(jù)傳輸速率不高，并不需要LPDDR5X提供的高帶寬，因此它們很可能無(wú)法充分利用LPDDR5X的性能。

影像的提升

影像是智能手機(jī)最常用的功能之一，國(guó)產(chǎn)手機(jī)近年來(lái)在影像方面的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)進(jìn)入白熱化，幾乎將智能手機(jī)的影像系統(tǒng)推到了無(wú)限接近入門級(jí)單反的程度。高像素和高分辨率對(duì)內(nèi)存的要求越來(lái)越嚴(yán)格，LPPDR5X更高的帶寬對(duì)于數(shù)據(jù)密集情況下多幀連拍會(huì)產(chǎn)生重大影響。例如，夜景模式下的攝影。 拍攝這種類型的視頻，需要大量的數(shù)據(jù)處理才能選出正確的幀來(lái)獲得完美的鏡頭序列，而具備高帶寬、低延遲特點(diǎn)的LPDDR5X內(nèi)存恰恰能滿足這一需求，從而提高用戶體驗(yàn)。在對(duì)LPDDR5X進(jìn)行初始基準(zhǔn)測(cè)試時(shí)，美光研究的重點(diǎn)是在暗光環(huán)境中拍攝照片和視頻時(shí)如何改善用戶體驗(yàn)，具體來(lái)說(shuō)就是使用“夜景模式”時(shí)的表現(xiàn)。 美光發(fā)現(xiàn)，SoC會(huì)讓智能手機(jī)內(nèi)的算法保持不變。 然而，算法不變，加上使用相同的IP和相同的活動(dòng)，IP、GPU和CPU都能利用LPDDR5X的更高內(nèi)存性能，即使在暗光下圖片和視頻也能獲得更高的分辨率。但如果算法改變，或使用不同的IP，則可能會(huì)影響夜景模式的功能，優(yōu)勢(shì)可能無(wú)法充分發(fā)揮。

AI的革命

每一代新的移動(dòng)存儲(chǔ)都釋放了實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大、更高效移動(dòng)體驗(yàn)的潛力。移動(dòng)AI應(yīng)用其中一個(gè)瓶頸就是內(nèi)存的性能。到2020年，LPDDR5 DRAM為5G智能手機(jī)帶來(lái)了更高的內(nèi)存性能，增加了向AI引擎提供大量數(shù)據(jù)所必需的內(nèi)存帶寬，并以足夠快的速度處理數(shù)據(jù)，減少了數(shù)據(jù)瓶頸。更高的內(nèi)存帶寬有助于在手機(jī)上流暢觀看4K視頻直播、玩更高級(jí)的游戲并進(jìn)行人工智能計(jì)算成像。基于這一性能基礎(chǔ)，LPDDR5X將在各個(gè)應(yīng)用市場(chǎng)的設(shè)備中解鎖更多由AI和5G技術(shù)支持的功能。 LPDDR5高達(dá)8.533 Gb/秒的高數(shù)據(jù)速率比上一代LPDDR5快33%，能夠提升如計(jì)算攝影等相關(guān)AI功能的體驗(yàn)。 更高的帶寬又可以使SoC中的AI引擎更快地訪問(wèn)照片和視頻，從而獲得更快的拍攝速度并同時(shí)從多個(gè)攝像頭獲取視頻。不僅如此，這種性能讓智能手機(jī)能夠更快地收集、處理和分析AI引擎上的智能手機(jī)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性洞察和情境感知。

就移動(dòng)端和邊緣端上AI應(yīng)用的推理瓶頸而言，LPDDR5X憑借更高速的接口和更低的功耗有助于緩解這一瓶頸。然而，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)需要的是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的努力，而不僅僅是內(nèi)存方面的創(chuàng)新。通過(guò)移動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)方面的合作和創(chuàng)新，LPDDR5X的性能和功耗將解鎖全新AI和5G的潛力，例如，運(yùn)營(yíng)商建設(shè)和投資基礎(chǔ)設(shè)施，手機(jī)廠商開(kāi)發(fā)出能利用這一新帶寬的終端設(shè)備，以及整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的參與。所有這些參與者和貢獻(xiàn)者在推動(dòng)每個(gè)獨(dú)立器件突破極限，釋放AI和5G的全部潛力方面都發(fā)揮著不可或缺的作用。

情境感知

元宇宙概念的出現(xiàn)，讓情境感知成為重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，LPDDR5X創(chuàng)新性地支持情境感知這一全新用例。情境感知是通過(guò)智能手機(jī)在我們身邊源源不斷收集和分析各種數(shù)據(jù)后實(shí)現(xiàn)的。為了創(chuàng)造更有預(yù)見(jiàn)性和洞察力的用戶體驗(yàn)，LPDRAM要快速存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，然后傳送到智能手機(jī)的AI引擎中，從而獲取數(shù)據(jù)洞察，改善我們的日常生活。例如，如果你要與朋友共進(jìn)午餐，可以根據(jù)短信或電子郵件的信息立即生成日歷提醒，并預(yù)訂你最喜歡的餐廳，然后安排一輛車在合適的時(shí)間來(lái)接你，準(zhǔn)時(shí)到達(dá)你的午餐地點(diǎn)。 這就是情境感知的表現(xiàn)形式，數(shù)據(jù)從各種來(lái)源被收集然后進(jìn)行處理。有了LPDDR5X的高速率，智能手機(jī)就成為人們的移動(dòng)伴侶，幫助解鎖更多前所未有的移動(dòng)體驗(yàn)。 一般來(lái)說(shuō)，更高的帶寬能帶來(lái)更豐富的情境體驗(yàn)。隨著應(yīng)用和用戶體驗(yàn)不斷提升，終端用戶對(duì)8K視頻、超流暢和響應(yīng)靈敏的應(yīng)用需求越來(lái)越大。而LPDDR5X具有高帶寬和快速有效地處理數(shù)據(jù)的能力，能明顯提升用戶體驗(yàn)。

助推自動(dòng)駕駛

實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)駕駛是汽車產(chǎn)業(yè)一直關(guān)注的終極愿景。由于兼具高性能和低功耗優(yōu)點(diǎn)，LPDDR內(nèi)存一直為車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)和高級(jí)自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）所青睞。雖然高內(nèi)存帶寬在這些應(yīng)用中必不可少，L3 級(jí)別ADAS的計(jì)算性能可以使處理速度達(dá)到1000 TOPS（TOPS：每秒萬(wàn)億次執(zhí)行次數(shù)），但功耗始終是一個(gè)重要的考慮因素，而這也是為什么在汽車行業(yè)LPDDR內(nèi)存占主導(dǎo)，而非DDR內(nèi)存。對(duì)于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)而言，使用LPDDR內(nèi)存而節(jié)省的功耗最終能減少尾氣排放。對(duì)電動(dòng)汽車（EV）而言，節(jié)省電力就意味著一次充電后，汽車的續(xù)航里程可以被延長(zhǎng)。再者，電動(dòng)汽車消費(fèi)者常常感到 “里程焦慮” ——汽車充電后可行駛多少距離，由此，續(xù)航里程是一個(gè)很重要的考慮因素。

為支持更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛技術(shù)，所使用的軟件也越來(lái)越多，隨之而來(lái)對(duì)帶寬的需求也不斷增加，因此，兼具最佳功耗和最高性能的內(nèi)存也變得越來(lái)越重要。LPDDR5X的高速率尤其適合智能汽車，因?yàn)殡S著ADAS和數(shù)據(jù)密集型車載應(yīng)用的出現(xiàn)，汽車需要處理海量的數(shù)據(jù)，從而確保1000TOPS以上算力的處理引擎能連續(xù)不斷地接收數(shù)據(jù)。而LPDDR5X的高數(shù)據(jù)速率和節(jié)能性使汽車能以盡可能低的功耗高效地處理這些數(shù)據(jù)。

人們一直以來(lái)關(guān)注LPDDR 5或LPDDR 5X信號(hào)的完整性，這也是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛汽車上實(shí)際可行的計(jì)算平臺(tái)的重要一環(huán)，因?yàn)檫@些平臺(tái)要在極端傳輸速度下運(yùn)行。與這些高性能SoC通信的系統(tǒng)總線現(xiàn)在正從傳統(tǒng)的128位總線寬度擴(kuò)展到256位（甚至更高），I/O切換速度也從4.2 Gb/秒增加到8.5 Gb/每秒。由于這些總線都基于單端I/O信號(hào)，而單端I/O信號(hào)通常不如差分信號(hào)寬容，因此面臨的挑戰(zhàn)更大，這些線路速率類型上的差別使差分信號(hào)在某種程度上成為了主流。歷史上的二級(jí)和三級(jí)效應(yīng)現(xiàn)在已經(jīng)成為不可忽視的一級(jí)效應(yīng)。在這些總線寬度和線路速率下同時(shí)切換會(huì)帶來(lái)重大的挑戰(zhàn)，包括符號(hào)間干擾（ISI）以及數(shù)據(jù)眼圖張開(kāi)大小/單位間隔（UI）的顯著減少。重點(diǎn)關(guān)注信號(hào)完整性的幾個(gè)關(guān)鍵特性，包括引入決策反饋均衡（DFE）來(lái)專門解決這些真正的挑戰(zhàn)，并最終使這些復(fù)雜的、高總線寬度、高帶寬的內(nèi)存子系統(tǒng)能變得實(shí)用。

隨著LPDDR5X的出現(xiàn)，汽車行業(yè)有望開(kāi)發(fā)出一種極高性能、更低功耗的解決方案，這將在實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)駕駛方面發(fā)揮重要作用。

工藝，內(nèi)存技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)

LPDDR5X在取得更高帶寬和更快速率的同時(shí)，降低了系統(tǒng)的整體功耗，除了在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上的革新外，使用更先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)，功耗效率自然會(huì)相應(yīng)提升。美光的1α技術(shù)節(jié)點(diǎn)有助于生產(chǎn)更節(jié)能的內(nèi)存解決方案，從而打造了業(yè)界最低功耗的LPDDR5X。

內(nèi)存芯片廠商面臨的最大技術(shù)挑戰(zhàn)之一是必須持續(xù)縮小電路板面積，并升級(jí)技術(shù)節(jié)點(diǎn)（node），以此才能跟上整個(gè)行業(yè)高速發(fā)展的節(jié)奏和海量數(shù)據(jù)增長(zhǎng)的需求。但要做到這一點(diǎn)，廠商也需要克服諸多物理局限。例如，我們需要在實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的同時(shí)提高內(nèi)存性能、降低功耗并增大存儲(chǔ)密度。此外，還需要在生產(chǎn)成本和工藝制程之間做出平衡，既要提高生產(chǎn)良率還要保證質(zhì)量，為此美光推出了1α DRAM制程技術(shù)。 

為攻克這一挑戰(zhàn)，美光多管齊下。例如，在開(kāi)發(fā)1α DRAM制程技術(shù)時(shí)，美光比以前更大膽地使用新工藝，每一個(gè)環(huán)節(jié)都采用了最新和最好的材料，比如更好的導(dǎo)體、更好的絕緣體，并使用新的設(shè)備來(lái)沉積、修改或選擇性去除-蝕刻-這些材料。美光還采用了先進(jìn)的工具和新技術(shù)來(lái)解決設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的挑戰(zhàn)，以滿足結(jié)構(gòu)性方面的要求。

此外，美光充分發(fā)揮了在垂直集成及納米制造技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用晶圓廠、實(shí)驗(yàn)室及合作伙伴所掌握的各種先進(jìn)工藝和創(chuàng)新技術(shù)來(lái)克服DRAM和NAND擴(kuò)產(chǎn)中帶來(lái)的物理極限挑戰(zhàn)。 特別的，美光還大膽嘗試采用了新方法來(lái)開(kāi)發(fā)1α技術(shù)。比起墨守成規(guī)、坐等數(shù)據(jù)來(lái)證明新技術(shù)的有效性，美光在很早的時(shí)候就冒著風(fēng)險(xiǎn)大膽嘗試，繼而找出降低和規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的方法。這種在工程技術(shù)和創(chuàng)新實(shí)力基礎(chǔ)上采用新方法的模式讓美光更好地實(shí)現(xiàn)了1α制程目標(biāo)，同時(shí)為這些新方法應(yīng)用于未來(lái)的節(jié)點(diǎn)中奠定了基礎(chǔ)。

如今，美光實(shí)現(xiàn)了在歷史上第一次同時(shí)擁有DRAM和NAND技術(shù)領(lǐng)先地位的高光時(shí)刻。這些成果得益于美光在過(guò)去幾年里的不懈努力，例如加速實(shí)現(xiàn)DRAM和NAND技術(shù)路線圖，并專心致志地研究?jī)?nèi)存和存儲(chǔ)技術(shù)。