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5G旗舰标配LPDDR5,宁配吗?

原创 人工智能 作者:naojiti 时间:2020-04-05 20:30:15 0 删除 编辑

2020年5G旗舰手机的标配是什么?密密麻麻的摄像头,人工智能芯片,Wi-Fi6技术,屏下指纹识别?最近手机厂商纷纷开麦,表示LPDDR5必须有姓名。

LPDDR,全称Low Power Double Data Rate,是美国JEDEC固态技术协会面向低功耗内存而制定的通信标准。而LPDDR5,作为当下最新的内存标准,听起来似乎没毛病。

毕竟什么亿级像素、4K高清视频、VR游戏等等各种炫酷的5G创新应用和交互,都需要高通量的数据读写与存储空间来支撑。

而一个有意思的现象是,内存升级往往是上游制造商主动发布新硬件,比如三星公司(Samsung)正在大力宣传其最新的LPDDR5智能手机,声称为5G和AI智能手机做好了准备,而不是被动等待市场的自主进化与选择。

相继在存储上做文章的手机厂商,又在其中扮演了何种角色呢?

5G时代的内存和闪存,需要怎样的超能力?

“请问怎么样才算对手机存储入门了?”

“很简单,你只要把DRAM、NAND、LPDDR3、LPDDR4、LPDDR4x、LPDDR5、eMMC、UFC、uMCP等都学一遍,就算了解了一点皮毛吧。”

观看数个小时的手机发布会,小朋友,你是否有很多问号??

所以,我们今天就试图抽丝剥茧地解释这个问题。

我们知道,智能手机的内存管理机制和电脑的工作流程其实是差不多的。

闪存ROM就像是一个巨大的蓄水池,里面存储的都是可以长期存在的资源,拍下的照片、下载的视频、收发的文档等等,都保存在这里。

如果说闪存ROM突显的是家大业大的“富有感”,那么闪存RAM就像是家门口的大马路,是手机芯片和数据之间的桥梁,人类发出的程序和指令都要通过内存发送给处理器(高性能芯片)进行运算,进而再将处理好的数据传送回去。越宽敞的马路,自然更容易获得“主播带你上高速”的爽感。

智能手机的丰富功能,也让内存必须实现“多车道通行”,也就是多任务同时运行的能力。“清障功能”也必不可少,一旦发现有任务在道路上停留占道,防止其他应用顺滑运行,自然也要想办法关闭它。这也是许多“XX管家”清理功能所干的事儿。

那么,5G的到来,又给手机内存带来了哪些新的挑战呢?

首先,是“流量”的增大。5G有着更高的容量和更快的速度,需要处理器完成对内存数据大通量吞吐的要求。

像是4K视频传输、传感器交互、智能汽车等AI级能力,内存的写入和读取效率都直接决定着用于体验。

其次,为了保证快速的响应时间,5G开始应用分布式计算,很多数据处理也被从中心网络下放到了边缘处理器。尤其是对任务低时延的考验,在线游戏、人工现实(AR)和虚拟现实(VR)、自动驾驶,甚至远程手术等等。

因此内存也开始需要考虑对异构数据的处理能力,即附加各种计算元素的需求,让其走到哪里都能够为高性能处理器提供充沛、通畅的“原料”。

最后,对内存能耗的管理效率也需要提升。手机外壳、电池可以维修和更换,但内存却必须拥有高持久性和安全性,至少在换机周期内必须足够坚强。

而当5G与4G融合时,各种传输点、传输塔和其他网络链路之间的通信,也增加了对闪存、内存等关键元件在耐用性、耐温性等方面的要求。

因为5G流媒体传输会携带更多的数据(比如高质量的视频),这就要求内存到闪存之前要缓冲的帧数就越多。一些复杂的智能推断任务,也需要更高级别的带宽,将直接导致压力和损耗,降低内存的寿命。

没有用户会愿意购买一台先天寿命短暂的手机。所以,内存的发展势必会朝着带宽更大、功耗更低的方向发展。

内存向何处进化?1+1+1>3的路线图

既然内存是5G手机的压力源,那么直接拉升内存的技术高度行不行呢?

近期被不少手机品牌称为“5G时代旗舰机标配”的LPDDR5,就是在这一指导思想下诞生的。

智能手机通常会会应用最新标准的LPDDR产品,按目前的进展也就是第五代LPDDR5;而一些对性能需求不太高的汽车内嵌存储、台式机等等则可以滞后一点,应用成本较低的LPDDR4、LPDDR3等。

相较上一代LPDDR4标准,2019年2月发布的LPDDR5,支持多Bank Group模式,相当于数据传输从单车道变为多车道,增加更多的并行数据通路,因此其I/O速度从3200MT/s提升到6400MT/s,直接翻了一倍。

如果匹配高端智能机常见的64bit BUS,每秒可以传送51.2GB数据(相当于12部全高清电影)。大家品品,这才是与5G手机相匹配的内存嘛?

除了性能更高之外,到了LPDDR5这一代,其功耗管理水平也提升了。

中国三星官方微博宣称,相同工作速率下,LPDDR5 比 LPDDR4x 功耗节省14%。美光也对外表示,其量产的LPDDR5可以让手机续航时间延长5%到10%。

另外,LPDDR5 引入了数据复制(Data-Copy)和写X(Write-X),可以将单个阵脚的数据直接复制到其它针脚,依靠出色的数据传输速率提升,可以通过高速运转来充分释放处理器的性能,让它以更快的速度处理数据,从而更早地进入“睡眠模式”,也就不用长时间、高负荷地工作。

Write-X则减少了SoC芯片和RAM传递数据时的耗电,这样,就让折叠屏等大尺寸、多任务的高频交互协作在终端成为可能,而不会给手机功耗控制带来过大的压力。

所以,由于LPDDR5能以“零时差”的时间来完成数据的处理并且存储,因此在同时运行视频、游戏、屏幕分享等多个应用时,其反应也更加从容,从而得以解决卡顿、黑屏等问题。

既然如此,是不是所有内存卡都升级成LPDDR5就行了呢?当然不是。三星从2015年开始向LPDDR5过渡,五年时间才推出了第一代相应终端,就足以说明问题。

这就要提到第二个限制手机存储能力进化的技术,那就是闪存。

大家可能会说,闪存不就是一个存放数据的憨憨仓库吗,把它做大,做得比友商还大,不就行了?

但问题是,闪存和内存是一套基础建设,修好了八通道的高速路,但仓库的进出库只靠一个行动迟缓的管理员,是不是有点违和了?

所以,从2011年就开始在手机上应用的eMMC闪存,全称embedded Multi Media Card,即“嵌入式多媒体存储卡”,一种大规模应用在手机或平板电脑等产品的内嵌式存储器标准规格,自然也要跟着发生进化。

从2016年开始,手机处理器开始支持另一种标准——通用闪存存储,Universal Flash Storage,简称UFS。此后,UFS就开始出现在一众高端旗舰手机当中。目前最新的UFS 3.0,单通道带宽可达11.6Gbps,已经相继搭载在三星Note10、魅族16T、iQOO Neo 855等硬件中。

二者的区别在哪里呢?

简而言之,eMMC闪存是基于并行数据传输技术打造,同一时刻只能执行读或者写,所以传输比较慢;而UFS则基于串行数据传输技术,每次只有两个数据通道,传输时速吊打eMMC。所以在安装和打开大型游戏或应用时,UFS 2.1的耗时都更短。

所以很多时候LPDDR5常常会和UFS一起出现。

不过,UFS的终端优势释放,自然也要依靠整体硬件的改变来展现。

这就不得不提到第三个限制技术——uMCP。

MCP全称是Multi Chip Package 多芯片封装,能够简化PCB板的结构,从而让设计、组装、测试良率都得以提高。

上一代的封装技术eMCP,是将eMMC和低功耗DRAM两颗芯片高度集成,从而直接降低手机成本,缩短出货周期,可以说为中低档智能手机的普及做出了不少贡献。

既然是成本神器,符合5G手机全面普及的诉求,又顺应UFS继承eMMC的趋势,所以新的封装技术uMCP,自然也就取代了eMCP,开始上位了。

(三星宣布量产首批12GB LPDDR4X uMCP芯片)

uMCP结合LPDDR和UFS,不仅具有高性能和大容量,同时比PoP封装+分立式eMMC或UFS的解决方案,占用的空间减少了40%。

三星为中端市场推出的12GB uMCP 解决方案,就将颗 24Gb LPDDR4X 芯片与eUFS 3.0 NAND 闪存结合到一个封装中,突破了目前的 8GB 封装限制,可以让中端智能手机也感受到AI功能、4K视频等前沿能力。不久前,又宣布交付全球首款量产应用于高端智能手机的LPDDR5 DRAM 芯片。

不过就在3月11日,三星被美光截胡了,后者打造了业界首个LPDDR5 DRAM和UFS闪存相结合的多芯片封装(uMCP),速度可达6400Mbps,比前一代接口性能提高50%。

这被看做为解决5G数据瓶颈起到至关重要的作用,比如IHS Markit董事迈克尔杨(Michael Yang)就声称,美光科技的uMCP满足了包括5G在内的智能手机当前和新兴的需求。

所以说,随着未来10年5G网络的建成和普及,以及智能边缘设备的增长,从可视门铃到自动驾驶汽车,都将刺激对内存和存储的更多需求。根据客户的需求趋势判断,美光认为2020年,智能手机的平均容量将达到5GB的DRAM和120GB的 NAND。

而uMCP,则是LPDDR5+UFS在5G时代的理想解决方案,三者相结合,才能真的让5G手机体验上升到一个新台阶。

LPDDR5独领风骚,5G存储变革却还在云山之外

既然5G手机在存储方面的表现,要靠多重技术的全面迭代,所以我们说,不能看到LPDDR5就自动联想到“5G旗舰”,因为实在是言之过早了。

究其原因,主要跟新技术标准普及所必然面对的瓶颈有关。

首先,应用了LPDDR5的uMCP芯片,生产难度增大,所以生产成本和采购成本都比较高,更适合运用在追求效能的顶级旗舰机种。

2月12日,三星发布的新一代旗舰智能手机Galaxy S20系列,内存就搭载了全球首发LPDDR5, 5G版本为12GB LPDDR5 RAM。美光LPDDR5采用的是1Y nm光刻技术,基于UFS的多芯片封装(uMCP5)技术应用于智能手机。具体表现如何,还有待市场检验。

此外,为了满足更大内存、闪存的需求,就需要更强悍的“芯脏”处理器,以及更大的电池容量,来保证足够的续航。

这显然不是一件容易的事,因为盲目加大电池只会让手机的爆炸风险更高。如何平衡存储、计算、续航等综合体验,是一件考验顶层设计、研发、权衡的艺术,并不是拿一个供应链解决方案就可以轻松超车的简单操作。

举个例子,UFS在存储文件的打开速度上,和eMMC相比,用户的感知并没有特别大的差异,其体验优势主要在一些100M以上的大型游戏等方面以及文件传输上,集成到uMCP上之后,是否能真正转化为消费者真实可感的快乐,显然离不开PCB设计、针对性优化、实验室测试、生产线品控等层层把关。

另外,可以预见的是,伴随着中国存储产业的进军,比如长江存储去年刚刚重建DRAM事业群,合肥长鑫LPDDR5也在规划中,未来这一标准和存储也将成为中低端手机的标配。

今天被高高举起的“5G旗舰标配”flag,到底是一口毒奶,还是真实的5G加速器,结果只能由消费者自己买单来检验了。

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