5G SoC旗舰专享

2022-01-05 09:24
电脑爱好者 2022年1期
关键词:晶片功耗容量

DDR、LPDDR(LPDDRX)和GDDR都是由JEDEC(固态技术协会)定义的应用广泛的DRAM标准,用于不同设备和使用场景(图1)。

DDR内存

其中,DDR(DDRSDR AM)属于内存的标准形态,主要用于电脑,通过DIMM(笔记本为SO-DIMM)插槽与主板连接(图2)。目前,电脑领域正处于DDR4全面向D D R 5内存转型的初期阶段。

LPDDR内存

顾名思义,LPDDR(Low PowerDDR SDRAM)属于低功耗版的DDR,在业内还常被称为m DDR(MobileDDR SDR AM),拥有比同代DDR内存更低的功耗和更小的体积。它常被用于轻薄本(图3)、智能电视、智能手机(图4)以及车载领域。目前笔记本领域还是以LPDDR4X为主,手机则是LPDDR4X(中低端手机)和LPDDR5(高端手机)混搭。

GDDR显存

GDDR在DDR的基础上多了G(Graphics)的前缀,面向需要极高吞吐量的数据密集型应用程序,与我们最常接触的就是独立显卡专用的“显存”(图6)。与DDR相比,GDDR拥有更高的时钟频率和更小的发热量。目前,低端独显还在搭配GDDR5显存,而中高端独显则已经全面过渡到了GDDR6和GDDR6X。

需要注意的是,别看GDDR已经迭代到了第六代,但无论第五代的GDDR5还是GDDR6其实都是在D D R 4 的基础上进行开发的,在数据位宽等最影响显卡性能表现的参数方面拥有远超同期DDR表现。如今DDR与GDDR已经由类似从属的关系,开始演变成两套相对独立的规范体系,分别根据自己的应用场景需求向前发展。

早期的LPDDR内存都是在DDR内存的基础上演化而来,但从LPDDR4开始,它与DDR4之间的差异就被进一步拉大。LPDDR4通过2个16位通道组成32位总线,而DDR4则原生具备64位通道;LPDDR4的Prefetch预读取位数为16bit,而DDR4只有8bit。在实际运算过程中,DDR4的性能利用率会更高,但LPDDR4却可以用更低的功耗来获取更高的理论性能。

LPDDR内存之所以耗电量比标准的DDR低,还因为它们的芯片封装尺寸更小,而且能以较少的内存颗粒数量就组合出更高的内存容量,再叠加较短的内部连接电路,先天的省电优势自然更加适用于移动应用环境。

从LPDDR4时代开始,还衍生出了LPDDR4X标准,它们都被广泛应用于现行各种电子设备装置,但是由于它们的名称几乎一模一样而容易导致混淆。简单来说,LPDDR4X并不是LPDDR4的下一代,我们可以将它视为LPDDR4X的进一步省电优化版本(图7)。两者的特性几乎相同,但LPDDR4X的VDDQ电压仅有0.6V,相比LPDDR4内存的VDDQ电压1.1V,下降了几乎一半,因此耗电量更小,更加适合智能手机和平板电脑这种需要更少耗电的移动设备。

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在2021年以前的PC领域,LPDDR4X内存是所有核显笔记本的“最强搭档”,因为LPDDR4X内存架构采用双通道模式运作,提供了更短的资料传输距离,更降低了资料传输延迟与功耗,运行频率最高可达4267MHz,远超DDR4的3200MHz,所以可以100%释放核显的全部性能(图8)。在智能手机领域,LPDDR4X已经是5G手机的标配,以骁龙780G/778G和天玑900为代表的中端芯片甚至开始支持LPDDR5内存标准(图9)。

LPDDR5内存标准在2019年2月公布,并于2020年随骁龙865移动平台而正式量产,两个时间节点均早于适用PC平台的DDR5内存,让智能手机体验了一把“首发”和“独占”的感觉。实际上,上一代的LPDDR4(LPDDR4X)也是抢在DDR4之前登陆消费者市场,可见智能手机的技术迭代速度在一定程度上已经超过了PC。

由于DDR5內存的Prefetch预读取位数也升级到了16bit,所以它在几乎所有性能指标上都要优于LPDDR5(图10)。当然,功耗除外,DDR5的VDDQ电压依旧是1.1V,而LPDDR5的VDDQ电压则进一步下降到0.5V。

LPDDR5和LPDDR4X之别

和上代LPDDR4X相比,LPDDR5主要在3个方面进行了升级。首先,LPDDR4X仅支持SingleBankGroup模式,而LPDDR5则支持多BankGroup模式,我们可以将其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;其次,LPDDR5的数据传输速率从4266MT/s先后提升至5500MT/s和6400MT/s(图11),传输带宽进一步增加;最后,LPDDR5的VDDQ电压比LPDDR4X低0.1V,它还引入了DVFSC和DVFSQ功能,可在低速工作时切换至更低的0.3V电压,进一步降低功耗。

问题来了,当手机内置了相同容量和速度的LPDDR5内存芯片,它们之间的性能就一定相同吗?

答案自然是否定的。

以三星为例,它旗下的LPDDR5内存就包含2种工艺和3种容量的晶片版本,分别是D1y工艺的8Gb和12Gb,以及D1z工艺(采用极紫外EUV光刻技术)的12Gb和16Gb,新工艺可使晶片尺寸较前一代缩小约18%,功耗也略有降低(图12)。此外,上述内存晶片的容量单位都是“Gb”,每颗8Gb、12G、16Gb晶片对应的实际容量分别为1GB、1.5GB和2GB。

智能手机内置的内存芯片看似只有1颗,但它其实是由多颗晶片堆叠封装而来。以16GB的LPDDR5内存芯片为例,它既可以是由8颗D1y12Gb晶片和4颗D1y8Gb晶片封装而成,也能直接由8颗D1z16Gb的晶片封装,就性能表现显然是后者更好,还能进一步降低发热、减少功耗以及对手机内部空间的侵占。

LPDDR5X的变化

全新的LPDDR5X是JEDEC固态存储协会在2021年7月底正式发布的内存标准,由JEDEC的JC-42.6低功耗存储器小组委员会开发,这是对LPDDR5的可选扩展,专注于提高性能、功耗和灵活性,旨在提高包括5G通信性能、汽车高分辨率增强现实/虚拟现实和使用AI的边缘计算等应用场景的内存性能。和现有的满血版LPDDR5-6400内存相比,LPDDR5X有了以下3点改进:

1带宽从6400MT/s增至8533MT/s;

2TX/RX均衡改善信号完整性;

3通过新的自适应刷新管理提高可靠性。

LPDDR5X向下兼容LPDDR5,简化了SoC和支持新型内存平台的开发周期,可在市场上共存和互补。需要注意的是,并不是所有的5GSoC都支持“满血版”的LPDDR5X-8533内存,比如联发科天玑9000暂时就仅支持LPDDR5X-7500,但即便如此,其性能也要比满血版的LPDDR5-6400速度提升17%,延迟降低15%(图13)。

目前,三星和美光都已经实现了LPDDR5X内存的量产。其中,三星的LPDDR5X采用14nmDRAM工艺,单晶片容量可达16Gb,最高可以组成高达64GB容量的规格(图14),官方称其能耗较LPDDR5降低了20%左右,旨在推动包括5G、AI、元宇宙在内的高速数据服务应用的进一步增长。

美光则比三星还要更快一步,它是业内首家送样并验证该款业界最快、最先进移动内存的半导体厂商,并已出货首批基于1α节点的LPDDR5X样片(7500MT/s版本),还在联发科天玑9000平台上完成了对美光LPDDR5XDRAM内存的验证(图15)。

至于三星和美光的LPDDR5X內存谁更强,这种全新的内存颗粒可以帮下一代旗舰级手机提升多少性能,还是需要等实际产品量产上市后才能做出准确判断,一起期待吧。

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