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。