LPDDR在智能終端中的應(yīng)用和性能分析

吳旭

（上海銳嘉科科技集團(tuán) 上海 201315）

LPDDR在智能終端中的應(yīng)用和性能分析

吳旭

（上海銳嘉科科技集團(tuán) 上海 201315）

基于不同產(chǎn)品對(duì)內(nèi)存具有不同需求，通過對(duì)LPDDR發(fā)展趨勢(shì)介紹，結(jié)合LPDDR2與LPDDR3不同類型、型號(hào)等性能對(duì)比。尤其是最近發(fā)展的LPDDR4新技術(shù)介紹，根據(jù)芯片頻率和功耗等參數(shù)對(duì)比，在智能終端板型趨于小型化和整機(jī)超薄基礎(chǔ)上，在提高系統(tǒng)性能、更大存儲(chǔ)空間前提下，同時(shí)希望終端具有更長(zhǎng)待機(jī)和操作系統(tǒng)時(shí)間，在具體項(xiàng)目中可以根據(jù)產(chǎn)品性能和客戶需求做到最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

LPDDR；性能；功耗；智能終端

早期智能手機(jī)嵌入式存儲(chǔ)主流方案為NAND MCP，即把SLC NAND Flash與低功耗DRAM封裝在一起，具有生產(chǎn)成本低、技術(shù)相對(duì)成熟等優(yōu)勢(shì)，主要規(guī)格有4+2（4Gb SLC+2Gb LPDDR1/2）、4+4（SLC與LPDDR1/2 4Gb）等。隨著終端所用操作系統(tǒng)的程序代碼容量變大，特別是隨著Android操作系統(tǒng)的廣泛流行，廠商希望在手機(jī)中預(yù)裝大量程序及軟件，SLC NAND Flash已很難滿足手機(jī)對(duì)存儲(chǔ)容量的需求。三星等廠商開始將eMMC和低功耗DRAM封裝在一起，滿足手機(jī)等便攜式終端對(duì)較大容量的要求，eMCP存儲(chǔ)方案開始得到客戶接受，在手機(jī)行業(yè)中廣泛應(yīng)用。目前應(yīng)用較廣的eMCP規(guī)格有4+4（eMMC和LPDDR1/2 4Gb）、8+8（8GB eMMC+8Gb LPDDR2）和16+16（16GB eMMC+16Gb LPDD2/3）等。

1　LPDDR技術(shù)更新

Low Power Double Data Rate SDRAM，是DDR SDRAM的一種，又稱為 mDDR（Mobile DDR SDRM），是美國(guó)JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì) （JEDEC Solid State Technology Association）面向低功耗內(nèi)存而制定的通信標(biāo)準(zhǔn)，以低功耗和小體積著稱，專門用于移動(dòng)式電子產(chǎn)品。

第二代低功耗內(nèi)存技術(shù)LPDDR2的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范于2010年12月正式發(fā)布。LPDDR2計(jì)劃用于智能手機(jī)、PDA、GPS單元以及便攜式游戲機(jī)等移動(dòng)產(chǎn)品。其特征主要有3點(diǎn)：

1）與此前標(biāo)準(zhǔn)（LPDDR）相比，加大了節(jié)能技術(shù)的支持。在接口 （I/O）與內(nèi)部的電壓和內(nèi)部電壓兩方面，原來的LPDDR為+1.8 V，而此時(shí)的LPDDR2還支持+1.2 V。并且，還支持更新部分內(nèi)存陣列的“Partial Array Self Refresh”和“Per-Bank Refresh”。

2）非易失性內(nèi)存（閃存）和易失性內(nèi)存（SDRAM）可共用接口，第一次采用共用接口設(shè)計(jì)，這樣可降低控制器的引腳數(shù)，提高內(nèi)存子系統(tǒng)周圍的安裝密度。

3）擴(kuò)大了支持的內(nèi)存容量和特性范圍。支持的工作頻率為100～533 MHz。數(shù)據(jù)位寬為×8、×16和×32，有2 bit和4 bit兩種。閃存容量為64 Mbit～32 Gbit，DRAM為64 Mbit～8 Gbit。

第三代低功耗內(nèi)存技術(shù)LPDDR3的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范于2012年5月正式發(fā)布。LPDDR3還支持PoP（Package on Package）堆疊封裝和獨(dú)立封裝，以滿足不同類型移動(dòng)設(shè)備的需要。除了支持LPDDR2特性基礎(chǔ)之外，LPDDR3重點(diǎn)加入了如下新技術(shù)：

1）Write-Leveling and CA Training（寫入均衡與指令地址調(diào)用）：可讓內(nèi)存控制器補(bǔ)償信號(hào)偏差，確保內(nèi)存運(yùn)行于業(yè)內(nèi)最快輸入總線速度的同時(shí)，維持?jǐn)?shù)據(jù)輸入設(shè)定、指令與地址輸入時(shí)序均滿足需求。

2）On Die Termination（片內(nèi)終結(jié)器/ODT）：可選技術(shù)，為L(zhǎng)PDDR3數(shù)據(jù)平面增加一個(gè)輕量級(jí)終結(jié)器，改進(jìn)高速信號(hào)傳輸，并盡可能降低對(duì)功耗、系統(tǒng)操作和針腳計(jì)數(shù)的影響。

2　LPDDR性能與功耗對(duì)比

2.1LPDDR2與LPDDR3主頻性能

市場(chǎng)上LPDDR3有800 MHz和933 MHz產(chǎn)品，而LPDDR2只有533 MHz產(chǎn)品（早期有400 MHz的）。由于性能的增加主要依賴時(shí)鐘的頻率，因此LPDDR3相對(duì)LPDDR2具有較大的性能［1］提升。

圖1　LPDDR2和LPDDR3的時(shí)鐘頻率

2.2LPDDR2與LPDDR3功耗性能差異

從圖2中LPDDR功耗［1］數(shù)據(jù)可以看出：

待機(jī)電流（IDD2P/IDD6）：LPDDR3與LPDDR2一致；

工 作 電 流（IDD4R/4W）：LP3（1600Mbps）為L(zhǎng)P2 （800Mbps）的1.6～1.7倍。

備注：此數(shù)據(jù)基于存儲(chǔ)器物料Datasheet（同溫度下測(cè)試數(shù)據(jù)）。

由于功耗和CLK的頻率是成正比的，所以LPDDR3與LPDDR2相比，伴隨主頻的提高 LPDDR3物料功耗高于LPDDR2系列產(chǎn)品。

圖2　LPDDR2和LPDDR3功耗數(shù)據(jù)

除了eMCP的耗電之外，對(duì)移動(dòng)終端來說，決定整機(jī)功耗還有LCM和CPU等，尤其是LCM在整個(gè)系統(tǒng)中占耗電大部分。對(duì)4.5寸LCM，LCM背光為10顆Led（10*20 mA=200 mA）；對(duì)5寸或者6寸LCM，背光通常有12或者14顆Led，這樣光LCM背光耗電超過200 mA（最亮情況下）。出于整機(jī)功耗和顯示均勻性方面考慮，一些項(xiàng)目或者設(shè)備采用AMOLED （Active-matrix organic light emitting diode）背光方案。

圖3　LPDDR2與LPDDR3在系統(tǒng)中功耗比重

從此圖3看出，基于Tablet（平板）元器件功耗，僅在DRAM從LPDDR2變更為L(zhǎng)PDDR3，增加的功耗在整個(gè)終端功耗的7％左右。

2.3LPDDR4 RAM新技術(shù)

64位、多核處理器是目前智能手機(jī)行業(yè)最熱門的技術(shù)之一，目前一些旗艦機(jī)型開始配置LPDDR4 RAM內(nèi)存［2］。LPDDR4 RAM的兩個(gè)主要新特性是雙倍數(shù)據(jù)速率以及低功耗。首先，它被設(shè)計(jì)為雙通道、每個(gè)通道16位，總共為32位，降低了處理器核心的壓力，17 GB/s的帶寬可優(yōu)先提升手機(jī)的處理速度。另一方面，LPDDR4 RAM將工作電壓從1.2 V降至1.1 V，同時(shí)還支持改進(jìn)的節(jié)能低頻模式，在進(jìn)行簡(jiǎn)單的后臺(tái)任務(wù)時(shí)，能夠降低時(shí)鐘的頻率，從而進(jìn)一步提升電池壽命。

新媒體如慢動(dòng)作視頻、人臉識(shí)別、3D攝像頭捕捉都需要較大的RAM帶寬，LPDDR4顯然可以滿足這部分的需求，同時(shí)也可以支持2000萬像素及更高的攝像頭傳感器。智能手機(jī)硬件結(jié)構(gòu)也是處理器+運(yùn)行內(nèi)存+圖形芯片+存儲(chǔ)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)模式，更先進(jìn)的RAM運(yùn)行內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)，毫無疑問會(huì)充分發(fā)揮處理器的潛力，形成更好的性能。也有利于手機(jī)提升處理效率、延長(zhǎng)電池壽命。

目前，采用高通驍龍810及三星Exynos7420處理器的機(jī)型如LG G Flex2、samsungS6/S6 Edge都采用LPDDR4 RAM，意味著今年后續(xù)的Android旗艦手機(jī)將會(huì)成為標(biāo)配。不過，LPDDR4 RAM向中低端機(jī)型普及，還需要一定的時(shí)間。

2.4不同類型和內(nèi)存對(duì)底電流影響

從表1中IDD6自刷新電流數(shù)據(jù)看出，LPDDR的容量增加一倍，會(huì)造成自刷新電流增加一倍。反映在整機(jī)系統(tǒng)底電流［3-5］就增加0.5～1 mA，同時(shí)芯片的功耗受溫度影響較大。

以MT6589手機(jī)平臺(tái)為例，室溫25℃環(huán)境下手機(jī)整機(jī)底電流在2.5 mA左右 （此數(shù)據(jù)基于VM=1m A，使用不同的memory，VM耗電就可能不一樣，這樣底電流數(shù)據(jù)需要根據(jù)VM實(shí)際耗電大小來做加減）。

同樣由于IC制程原因，MT6589平臺(tái)底電流受環(huán)境溫度影響較大，溫度越高底電流越大，當(dāng)處在-25℃時(shí)底電流可能降低至1.5 mA，溫度在60℃可能接近5 mA。

表1　IDD6局部數(shù)據(jù)自刷新電流

圖4　eMMC+LPDDR2/3芯片尺寸

3　eMCP容量和封裝大小

eMCP是指將eMMC+LPDDR2/3 DRAM封裝在一起，而eMMC內(nèi)集成閃存與閃存控制器。LPDDR主頻很高，當(dāng)LPDDR與eMMC封裝在一起，eMMC型號(hào)很容易對(duì)LPDDR直接產(chǎn)生干擾，這樣對(duì)于基材設(shè)計(jì)、封裝工藝要求都非常高。eMMC由于協(xié)議復(fù)雜，容易出現(xiàn)與主芯片平臺(tái)調(diào)試兼容性問題，兩個(gè)芯片種類疊加在一起，無疑增加出現(xiàn)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的概率。一個(gè)eMCP中通常有1個(gè)eMMC控制器芯片的KGD （Know Good Die），多顆Nand Flash KGD，還有多個(gè)LPDDR2/ 3的KGD。受限于技術(shù)和工藝上的困難，在標(biāo)準(zhǔn)尺寸11.5 mm× 13 mm下eMCP容量再做大就很困難［6］。

以16GB+1GB為例，按照目前主流水平，需要疊加4顆Nand Flash KGD，2顆DRAM KGD，一顆eMMC控制KGD，而芯片厚度為1 mm在標(biāo)準(zhǔn)尺寸11.5 mm×13 mm下，難度可想而知。對(duì)大容量（≧16Gb）LPDDR2來說，以186 Ball為主，同時(shí)導(dǎo)致芯片尺寸變大很多。市場(chǎng)上eMMC+LPDDR2的16GB+16Gb容量也有162 Ball物料，但是少之甚少，不能作為主流。據(jù)說此物料個(gè)別公司在專項(xiàng)壓力測(cè)試時(shí)，偶爾出現(xiàn)一些系統(tǒng)異常故障。

對(duì)常用的eMMC+LPDDR3物料，均為221 Ball封裝形式。目前，一些高端智能終端逐漸采用Pop（PackageonPackage）形式，Pop封裝將智能手機(jī)的主芯片CPU與LPDDR2/3封在一起，這樣走線更簡(jiǎn)單并且可以較好地解決高主頻下EMI （Electromagnetic Interference）和SI（信號(hào)完整性）問題。Pop同時(shí)可以做雙通道，可以跑更高頻率，使得整機(jī)性能更好。

4　結(jié)　論

LPDDR物料在便攜式終端得到廣泛應(yīng)用，伴隨智能終端的普及和大力應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)整體性能提出更高的要求。本文在介紹LPDDR發(fā)展趨勢(shì)基礎(chǔ)上，通過不同LPDDR在系統(tǒng)中使用帶來功耗和性能對(duì)比，說明LPDDR3是目前移動(dòng)終端設(shè)備一種較好的性能比選擇。伴隨技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品更新?lián)Q代，可以相信LPDDR4 RAM會(huì)逐漸從旗艦機(jī)型中走向中低端機(jī)型中，給消費(fèi)者帶來更快、更便攜的用戶體現(xiàn)效果。

［1］Rex sun.Samsung LPDDR3 DC Current characteristics［R］.2014.

［2］高翔.LPDDR4 RAM對(duì)于手機(jī)意味著什么［EB/OL］.［2015-04-13］.www.52rd.com.

［3］K.N.Kang.KMKUS000VM-B410 8GB e.MMC+8Gb DDP LPDDR2 S4 SDRAM［M］.2012.

［4］J.Y.Bae.KMR8X0001M-B608 16GB e.MMC+16Gb QDP LPDDR3 SDRAM［M］.2013.

［5］K.N.Kang.KMI8U000MA-B605 16GB e.MMC+16Gb QDP LPDDR2 S4 SDRAM［M］.2013.

［6］孫昌旭.智能手機(jī)Flash/DRAM選擇、配置與價(jià)格大全［C］.電子工程專輯，2013.

Application and performance analysis of LPDDR in the smart terminal

WU Xu
（Ragentek Technology Group of Shanghai，Shanghai 201315，China）

In order to satisfy the requirement of the different products based on different memory，through the introduction of LPDDR development trend and the combined LPDDR2 with LPDDR3 different models such as type，performance contrast. Especially the recent development of the LPDDR4 new technology is introduced，combined with the chip frequency and power parameters have been contrasted，with the intelligent terminal board type tend to miniaturization and the whole machine based on ultra-thin，in improving system performance，more storage space，at the same time hope to has a longer standby and the operating system time，in the specific project can be done optimization design according to the product performance and customer demand.

LPDDR；performance；power consumption；smart terminal

TN929.53

A

1674－6236（2016）16-0164-03

2015-08-02稿件編號(hào)：201508002

吳 旭（1977—），男，上海人，碩士。研究方向：信號(hào)與信息處理，移動(dòng)終端硬件設(shè)計(jì)。