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LPDDR5究竟有多强:帮助消除5G数据瓶颈和实现智能驾驶

2021-04-16 01:39 出处: 人气: 评论(0

2020年2月,内存大厂美光率先宣布量产LPDDR5 DRAM芯片,并同时宣布首发于小米10智能手机。据小米官方数据,由于采用LPDDR5高性能内存,小米10手机在5G云游戏、AI运算等场景方面可以有效降低云游戏延迟、确保AI运算数据实时同步。在游戏(王者荣耀)场景中,采用LPDDR5可以省电约20%,在微信语音和视频场景应用中,可省电约10%。

本文引用地址:202104/424398

美光宣称,其LPDDR5内存能使5G智能手机以高达6.4Gbps的传输速度处理数据,对消除5G数据瓶颈将起到关键作用。同时,也可以满足自动驾驶汽车中对大带宽内存及实时数据处理等高性能计算的需求。

另一家存储大厂三星也宣布已量产LPDDR5内存,该16Gb LPDDR5内存基于三星第三代10nm级(1z)工艺打造,是首款采用EUV技术量产的内存,也是迄今移动DRAM产品中速度最高、容量最大的产品。

(注:1Z纳米技术并不是工艺的极限,在1Z纳米之后,还会有1α、1β、1γ等10纳米级制造的工艺。那么,1Y、1Z是什么意思呢?首先,20纳米相当于一根头发丝直径的三千分之一。在内存工艺进入20nm之后,由于制造难度越来越高,内存芯片公司对工艺的定义已经不是具体的线宽,而是分成了1X、1Y、1Z,1X工艺相当于16~19纳米、1Y相当于14~16纳米,1Z相当于12~14纳米的级别。)

另外,由于采用了三星的先进1z工艺制造,LPDDR5在尺寸上比上一代产品薄了30%,更能适应智能手机对多功能小体积的苛刻要求。三星介绍,只需8颗16Gb LPDDR5芯片就能构建16GB封装,而基于上一代1y工艺制造的产品则需要12颗芯片(8颗12Gb芯片和4颗8Gb芯片)才能提供同样的容量。

从公布的参数来看,三星后来居上,新量产的LPDDR5内存产品要比美光的产品略胜一筹,由于采用了更先进的工艺,在性能和容量上都有了进一步提升。

LPDDR5是什么?

LPDDR全称Low Power Double Data Rate,是美国JEDEC固态技术协会面向低功耗内存而制定的通信标准,以低功耗和小体积著称,专门用于移动式电子产品。简称“低功耗内存”,而LPDDR5就是最新的标准。

2019年2月,JEDEC正式发布了LPDDR5全新低功耗内存标准。相较于2014年发布的上一代LPDDR4标准,LPDDR5的I/O速度从3200 MT/s提升到6400 MT/s(DRAM速度6400Mbps),直接翻番。

内存产品总是滞后于内存标准的发布,但在智能手机对速度和功耗的无限追求下,LPDDR5内存很快也就面世了。

LPDDR的发展旅程

· LPDDR2:第二代低功耗内存技术LPDDR2的标准规范于2010年12月由JEDEC固态技术协会正式发布。

· LPDDR3:第三代低功耗内存技术LPDDR3的标准规范于2012年5月由JEDEC固态技术协会正式发布。LPDDR3重点加入了新技术 —— Write-Leveling and CA Training(写入均衡与指令地址调驯)和On Die Termination(片内终结器/ODT)。

· LPDDR4:由于输入/输出接口数据传输速度最高可达3200Mbps,是通常使用的DDR3 DRAM的两倍,新推出的8Gb LPDDR4内存可以支持超高清影像的拍摄和播放,并能持续拍摄2000万像素的高清照片。与LPDDR3内存芯片相比,LPDDR4的运行电压降为1.1伏,堪称适用于大屏幕智能手机和平板电脑、高性能网络系统的最低功耗存储解决方案。

LPDDR5的三大优势

简单点来说,LPDDR5有三大优势,分别是多车道Bank Group架构、速率跨越式升级最多可达50%性能提升、超低功耗。

LPDDR4X仅支持Single Bank Group,而LPDDR5支持多Bank Group模式,这里可以理解为数据传输从单车道变成了多车道,进一步提升了传输数据带宽。得益于多Bank Group模式,相比LPDDR4X,LPDDR5的数据传输速率从4266MT/s提升至5500MT/s,传输带宽从34GB/s提升到了44GB/s。

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。

另外,相比LPDDR4x器件在高速工作时需要一直保持2133MHz时钟频率,而LPDDR5的时钟频率仅为800MHz,无疑大大降低功耗,同时在读/写工作停止时,还会进一步降低功耗。

LPDDR5的应用场景

· 真正的多任务处理:在2019年“世界移动通信大会”(MWC)上已经推出可折叠屏的手机。1个手机屏幕可以同时运行2个App,而且可以在这2个App之间非常自由地进行复制、粘贴,就像现在人们在PC端做的那样。这种多任务处理会要求更高性能的内存,这样才能使终端用户能够像操作电脑一样去操作手机。因此,现在有一些旗舰的智能手机内存已经从8GB转到12GB,甚至转到16GB。

· 沉浸式体验:更高的性能和更低时延的5G环境也使消费者能够同时使用更多的媒介,他们可以快速地下载高清视频,并进行流媒体播放,实现360°的视觉体验。由于LPDDR5的时延非常低,所以终端用户在看虚拟现实(VR)的时候就像是看到现实一样。VR的一个场景是球迷可以从体育场的各个角度去身临其境观看足球赛,而他本人不用离开他的客厅。

· 游戏操控:5G的低时延和毫米波技术也能够极大推动游戏操控,游戏玩家可以把自己的手机当成一个操作的枢纽,直接投屏到电视上实现无缝的体验,所以为了满足游戏玩家的预期,就必须要采用LPDDR5的技术。

但是更重要的应用是今后将出现的新应用。硬件平台再加上5G能够为企业和终端消费者带来真正的创新。

LPDDR5成为5G手机标配

随着我们的手机慢慢都支持5G信号,2020年可以说是5G手机真正成为主流的第一年。手机的内存随着移动网络的代际升级而演进,为什么手机机纷纷开始使用LPDDR5内存,其实也是为了迎合5G的市场趋势。

关于内存容量趋势,由于5G是一项创新转型的真正技术,所以手机制造商要确保自己的硬件能够支持今后一系列的创新,没有人会愿意自己的手机在内存技术方面落后于整体的大趋势。

LPDDR5去年已经顺利实现商用,并成为5G旗舰手机标配。现在大多数的主流旗舰机很多都使用了LPDDR5,它可以实现的当今非常先进的手机应用,这些应用往往要求非常高的带宽。例如现在如果是用LPDDR4的旗舰手机,里面的高像素摄像头需要好几秒的时间才能够完成处理并存储,而如果用LPDDR5,会是一个无缝的过程。如果同时运行多个App,例如要捕捉视频,还要打AI游戏,同时要进行屏幕分享,在使用LPDDR4时很容易出现瓶颈,但是对于LPDDR5是绰绰有余。

除了手机外,LPDDR5的其他应用机会。例如物联网对于低功耗也有非常高的要求,另外还有平板、个人电脑,尤其是紧凑型的平板和电脑对于速度和功耗也有非常高的要求。

其中还有一个重要领域就是汽车,现在在自动驾驶汽车的发展过程当中看到越来越多LPDDR3和LPDDR4的使用。随着汽车越来越自动化,而且汽车的功能越来越AI化,未来汽车领域也会有越来越多LPDDR5应用。

因为真正自动智能驾驶,需要汽车通过各种传感器几乎是“实时的”计算数据,分析路况,然后马上操控汽车做对应的动作。如果没有LPDDR5这样的高速内存支持,在计算中突然“卡了”,那真就是秒秒钟造成不可挽回的后果。

LPDDR5将车用市场大展身手

随着智能驾驶技术的发展,Gartner预测到2024年汽车内存市场将增长到63亿美元,比2020年的24亿美元增长一倍以上。届时,采用ADAS系统的智能汽车需要运行超过1亿行代码,并需要数百条代码每秒万亿次操作,可与数据中心计算媲美。LPDDR5通过提高50%的数据访问速度和20%以上的电源效率来满足这些要求。

虽然DDR5因其增加的内存、处理可靠性和性能而受到欢迎,但有一个经常被忽视的特性是它的安全性能 —— 尤其是在汽车应用程序中。通常,我们只听到有关DDR5在移动设备和CPU中使用的传言,但DDR5的功能足够多,也可以在汽车应用程序中操作。将DDR5引入汽车系统,在提高安全力的同时,提高了内存、处理、可靠性和性能。  

美光已经开始推动LPDDR5进入车用市场,宣布首款车用LPDDR5存储器已开始送样,该方案根据基于国际化标准ISO 26262(汽车系统电气部件的国际安全标准)设计,符合汽车安全完整性水平ASIL D。

(注:ASIL是ISO 26262定义的风险分类。ASIL将安全级别分为:① ASIL B(刹车灯、后视摄像头、前照灯);② ASIL C(主动悬架,雷达巡航控制);③ ASIL D(防抱死制动、电动助力转向、安全气囊、发动机管理)。)

此前,特斯拉宣布召回部分Model X和S车型,原因是其微控制器中的8GB嵌入式多媒体卡(eMMC)存在问题。eMMC上累积的磨损会损害主显示屏、车辆警报信号、存储设备和检查摄像头,所有这些损失加起来会耗尽内存安全操作的可靠性。这起事件表明,安全是汽车数据处理系统和内存的重要组成部分。

安全汽车存储器的一个重要考虑因素是纠错码(ECC)。简单说一下什么叫ECC。ECC即内存纠错,简单的说,其具有发现错误、纠正错误的功能,一般多应用在台式电脑/服务器及图形工作站上,这将使整个电脑系统在工作时更趋于安全稳定。

对于车用内存而言,这是一种关键的汽车协议,能够自我检测和检索通过嵌入式硬件传输的数据错误。SK海力士表示ECC是汽车存储器中的一个关键因素,因为它可以防止系统故障,同时提供流畅的自主驾驶体验。

LPDDR4能够传输128位的数据阵列,其中8位用于ECC检索。相比之下,LPDDR5预计将有一个16GB DRAM来支持5.2GB/S的数据传输速率,这将比它的前任快近60%。

虽然这种级别的安全性和速度是内存设备的一大特性,但设计者应该考虑DDR5的其他设计特性。例如,DDR5具有较低的工作电压VDD,这意味着噪声抗扰度的裕度较小。除此之外,由于DDR5嵌入式集成电路中存在独立的电源管理,设计师在复杂的汽车设计方面将具有更大的灵活性。

在高度垄断的DRAM市场上,三星、美光、SK海力士在LPDDR5领域互相竞逐。但车规级的DRAM才刚刚兴起,对于自动驾驶,安全是所有车辆的首要任务,尤其是那些配备自动系统的车辆。随着DDR5进入汽车市场,各种传感器、控制器、开关和门将蓬勃发展,因为它们同时以比以前更快、更安全的速度操作和传输数据。

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