美光科技在低电压VDD2H领域的创新

我们已经生活在一个由AI驱动的世界里——面部识别、实时翻译，以及无所不在的虚拟助手，都已不再是新奇事物，而是用户对产品习以为常的期待。AI正在改变我们的日常生活，尤其是在移动领域。人们对更高程度自动化的追求，在这一领域只会愈发强烈。到2028年，AI智能手机的出货量预计将达到9.12亿部1，而2023年这一数据仅为5,050万部，在此期间的复合年增长率 (CAGR) 达到78.4%2。到2028年，支持生成式AI的智能手机预计将占智能手机出货总量的54%以上，全球在用数量将超过10亿部。1

越来越多的消费者希望端侧设备更加自动化和智能化，这一需求推动了AI智能手机的采用，使端侧AI成为下一代移动体验的关键驱动因素。在端侧设备上本地运行AI，可减少对持续稳定互联网连接的需求，或者减少对云端等集中式服务器的依赖，从而缩短响应时间，并实现更安全的数据处理。然而，尽管人们对AI的期望越来越高，但目前的硬件功能难以跟上AI发展的步伐。

AI正在推动数据处理效率的提升

在以AI为核心的经济体中，数据是最基本的要素——每一项洞察、每一个预测、每一次决策，都源于对数据的处理。数据的质量、数量和可访问性，与功能强大的先进算法和大模型同样重要。

大语言模型 (LLM) 依赖于大量复杂的数据输入，需要大量的计算资源进行处理。直接在端侧设备上运行这些模型（称为“设备端AI”）需要能够处理密集型工作负载的高性能硬件。为满足用户对快速响应、无缝应用切换、更短加载时间和更长续航时间的期望，移动设备必须支持本地实时AI处理，而无需依赖云端。这种情况下，内存变得至关重要：内存是数据和计算之间的桥梁，只有借助高速内存，处理器才能立即访问和操作大型数据集。系统的响应能力，取决于内存的性能可否匹配处理器的处理能力。然而，AI处理和高分辨率视频捕获等任务需要消耗大量电量。每一项的性能提升都必须考虑相应的代价，在这一领域也不例外，更高水平的响应能力是以电池电量的快速消耗为代价的。因此，为了在提供AI所需速度的同时保持电池续航时间，节能型内存或者低功耗DRAM (LPDRAM)至关重要。

以较低电压实现高性能

在近几代LPDDR（低功耗双倍数据率）内存中，业界一直致力于突破电压调节的限制。由于功率是电压与电流的乘积，因此降低供电电压水平会直接减少功耗。在功耗较大的高速内存系统中，即使适度降低供电电压，也能节省大量能源。

作为新一代移动DRAM，LPDDR5X具有更高的带宽和电源效率，为降低供电电压，新规范将曾经整合为一体的VDD2轨重新设计为两个不同的域：VDD2H（VDD2的高压域）和VDD2L（VDD2的低压域）。这种设计允许厂商根据不同的性能需求，进行更精确的电压调节。

为充分利用这一架构，DVSC（动态电压和频率切换控制）和eDVFSC（增强型DVFSC）等技术至关重要。它们可根据工作负载需求动态调整电压和频率，使VDD2H能在低速任务期间以较低的电压运行，从而有助于降低功耗，延长电池续航。

免责声明：VDDQ可在0.5伏（规范范围-1）和0.3伏（规范范围-2）这两种规范范围内运行。为简单起见，上图使用了0.3伏电压，但实际工作电压可能因系统配置和运行模式而异。

内存组和核心逻辑等高性能器件继续由VDD2H和VDD1等高压电源轨供电，以保持速度和响应能力。同时，外围电路和I/O功能操作由VDD2L和VDDQ等低压电源轨供电，以在处理低负载任务时降低能耗。

美光在低VDD2H领域的创新

VDD2H和VDD2L的分离，大幅提高了供电灵活性，改善了供电效率，标志着LPDDR5X技术的长足进步。通过识别不需要原有全电压VDD2电源轨的器件，工程师可以让系统在低频活动期间依靠VDD2L供电，从而能在不影响响应能力的前提下降低功耗。

但美光的创新并未止步于此。美光工程师发现，即使是由VDD2H供电的组件也能承受较低的电压阈值。因此美光工程师引入了低电压VDD2H (LVDD2H)，这是一种经过微调的VDD2H低电压版。通过让VDD2H在接近其最小可运行电压的LVDD2H模式下运行，除了从分离VDD2L中已经实现的功耗节约之外，还可节省更多功耗。

降低VDD2H的电压（特别是在高速运行模式下）具有以下几大关键优势：

降低动态和静态功耗，以及整体能耗

改善热性能，因为功率越低，发热越少

在能效至关重要的移动和嵌入式系统中延长电池续航

LVDD2H运行模式

通过大量测试与特征分析，美光工程师确定了两种主要的LVDD2H运行模式：标称模式和最小模式。

在标称模式下，为与生态系统性能相匹配，在8.533–10.7 Gbps数据传输速率下电压水平保持在1.05V，在低于7.5 Gbps数据传输速率时降低电压水平。在最小模式下，LVDD2H在全部数据传输速率范围内降低电压水平。

通过LVDD2H节约能源

美光的内部测试展示了LVDD2H在以下两个主流用例中的重要作用：人工智能标记语言 (AIML) 和使用天数 (DoU)3。在AIML工作负载中，将VDD2H从1.060V降低至0.98V，可平均节约高达8%的功耗4。在12个不同的AI模型上测试了电压降低的效果，所有测试都显示出显著的节能效果。在所有LLM中，Llama 2-13b的节能效果最明显，达到12%。这些节能功能可直接增强终端用户在使用多种AI功能时的体验，如语音助手、照片处理、自动更正和聊天机器人等。对于DoU测试场景，在8个不同的用例中，降低电压平均获得了5%的功耗节约。DoU用例包括用户在白天使用移动设备经常从事的典型活动，如Facebook聊天、听音乐、浏览网页或观看视频。

未来展望

通过降低电压，可直接降低功耗，延长电池续航，用户每天都能感受到其带来的好处。随着技术以前所未有的速度发展，要想紧跟技术发展步伐，满足其需求，先进的内存解决方案至关重要。美光持续不懈地通过产品设计来尽可能提高能效和性能，除了为最终用户带来切实效益之外，也为整个行业树立了节能型DRAM的标杆。通过与生态系统伙伴密切合作，助力协同创新与全行业发展，美光正在塑造未来的数据处理标准。对创新和卓越的不懈追求，使美光能够始终引领未来趋势，不断推出支持下一代用户体验的解决方案。

1Counterpoint Research. 《推动AI在智能手机中普及的生态系统》。2025年1月10日发布https://www.counterpointresearch.com/insight/post-insight-research-notes-blogs-the-ecosystem-driving-ais-democratization-in-smartphones/

2IDC。《2024-2028年全球生成式AI智能手机预测：2024年7月》。2024年7月发布。《2024–2028年全球人工智能智能手机预测：2024年7月》

3测试配置基于高通平台，所搭载的2R-1β LPDDR5X在启用eDVFSC后支持的带宽为9.6 Gbps。由于本报告中所用硬件的限制，相对于LPDRAM频率的电压调节固定为1.06V/0.98V。

4由于测试环境的限制，报告中使用的电压水平 (1.060V/0.98V) 与标称设置 (1.05V/0.99V) 略有不同。

本文作者

Rui Zhou

移动业务部门

产品市场高级经理