高频内存和高带宽内存

李实

记忆的重要性在今天越来越突出。无论是PC还是手机，平板还是游戏机，内存芯片无处不在。但是不同产品使用的内存往往是不一样的。除了我们常见的DDR和GDDR，移动设备上还有一种特殊的低功耗内存，那就是LPDD。今天本文就和大家一起走近LPDDR存储器，专门针对低功耗市场，探讨这类存储器的过去、现在和未来。

LPDDR是一种广泛用于移动设备和低功耗设备的内存产品。LPDDR的全称是低功耗DDRSDRAM，中文名称是低功耗双倍数据速率同步动态随机存取存储器。在一些文章中，LPDDR也被称为mDDR，即移动DDR，“M”的意思是“移动”，这是为其应用市场提出的一个名称。与普通DDR内存相比，LPDDR的特点是“LP”，即低功耗。因此广泛应用于手机、平板电脑、小功率设备等功率敏感场合。除了功耗，相比DDR，LPDDR在芯片面积、位宽、电压、频率、预取值、总线设置等方面做了一系列适应性改进。，从而更好地满足小功率器件的应用需求。

回望历史:从第一代到第三代的LPDDR

从第一代LPDDR开始，LPDDR产品发展到今天，经历了LPDDR、LPDDR2、LPDDR3、LPDDR R4、LPDDR4X、LPDDR R5等多代。其中真正的巨变发生在LPDDR4时代，也正是从这一代开始，LPDDR和DDR逐渐分道扬镳，走上了独立发展的道路。

LPDDR:脱胎于DDR，面向功耗敏感市场。

在移动计算设备出现之初，人们就意识到桌面用DDR内存在移动设备上使用时存在很多问题，包括芯片面积过大、高电压导致的高功耗等等。因此，三星、美光、英特尔、英伟达等厂商联合推出了新的内存技术规范，相比DDR内存高达2.5V的电压，内存的电压更低，只有1.8V，此外，这种新的内存技术规范的面积相对更小，更适合在“土地密集型”的移动设备内部使用。在技术方面，考虑到移动设备对能耗的敏感性，新产品中加入了一些节能特性，如DeepPower Down模式、可配置自刷新和温度补偿自刷新(减少刷新次数以降低功耗)，使得新产品的功耗明显低于DDR。另外，在数据位宽方面，传统的DDR数据位宽是64bit。考虑到当时移动设备的计算能力较弱，过多的数据总线带宽毫无意义，占用过多的布线面积，这款存储新品将10接口的位宽降低到32bit(厂商可以根据需要配置16bit甚至8bit)，也大大降低了产品的功耗。

凭借新的低电压、小尺寸和新的节能技术，这种新的存储粒子被称为LPDDR或mDDR，以区别于传统的DDR。然而，早期的LPDDR并没有统一的规格。首批使用LPDDR内存的移动产品包括著名的iPhone3系列手机、三星Galaxy系列手机和平板电脑。

从产品型号来看，第一代LPDDR包括LPDDR 400和LPDDR 533(后者也叫LPDDR，E的意思是“增强”)两款产品。由于基本规范脱胎于DDR，所以LPDDR预取值为2n，内部时钟频率为200MHz-266MHz，10个频率为200MHz-266MHz。数据传输速率为400MT/s-533MT/s，32位线下数据带宽可达1.6GB/s-2.1GB/s，完全可以满足当时移动设备的带宽需求。

新LPDDR带来了一个全新的市场，这个市场发展迅速。为了规范产品和市场行为，JEDEC还在2008年底为LPDDR推出了规范JESD209B。之后，LPDDR被JEDEC纳入标准的统一管理，从而成为行业内的统一标准。

LPDDR2:新兴和扩展的规范

LPDDR的成功不是没有原因的。移动计算的浪潮正在涌动。在这种情况下，JEDEC也加紧了努力，“规格领先于产品”的思想开始指导LPDDR2的开发。JEDEC于2009年4月推出了新的LPDDR2规格JESD209-2F。新规范扩展了LPDDR2的产品范围，包括非易失性存储器，也带来了更高的存储器密度、更好的性能、进一步减小的封装尺寸和大量降低功耗的技术。

根据规范，LPDDR2实际上分为三款产品:LPDDR2-S2、LPDDR2-S4和lpddr2-n，前两款是传统的易失性存储器件，最后一款LPDDR2-N是非易失性存储器件。这种存储芯片常用于特殊场合，如一些物联网设备和执行单一功能、任务和计算量相对较小的工业设备，如智能电表、工业计算机等。对于普通用户来说，重点是易失性内存。

LPDDR2-S2和LPDDR2-S4最大的区别在于前者采用2n预取，后者采用4n预取。其中，前者在市场上并不多见，主要用在一些与LPDDR过渡的场合，而后者则是LPDDR2的主力。相比之前的LPDDR，LPDDR2的电压再次大幅降低至1.2V，节能效果更加出色。此外，所有LPDDR2设备在命令和地址(CA)总线上使用DDR架构，采用lObit位宽(上一代LPDDR使用的19bit SDR总线一次只能单向传输数据)。该总线包含命令、地址、存储区和行缓冲区信息。这种设计降低了内部总线的复杂性和一些能耗。在特性方面，LPDDR2带来了新的低电平操作，使LPDDR2芯片根据情况进入活动、空空闲、自刷新或深度睡眠状态。LPDDR2可以根据实际情况选择自己的运行状态，更有利于节省功耗。

产品型号方面，LPDDR2带来了LPDDR2 800和LPDDR2 1066两种规格(后者称为LPDDR2e)。当然，这个数据是针对LPDDR2-S4的。因为预取值增加到4n，所以LPDDR2 800和LPDDR2 1066的实际内部时钟频率和io频率与以前的LPDDR相比没有变化，并且都运行在200MHz和266MHz的频率上。相应地，LPDDR2的数据传输速率提升至800M T/s和1066M T/s，32位(可选16位方案，一半带宽)下LPDDR2的带宽也提升至3.2GB/s和4.2G B/s，是上一代LPDDR的两倍。

LPDDR2的生命周期比较长。自2009年提出规范以来，直到2012年5月才提出取代LPDDR2的LPDDR3规范。考虑到规范发布半年后才推出产品，LPDDR2真正的产品生命周期几乎接近4年。

LP3:全面提升，提速

201 2年5月，JEDEC发布LPDDR3规范，白皮书代号为JESD209-3。与之前的LPDDR2相比，LPDDR3侧重于数据传输速率和带宽的提升，在保持LPDDR2的功率控制功能的同时，还做了一些优化。此外，在封装方面，LPDDR3开始支持POP封装或分立封装，其中前者非常重要，POP堆叠式封装为进一步缩小移动设备内部面积奠定了基础。

LPDDR3的背景是移动计算设备的SoC性能快速提升，在LPDDR2难以满足的情况下需要新的规范来加强数据传输带宽。因此，LPDDR3将数据预取值翻倍至8n，在内部时钟频率与LPDDR27相同的情况下，可以将数据传输带宽翻倍。值得一提的是，LPDDR3规范不包括非易失性存储设备的规范。考虑到这类设备多用于工业或物联网产品，当时确实没有很强的性能要求。

LPDDR3推出的第一个标准是LPDDR3 1600，DRAM内部时钟频率为200MHz。但8n预取的设计使其数据传输速率高达1600MT/s，32bit配置(可选16bit方案，半带宽)带宽可达6.4GB/s，在同等条件下与同期桌面DDR产品基本相当。此外，LPDDR3后期推出了LPDDR3e的增强版，内部时钟频率提升至266MHz，数据传输速率高达2133MT/s，32位配置下带宽提升至8.5GB/s(可选16位方案，一半带宽)，基本达到了前代LPDDR2的两倍以上。DDR 3搭配的产品有很多，包括大名鼎鼎的苹果iPhone 5s，Macbook Air，三星Nexus 10，微软Surface Pr03。后期高通推出的骁龙800和骁龙600也为LPDDR3提供支持。

虽然LPDDR3的速度更高，但其架构设计延续了前代LPDDR2的架构设计。考虑到移动计算发展越来越快，需要在内存中增加更多的功能，尤其是移动设备。因此，2012年3月，在LPDDR3发布之前，JDEDC召开了一次会议，讨论下一代LPDDR内存的开发。三星等厂商在2012年1月30日推出了新一代LPDDR产品的样品，速度高达3200 mt/s，在能耗方面有更好的表现。然后，经过一年多的协调和技术验证，LPDDR R4规范于2014年8月正式发布，LPDDR3时代宣告结束，LPDDR进入新的开发周期。

LPDDR4:全新架构，为移动计算奠定坚实基础。

夸张点说，LPDDR3和之前的LPDDR产品都可以看作是桌面DDR内存的变种，只是增加了节能降耗、缩小面积等特性来满足移动设备的需求。随着移动计算的进一步发展，按照以前的技术路线继续改进的LPDDR3的开发模式已经不能满足市场需求。尤其是在高清视频、高清摄影等功能逐渐成熟后，移动设备对内存带宽提出了极高的要求，这是LPDDR3及其相关架构之前难以实现的。因此，JEDEC需要一种新的架构产品来满足移动计算的需求，并继续平衡能耗和带宽。

那是LPDDR4。新规范于2014年8月发布，其实际产品早在2012年底就出现在各种演示中。与LPDDR3相比，LPDDR4带来了几项改进。首先最低工作电压从之前的1.2v进一步降低到l.lv电压的不断降低带来了能耗的降低。其次，LPDDR4使用16n的预取值。通过将预取值加倍，LPDDR4可以在不增加内部时钟频率的情况下增加带宽。第三，LPDDR4内部总线由之前的32bit改为两个16bit，总带宽仍然是32bit。这一改进大大提高了内部数据访问效率，并在一定程度上降低了存储部分的功耗。除了以上三个重要改进，LPDDR4的CA总线由之前的10位DDR命令(继承自LPDDR2时代)改为6位的SDR总线，但增加了多周期命令功能。因为新总线只在数据传输的上沿或下沿传输信息，位宽更窄，所以能耗更低。其他改进包括通过特殊命令启动自刷新，进一步减小封装尺寸和增加数据密度。

由于内部架构大幅更新，LPDDR4的整体性能更加出色。行业实例表明，与基于4GbLPDDR3的2GB内存相比，8Gb LPDDR4颗粒的2GB内存功耗降低了40%。产品方面，LPDDR4带来了LPDDR4 3200的规格，其内部时钟频率为200MHz，10位速度为1600MHz(注意两条16bit总线)，但数据传输速率达到了3200MT/s，所以LPDDR4 3200的带宽最终达到了12.8GB/s的水平，位宽为32bit。

LPDDR4之后，在三星的倡议下，JEDEC于201 7年3月发布了JESD209-4-1规范，确定了新的LPDDR4X。LPDDR4X是LPDDR R4的技术扩展版本。与之前的“E”增强版不同，LPDDR4X不仅提升了频率和性能，还带来了进一步的省电设计。在新规范中，LPDDR4X IO部分的电压由l.lv降至0.6V，数据存储部分的电压保持不变。

对于LPDDR家族的产品，其频率分为两部分，即数据存储部分频率和10号频率。如果继续细分，数据存储的频率可以分为内部时钟频率和内部物理频率。在这篇文章的描述中，我们可以清楚地看到，LPDDR的内部时钟频率永远不会超过266MHz，而一般只有200MHz和266MHz。内部物理频率方面，考虑到DDR带来的内部时钟频率的倍数，LPDDR内存的数据存储部分实际上一直运行在100MHz和133MHz。对于内存条来说，它的频率并不太高。较低的频率有助于保证存储器在低电压下运行时的稳定性和可靠性，同时低电压带来了能耗的降低。虽然没有增加内部时钟频率和内部物理频率，但是预取值却成倍增加。比如2n到4n，8n到16n-LPDDR4 R4的预取值是LPDDR的8倍，LPDDR的数据传输速率一直在提升。比如内部时钟频率为200MHz，LPDDR4 3200的数据传输速率达到3200MT/s，而LPDDR 400只有400mt/s

那么这和10频率有什么关系呢？由于10部分负责LPDDR存储器的外部数据传输，在预取值增加后，10部分的频率必须进一步增加，以跟上增加的数据吞吐量。从LPDDR到LPDDR4，10的频率从200MHz提高到1600MHz。以高频工作的10部分带来了更高的性能，但也产生了更高的功耗。所以在LPDDR4X上，三星率先提出将10的电压降低到0.6v，带来了总线和IO部分功耗的大幅降低。因此新LPDDR4X功耗进一步降低，性能同步提升。

LPDDR4X还带来了新的LPDDR4X 4266型号。其内部时钟频率提升至266MHz，预取值仍为16 N，采用双总线方案，数据传输速率达到4266 mt/s，带宽在32位宽配置下达到17G B/s，进一步提升了低功耗器件在存储方面的性能。

然而，虽然LPDDR4X在内核改进上与LPDDR4X相比非常小，但LPDDR4X与所有前几代LPDDR存储器一样，无法实现向后兼容。这是因为LPDDR4X较高的电压会导致LPDDR 4X的10个部件无法正常工作。但与桌面内存不同，LPDDR 4X这样的产品主要是OEM厂商使用，用户几乎没有更换的机会，所以不会带来额外的兼容性问题。

由于LPDDR4X降低了功耗，提高了性能，因此在移动设备中取得了巨大成功。大量高端手机、平板电脑甚至笔记本电脑都使用LPDDR4X作为内存，LPDDR内存迎来了它的发展黄金时刻。

LPDDR5:双倍带宽，争夺高端桌面平台

LPDDR4X带来荣耀之后，LPDDR R5也开始紧锣密鼓的准备。2019年，JEDEC发布了JESD209-5规范，正式带来了LPDDR5标准。

从架构上看，LPDDR5保留了LPDDR4时代使用的16n预取值，但加入了桌面DDR4使用的Bank Group的概念。简单地说，如果在先前的LPDDR存储器中有8或16个块，那么它们以串行方式被读写。读写完块O后，读写块1和块2，依此类推。但块组的概念出现后，一个内存会根据情况被分成两个或四个以上的块组，数据会并行进入每个块组进行读取操作。这相当于实现了内存内部的并行访问。所以LPDDR5在不增加预取值和频率的情况下，只需要增加块组和10个部分的频率，就可以大大增加数据带宽。

除了引入块组的概念，LPDDR5还带来了全新的可扩展时钟架构，解决了CA总线速度跟不上数据总线速度的问题。新的设计使CA总线能够有条件地以数据总线速度的1/4或1/2运行，这提高了CA总线的稳定性和可靠性。此外，LPDDR5还增加了一个判决反馈均衡器(DFE ),可降低对

为什么DDR4比LPDDR4「慢」？

这篇文章的介绍突出了LPDDR R4的优势，那么既然LPDDR这么好，为什么不介绍桌面平台呢？其实这个问题的答案也是清楚的。下面我们就拿目前主流的LPDDR4和DDR4来做个对比说明——下面。

我们先来看看DDR4内存的基本规格。目前DDR4不使用16n预取值，仍然使用8n预取值。但其实际物理频率从200MHz开始，到更高的400MHz、533MHz等。同时加入了块群的概念。可以说DDR4和LPDDR4在架构设计上是完全不同的产品，基本上没有技术上的联系。同时，DDR4具备桌面内存的所有特性，如64bit位宽、更大容量、更高电压、相对低延迟等。

从这个角度来说，和LPDDR4相比，首先要明确的是DDR4内存的位宽更大，单个内存能达到的带宽更高。目前所有主流DDR DIMM的位宽都是64bit。配合桌面CPU的128bit通道，两个DDR4 4266内存可以实现4266MT/sx64bitx2/8=68.3G Bls。相比之下，即使是LPDDR R4家族的顶级机型，如LPDDR4X 4266，位宽也只有32bit，单个LPDDR4X 4266的带宽值为4266mt/s x32bit/8 = 17GB/s，如果搭配台式机CPU，需要4个内存通道才能完全匹配。虽然最终总带宽可以达到桌面CPU的水平，但是更多的通道带来的是主板设计、内存控制器设计和使用上更复杂的麻烦，显然是不划算的。

其次，虽然移动平台的LPDDR通过降低电压等手段实现低功耗，但天下没有免费的午餐，LPDDR的低功耗也需要付出代价，即更高的延迟值。比如LPDDR3 2133的延迟值一般在100n左右。即使是延迟更高、规格相近的DDR4内存，其延迟值也只有70ns左右，低了很多。如果选择DDR3进行比较，延迟值会更低。在这种情况下，一篇名为《现代高速DRAM架构的性能和功耗比较》的论文做了专门的研究。根据仿真结果，比较相同带宽的DDR4和LPDDR4，DDR4的每周期指令数比LPDDR4高6%，延迟值明显较低。对于现代的高频CPU，尤其是桌面CPU频率接近5GHz时，更高的延迟会严重影响CPU的性能。

所以一般来说，同代的LPDDR内存要弱于同代的DDR内存，其核心原因是其更低的带宽和更高的延迟。目前LPDDR在PC上的应用仅限于超便携、超薄或者对续航有要求的设备，主要方向不是性能。接收数据的符号间干扰(ISI ),从而提高接收数据的容限。此外，LPDDR5还带来了包括链路ECC校验、增加到三个FSP的设计，大大增强了LPDDR5在高数据传输速率下的稳定性。

在功耗和电压方面，LPDDR5目前支持多组低电压设置。LPDDR5在较高频率下运行时支持1.05V的核心电压和0.5v的10电压，而在较低频率下运行时这两个电压的值会降低到0.9V和0.3V，从而进一步节能降耗。与LPDDR4相比，LPDDR5的低电压带来了显著的功耗降低。此外，LPDDR5还带来了深度睡眠模式的更新版本，相比旧模式可以带来更低的空闲功耗。三星给出的数据是LPDDR5的深度睡眠模式功耗是LPDDR4X的一半，值得期待。总体来说，三星的评测数据显示，LPDDR R5的功耗比LPDDR4X低20%左右，相当不错。

在产品规格上，LPDDR5目前推出的产品主要是LPDDR5 5500，但JEDEC宣称LPDDR5最终将以LPDDR5 6400的速度运行，在相同位宽配置下性能是LPDDR4 3200的两倍。比如在32b.t位宽的配置下(需要两个16位LPDDR组成两个通道)，LPDDR5 6400可以带来高达25.6G B/s的带宽。以LPDDR55500为例，这个数据是22G B/s，LPDDR5的带宽相对于32位位宽的LPDDR4X至少可以提高29%，最多可以提高49%。

值得注意的是，如前段所述，目前市面上的LPDDR5内存位宽只有16位，与之前的LPDDR4家族、LPDDR3等产品有所不同。上一代产品的位宽最高可配置32位。LPDDR5位宽减小的原因可能是LPDDR5的带宽在16bit时超过了10 GB/s (5500 mt/sx16bit/8 = 11 GB/s)，即使在目前的较低规格版本中也是如此。这个带宽足够很多设备使用，所以降低位宽可以增加LPDDR 5的市场应用范围。对于高端SoC来说，即使LPDDR5采用16位位宽设计，采用多通道技术实现带宽翻倍也不是太难的事情。

LPDDR5产品量产方面，目前以三星和美光为主，国内合肥长信也计划在2022年前推出LPDDR5内存。具体来说，三星此前已经宣布其EUV光刻机将用于D1z DRAM的量产，其最重要的产品是LPDDR5内存。目前三星已经推出了两代LPDDR5内存，其中一代是DUV的，工艺节点代号是Dly，新一代是前面提到的D1z。在转向EUV制造后，三星显著提高了存储密度，并减少了芯片的面积。Dly工艺节点的LPDDR5芯片容量可以选择8Gb和12Gb，但是D1z已经进化到了12Gb和16Gb。面积方面，Dly产品的面积是53.53平方毫米，D1z只有43.98平方毫米，同样的12Gb颗粒。技术进步的效果是显著的。美光还计划在近期推出采用EUV技术的16Gb LPDDR5内存，但与三星的产品相比，美光的芯片面积略大，16Gb LPDDR5的面积为68.34平方毫米，仅为三星产品的61.20平方毫米。

更节能更高速:LPDDR的未来

从本文的介绍可以看出，LPDDR从DDR诞生到自主开发，到现在LPDDR R5的带宽逐渐赶上桌面平台，同时功耗不断降低，堪称一条高性能低功耗的自主之路。对于移动设备和低功耗设备来说，LPDDR的高带宽、低功耗的特性非常令人满意。未来，LPDDR内存将继续在这条道路上发展，为我们带来更多轻量化、节能但高速的产品。