旗舰手机都在用的LPDDR5是什么，能为消费者带来什么价值？

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。