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LPDDR5內存韓美企業“三雄爭霸”,中國進展如何?

【文/科工力量 陳辰】

日前,三星、小米發布了各自最新的年度旗艦Galaxy S20和小米10系列。與以往有所不同,LPDDR5這一內存竟成為兩款手機“吹爆”的賣點。其中,小米各高管在微博上密集對LPDDR5進行營銷和“科普”。而三星也早已開始預熱,并搶在小米10前一天“全球首發”LPDDR5。

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2月12日凌晨,三星在美國舊金山發布Galaxy S20系列時宣傳LPDDR5。

相對上一代際的LPDDR4x內存,LPDDR5在速率、功耗和性能等方面著實有較大提升。鑒于此,LPDDR5曾被多家企業高管和媒體稱為“5G時代旗艦機的標配”。而目前,全球僅有三星、美光、SK海力士進入LPDDR5領域競爭角逐,且均已陸續進入1Znm DRAM技術階段。

在中國三大存儲基地中,福建晉華曾受美國“實體清單”制裁,DRAM項目至今處于停擺狀態;長江存儲去年剛剛重建DRAM事業群,正大肆“招兵買馬”,計劃5年內量產;合肥長鑫暫時成為“獨苗”,實現了8Gb DDR4量產,預計今年下半年制造LPDDR4x,LPDDR5則尚在規劃中。

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合肥長鑫存儲Fab1工廠 圖源:新華社

LPDDR5是什么?

首先,先來看下LPDDR5是什么。LPDDR屬于DDR SDRAM的一種,全稱Low Power Double Data Rate,是美國JEDEC固態技術協會(JEDEC Solid State Technology Association)面向低功耗內存而制定的通信標準。LPDDR5代表第五代通信標準。

LPDDR以低功耗、小體積著稱,主要應用于移動端電子產品(如16GB+512GB的前者)。從十余年前誕生至今,這個協議隨著技術的演變和產品需求進行升級和革新。到目前的LPDDR5,LPDDR內存產品應用場景和定制需求等方面出現了明顯代差。

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其中,最常見的智能手機等基本會應用最新標準的LPDDR產品,即LPDDR4或是LPDDR5;至于對性能需求不太高的汽車內嵌存儲、智能硬件內置存儲,以及連接固定電源的臺式機等場景,則可能會應用成本更低的LPDDR4、LPDDR3等。

2019年2月,JEDEC協會正式發布LPDDR5全新低功耗內存標準。相較于LPDDR4標準,LPDDR5的I/O速度從3200MT/s提升到6400MT/s,速度直接翻番。如果匹配高端智能機常見的64bit BUS,每秒可以傳送51.2GB數據;若匹配PC的128bit BUS,每秒可突破100GB數據。

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JEDEC協會認為,LPDDR5有望對下一代便攜電子設備(手機、平板)的性能產生巨大提升,為了實現這一改進,協會標準對LPDDR5體系結構進行了重新設計,轉向最高16 Bank可編程和多時鐘體系結構??紤]到汽車等相關市場需求,LPDDR5引入了鏈路ECC糾錯功能。

此外,LPDDR5還引入了數據復制(Data-Copy)和寫X(Write-X)兩個減少數據傳輸操作的命令來降低整體系統功耗。前者可以將單個陣腳的數據直接復制到其它針腳,提升數據傳輸的效率,后者則減少了SoC和RAM傳遞數據時的耗電。

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圖源:美光,下同

具體而言,LPDDR5較上一代際的LPDDR4x有較多方面優勢。首先,LPDDR4x僅支持Single Bank Group,而LPDDR5支持多Bank Group模式。更多的Bank Group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,提升數據傳輸帶寬。

得益于多Bank Group模式,與上代LPDDR4x相比,LPDDR5的數據傳輸速率從4266Mbps提升至5500Mbps,傳輸帶寬從34GB/s提升到了44GB/s,這是人類歷史目前最高速率的內存規格。未來,這一速率還將分別達到6400Mbps、51.2GB/s,提升50%之多。

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另外,LPDDR4x器件在高速工作時,時鐘為2133MHz,且需要一直保持這樣的狀態。而LPDDR5器件修改了這一設計,時鐘只有800MHz。當讀/寫工作停止時,達到最大工作頻率的WCK信號也會停止,從而降低功耗。同時在低速工作狀態,LPDDR5也可切換至更低的電壓。

韓美企業“三雄爭霸”

與2012年的LPDDR3,2014年的LPDDR4以及2016年的LPDDR4x類似,LPDDR5在今年商用是一個正常的技術迭代。而這背后,在智能手機更高性能和容量需求情況下,是韓國的三星、SK海力士以及美國的美光三家巨頭正在全球LPDDR5這一最新技術領域激烈競爭。

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三星在2018年就開始向LPDDR5標準過渡,開發出業界首款基于第二代10nm制造工藝(1Y nm)的8Gb LPDDR5,2019年7月再次宣布推出業內首款12Gb LPDDR5,并基于8顆12Gb封裝量產12GB LPDDR5。此外,三星還將在今年開發16Gb LPDDR5。

2月12日凌晨,三星發布新了一代旗艦智能手機Galaxy S20系列,整體配置上有不小升級。其中,內存方面全球首發LPDDR5,三星S20/S20+ 4G版本采用8GB LPDDR5 RAM,5G版本為12GB LPDDR5 RAM,S20 Ultra則獨享12/16GB LPDDR5 RAM。

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與此同時,美光也在爭搶LPDDR5“全球首發”。2月6日,美光宣布已交付全球首款量產的LPDDR5,并透露小米10將首發應用該芯片。但由于小米10推遲至2月13日線上發布,這一“全球首發”被三星提前一天截胡,而雷軍也稱小米10同時搭載三星和美光LPDDR5內存。

美光LPDDR5采用的是1Y nm光刻技術,將通過基于UFS的多芯片封裝(uMCP5)技術應用于智能手機,且計劃今年晚些時候推出1Z nm級的產品。整體而言,美光計劃引入至少四種以上的10nm級制造工藝:1Z、1α、1β和1γ,從而使其10nm級制造工藝總數超過6種。

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美光技術路線圖

目前,美光正將1Y nm工藝用于制造12Gb LPDDR4X、16Gb DDR4和12Gb LPDDR5等多種產品,下一代1Z nm將用于生產16Gb LPDDR5以及DDR5存儲器件。而在1Z nm節點后,美光計劃開始使用1αnm和1βnm制造技術,并同時為1γnm技術的可行架構尋找路徑。

韓國另一家公司SK海力士目前主要致力于提高1Znm工藝量產16Gb DDR4,且正在拓展到LPDDR5和HBM2E市場,計劃在2020年規模量產。在今年1月舉辦的CES 2020上,SK海力士展示的LPDDR5芯片頻率已達5500MHz,遠遠高于LPDDR4x-4667,而且功耗更低。

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SK海力士在CES 2020上展示的LPDDR5存儲芯片

綜合來看,根據三星、美光、SK海力士的DRAM技術發展路線,從2019下半年開始,三大廠商均已陸續進入1Znm DRAM技術階段。到2020年,隨著單晶圓(Die)容量已可達到16Gb,預計有望基于8顆16Gb芯片封裝量產16GB LPDDR5,進一步提高容量和性能。

在制造方面,為靈活管理和提高產能,三星正考慮從今年開始將12GB LPDDR5轉移到平澤工廠。而美光計劃對日本廣島工廠進行第二階段投資,即建設F棟制造工廠用于量產1Znm工藝之后的1α、1β技術。未來隨著各廠商產能逐漸放量,LPDDR5的商用步伐將會加快。

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三星平澤工廠

“5G時代旗艦的標配”

多家企業高管和媒體發出這樣的聲音,“LPDDR5將成為 5G時代旗艦手機的標配?!苯刂聊壳?,除了三星和小米之外,中興、Realme、OPPO、努比亞和iQOO等品牌也確認了要采用LPDDR5??梢灶A見,到2020年后期,多數主流5G旗艦機將會搭載LPDDR5。那么,其中的技術邏輯在哪?

首先,功耗問題是移動設備最敏感的問題之一,而5G手機相比4G手機更耗電已成共識。美光方面發布的數據顯示,LPDDR5如果以5.5 Gbps的傳輸速度運行,手機續航時間能夠延長5%-10%;如果以最高的6.4Gbps傳輸速率運行,手機續航時間能夠提高10%以上。

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圖源:美光,下同

這背后的邏輯是:當內存運行速度更快,處理器得以用更快的速度傳輸數據,也就能更早地進入“睡眠模式”,不再花費更多時間高負荷、高耗電地運轉。簡而言之,就是LPDDR5可以降低后臺應用的功耗,更好的滿足5G手機的功耗控制需求。

其次,5G旗艦機的性能表現也受制于內存。眾所周知,CPU是手機數據處理的核心,運行速度快、存儲空間小,而閃存剛好相反,這便需要內存中樞去傳導數據與指令,以使數據處理與數據傳輸速度相匹配。這時,高性能內存對手機整體流暢度提升大有裨益。


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具體而言,在手機拍照邁進億級像素時,LPDDR4需要幾秒的時間才能夠完成處理并且存儲,而LPDDR5能提供一種幾乎“零時差”的體驗。另外,如果同時運行視頻、游戲、屏幕分享等多個App,依靠LPDDR4容易捉襟見肘——出現切換卡頓、黑屏或“殺死”后臺應用,而LPDDR5相對更能應對自如。

自2020年起,5G網絡正加快普及,5G云游戲、AI運算等場景更是會帶來終端數據吞吐量的成倍增長。LPDDR5高性能內存可以有效降低云游戲延遲、確保AI運算數據實時同步,以及為5G相關服務的衍生與發展做好更充分的終端性能保障。

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例如在使用LPDDR5之后,智能手機的邊緣計算就能夠成為一個數據處理的樞紐,能夠支持數據處理、人工智能并且減輕云計算的負載,使得很多云計算功能轉移到邊緣計算,能夠充分利用高速網絡、5G帶寬以及高速高容量的內存。

值得注意,隨著5G的應用和處理器性能提升,智能手機對LPDDR5的需求趨于明顯,移動辦公已經成為可能。其中,折疊屏的出現讓移動端能像PC一樣進行多任務操作,大尺寸、5G低時延和LPDDR5共同協作以實現這樣的創新體驗。

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華為Mate X折疊屏手機

然而,新技術的誕生往往意味著產能爬坡、良率問題,反饋到市場上即采購成本較高??梢哉f,手機廠商將無法回避采購價格和性能提升之間的矛盾。雷軍也曾表示,“LPDDR5唯一缺點就是成本比較貴”。但預計過一段時間也會降到合理水平,并下沉至更多中高端5G智能手機中。

中國公司進展如何?

在LPDDR5將成“5G時代旗艦標配”背后,三星、美光、SK海力士不僅走在存儲芯片技術前沿,擁有大量專利,而且市場占有率總計接近95%。而國內相關技術積累較薄弱,自給能力不足。賽迪數據顯示,2018年中國大陸進口存儲芯片價值已超1200億美元,同比增38.3%。

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DRAMeXchange數據截圖

突圍存儲行業成為國家戰略議題。2014年6月,國務院印發《國家集成電路產業發展推進綱要》,開始集中力量發展存儲芯片等。在布局的三大基地中,武漢新芯于2016年7月被紫光集團收購,后更名為長江存儲。該公司擁有規模為240億美元的存儲芯片制造中心,但主要是NAND閃存。

與長江存儲不同,福建晉華成立初期致力于DRAM存儲芯片開發。不過,由于相對缺乏技術積累,晉華選擇了與臺灣聯電合作引進技術的道路。自2016年5月起,晉華提供數億美元資金采購研發設備,委托聯電開發DRAM相關制程技術。成果雙方共有,整體技術完成后,再轉移到晉華進行量產。

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在晉華已整體投入達約56億美元時,原本預計于2018年底投入DRAM內存的試產,這將意味著中國大陸首個DRAM內存自制成功。但是由于美光公司的訴訟,美國政府在2018年10月將晉華列入“實體名單”,并實行禁運。隨后聯電宣布中止與晉華合作,撤走研發人員,整個工程陷入停擺至今。

在國際新態勢下,紫光集團于去年6月宣布重啟DRAM計劃并組建DRAM事業群,由曾任工信部電子信息司司長的刁石京出任董事長,“臺灣DRAM教父”高啟全任DRAM事業群CEO。不到兩個月后,紫光集團在重慶成立紫光國芯公司,建設DRAM存儲芯片制造工廠,計劃2021年完成。

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高啟全


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坂本幸雄

存儲行業人才是“瑰寶”。紫光集團于2019年11月15日再宣布,前日本爾必達社長坂本幸雄出任集團高級副總裁兼日本分公司CEO。他后來在接受采訪時曾表示,紫光的目標是5年內量產DRAM內存,且將在日本設立開發中心。據悉,紫光內部已計劃在未來十年內投資8000億元人民幣,以加快DRAM量產。

目前,國內DRAM內存的最大希望在于合肥長鑫存儲。去年9月20日,長鑫存儲在世界制造業大會上宣布:總投資約1500億元的長鑫存儲內存芯片項目正式投產,同時其10nm級第一代8Gb DDR4在大會上首度亮相。這標志我國在DRAM內存芯片領域實現量產技術突破。

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據悉,長鑫存儲正在使用10G1工藝技術(即19nm工藝)制造4GB和8GB的DDR4內存芯片,目標是在2020年第一季度上市,并將使用同樣的技術在2020年下半年制造 LPDDR4X內存。長鑫存儲的技術路線圖包括17nm的DDR4、LPDDR4X、DDR5和LPDDR5內存,但尚未公布具體時間。

在產能方面,長鑫存儲12英寸晶圓制造基地項目于2016年由合肥產投和北京兆易創新合作投資,是中國大陸唯一擁有完整技術、工藝和生產運營團隊的DRAM項目,也是安徽省單體投資最大的工業項目。當前月產能2萬片,該公司計劃在2020年第二季度將產能提高一倍,約占全球內存產能的3%。

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為提升產能,長鑫存儲計劃再建兩座晶圓廠,圖為廠房效果圖。圖源:長鑫存儲

值得一提,長鑫存儲最初的DRAM技術重要來源是德國的奇夢達。通過與這家曾位居全球第二的DRAM制造商合作,其將一千多萬份有關 DRAM 的技術文件及 2.8TB 數據收歸囊中。目前,長鑫存儲已拓展更廣泛的研發合作,且一直在從韓國和中國臺灣地區招募工程師,以建立DRAM相關人才儲備。

結語

相比前代產品LPDDR4x,LPDDR5確實具備更優異的性能、速率和功耗表現,但還不至于所謂的“跨越性升級換代”。某種程度上,LPDDR4屬于4G手機時代,而LPDDR5似乎為5G手機而生,并且具備更好的應用擴展性。在這一具備市場前景的領域,三星、美光和SK海力士已然開始攻城略地,并將與“買單”的智能手機廠商相互推動或拉鋸。

LPDDR5內存韓美企業“三雄爭霸”,中國進展如何?

2019年8月27日,重慶市與紫光集團簽署項目合作協議,建設DRAM存儲芯片制造工廠。

鑒于當前國際形勢和存儲行業現狀,中國不僅需要有自主的DRAM制造能力,也需要奮起直追、以先進產品破局。盡管行業存在高投入、高風險、周期長等特性,但如果政府統籌發展、整合各方資源,企業堅持長期、大力投入科研,市場積極推進國產化戰略等方面有機化合,或許有理由相信:在14億人的大地上并無難事,“只要肯登攀”。

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