LPDDR5 風起於小米 10，浪激在中國半導體之內存江湖（上）

公元 2020 年 2 月 13 日小米 10 系列手機的發佈把一個詞帶火了：LPDDR5。

IT之家在小米 10 系列手機發布後，第一時間爲大家送上了小米 10 Pro 手機的評測。不過在評測中，關於 LPDDR5 的內容我們還沒有展開去說。

今天，汐元不妨就和大家說一說 LPDDR 以及背後 DRAM 內存江湖的那些事。

本文計劃分爲上、下兩篇。第一篇和大家聊一些 DRAM 的基礎科普，第二篇重點談一談 DRAM 存儲國產化的過去和現在。

一、你要先了解什麼是 DRAM

首先我們需要搞清楚內存大概有哪些種類。

在 IT之家《內存標籤上這串數字，暗藏了內存工作的 “祕密”》這篇文章裏，我們知道了，內存就是 CPU 工廠和硬盤數據之間數據傳輸的 “臨時倉庫”。而經過這些年的發展，內存的分類大概是這樣的：

可以看到，LPDDR 內存就是 SDRAM 的一種，或者說就是 DDR 的低功耗版。所以要弄清楚 LPDDR，我們需要先了解什麼是 DDR。

DDR 嚴格的全稱是 DDR SDRAM，所以很顯然，它也是 SDRAM 的一種。

那麼 SDRAM 是什麼？這就要從 DRAM 說起了（手動捂臉）。

DRAM，通俗地說，其實就是內存存儲數據的一種方式，它通過給電容充電，然後計算電容裏面的電位差，轉換成 1、0、1、0、1、0…… 這樣的二進制信號。

這些二進制信號，也就是數據的本質形態。

實際運作的時候，電容在充滿電的時候可能會出現漏電等情況，所以充滿之後需要放電，用的時候再充滿電，持續進行這種充電、放電的動作，是動態的。

DRAM 的 “D”就是 Dynamic（動態）的意思。

SDRAM 又是什麼呢？我們知道，CPU 的工作頻率通常都是以 GHz 爲單位的，而內存的工作頻率是主要還是 MHz 的水平。也就是說，CPU 的工作頻率遠高於內存。

頻率差別大，CPU 和內存怎麼協調工作呢？這就是 SDRAM 存在的意義。它的意思就是在 CPU 和內存之間形成一個同步的機制，保證在指定的時間週期裏，CPU 一定能夠從內存拿到數據，不需要等待，也提高了存儲速度。

SDRAM 的 “S”就是同步（synchronous）的意思。

到底怎麼同步呢？不妨簡單說明一下。還是要聯繫 IT之家之前《內存標籤上這串數字，暗藏了內存工作的 “祕密”》這篇文章。

當時我們說，內存顆粒中數據是以 Bank 的方式存在的，Bank 就像庫房裏的儲物架。

以前 DRAM 時代一個庫房裏只有一個儲物架，CPU 來要數據的時候，如果這個儲物架在忙，CPU 就得等待。

SDRAM 裏，儲物架變成了兩個或者兩個以上，這樣，CPU 來要數據的時候，如果一個儲物架在忙，另一個儲物架就可以站出來給 CPU 調配物資。

如此，CPU 就不需要等待，也就等於提高了速率。

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

從上面這張圖可以看到，之前 SDRAM 在一個時鐘週期裏只做一次數據存取，而DDR 在一個時鐘週期裏可以做兩次數據存取，分別是在上升沿和下降沿，這樣也就實現了兩倍速率。

這就是 DDR。

基於這些，LPDDR 也就很容易理解了。

二、LPDDR 的演進之路

LPDDR 的全稱是 Low Power Double Data Rate SDRAM，又稱爲 mDDR（Mobile DDR SDRAM）, 是美國 JEDEC 固態技術協會面向低功耗內存而制定的標準。

LPDDR 以低功耗和小體積著稱，專門用於移動式電子產品。

除了低功耗，LPDDR 的發展過程也是不斷吸納新技術和新特性的過程。

第一代 LPDDR 和 DDR 沒有太多不同。第二代 LPDDR 標準在 2010 年發佈，相比第一代 LPDDR 更節能，同時引入了閃存和 SDRAM 共用接口的設計，好處是降低了控制器的引腳數。

另外，LPDDR2 還提高了支持的內存容量以及其他性能的提升，例如額定頻率爲 100—533MHz，數據位寬爲 x8、x16 和 x32，有 2bit 和 4bit 兩種。

採用 LPDDR2 內存的手機，IT之家的老讀者們可能還有印象，例如三星 Galaxy S2、iPhone 5 等。

▲三星 Galaxy S2，圖自：wikimedia

LPDDR3 標準在 2013 年發佈。它引入了一些新技術。

第一種叫做寫入均衡與指令地址調用，這個技術主要是保證內存高速運行的同時，還能維持數據傳輸的穩定不出錯。

第二種叫做片內終結器（ODT）技術，這是個可選技術，可以在提高內存信號穩定性的基礎上節省不少電器元件。

另外，LPDDR3 的整體性能相比 LPDDR2 也有飛躍，額定頻率可以達到 667-800MHz。不過功耗控制方面表現不太出色。

採用 LPDDR3 內存的典型機型包括小米手機 3、三星 Galaxy Note 4、iPhone 6 等。

▲小米手機 3，圖自：wikimedia

LPDDR4 標準發佈於 2014 年，它有兩個主要特性：兩倍數據速率和低功耗。

在 LPDDR4 上，芯片設計方式已經由之前的單通道演進爲雙通道，在電路上也優化了數據（DQ）信號和地址（CA）信號的位置，讓走線長度變短，縮短了數據信號的傳送距離，從而減小時延。總之就是讓數據傳輸速率更快。

速率大漲後，需要進一步控制功耗。LPDDR4 還採用了一種叫 LVSTL 的低功耗接口設計技術。這個技術具體也比較專業，不需要大家理解，它就是可以讓電壓擺動的幅度可控制，並且在理想狀態下不需要直流電平，從而進一步控制功耗。LPDDR4 的數據傳輸速率可以達到 LPDDR3 的 2 倍，功耗卻只有它的一半。

採用 LPDDR4 內存的手機如三星 Galaxy Note 5、iPhone 6s、華爲 P9 系列等。