旗舰手机都在用的LPDDR5是什么,能为消费者带来什么价值?

程文智 发表于 2020-06-05 09:55:11 收藏 已收藏
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400万+工程师在用
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旗舰手机都在用的LPDDR5是什么,能为消费者带来什么价值?

程文智 发表于 2020-06-05 09:55:11
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除了5G和常规的处理器升级,2020年的旗舰手机还在宣传的亮点技术有LPDDR5、UFS3.0、WiFi6和高刷新频率屏幕。到目前为止,使用了LPDDR5的手机有小米10、iQOO3、黑鲨游戏手机3、魅族17 Pro、realme X50 Pro、三星Galaxy S20系列手机等等。
 
为什么这些手机厂商都不约而同地在其高端手机产品中选择了LPDDR5呢?LPDDR5到底是什么?它能够给消费者带来什么好处呢?今天我们就来聊一聊。
 

什么是LPDDR5?
 

在2月初,小米10发布之前,小米的雷军、卢伟冰和常程就开始在微博给广大消费者科普了,在他们的转发和科普下,LPDDR5迅速成为了热词。
 
说句老实话,小编之前挑手机重点关注的只有处理器、内存大小,存储容量、屏幕尺寸等参数,对于LPDDR用的是第几代的问题基本上是忽略的。
 
在他们的科普下,让我觉得普通消费者了解一下LPDDR5的知识也是很有必要的。

 
图:雷军在小米10发布会上科普LPDDR5性能。

 
其实,LPDDR的英文全称是Low Power Double Data Rate SDRAM(低功耗双倍数据速率同步动态随机存取存储器),是DDR SDRAM的一种,也有人称之为mDDR (Mobile DDR SDRAM),这是美国JEDEC固态技术协会(JEDEC Solid State Technology Association)面向低功耗内存而制定的一项通信标准。
 
从协议规范中就可以看到,低功耗、小体积是此类产品的突出特征。得益于目前芯片技术的发展,LPDDR广泛的应用于移动电子产品。LPDDR5是去年2月份才推出的最新标准。
 
LPDDR5新标准相对于LPDDR4来说,主要有三方面的提升:速率提升、功耗下降以及容量增大。

 
图:LPDDR5与LPDDR4性能对比。(来源:新思科技Synopsys)

 
根据LPDDR5 标准,LPDDR5的最高速率是6400Mbps,是LPDDR4的两倍,比LPDDR4X的4266Mbps快了50%。
 
由于LPDDR5内部有三组电压,VDD1/VDD2/VDDQ,其中VDD2又分为VDD2H和VDD2L,相比LPDDR4X,LPDDR5的VDD2H由1.1V降至1.05V,VDDQ由0.6V降至0.5V,另外还有新加入的DVFSC和DVFSQ功能,可在低速工作时切换至更低的0.9V和0.3V电压,因此,LPDDR5的功耗会更低。
 
在器件容量方面,LPDDR5每通道最大可以做到32Gb[DZ1] [XX2] ,而LPDDR4是每通道最大容量是16Gb。
 

LPDDR5与DDR5的关系

 
JEDEC固态技术协会在一开始其实是定义并开发了三种DDR标准,即标准DDR、移动DDR和图形DDR。
 
其中标准DDR有两种形态,一种是DIMM(双列直插式存储模块),一种是将DDR放在PCB上的形态;
 
移动DDR,即LPDDR,有两种方式,适用于移动应用的PoP封装,以及直接放在PCB上的方式;
 
图形DDR,如果是GDDR,主要还是以分立器件直接放在PCB上方式,但HBM,由于它是高数据带宽,数据总线位宽的一种解决方案,目前主要是采用更高级的TSV和中介层进行连接。

 
图:DDR的分类。(来源:新思科技Synopsys)

 
至于应用领域,因为标准DDR具有更高的容量,因此,可以应用在服务器、云计算、数据中心、台式机、笔记本电脑,以及一些消费应用和智能家居应用中。
 
LPPDR主要的特点是高性能和低功耗,主要应用在手机等移动设备上,以及汽车电子中。当然用在汽车市场的LPDDR需要满足车规级,对温度有特定要求。
 
图形DDR更多是在数据密集型应用,比如图形卡、AI、高性能计算等应用。
 


图:DDR5与LPDDR5发展历程。(来源:新思科技Synopsys)

 
为何DDR会从一代一直发展到现在的DDR5/LPDDR5呢?新思科技(Synopsys)资深应用工程师许晓多认为主要是两大因素的推动,一是性能,由于现在几乎所有的应用都需要更宽的带宽和更高的速率来支持;二是功耗,他拿LPDDR举例说,在2009年时,LPDDR3的VDDQ是1.2V,到2014年的LPDDR4时降低到了1.1V,LPDDR4X更是直接降低到了0.6V,最新的LPDDR5,不仅将VDDQ降低到了0.5V,而且还支持调压。
 
他还指出,对DDR来说,随着更新标准的推出,DDR的容量也在不断提升。目前LPDDR5标准已经在去年2月份推出了,DDR5的标准预计今年会推出。
 

LPDDR5可以带来哪些好处?

 
LPDDR5带来的直接好处就是性能更强,功耗更低。根据资料显示,LPDDR5速率提升了29%~50%;功耗降低了12%~20%,传输数据可以达到44GB/s。
 
众所周知,内存可是手机内部的功耗大户,因为只要我们一开机,就需要用到内存。雷军在小米10发布会上表示,内存对整机的功耗影响达到了5%~10%。因此,如何平衡性能和功耗,是所有厂商在应用LPDDR5之前都想要考虑的问题。
 
依据去年2月,JEDEC发布的LPDDR5标准,LPDDR5相较于LPDDR4速度提升50%,功耗下降20%。美光宣称,采用LPDDR5,续航可延长5%~10%。小米实测数据显示,LPDDR5和LPDDR4X相比,综合场景中,用户续航提升约10%,在游戏和通信场景中,省电分别约20%和10%。
 
普通消费者了解了性能提升和功耗降低,以及容量增加情况,可能已经足够了。但如果是系统应用工程师的话,则需要了解更多的信息才行。那除了上面提到的几点,LPDDR5还增加了哪些特性呢?
 


图:LPDDR5的关键特性。

 
在许晓多看来,LPDDR5还有以下几个关键的特性:
 
其中最重要的一个特性是LPDDR5的时钟架构已经改变了。原来DDR4和LPDDR4的时钟一定是双向数据选通(DQS),写的时候DQS往DRAM里面写,读取的时候,DQS回过来进行采样。但LPDDR5引入了新的WCK时钟架构,专门用于数据传输,它可以以CK的2倍或4倍速率运行,其中2倍CK支持高达3200Mbps的操作,4倍CK支持高达6400Mbps的操作;而且WCK是从主机到设备的单向时钟,并不是双向架构。这样可以简化SoC中的时序收敛。
 
决策反馈均衡器(DFE),在DQ/DMI上提供一阶动态反馈均衡。
 
Write X主要是为了低功耗的需要,如果系统想要初始化内存,或者内存想要写成特定数目的时候,控制器可以不用工作,只需要发一个命令,DRAM就能进行初始化了。不过目前只支持将零写入内存,未来可能会支持其他数据写入。
 
链接纠错码(ECC),能够恢复单一位传输错误。
 
存储区模式,其实就是bank group,它引入了一个灵活的地址访问策略,可以支持灵活的存储区模式,以使存储区配置与流量模式相匹配。引入了16bank和8bank。
 
支持动态电压和频率缩放,电压可以在0.5V和0.3V之间自由切换,同时支持三种不同的操作模式,并具有许多调整的功能。
 

结语

 
随着5G时代的到来,高清视频、游戏和AI实时运算等应用场景带来的终端数据量将会成倍地增长,而LPDDR5刚好可以更好地应对这些应用场景,能够充分保证终端的性能和运行效率。
 
因此,有业内人士预计,LPDDR5将会成为2020年旗舰手机的标配。从目前各个厂商发布的旗舰手机情况来看,也确实如此,可以预见到2020年下半年,将会有更多的主流5G旗舰手机搭载LPDDR5。
 
无论设计工程师选择哪种DDR DRAM技术,都需要在SoC中部署兼容的接口解决方案,以实现与DRAM之间的必要链接。而新思科技一直都是DDR DRAM IP核的领先供应商,它可以提供完整的DDR IP生态系统,可提供低风险、高性能、小面积的灵活IP解决方案,帮助客户进行快速配置,加速SoC整合。
 
其新的LPDDR5控制器和PHY验证IP方案可支持高达6400Mbps的数据速率,与前代产品相比,面积缩小了40%。而且还提供了几种极具短退出延迟的低功耗状态,并提供了多种预训练状态,以实现动态频率改变功能。
 
当然,除了这些,新思科技还提供子系统硬化选项、信号完整性/电源完整性分析、验证模型、原型设计和仿真支持。

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