LPDDR5 风起于小米 10,浪激在中国半导体之内存江湖(上)

2020/2/19 20:45:21 来源:IT之家 作者:汐元 责编:汐元

公元2020年2月13日小米10系列手机的发布把一个词带火了:LPDDR5。

IT之家在小米10系列手机发布后,第一时间为大家送上了小米10 Pro手机的评测。不过在评测中,关于LPDDR5的内容我们还没有展开去说。

今天,汐元不妨就和大家说一说LPDDR以及背后DRAM内存江湖的那些事。

本文计划分为上、下两篇。第一篇和大家聊一些DRAM的基础科普,第二篇重点谈一谈DRAM存储国产化的过去和现在。

一、你要先了解什么是DRAM

首先我们需要搞清楚内存大概有哪些种类。

在IT之家《内存标签上这串数字,暗藏了内存工作的“秘密”》这篇文章里,我们知道了,内存就是CPU工厂和硬盘数据之间数据传输的“临时仓库”。而经过这些年的发展,内存的分类大概是这样的:

可以看到,LPDDR内存就是SDRAM的一种,或者说就是DDR的低功耗版。所以要弄清楚LPDDR,我们需要先了解什么是DDR。

DDR严格的全称是DDR SDRAM,所以很显然,它也是SDRAM的一种。

那么SDRAM是什么?这就要从DRAM说起了(手动捂脸)。

DRAM,通俗地说,其实就是内存存储数据的一种方式,它通过给电容充电,然后计算电容里面的电位差,转换成1、0、1、0、1、0……这样的二进制信号。

这些二进制信号,也就是数据的本质形态。

实际运作的时候,电容在充满电的时候可能会出现漏电等情况,所以充满之后需要放电,用的时候再充满电,持续进行这种充电、放电的动作,是动态的。

DRAM的“D”就是Dynamic(动态)的意思。

SDRAM又是什么呢?我们知道,CPU的工作频率通常都是以GHz为单位的,而内存的工作频率是主要还是MHz的水平。也就是说,CPU的工作频率远高于内存。

频率差别大,CPU和内存怎么协调工作呢?这就是SDRAM存在的意义。它的意思就是在CPU和内存之间形成一个同步的机制,保证在指定的时间周期里,CPU一定能够从内存拿到数据,不需要等待,也提高了存储速度。

SDRAM的“S”就是同步(synchronous)的意思。

到底怎么同步呢?不妨简单说明一下。还是要联系IT之家之前《内存标签上这串数字,暗藏了内存工作的“秘密”》这篇文章。

当时我们说,内存颗粒中数据是以Bank的方式存在的,Bank就像库房里的储物架。

以前DRAM时代一个库房里只有一个储物架,CPU来要数据的时候,如果这个储物架在忙,CPU就得等待。

SDRAM里,储物架变成了两个或者两个以上,这样,CPU来要数据的时候,如果一个储物架在忙,另一个储物架就可以站出来给CPU调配物资。

如此,CPU就不需要等待,也就等于提高了速率。

下面就到DDR了。DDR的意思是“Double Data Rate”,也就是双倍速率。

从上面这张图可以看到,之前SDRAM在一个时钟周期里只做一次数据存取,而DDR在一个时钟周期里可以做两次数据存取,分别是在上升沿和下降沿,这样也就实现了两倍速率。

这就是DDR。

基于这些,LPDDR也就很容易理解了。

二、LPDDR的演进之路

LPDDR的全称是Low Power Double Data Rate SDRAM,又称为mDDR(Mobile DDR SDRAM),是美国JEDEC固态技术协会面向低功耗内存而制定的标准。

LPDDR以低功耗和小体积著称,专门用于移动式电子产品。

除了低功耗,LPDDR的发展过程也是不断吸纳新技术和新特性的过程。

第一代LPDDR和DDR没有太多不同。第二代LPDDR标准在2010年发布,相比第一代LPDDR更节能,同时引入了闪存和SDRAM共用接口的设计,好处是降低了控制器的引脚数。

另外,LPDDR2还提高了支持的内存容量以及其他性能的提升,例如额定频率为100—533MHz,数据位宽为x8、x16和x32,有2bit和4bit两种。

采用LPDDR2内存的手机,IT之家的老读者们可能还有印象,例如三星Galaxy S2、iPhone 5等。

▲三星Galaxy S2,图自:wikimedia

LPDDR3标准在2013年发布。它引入了一些新技术。

第一种叫做写入均衡与指令地址调用,这个技术主要是保证内存高速运行的同时,还能维持数据传输的稳定不出错。

第二种叫做片内终结器(ODT)技术,这是个可选技术,可以在提高内存信号稳定性的基础上 节省不少电器元件。

另外,LPDDR3的整体性能相比LPDDR2也有飞跃,额定频率可以达到667-800MHz。不过功耗控制方面表现不太出色。

采用LPDDR3内存的典型机型包括小米手机3、三星Galaxy Note 4、iPhone 6等。

▲小米手机3,图自:wikimedia

LPDDR4标准发布于2014年,它有两个主要特性:两倍数据速率和低功耗。

在LPDDR4上,芯片设计方式已经由之前的单通道演进为双通道,在电路上也优化了数据(DQ)信号和地址(CA)信号的位置,让走线长度变短,缩短了数据信号的传送距离,从而减小时延。总之就是让数据传输速率更快。

速率大涨后,需要进一步控制功耗。LPDDR4还采用了一种叫LVSTL的低功耗接口设计技术。这个技术具体也比较专业,不需要大家理解,它就是可以让电压摆动的幅度可控制,并且在理想状态下不需要直流电平,从而进一步控制功耗。LPDDR4的数据传输速率可以达到LPDDR3的2倍,功耗却只有它的一半。

采用LPDDR4内存的手机如三星Galaxy Note 5、iPhone 6s、华为P9系列等。

▲iPhone 6s,图自:Pexels

2016年公布的LPDDR4X可以看做是LPDDR4的一个省电优化版本。这也是LPDDR5之前那段时间主流中高端手机上采用的内存,例如魅蓝X、三星Galaxy Note9、小米6、iPhone XS等等。

▲iPhone XS

最后来说小米10手机采用的LPDDR5的内存。LPDDR5内存标准是JEDEC在2019年2月份确定的。

关于LPDDR5内存的优势,其实小米一众高管在预热小米10的时候已经不遗余力地给大家科普过了,IT之家当时也进行了密切报道。

这里汐元简单总结一下即可。

相比LPDDR4X,LPDDR5的关键在于重新设计了架构,采用16Banks可编程和多时钟架构。

16Banks的架构,也就是小米宣传的“Bank Group架构”,可以让器件内部增加更多的并行数据通路,增加了数据带宽,提升了性能。

多时钟架构的意思是,LPDDR5可以根据工作频率动态调节工作电压。LPDDR4X在高速工作时需要一直保持高时钟频率,而LPDDR5平时时钟频率可以控制在800MHz,在数据有读写操作时,会冲到最大工作频率,当读/写工作停止时,则会回落,从而降低功耗。

另外,LPDDR5还引入了Data-Copy和Write-X两个新的指令。

其中,Data-Copy指令的意思是,LPDDR5可以将单个I/O引脚上传输的数据复制到其他I/O引脚,提升数据传输的效率。

而Write-X指令可将全1或全0信号写入到特定地址,不用将数据从SoC发送到LPDDR5内存上,从而可以降低整个系统的功耗水平。

其实就是六字真言:提速率,降功耗。

最后,汐元整理了LPDDR从第一代到第五代的演进路线,并通过一张表格的形式呈现给大家:

从表中的数据,结合前面的介绍,看得出LPDDR5相比LPDDR4X,无论在性能还是功耗上,确实会有明显更好的表现,对于它在更多智能手机上的普及,以及在5G时代的表现,值得期待。

讲到这里,上篇也就差不多了。汐元在介绍的时候希望尽可能在“通俗”和“专业”之间做一个平衡,也许上述介绍有不那么精准之处,或者不易懂之处,欢迎大家在IT之家的评论区指出。

下一篇汐元将从DRAM产业层面介绍一下中国内存产业的发展情况,敬请期待。

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参考

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关键词:LPDDR5小米10内存

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