2020 年 5G 旗艦手機的標配是什么?密密麻麻的攝像頭,人工智能芯片,Wi-Fi6 技術,屏下指紋識別?最近手機廠商紛紛開麥,表示 LPDDR5 必須有姓名。

 

LPDDR,全稱 Low Power Double Data Rate,是美國 JEDEC 固態技術協會面向低功耗內存而制定的通信標準。而 LPDDR5,作為當下最新的內存標準,聽起來似乎沒毛病。

 

畢竟什么億級像素、4K 高清視頻、VR 游戲等等各種炫酷的 5G 創新應用和交互,都需要高通量的數據讀寫與存儲空間來支撐。

 

 

而一個有意思的現象是,內存升級往往是上游制造商主動發布新硬件,比如三星公司(Samsung)正在大力宣傳其最新的 LPDDR5 智能手機,聲稱為 5G 和 AI 智能手機做好了準備,而不是被動等待市場的自主進化與選擇。

 

相繼在存儲上做文章的手機廠商,又在其中扮演了何種角色呢?

 

5G 時代的內存和閃存,需要怎樣的超能力?

 

 

“請問怎么樣才算對手機存儲入門了?”

 

“很簡單,你只要把 DRAM、NAND、LPDDR3、LPDDR4、LPDDR4x、LPDDR5、eMMC、UFC、uMCP 等都學一遍,就算了解了一點皮毛吧。”

 

觀看數個小時的手機發布會,小朋友,你是否有很多問號??

 

所以,我們今天就試圖抽絲剝繭地解釋這個問題。

 

我們知道,智能手機的內存管理機制和電腦的工作流程其實是差不多的。

 

閃存 ROM 就像是一個巨大的蓄水池,里面存儲的都是可以長期存在的資源,拍下的照片、下載的視頻、收發的文檔等等,都保存在這里。

 

如果說閃存 ROM 突顯的是家大業大的“富有感”,那么閃存 RAM 就像是家門口的大馬路,是手機芯片和數據之間的橋梁,人類發出的程序和指令都要通過內存發送給處理器(高性能芯片)進行運算,進而再將處理好的數據傳送回去。越寬敞的馬路,自然更容易獲得“主播帶你上高速”的爽感。

 

智能手機的豐富功能,也讓內存必須實現“多車道通行”,也就是多任務同時運行的能力。“清障功能”也必不可少,一旦發現有任務在道路上停留占道,防止其他應用順滑運行,自然也要想辦法關閉它。這也是許多“XX 管家”清理功能所干的事兒。

 

那么,5G 的到來,又給手機內存帶來了哪些新的挑戰呢?

 

首先,是“流量”的增大。5G 有著更高的容量和更快的速度,需要處理器完成對內存數據大通量吞吐的要求。

 

像是 4K 視頻傳輸、傳感器交互、智能汽車等 AI 級能力,內存的寫入和讀取效率都直接決定著用于體驗。

 

 

其次,為了保證快速的響應時間,5G 開始應用分布式計算,很多數據處理也被從中心網絡下放到了邊緣處理器。尤其是對任務低時延的考驗,在線游戲、人工現實(AR)和虛擬現實(VR)、自動駕駛,甚至遠程手術等等。

 

因此內存也開始需要考慮對異構數據的處理能力,即附加各種計算元素的需求,讓其走到哪里都能夠為高性能處理器提供充沛、通暢的“原料”。

 

最后,對內存能耗的管理效率也需要提升。手機外殼、電池可以維修和更換,但內存卻必須擁有高持久性和安全性,至少在換機周期內必須足夠堅強。

 

而當 5G 與 4G 融合時,各種傳輸點、傳輸塔和其他網絡鏈路之間的通信,也增加了對閃存、內存等關鍵元件在耐用性、耐溫性等方面的要求。

 

因為 5G 流媒體傳輸會攜帶更多的數據(比如高質量的視頻),這就要求內存到閃存之前要緩沖的幀數就越多。一些復雜的智能推斷任務,也需要更高級別的帶寬,將直接導致壓力和損耗,降低內存的壽命。

 

沒有用戶會愿意購買一臺先天壽命短暫的手機。所以,內存的發展勢必會朝著帶寬更大、功耗更低的方向發展。

 

內存向何處進化?1+1+1>3 的路線圖

 

 

既然內存是 5G 手機的壓力源,那么直接拉升內存的技術高度行不行呢?

 

近期被不少手機品牌稱為“5G 時代旗艦機標配”的 LPDDR5,就是在這一指導思想下誕生的。

 

智能手機通常會會應用最新標準的 LPDDR 產品,按目前的進展也就是第五代 LPDDR5;而一些對性能需求不太高的汽車內嵌存儲、臺式機等等則可以滯后一點,應用成本較低的 LPDDR4、LPDDR3 等。

 

相較上一代 LPDDR4 標準,2019 年 2 月發布的 LPDDR5,支持多 Bank Group 模式,相當于數據傳輸從單車道變為多車道,增加更多的并行數據通路,因此其 I/O 速度從 3200MT/s 提升到 6400MT/s,直接翻了一倍。

 

如果匹配高端智能機常見的 64bit BUS,每秒可以傳送 51.2GB 數據(相當于 12 部全高清電影)。大家品品,這才是與 5G 手機相匹配的內存嘛?

 

除了性能更高之外,到了 LPDDR5 這一代,其功耗管理水平也提升了。

 

中國三星官方微博宣稱,相同工作速率下,LPDDR5 比 LPDDR4x 功耗節省 14%。美光也對外表示,其量產的 LPDDR5 可以讓手機續航時間延長 5%到 10%。

 

 

另外,LPDDR5 引入了數據復制(Data-Copy)和寫 X(Write-X),可以將單個陣腳的數據直接復制到其它針腳,依靠出色的數據傳輸速率提升,可以通過高速運轉來充分釋放處理器的性能,讓它以更快的速度處理數據,從而更早地進入“睡眠模式”,也就不用長時間、高負荷地工作。

 

Write-X 則減少了 SoC 芯片和 RAM 傳遞數據時的耗電,這樣,就讓折疊屏等大尺寸、多任務的高頻交互協作在終端成為可能,而不會給手機功耗控制帶來過大的壓力。

 

所以,由于 LPDDR5 能以“零時差”的時間來完成數據的處理并且存儲,因此在同時運行視頻、游戲、屏幕分享等多個應用時,其反應也更加從容,從而得以解決卡頓、黑屏等問題。

 

既然如此,是不是所有內存卡都升級成 LPDDR5 就行了呢?當然不是。三星從 2015 年開始向 LPDDR5 過渡,五年時間才推出了第一代相應終端,就足以說明問題。

 

這就要提到第二個限制手機存儲能力進化的技術,那就是閃存。

 

大家可能會說,閃存不就是一個存放數據的憨憨倉庫嗎,把它做大,做得比友商還大,不就行了?

 

但問題是,閃存和內存是一套基礎建設,修好了八通道的高速路,但倉庫的進出庫只靠一個行動遲緩的管理員,是不是有點違和了?

 

所以,從 2011 年就開始在手機上應用的 eMMC 閃存,全稱 embedded Multi Media Card,即“嵌入式多媒體存儲卡”,一種大規模應用在手機或平板電腦等產品的內嵌式存儲器標準規格,自然也要跟著發生進化。

 

從 2016 年開始,手機處理器開始支持另一種標準——通用閃存存儲,Universal Flash Storage,簡稱 UFS。此后,UFS 就開始出現在一眾高端旗艦手機當中。目前最新的 UFS 3.0,單通道帶寬可達 11.6Gbps,已經相繼搭載在三星 Note10、魅族 16T、iQOO Neo 855 等硬件中。

 

二者的區別在哪里呢?

 

簡而言之,eMMC 閃存是基于并行數據傳輸技術打造,同一時刻只能執行讀或者寫,所以傳輸比較慢;而 UFS 則基于串行數據傳輸技術,每次只有兩個數據通道,傳輸時速吊打 eMMC。所以在安裝和打開大型游戲或應用時,UFS 2.1 的耗時都更短。

 

 

所以很多時候 LPDDR5 常常會和 UFS 一起出現。

 

不過,UFS 的終端優勢釋放,自然也要依靠整體硬件的改變來展現。

 

這就不得不提到第三個限制技術——uMCP。

 

MCP 全稱是 Multi Chip Package 多芯片封裝,能夠簡化 PCB 板的結構,從而讓設計、組裝、測試良率都得以提高。

 

上一代的封裝技術 eMCP,是將 eMMC 和低功耗 DRAM 兩顆芯片高度集成,從而直接降低手機成本,縮短出貨周期,可以說為中低檔智能手機的普及做出了不少貢獻。

 

既然是成本神器,符合 5G 手機全面普及的訴求,又順應 UFS 繼承 eMMC 的趨勢,所以新的封裝技術 uMCP,自然也就取代了 eMCP,開始上位了。

 

(三星宣布量產首批 12GB LPDDR4X uMCP 芯片)

 

uMCP 結合 LPDDR 和 UFS,不僅具有高性能和大容量,同時比 PoP 封裝+分立式 eMMC 或 UFS 的解決方案,占用的空間減少了 40%。

 

三星為中端市場推出的 12GB uMCP 解決方案,就將顆 24Gb LPDDR4X 芯片與 eUFS 3.0 NAND 閃存結合到一個封裝中,突破了目前的 8GB 封裝限制,可以讓中端智能手機也感受到 AI 功能、4K 視頻等前沿能力。不久前,又宣布交付全球首款量產應用于高端智能手機的 LPDDR5 DRAM 芯片。

 

不過就在 3 月 11 日,三星被美光截胡了,后者打造了業界首個 LPDDR5 DRAM 和 UFS 閃存相結合的多芯片封裝(uMCP),速度可達 6400Mbps,比前一代接口性能提高 50%。

 

這被看做為解決 5G 數據瓶頸起到至關重要的作用,比如 IHS Markit 董事邁克爾楊(Michael Yang)就聲稱,美光科技的 uMCP 滿足了包括 5G 在內的智能手機當前和新興的需求。

 

 

所以說,隨著未來 10 年 5G 網絡的建成和普及,以及智能邊緣設備的增長,從可視門鈴到自動駕駛汽車,都將刺激對內存和存儲的更多需求。根據客戶的需求趨勢判斷,美光認為 2020 年,智能手機的平均容量將達到 5GB 的 DRAM 和 120GB 的 NAND。

 

而 uMCP,則是 LPDDR5+UFS 在 5G 時代的理想解決方案,三者相結合,才能真的讓 5G 手機體驗上升到一個新臺階。

 

LPDDR5 獨領風騷,5G 存儲變革卻還在云山之外

 

 

既然 5G 手機在存儲方面的表現,要靠多重技術的全面迭代,所以我們說,不能看到 LPDDR5 就自動聯想到“5G 旗艦”,因為實在是言之過早了。

 

究其原因,主要跟新技術標準普及所必然面對的瓶頸有關。

 

首先,應用了 LPDDR5 的 uMCP 芯片,生產難度增大,所以生產成本和采購成本都比較高,更適合運用在追求效能的頂級旗艦機種。

 

2 月 12 日,三星發布的新一代旗艦智能手機 Galaxy S20 系列,內存就搭載了全球首發 LPDDR5, 5G 版本為 12GB LPDDR5 RAM。美光 LPDDR5 采用的是 1Y nm 光刻技術,基于 UFS 的多芯片封裝(uMCP5)技術應用于智能手機。具體表現如何,還有待市場檢驗。

 

此外,為了滿足更大內存、閃存的需求,就需要更強悍的“芯臟”處理器,以及更大的電池容量,來保證足夠的續航。

 

這顯然不是一件容易的事,因為盲目加大電池只會讓手機的爆炸風險更高。如何平衡存儲、計算、續航等綜合體驗,是一件考驗頂層設計、研發、權衡的藝術,并不是拿一個供應鏈解決方案就可以輕松超車的簡單操作。

 

舉個例子,UFS 在存儲文件的打開速度上,和 eMMC 相比,用戶的感知并沒有特別大的差異,其體驗優勢主要在一些 100M 以上的大型游戲等方面以及文件傳輸上,集成到 uMCP 上之后,是否能真正轉化為消費者真實可感的快樂,顯然離不開 PCB 設計、針對性優化、實驗室測試、生產線品控等層層把關。

 

另外,可以預見的是,伴隨著中國存儲產業的進軍,比如長江存儲去年剛剛重建 DRAM 事業群,合肥長鑫 LPDDR5 也在規劃中,未來這一標準和存儲也將成為中低端手機的標配。

 

今天被高高舉起的“5G 旗艦標配”flag,到底是一口毒奶,還是真實的 5G 加速器,結果只能由消費者自己買單來檢驗了。