LPDDR5內存韓美企業(yè)“三雄爭霸”，中國進展如何？

作者：時間：2020-02-19 來源：觀察者網

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【文/ 科工力量專欄作者陳辰】

本文引用地址：http://2s4d.com/article/202002/410074.htm

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”的賣點。其中，小米各高管在微博上密集對LPDDR5進行營銷和“科普”。而三星也早已開始預熱，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實有較大提升。鑒于此，LPDDR5曾被多家企業(yè)高管和媒體稱為“5G時代旗艦機的標配”。而目前，全球僅有三星、美光、SK海力士進入LPDDR5領域競爭角逐，且均已陸續(xù)進入1Znm DRAM技術階段。

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

合肥長鑫存儲Fab1工廠圖源：新華社

LPDDR5是什么？

首先，先來看下LPDDR5是什么。LPDDR屬于DDR SDRAM的一種，全稱Low Power Double Data Rate，是美國JEDEC固態(tài)技術協(xié)會（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、小體積著稱，主要應用于移動端電子產品（如16GB+512GB的前者）。從十余年前誕生至今，這個協(xié)議隨著技術的演變和產品需求進行升級和革新。到目前的LPDDR5，LPDDR內存產品應用場景和定制需求等方面出現(xiàn)了明顯代差。

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

2019年2月，JEDEC協(xié)會正式發(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的64bit BUS，每秒可以傳送51.2GB數(shù)據(jù)；若匹配PC的128bit BUS，每秒可突破100GB數(shù)據(jù)。

JEDEC協(xié)會認為，LPDDR5有望對下一代便攜電子設備（手機、平板）的性能產生巨大提升，為了實現(xiàn)這一改進，協(xié)會標準對LPDDR5體系結構進行了重新設計，轉向最高16 Bank可編程和多時鐘體系結構?？紤]到汽車等相關市場需求，LPDDR5引入了鏈路ECC糾錯功能。

此外，LPDDR5引入了數(shù)據(jù)復制（Data-Copy）和寫X（Write-X）兩個減少數(shù)據(jù)傳輸操作的命令來降低整體系統(tǒng)功耗。前者可以將單個陣腳的數(shù)據(jù)直接復制到其它針腳，提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，后者則減少了SoC和RAM傳遞數(shù)據(jù)時的耗電。

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(shù)據(jù)傳輸從單車道變?yōu)槎嘬嚨?，增加更多的并行?shù)據(jù)通路，提升數(shù)據(jù)傳輸帶寬。

得益于多Bank Group模式，與上代LPDDR4x相比，LPDDR5的數(shù)據(jù)傳輸速率從4266Mbps提升至5500Mbps，傳輸帶寬從34GB/s提升到了44GB/s，這是人類歷史目前最高速率的內存規(guī)格。未來，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，時鐘為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，時鐘只有800MHz。當讀/寫工作停止時，達到最大工作頻率的WCK信號也會停止，從而降低功耗。同時在低速工作狀態(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類似，LPDDR5在今年商用是一個正常的技術迭代。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這一最新技術領域激烈競爭。

三星在2018年就開始向LPDDR5標準過渡，開發(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12GB LPDDR5。此外，三星還將在今年開發(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，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，而雷軍也稱小米10同時搭載三星和美光LPDDR5內存。

美光LPDDR5采用的是1Y nm光刻技術，將通過基于UFS的多芯片封裝（uMCP5）技術應用于智能手機，且計劃今年晚些時候推出1Z nm級的產品。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(shù)超過6種。

美光技術路線圖

目前，美光正將1Y nm工藝用于制造12Gb LPDDR4X、16Gb DDR4和12Gb LPDDR5等多種產品，下一代1Z nm將用于生產16Gb LPDDR5以及DDR5存儲器件。而在1Z nm節(jié)點后，美光計劃開始使用1αnm和1βnm制造技術，并同時為1γnm技術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16Gb DDR4，且正在拓展到LPDDR5和HBM2E市場，計劃在2020年規(guī)模量產。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(jù)三星、美光、SK海力士的DRAM技術發(fā)展路線來看，從2019下半年開始，三大廠商均已陸續(xù)進入1Znm DRAM技術階段。到2020年，隨著單晶圓（Die）容量已可達到16Gb，預計有望基于8顆16Gb芯片封裝量產16GB LPDDR5，進一步提高容量和性能。

在制造方面，為靈活管理和提高產能，三星正考慮從今年開始將12GB LPDDR5轉移到平澤工廠。而美光計劃對日本廣島工廠進行第二階段投資，即建設F棟制造工廠用于量產1Znm工藝之后的1α、1β技術。未來隨著各廠商產能逐漸放量，LPDDR5的商用步伐將會加快。

三星平澤工廠

“5G時代旗艦的標配”

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，到2020年后期，多數(shù)主流5G旗艦機將會搭載LPDDR5。那么，其中的技術邏輯在哪？

首先，功耗問題是移動設備最敏感的問題之一，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(shù)據(jù)顯示，LPDDR5如果以5.5 Gbps的傳輸速度運行，手機續(xù)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(xù)航時間能夠提高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(shù)據(jù)，也就能更早地進入“睡眠模式”，不再花費更多時間高負荷、高耗電地運轉。簡而言之，就是LPDDR5可以降低后臺應用的功耗，更好的滿足5G手機的功耗控制需求。

其次，5G旗艦機的性能表現(xiàn)也受制于內存。眾所周知，CPU是手機數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)與指令，以使數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)傳輸速度相匹配。這時，高性能內存對手機整體流暢度提升大有裨益。