公元2020年2月13日小米10系列手機的發(fā)布把一個詞帶火了：LPDDR5。

IT之家在小米10系列手機發(fā)布后，第一時間為大家送上了小米10 Pro手機的評測。不過在評測中，關(guān)于LPDDR5的內(nèi)容我們還沒有展開去說。

今天，汐元不妨就和大家說一說LPDDR以及背后DRAM內(nèi)存江湖的那些事。

本文計劃分為上、下兩篇。第一篇和大家聊一些DRAM的基礎(chǔ)科普，第二篇重點談一談DRAM存儲國產(chǎn)化的過去和現(xiàn)在。

一、你要先了解什么是DRAM

首先我們需要搞清楚內(nèi)存大概有哪些種類。

在IT之家《內(nèi)存標(biāo)簽上這串?dāng)?shù)字，暗藏了內(nèi)存工作的“秘密”》這篇文章里，我們知道了，內(nèi)存就是CPU工廠和硬盤數(shù)據(jù)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹芭R時倉庫”。而經(jīng)過這些年的發(fā)展，內(nèi)存的分類大概是這樣的：

可以看到，LPDDR內(nèi)存就是SDRAM的一種，或者說就是DDR的低功耗版。所以要弄清楚LPDDR，我們需要先了解什么是DDR。

DDR嚴(yán)格的全稱是DDR SDRAM，所以很顯然，它也是SDRAM的一種。

那么SDRAM是什么？這就要從DRAM說起了（手動捂臉）。

DRAM，通俗地說，其實就是內(nèi)存存儲數(shù)據(jù)的一種方式，它通過給電容充電，然后計算電容里面的電位差，轉(zhuǎn)換成1、0、1、0、1、0……這樣的二進制信號。

這些二進制信號，也就是數(shù)據(jù)的本質(zhì)形態(tài)。

實際運作的時候，電容在充滿電的時候可能會出現(xiàn)漏電等情況，所以充滿之后需要放電，用的時候再充滿電，持續(xù)進行這種充電、放電的動作，是動態(tài)的。

DRAM的“D”就是Dynamic（動態(tài)）的意思。

SDRAM又是什么呢？我們知道，CPU的工作頻率通常都是以GHz為單位的，而內(nèi)存的工作頻率是主要還是MHz的水平。也就是說，CPU的工作頻率遠(yuǎn)高于內(nèi)存。

頻率差別大，CPU和內(nèi)存怎么協(xié)調(diào)工作呢？這就是SDRAM存在的意義。它的意思就是在CPU和內(nèi)存之間形成一個同步的機制，保證在指定的時間周期里，CPU一定能夠從內(nèi)存拿到數(shù)據(jù)，不需要等待，也提高了存儲速度。

SDRAM的“S”就是同步（synchronous）的意思。

到底怎么同步呢？不妨簡單說明一下。還是要聯(lián)系IT之家之前《內(nèi)存標(biāo)簽上這串?dāng)?shù)字，暗藏了內(nèi)存工作的“秘密”》這篇文章。

當(dāng)時我們說，內(nèi)存顆粒中數(shù)據(jù)是以Bank的方式存在的，Bank就像庫房里的儲物架。

以前DRAM時代一個庫房里只有一個儲物架，CPU來要數(shù)據(jù)的時候，如果這個儲物架在忙，CPU就得等待。

SDRAM里，儲物架變成了兩個或者兩個以上，這樣，CPU來要數(shù)據(jù)的時候，如果一個儲物架在忙，另一個儲物架就可以站出來給CPU調(diào)配物資。

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”，也就是雙倍速率。

從上面這張圖可以看到，之前SDRAM在一個時鐘周期里只做一次數(shù)據(jù)存取，而DDR在一個時鐘周期里可以做兩次數(shù)據(jù)存取，分別是在上升沿和下降沿，這樣也就實現(xiàn)了兩倍速率。

這就是DDR。

基于這些，LPDDR也就很容易理解了。

二、LPDDR的演進之路

LPDDR的全稱是Low Power Double Data Rate SDRAM，又稱為mDDR（Mobile DDR SDRAM）,是美國JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會面向低功耗內(nèi)存而制定的標(biāo)準(zhǔn)。

LPDDR以低功耗和小體積著稱，專門用于移動式電子產(chǎn)品。

除了低功耗，LPDDR的發(fā)展過程也是不斷吸納新技術(shù)和新特性的過程。

第一代LPDDR和DDR沒有太多不同。第二代LPDDR標(biāo)準(zhǔn)在2010年發(fā)布，相比第一代LPDDR更節(jié)能，同時引入了閃存和SDRAM共用接口的設(shè)計，好處是降低了控制器的引腳數(shù)。

另外，LPDDR2還提高了支持的內(nèi)存容量以及其他性能的提升，例如額定頻率為100—533MHz，數(shù)據(jù)位寬為x8、x16和x32，有2bit和4bit兩種。

采用LPDDR2內(nèi)存的手機，IT之家的老讀者們可能還有印象，例如三星Galaxy S2、iPhone 5等。

▲三星Galaxy S2，圖自：wikimedia

LPDDR3標(biāo)準(zhǔn)在2013年發(fā)布。它引入了一些新技術(shù)。

第一種叫做寫入均衡與指令地址調(diào)用，這個技術(shù)主要是保證內(nèi)存高速運行的同時，還能維持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定不出錯。

第二種叫做片內(nèi)終結(jié)器（ODT）技術(shù)，這是個可選技術(shù)，可以在提高內(nèi)存信號穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上 節(jié)省不少電器元件。

另外，LPDDR3的整體性能相比LPDDR2也有飛躍，額定頻率可以達(dá)到667-800MHz。不過功耗控制方面表現(xiàn)不太出色。

采用LPDDR3內(nèi)存的典型機型包括小米手機3、三星Galaxy Note 4、iPhone 6等。

▲小米手機3，圖自：wikimedia

LPDDR4標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布于2014年，它有兩個主要特性：兩倍數(shù)據(jù)速率和低功耗。

在LPDDR4上，芯片設(shè)計方式已經(jīng)由之前的單通道演進為雙通道，在電路上也優(yōu)化了數(shù)據(jù)（DQ）信號和地址（CA）信號的位置，讓走線長度變短，縮短了數(shù)據(jù)信號的傳送距離，從而減小時延?？傊褪亲寯?shù)據(jù)傳輸速率更快。

速率大漲后，需要進一步控制功耗。LPDDR4還采用了一種叫LVSTL的低功耗接口設(shè)計技術(shù)。這個技術(shù)具體也比較專業(yè)，不需要大家理解，它就是可以讓電壓擺動的幅度可控制，并且在理想狀態(tài)下不需要直流電平，從而進一步控制功耗。LPDDR4的數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到LPDDR3的2倍，功耗卻只有它的一半。

采用LPDDR4內(nèi)存的手機如三星Galaxy Note 5、iPhone 6s、華為P9系列等。

▲iPhone 6s，圖自：Pexels

2016年公布的LPDDR4X可以看做是LPDDR4的一個省電優(yōu)化版本。這也是LPDDR5之前那段時間主流中高端手機上采用的內(nèi)存，例如魅藍(lán)X、三星Galaxy Note9、小米6、iPhone XS等等。

▲iPhone XS

最后來說小米10手機采用的LPDDR5的內(nèi)存。LPDDR5內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)是JEDEC在2019年2月份確定的。

關(guān)于LPDDR5內(nèi)存的優(yōu)勢，其實小米一眾高管在預(yù)熱小米10的時候已經(jīng)不遺余力地給大家科普過了，IT之家當(dāng)時也進行了密切報道。

這里汐元簡單總結(jié)一下即可。

相比LPDDR4X，LPDDR5的關(guān)鍵在于重新設(shè)計了架構(gòu)，采用16Banks可編程和多時鐘架構(gòu)。

16Banks的架構(gòu)，也就是小米宣傳的“Bank Group架構(gòu)”，可以讓器件內(nèi)部增加更多的并行數(shù)據(jù)通路，增加了數(shù)據(jù)帶寬，提升了性能。

多時鐘架構(gòu)的意思是，LPDDR5可以根據(jù)工作頻率動態(tài)調(diào)節(jié)工作電壓。LPDDR4X在高速工作時需要一直保持高時鐘頻率，而LPDDR5平時時鐘頻率可以控制在800MHz，在數(shù)據(jù)有讀寫操作時，會沖到最大工作頻率，當(dāng)讀/寫工作停止時，則會回落，從而降低功耗。

另外，LPDDR5還引入了Data-Copy和Write-X兩個新的指令。

其中，Data-Copy指令的意思是，LPDDR5可以將單個I/O引腳上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)復(fù)制到其他I/O引腳，提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

而Write-X指令可將全1或全0信號寫入到特定地址，不用將數(shù)據(jù)從SoC發(fā)送到LPDDR5內(nèi)存上，從而可以降低整個系統(tǒng)的功耗水平。

其實就是六字真言：提速率，降功耗。

最后，汐元整理了LPDDR從第一代到第五代的演進路線，并通過一張表格的形式呈現(xiàn)給大家：

從表中的數(shù)據(jù)，結(jié)合前面的介紹，看得出LPDDR5相比LPDDR4X，無論在性能還是功耗上，確實會有明顯更好的表現(xiàn)，對于它在更多智能手機上的普及，以及在5G時代的表現(xiàn)，值得期待。

講到這里，上篇也就差不多了。汐元在介紹的時候希望盡可能在“通俗”和“專業(yè)”之間做一個平衡，也許上述介紹有不那么精準(zhǔn)之處，或者不易懂之處，歡迎大家在IT之家的評論區(qū)指出。

下一篇汐元將從DRAM產(chǎn)業(yè)層面介紹一下中國內(nèi)存產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情況，敬請期待。

推薦閱讀：

《LPDDR5 風(fēng)起于小米10，浪激在中國半導(dǎo)體之內(nèi)存江湖（下）》

參考

• CSDN，2018-04-10，《SDRAM詳細(xì)介紹》。

• 纖維球分期のINS凌沂（B站），2020-02-10，《簡單了解·LPDDR的認(rèn)知與回顧》。

• 花粉俱樂部，2016-04-18 ，《LPDDR4對比LPDDR3！新技術(shù)到底發(fā)生了什么樣的驚天改變？》。

• Proladon，2018-06-22，《RAM記憶體篇》。

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