一文了解LPDDR5X的核心需求和设计

1-LPDDR是什么？及LPDDR的演进

LPDDR推出的背景

当新的软件系统和应用程序变得足够大时，它们需要创造出针对其特定需求定制的新内存技术。

・例如，用于图形的 GDDR，用于人工智能 / 机器学习应用的 HBM。

・低功耗双倍数据速率（LPDDR）作为一种专门为移动设备（如智能手机和平板电脑）设计的内存出现。

・LPDDR 的发展主要是由移动设备对更高性能和更低功耗的需求所驱动。

・每一代新的 LPDDR 都提供了移动用户体验从社交媒体和游戏到 4K 乃至现在的 8K 视频的重大转变所需的性能。

LPDDR（Low Power Double Data Rate SDRAM），即低功耗双倍速率动态随机存取存储器，属于 DDR SDRAM 的一种类型。它是由 JEDEC 固态技术协会专门针对低功耗内存所制定的通信标准，以低功耗特性著称，主要面向移动端电子产品。与 DDR 相比，LPDDR 最为显著的特点便是功耗更低。

LPDDR 可分为 MDDR、LPDDR2、LPDDR3、LPDDR4、LPDDR4X、LPDDR5 和 LPDDR5X 等不同类型。与 DDR 类似，其数据处理速度和节能性会随着代数的增加而逐步提高。 LPDDR2： 2010 年 12 月，JEDEC 固态技术协会正式发布了第二代低功耗内存技术 LPDDR2 的标准规范。该标准规范旨在为移动产品实现更高的内存性能、更低的功耗以及与 SDRAMNVM 接口的兼容性。其接口电压为 1.2V，工作频率范围在 100MHz 至 533MHz 之间。 LPDDR3： 2012 年 5 月，JEDEC 固态技术协会正式发布了第三代低功耗内存技术 LPDDR3 的标准规范。 LPDDR3 的标准规范能够提供更高的数据速率、改进的带宽和电源效率，以及更高的内存密度。LPDDR3 支持 PoP 堆叠封装和独立封装，以满足不同类型移动设备的需求。 LPDDR3 重点引入了多项新技术并增加了新功能，实现了 1600Mbps 的数据速率，其中包括 Write-Leveling and CA Training（写入均衡与指令地址调驯）、On Die Termination（片内终结器/ODT）和 Low I/O capacitance。 Write-Leveling and CA Training（写入均衡与指令地址调驯）：可使内存控制器补偿信号偏差，确保内存在以业内最快输入总线速度运行的同时，维持数据输入设定、指令与地址输入时序均满足要求。 On Die Termination（片内终结器/ODT）：属于可选技术，为 LPDDR3 数据平面增加一个轻量级终结器，以改进高速信号传输，并尽可能降低对功耗、系统操作和针脚计数的影响。 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。8Gb LPDDR4 内存能够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。以 2GB 内存封装为例，基于 8Gb LPDDR4 芯片的 2GB 内存封装相较于基于 4Gb LPDDR3 芯片的 2GB 内存封装，因运行电压的降低和处理速度的提升，最大可节省 40%的耗电量。若输入/输出信号传输采用低电压摆幅终端逻辑（LVSTL, Low Voltage Swing Terminated Logic），不仅能进一步降低 LPDDR4 芯片的耗电量，还能使芯片在低电压下进行高频率运转，实现电源使用效率的最优化。 LPDDR4X： LPDDR4X 并非 LPDDR4 的下一代版本内存，可将其看作是 LPDDR4 的省电优化版本。与 LPDDR4 相比，LPDDR4X 优化了内存的功耗，将 I/O 电压降低了 50%（从 1.12V 降至 0.61V），同时提高了内存速度。在大容量的加持下，其在存储速度上更具优势，在运行超大游戏或是录制 4K 视频时作用非常明显，具有功耗更低、运行更快且更省电的特点。

The LPDDR Journey up to LPDDR4/4x

2-LPDDR5/5X的介绍

2019年2月20日，JEDEC(固态存储协会)正式发布了JESD209-5，即Low Power Double Data Rate 5 (LPDDR5)全新低功耗内存标准。

相较于2014年发布的第一代LPDDR4标准，LPDDR5的I/O速度从3200Mbps翻番提升到6400Mbps，与LPDDR4X的4266Mbps相比也快了近30%。

如果匹配高端智能机常见的64bit bus，每秒可以传送51.2GB数据;要是PC的128bit BUS，每秒破100GB无压力。

固态协会认为，LPDDR5有望对下一代便携电子设备(手机、平板)的性能产生巨大提升，为了实现这一改进，标准对LPDDR5体系结构进行了重新设计，转向最高16 Banks可编程和多时钟体系结构。

优质低功耗 DRAM LPDDR5X 拥有比上一代快 1.3 倍的速度和高出 20% 的效能，它正超越移动领域，引领低功耗 DRAM 开拓远景市场以全新方式为高性能 PC、服务器和车辆赋能。

优质节能

三星LPDDR5X依托先进的 14 纳米工艺技术和创新的电路设计，让这款功能强大的存储器成为现实。LPDDR5X 以动态电压和频率缩放 (DVFS)* 技术加持，在性能突飞猛进的同时，耗电量也降低了近 20%。让智能手机、笔记本电脑等移动设备获得更长的续航时间，降低了数据中心服务器的总体拥有成本 (CTO)，并减少了整个生命周期的碳排放。

*DVFS 是指对计算设备处理器、控制器芯片和外围设备的电压设置进行调整，以优化任务的资源分配，在不需要相关资源时尽量节省电力。

LPDDR5X 拥有 64GB 惊人容量，不仅能为智能手机和笔记本电脑提供高性能存储器，还可助力高速运转的 PC 和要求极为苛刻的服务器。

此外，LPDDR5X 存储器已通过 AEC-Q100* 认证，它在各种环境下均性能稳定，即便面对极端温度也是如此，使其成为高应力汽车环境下较为理想的存储器解决方案。

LPDDR5X: Delivering High Bandwidth and Power Efficiency

LPDDR5/5X: Key Features

• Fifth-generation LPDDR is focused on improving performance, power and flexibility

• LPDDR5 can be combined with an optional extension, LPDDR5X

• LPDDR5/LPDDR5X taken together offer data rates up to 8.533 Gb/s, significantly boosting speed and performance (up from 4.266 Gbps in Gen 4)

• Given the space considerations of mobile combined with greater memory needs for advanced applications, LPDDR5X can achieve capacities of up to 64GB by using multiple DRAM in a multi-die package

Where is LPDDR5/5X Used?

With low power consumption and high bandwidth capabilities, LPDDR5X is a great choice of memory for applications where power efficiency and compact form factor are crucial considerations

LPDDR5 Controller Features

• Supports all standard LPDDR5/5x features

• All speed grades up to 8.5 Gbps/pin

• All densities up to and including 32 Gb/channel

• All bank and per bank refresh and Refresh Management support

• Power-Down mode supported

• Supports x16 or x8 modes

• Controller available in two different configurations

• Dual-controller configuration; Single-controller configuration

• Full-rate operation: 1066 MHz Memory controller clock for 8.5 Gbps/pin operation

• Multi-channel operation supported with multiple controller instances

• Utilize bank management, look-ahead and reordering to maximize performance

• Full featured memory test support

• In-Line ECC and ECC scrubber supported

• Optional Add-On Cores: AXI, Multi-Port, In-Line ECC, Memory Test (offers comprehensive Memory Subsystem test support), etc.

Summary

• The evolution of LPDDR has been driven primarily by the need for higher performance and lower power consumption in mobile devices

• With low power consumption and high bandwidth capabilities, the memory technology is no longer only for mobiles!

• LPDDR5/5X is a great choice of memory for applications where power efficiency and compact form factor are crucial considerations

审核编辑 黄宇