DDR、LPDDR(LPDDRX)和GDDR都是由JEDEC(固態(tài)技術(shù)協(xié)會)定義的應(yīng)用廣泛的DRAM標(biāo)準(zhǔn),用于不同設(shè)備和使用場景(圖1)。
DDR內(nèi)存
其中,DDR(DDRSDR AM)屬于內(nèi)存的標(biāo)準(zhǔn)形態(tài),主要用于電腦,通過DIMM(筆記本為SO-DIMM)插槽與主板連接(圖2)。目前,電腦領(lǐng)域正處于DDR4全面向D D R 5內(nèi)存轉(zhuǎn)型的初期階段。
LPDDR內(nèi)存
顧名思義,LPDDR(Low PowerDDR SDRAM)屬于低功耗版的DDR,在業(yè)內(nèi)還常被稱為m DDR(MobileDDR SDR AM),擁有比同代DDR內(nèi)存更低的功耗和更小的體積。它常被用于輕薄本(圖3)、智能電視、智能手機(jī)(圖4)以及車載領(lǐng)域。目前筆記本領(lǐng)域還是以LPDDR4X為主,手機(jī)則是LPDDR4X(中低端手機(jī))和LPDDR5(高端手機(jī))混搭。
GDDR顯存
GDDR在DDR的基礎(chǔ)上多了G(Graphics)的前綴,面向需要極高吞吐量的數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用程序,與我們最常接觸的就是獨(dú)立顯卡專用的“顯存”(圖6)。與DDR相比,GDDR擁有更高的時(shí)鐘頻率和更小的發(fā)熱量。目前,低端獨(dú)顯還在搭配GDDR5顯存,而中高端獨(dú)顯則已經(jīng)全面過渡到了GDDR6和GDDR6X。
需要注意的是,別看GDDR已經(jīng)迭代到了第六代,但無論第五代的GDDR5還是GDDR6其實(shí)都是在D D R 4 的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)的,在數(shù)據(jù)位寬等最影響顯卡性能表現(xiàn)的參數(shù)方面擁有遠(yuǎn)超同期DDR表現(xiàn)。如今DDR與GDDR已經(jīng)由類似從屬的關(guān)系,開始演變成兩套相對獨(dú)立的規(guī)范體系,分別根據(jù)自己的應(yīng)用場景需求向前發(fā)展。
早期的LPDDR內(nèi)存都是在DDR內(nèi)存的基礎(chǔ)上演化而來,但從LPDDR4開始,它與DDR4之間的差異就被進(jìn)一步拉大。LPDDR4通過2個(gè)16位通道組成32位總線,而DDR4則原生具備64位通道;LPDDR4的Prefetch預(yù)讀取位數(shù)為16bit,而DDR4只有8bit。在實(shí)際運(yùn)算過程中,DDR4的性能利用率會更高,但LPDDR4卻可以用更低的功耗來獲取更高的理論性能。
LPDDR內(nèi)存之所以耗電量比標(biāo)準(zhǔn)的DDR低,還因?yàn)樗鼈兊男酒庋b尺寸更小,而且能以較少的內(nèi)存顆粒數(shù)量就組合出更高的內(nèi)存容量,再疊加較短的內(nèi)部連接電路,先天的省電優(yōu)勢自然更加適用于移動(dòng)應(yīng)用環(huán)境。
從LPDDR4時(shí)代開始,還衍生出了LPDDR4X標(biāo)準(zhǔn),它們都被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)行各種電子設(shè)備裝置,但是由于它們的名稱幾乎一模一樣而容易導(dǎo)致混淆。簡單來說,LPDDR4X并不是LPDDR4的下一代,我們可以將它視為LPDDR4X的進(jìn)一步省電優(yōu)化版本(圖7)。兩者的特性幾乎相同,但LPDDR4X的VDDQ電壓僅有0.6V,相比LPDDR4內(nèi)存的VDDQ電壓1.1V,下降了幾乎一半,因此耗電量更小,更加適合智能手機(jī)和平板電腦這種需要更少耗電的移動(dòng)設(shè)備。
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在2021年以前的PC領(lǐng)域,LPDDR4X內(nèi)存是所有核顯筆記本的“最強(qiáng)搭檔”,因?yàn)長PDDR4X內(nèi)存架構(gòu)采用雙通道模式運(yùn)作,提供了更短的資料傳輸距離,更降低了資料傳輸延遲與功耗,運(yùn)行頻率最高可達(dá)4267MHz,遠(yuǎn)超DDR4的3200MHz,所以可以100%釋放核顯的全部性能(圖8)。在智能手機(jī)領(lǐng)域,LPDDR4X已經(jīng)是5G手機(jī)的標(biāo)配,以驍龍780G/778G和天璣900為代表的中端芯片甚至開始支持LPDDR5內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)(圖9)。
LPDDR5內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)在2019年2月公布,并于2020年隨驍龍865移動(dòng)平臺而正式量產(chǎn),兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)均早于適用PC平臺的DDR5內(nèi)存,讓智能手機(jī)體驗(yàn)了一把“首發(fā)”和“獨(dú)占”的感覺。實(shí)際上,上一代的LPDDR4(LPDDR4X)也是搶在DDR4之前登陸消費(fèi)者市場,可見智能手機(jī)的技術(shù)迭代速度在一定程度上已經(jīng)超過了PC。
由于DDR5內(nèi)存的Prefetch預(yù)讀取位數(shù)也升級到了16bit,所以它在幾乎所有性能指標(biāo)上都要優(yōu)于LPDDR5(圖10)。當(dāng)然,功耗除外,DDR5的VDDQ電壓依舊是1.1V,而LPDDR5的VDDQ電壓則進(jìn)一步下降到0.5V。
LPDDR5和LPDDR4X之別
和上代LPDDR4X相比,LPDDR5主要在3個(gè)方面進(jìn)行了升級。首先,LPDDR4X僅支持SingleBankGroup模式,而LPDDR5則支持多BankGroup模式,我們可以將其理解為數(shù)據(jù)傳輸從單車道變成了多車道,進(jìn)一步提升了傳輸數(shù)據(jù)帶寬;其次,LPDDR5的數(shù)據(jù)傳輸速率從4266MT/s先后提升至5500MT/s和6400MT/s(圖11),傳輸帶寬進(jìn)一步增加;最后,LPDDR5的VDDQ電壓比LPDDR4X低0.1V,它還引入了DVFSC和DVFSQ功能,可在低速工作時(shí)切換至更低的0.3V電壓,進(jìn)一步降低功耗。
問題來了,當(dāng)手機(jī)內(nèi)置了相同容量和速度的LPDDR5內(nèi)存芯片,它們之間的性能就一定相同嗎?
答案自然是否定的。
以三星為例,它旗下的LPDDR5內(nèi)存就包含2種工藝和3種容量的晶片版本,分別是D1y工藝的8Gb和12Gb,以及D1z工藝(采用極紫外EUV光刻技術(shù))的12Gb和16Gb,新工藝可使晶片尺寸較前一代縮小約18%,功耗也略有降低(圖12)。此外,上述內(nèi)存晶片的容量單位都是“Gb”,每顆8Gb、12G、16Gb晶片對應(yīng)的實(shí)際容量分別為1GB、1.5GB和2GB。
智能手機(jī)內(nèi)置的內(nèi)存芯片看似只有1顆,但它其實(shí)是由多顆晶片堆疊封裝而來。以16GB的LPDDR5內(nèi)存芯片為例,它既可以是由8顆D1y12Gb晶片和4顆D1y8Gb晶片封裝而成,也能直接由8顆D1z16Gb的晶片封裝,就性能表現(xiàn)顯然是后者更好,還能進(jìn)一步降低發(fā)熱、減少功耗以及對手機(jī)內(nèi)部空間的侵占。
LPDDR5X的變化
全新的LPDDR5X是JEDEC固態(tài)存儲協(xié)會在2021年7月底正式發(fā)布的內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn),由JEDEC的JC-42.6低功耗存儲器小組委員會開發(fā),這是對LPDDR5的可選擴(kuò)展,專注于提高性能、功耗和靈活性,旨在提高包括5G通信性能、汽車高分辨率增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)和使用AI的邊緣計(jì)算等應(yīng)用場景的內(nèi)存性能。和現(xiàn)有的滿血版LPDDR5-6400內(nèi)存相比,LPDDR5X有了以下3點(diǎn)改進(jìn):
1帶寬從6400MT/s增至8533MT/s;
2TX/RX均衡改善信號完整性;
3通過新的自適應(yīng)刷新管理提高可靠性。
LPDDR5X向下兼容LPDDR5,簡化了SoC和支持新型內(nèi)存平臺的開發(fā)周期,可在市場上共存和互補(bǔ)。需要注意的是,并不是所有的5GSoC都支持“滿血版”的LPDDR5X-8533內(nèi)存,比如聯(lián)發(fā)科天璣9000暫時(shí)就僅支持LPDDR5X-7500,但即便如此,其性能也要比滿血版的LPDDR5-6400速度提升17%,延遲降低15%(圖13)。
目前,三星和美光都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了LPDDR5X內(nèi)存的量產(chǎn)。其中,三星的LPDDR5X采用14nmDRAM工藝,單晶片容量可達(dá)16Gb,最高可以組成高達(dá)64GB容量的規(guī)格(圖14),官方稱其能耗較LPDDR5降低了20%左右,旨在推動(dòng)包括5G、AI、元宇宙在內(nèi)的高速數(shù)據(jù)服務(wù)應(yīng)用的進(jìn)一步增長。
美光則比三星還要更快一步,它是業(yè)內(nèi)首家送樣并驗(yàn)證該款業(yè)界最快、最先進(jìn)移動(dòng)內(nèi)存的半導(dǎo)體廠商,并已出貨首批基于1α節(jié)點(diǎn)的LPDDR5X樣片(7500MT/s版本),還在聯(lián)發(fā)科天璣9000平臺上完成了對美光LPDDR5XDRAM內(nèi)存的驗(yàn)證(圖15)。
至于三星和美光的LPDDR5X內(nèi)存誰更強(qiáng),這種全新的內(nèi)存顆粒可以幫下一代旗艦級手機(jī)提升多少性能,還是需要等實(shí)際產(chǎn)品量產(chǎn)上市后才能做出準(zhǔn)確判斷,一起期待吧。