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。
　　▲iPhone 6s，图自：Pexels
　　2016年公布的LPDDR4X可以看做是LPDDR4的一个省电优化版本。 这也是LPDDR5之前那段时间主流中高端手机上采用的内存，例如魅蓝X、三星Galaxy Note9、小米6、iPhone XS等等。
　　▲iPhone XS
　　最后来说小米10手机采用的LPDDR5的内存。LPDDR5内存标准是JEDEC在2019年2月份确定的。
　　关于LPDDR5内存的优势，其实小米一众高管在预热小米10的时候已经不遗余力地给大家科普过了，IT之家当时也进行了密切报道。
　　这里汐元简单总结一下即可。
　　相比LPDDR4X，LPDDR5的关键在于重新设计了架构，采用16Banks可编程和多时钟架构。
　　16Banks的架构，也就是小米宣传的＂Bank Group架构＂，可以让器件内部增加更多的并行数据通路，增加了数据带宽，提升了性能。
　　多时钟架构的意思是，LPDDR5可以根据工作频率动态调节工作电压。LPDDR4X在高速工作时需要一直保持高时钟频率，而LPDDR5平时时钟频率可以控制在800MHz，在数据有读写操作时，会冲到最大工作频率，当读/写工作停止时，则会回落，从而降低功耗。
　　另外，LPDDR5还引入了Data-Copy和Write-X两个新的指令。
　　其中，Data-Copy指令的意思是，LPDDR5可以将单个I/O引脚上传输的数据复制到其他I/O引脚，提升数据传输的效率。
　　而Write-X指令可将全1或全0信号写入到特定地址，不用将数据从SoC发送到LPDDR5内存上，从而可以降低整个系统的功耗水平。
　　其实就是六字真言：提速率，降功耗。
　　最后，汐元整理了LPDDR从第一代到第五代的演进路线，并通过一张表格的形式呈现给大家：
　　从表中的数据，结合前面的介绍，看得出LPDDR5相比LPDDR4X，无论在性能还是功耗上，确实会有明显更好的表现，对于它在更多智能手机上的普及，以及在5G时代的表现，值得期待。
　　讲到这里，上篇也就差不多了。汐元在介绍的时候希望尽可能在＂通俗＂和＂专业＂之间做一个平衡， 也许上述介绍有不那么精准之处，或者不易懂之处，欢迎大家在IT之家的评论区指出。
　　下一篇汐元将从DRAM产业层面介绍一下中国内存产业的发展情况，敬请期待。
　　推荐阅读：
　　《LPDDR5 风起于小米10，浪激在中国半导体之内存江湖（下）》
　　参考
　　CSDN，2018-04-10，《SDRAM详细介绍》。
　　纤维球分期のINS凌沂（B站），2020-02-10，《简单了解·LPDDR的认知与回顾》。
　　花粉俱乐部，2016-04-18 ，《LPDDR4对比LPDDR3！新技术到底发生了什么样的惊天改变？》。
　　Proladon，2018-06-22，《RAM记忆体篇》。