三星在存储领域投资217亿美元，DDR5蓄势待发

电子发烧友网报道（文/程文智）最近，据韩国媒体报道，三星电子预计今年在半导体行业投资35万亿韩元（约316亿美元），其中，存储半导体投资约24万亿韩元（约217亿美元），晶圆代工领域投资11万亿韩元（约99亿美元）。报道称此次投资将会主要集中在西安二期工厂和平泽P2工厂。据悉，存储相关设备的投资已经先行。
 
西安二期为NAND Flash工厂，目前已订购的设备将在今年6-7月交付产线用于生产128层V6 3D NAND。消息称，西安二期工厂建成后合计月产能可达12万片，约占三星电子全球产量的40%。
 
而平泽P2工厂为NAND Flash、DRAM和晶圆代工混合产线，产线扩充之后预计NAND Flash月产能将增加18-30K；DRAM月产能将增加30-60K；晶圆代工月产能增加20K。
 
据了解，三星电子已经开始订购相关的半导体设备。韩国媒体报道特别指出，三星电子已于本月15日与DI签署了一份合同，为下一代DRAM存储器的标准产品DDR5购买价值3130万美元（345亿韩元）的半导体检测设备。其实，三星电子在2020年2月份就宣布了成功研发出了DDR5芯片，预计2021年下半年可以实现量产。
 
DDR5今年将接棒DDR4，它有哪些优点？
自2012年9月，JEDEC协会宣布DDR4 SDRAM的最终规格到现在已经过去9年了。如今JEDEC协会在2020年7月正式发布了新的内存标准DDR5-SDRAM最终规格，预示着DDR5将会接棒DDR4成为新的主流标准。
 
从JEDEC协会公布的信息来看，与上一代DDR4标准相比，DDR5将主电压从1．2 V降低至1．1 V，最大芯片密度提高了4倍，最大数据速率提高一倍，突发长度增加一倍，存储单元组数增加一倍。可以说在速度、容量、能耗和稳定性等方面，DDR5都来了一次全面的提升。
 

图：DDR5标准与DDR4标准的密度、速率和电压比较。（来源：Synopsys）

 
虽然DDR5的最高速率可高达6400Mbps，但能达到这个速率的产品近期应该不会出现，最先推出的产品应该是4800Mbps的产品，随后才会推出5600Mbps，再然后才会有6400Mbps的产品出现。
 
其实从速率方面来看，DDR5发展还没有LPDDR5快，LPDDR5的速率会更快，有业界人士表示，如果应用更加注重性能而看重容量，则可以先选择LPDDR5的产品。
 
 

图：DDR5的关键特性分析。（来源：Synopsys）

 
新的DDR5除了容量更大，速度更快之外，也有一些杀手锏，比如双通道DIMM、突发长度、占空比调节器、片上ECC等等。
 
具体来说，双通道DIMM可以操控更多的核数量，以提升通道效率，进而优化内存整体的能效。
 
片上ECC则强化了片上RAS，减轻了控制器的负担。
 
增加了数据突发长度，DDR5将缺省的数据突发长度（Burst Length）从DDR4标准的BL8增加到了BL16，这样就提高了命令／地址和数据总线的效率。也就是说，相同的CA总线读写事务可以在数据总线上实现两倍的数据量，同时限制在同一Bank内受到IO／阵列时序限制的风险。突发长度的增加也可减少相同的64B缓存线数据负载存取所需的IO数量，减少存取特定数据量所需的命令，这对于功耗的控制十分有利。
 
此外，还有有占空比调节器、 DRAM接收DQ均衡、内部DQS延迟监控等关键特性。
 

图：DDR4特性与DDR5特性对比（一）。

 

图：DDR4特性与DDR5特性对比（二）。

 
DDR5将首先在服务器领域得到应用
DDR5标准推出之后，三星电子、美光、SK海力士等内存和模块制造商都已经积极行动起来了，陆续推出了相关的样品，为即将到来的新一波内存升级潮积极备战。按照以往的经验，2021年DDR5将最先进入服务器市场，之后随着工艺稳定和产能爬坡后，再逐渐向PC和消费电子等领域渗透。
 
去年以来，在线办公和远程教育需求爆发，云计算需求快速提升，拉动服务器需求增长，直接推动内存接口芯片需求提高。据IDC预测，2020年-2025年，中国X86服务器市场规模有望以年复合增长率9.08%的速度稳步增长，拉动上游内存接口芯片销售量保持增长势态。对于DDR5内存需求，IDC预计将从 2020年开始增长, 到2021年底将占DRAM总市场的25%，这一市场份额将逐步提升, 并在2022年达到44%。
 
对市场的预测，Omdia显得更加保守一些，该机构预测DDR5需求将在2021年开始激增，到2022年将占据全球DRAM市场的10%，到2024年将增长到43%。
 
其实DDR5的普及速度，还是要看CPU产品的支持，在服务器领域则要看占据服务器CPU整体出货量90%以上的英特尔的态度。从目前公开的信息来看英特尔在2020年时打包票说Sapphire Rapids处理器会正式采用DDR5，2021下半年开始做小批量的生产。
 
AMD即将问世的Milan平台仍沿用当前主流解决方案DDR4，预计下一代Genoa平台会有导入DDR5的规格，不过该平台量产时间约为2022年，若要正式搭载DDR5，AMD的服务器存储器解决方案最快2023年才会问世。
 
在ARM阵营方面，来自法国的初创公司SiPearl刚公布了代号“Rhea”(美洲鸵鸟)的处理器产品，采用台积电7nm工艺制造，集成多达72个CPU核心，Mesh网格式布局，支持4-6个通道的DDR5内存控制器。其发布时间定在2021年，因此对DDR5的导入也不会早于这个时间。
 
考虑到生产成本问题，服务器产品对存有溢价的DDR5产品接纳程度较高，而PC产品对DDR5产品的规划估计要到2022年才能落实，也就是说DDR5这两年都将主要停留在产品开发和验证阶段。
 
据悉，英特尔 12 代酷睿 Alder Lake (ADL)混合架构处理器会支持DDR5，但最早也要到2021年Q3。AMD的Zen4已经规划了对DDR5的支持，发布时间也在2021年。DDR5要全面在PC上普及，看来至少还需要2年的时间。
 
产业链准备就绪，DDR5蓄势待发
虽然说Intel和AMD都相继推迟了他们在消费级平台上支持DDR5内存的计划，但追求性能且对价格不这么敏感的服务器平台在2021年确实会上DDR5，至少Intel的线路图上2021年的Sapphire Rapids服务器处理器是支持PCI-E 5.0和DDR5的。而内存厂商肯定会比平台厂商先一步把DDR5内存推向市场。
 
根据三大DRAM原厂官网及公司公告显示，三星、美光、SK海力士2020年已经完成DDR5内存研发，并具备大规模的量产能力：
 
SK海力士于2018年发布首颗2GB DDR5-6400模组，并于2020年10月宣布推出全球首款DDR5 DRAM；2020年1月，美光基于1znm制程技术的DDR5 RDIMM开始送样，性能较DDR4提高85%以上；三星则于2020年2月份宣布成功研发出DDR5芯片。
 
近期，根据外媒 TechPowerUp 的消息，十铨成功开发了 DDR5 SO-DIMM 内存，并有望成为第一个参加英特尔和等平台验证测试的公司。
 
另外，国产内存厂商嘉合劲威正在积极布局导入DDR5内存新技术，2021年将在深圳坪山率先量产DDR5。目前，嘉合劲威正在积极与芯片厂商沟通，导入和研发新一代的DDR5内存技术，同时筹备配置DDR5生产线，有望在2021年第二季度推出单条16GB容量的DDR5内存条。
 
除了大厂加快DDR5的布局外，LPDDR5已开始应用在高端旗舰机上，比如红米K30 Pro5G、iQOO3、一加 8Pro、中兴 AXON 10s Pro等。
 
DDR5成品的推出离不开相关的供应链厂商的支持，比如新思科技（Synopsys），瑞萨（Renesas），澜起科技（Montage Technology），Rambus等厂商提供的相关产品和解决方案。目前这些厂商都已开始推出相关产品和解决方案。
 

 
Synopsys在2018年就推出了DDR5和LPDDR5 IP方案，据其官网信息显示，采用DesignWare LPDDR5 IP之后，客户可以节省大量的面积和功率，比以前的版本减少多达40％的面积。DesignWare DDR5 IP为分立器件和双列直插式内存模块（DIMM）提供了单通道和双通道方式，从而为人工智能和数据中心SoC带来了速度最快的DDR存储器接口解决方案。
 

 
Synopsys公司提供了完整的DDR5和LPDDR5 IP解决方案，其中包括控制器、PHY和验证IP。PHY和控制器通过最新的DFI 5.0接口无缝地进行互操作。通过PHY中的嵌入式校准处理器进行的基于固件的训练优化了启动时内存训练，可以实现最高程度的数据可靠性和系统级别的余量。它还能够快速更新训练算法，而无需更改硬件。
 
在2019年，Synopsys又为DDR5/4非易失性双列直插式内存模块(NVDIMM-P)，推出业内首个验证 IP (VIP)。
 
澜起科技是国内打入DRAM核心生态圈的唯一厂商，是全球可提供从DDR2到DDR4内存全缓冲/半缓冲完整解决方案的主要供应商之一。
 
据悉，2020年底，澜起科技已经完成了DDR5第一子代的研发，目前在做优化和测试。在DDR5生态链重，澜起科技可以提供RCD、DB、SPD、PMIC和Tempsensor等产品。
 
根据JEDEC定义，在DDR5时代，SPD将会成为内存模组的标配，不仅在服务器，在PC、笔记本电脑都需要至少一颗。按照内存模组的历史经验，在DDR4时代，都是服务器先上量，然后笔记本电脑才会跟上，因为服务器比较高端，对成本不敏感、对性能追求高，随着成本的控制才会向PC、笔记本电脑传导。
 
据业内人士估计，现在全球服务器一年出货量大约1200万台对应的内存模组大概在1.21亿根左右；PC大约3亿台左右，大部分PC都是一根内存条就够了，极少数高端的可能需要多一点，假设每一个PC只有1根内存条意味着至少3亿根内存条。所以一旦DDR5时代到来，经过2-3年渗透DDR5成为主流，1.21+3亿=4.21亿根内存模组都要SPD，在服务器价值量ASP在1美元以上，PC的ASP至少0.4-0.5美元，这意味着SPD的市场空间有2.5~3亿美元。
 
据业内人士介绍，在服务器内存中，至少需要1颗tempsensor，但tempsensor与PMIC、SPD不一样。SPD是要也仅要一颗；tempsensor根据每个内存模组厂商自己的需求来设计，可以有多种组合，比如（1）中间有1颗且这颗可与SPD封装在1颗芯片里；（2）在两边各有一颗（3）中间1颗，旁边两颗，共三颗。
 
需要指出的是，澜起科技在DDR5时代会同时推出Tempsensor、SPD、PMIC、RCD、DB等芯片产品。其中SPD方面澜起科技与IDT各占50%市场份额，PMIC除了澜起科技和IDC外，还有传统的竞争者，不过内存模组的PMIC应该还有很多Know-how在里面，澜起科技和IDT会更有优势。
 
在DDR5时代，PMIC、SPD在PC时代也要用，而RCD、DB短期不会在PC上，这是由于服务器内存模组容量比较大，不过高端PC可能会用到RCD/DB芯片。
 
结语
可以预见的是2021年将会有更多的的DDR5产品推出，只是要全面普及，全面替代DDR4可能还需要一段时间，但不管怎样，产业链已经做好准备，在需求发展的大趋势下，只等CPU的到来了。