LPDDR5 风起于小米 10，浪激在中国半导体之内存江湖（上）

公元 2020 年 2 月 13 日小米 10 系列手机的发布把一个词带火了：LPDDR5。

IT之家在小米 10 系列手机发布后，第一时间为大家送上了小米 10 Pro 手机的评测。不过在评测中，关于 LPDDR5 的内容我们还没有展开去说。

今天，汐元不妨就和大家说一说 LPDDR 以及背后 DRAM 内存江湖的那些事。

本文计划分为上、下两篇。第一篇和大家聊一些 DRAM 的基础科普，第二篇重点谈一谈 DRAM 存储国产化的过去和现在。

一、你要先了解什么是 DRAM

首先我们需要搞清楚内存大概有哪些种类。

在 IT之家《内存标签上这串数字，暗藏了内存工作的 “秘密”》这篇文章里，我们知道了，内存就是 CPU 工厂和硬盘数据之间数据传输的 “临时仓库”。而经过这些年的发展，内存的分类大概是这样的：

可以看到，LPDDR 内存就是 SDRAM 的一种，或者说就是 DDR 的低功耗版。所以要弄清楚 LPDDR，我们需要先了解什么是 DDR。

DDR 严格的全称是 DDR SDRAM，所以很显然，它也是 SDRAM 的一种。

那么 SDRAM 是什么？这就要从 DRAM 说起了（手动捂脸）。

DRAM，通俗地说，其实就是内存存储数据的一种方式，它通过给电容充电，然后计算电容里面的电位差，转换成 1、0、1、0、1、0…… 这样的二进制信号。

这些二进制信号，也就是数据的本质形态。

实际运作的时候，电容在充满电的时候可能会出现漏电等情况，所以充满之后需要放电，用的时候再充满电，持续进行这种充电、放电的动作，是动态的。

DRAM 的 “D”就是 Dynamic（动态）的意思。

SDRAM 又是什么呢？我们知道，CPU 的工作频率通常都是以 GHz 为单位的，而内存的工作频率是主要还是 MHz 的水平。也就是说，CPU 的工作频率远高于内存。

频率差别大，CPU 和内存怎么协调工作呢？这就是 SDRAM 存在的意义。它的意思就是在 CPU 和内存之间形成一个同步的机制，保证在指定的时间周期里，CPU 一定能够从内存拿到数据，不需要等待，也提高了存储速度。

SDRAM 的 “S”就是同步（synchronous）的意思。

到底怎么同步呢？不妨简单说明一下。还是要联系 IT之家之前《内存标签上这串数字，暗藏了内存工作的 “秘密”》这篇文章。

当时我们说，内存颗粒中数据是以 Bank 的方式存在的，Bank 就像库房里的储物架。

以前 DRAM 时代一个库房里只有一个储物架，CPU 来要数据的时候，如果这个储物架在忙，CPU 就得等待。

SDRAM 里，储物架变成了两个或者两个以上，这样，CPU 来要数据的时候，如果一个储物架在忙，另一个储物架就可以站出来给 CPU 调配物资。

如此，CPU 就不需要等待，也就等于提高了速率。

下面就到 DDR 了。DDR 的意思是 “Double Data Rate”，也就是双倍速率。

从上面这张图可以看到，之前 SDRAM 在一个时钟周期里只做一次数据存取，而DDR 在一个时钟周期里可以做两次数据存取，分别是在上升沿和下降沿，这样也就实现了两倍速率。

这就是 DDR。

基于这些，LPDDR 也就很容易理解了。

二、LPDDR 的演进之路

LPDDR 的全称是 Low Power Double Data Rate SDRAM，又称为 mDDR（Mobile DDR SDRAM）, 是美国 JEDEC 固态技术协会面向低功耗内存而制定的标准。

LPDDR 以低功耗和小体积著称，专门用于移动式电子产品。

除了低功耗，LPDDR 的发展过程也是不断吸纳新技术和新特性的过程。

第一代 LPDDR 和 DDR 没有太多不同。第二代 LPDDR 标准在 2010 年发布，相比第一代 LPDDR 更节能，同时引入了闪存和 SDRAM 共用接口的设计，好处是降低了控制器的引脚数。

另外，LPDDR2 还提高了支持的内存容量以及其他性能的提升，例如额定频率为 100—533MHz，数据位宽为 x8、x16 和 x32，有 2bit 和 4bit 两种。

采用 LPDDR2 内存的手机，IT之家的老读者们可能还有印象，例如三星 Galaxy S2、iPhone 5 等。

▲三星 Galaxy S2，图自：wikimedia

LPDDR3 标准在 2013 年发布。它引入了一些新技术。

第一种叫做写入均衡与指令地址调用，这个技术主要是保证内存高速运行的同时，还能维持数据传输的稳定不出错。

第二种叫做片内终结器（ODT）技术，这是个可选技术，可以在提高内存信号稳定性的基础上节省不少电器元件。

另外，LPDDR3 的整体性能相比 LPDDR2 也有飞跃，额定频率可以达到 667-800MHz。不过功耗控制方面表现不太出色。

采用 LPDDR3 内存的典型机型包括小米手机 3、三星 Galaxy Note 4、iPhone 6 等。

▲小米手机 3，图自：wikimedia

LPDDR4 标准发布于 2014 年，它有两个主要特性：两倍数据速率和低功耗。

在 LPDDR4 上，芯片设计方式已经由之前的单通道演进为双通道，在电路上也优化了数据（DQ）信号和地址（CA）信号的位置，让走线长度变短，缩短了数据信号的传送距离，从而减小时延。总之就是让数据传输速率更快。

速率大涨后，需要进一步控制功耗。LPDDR4 还采用了一种叫 LVSTL 的低功耗接口设计技术。这个技术具体也比较专业，不需要大家理解，它就是可以让电压摆动的幅度可控制，并且在理想状态下不需要直流电平，从而进一步控制功耗。LPDDR4 的数据传输速率可以达到 LPDDR3 的 2 倍，功耗却只有它的一半。

采用 LPDDR4 内存的手机如三星 Galaxy Note 5、iPhone 6s、华为 P9 系列等。