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科工力量:LPDDR5内存韩美企业“三雄争霸”,中国进展如何?

2020-02-19 07:27:11

【文/ 科工力量专栏作者 陈辰】

日前,三星、小米发布了各自最新的年度旗舰Galaxy S20和小米10系列。与以往有所不同,LPDDR5这一内存竟成为两款手机“吹爆”的卖点。其中,小米各高管在微博上密集对LPDDR5进行营销和“科普”。而三星也早已开始预热,并抢在小米10前一天“全球首发”LPDDR5。

2月12日凌晨,三星在美国旧金山发布Galaxy S20系列时宣传LPDDR5。

相对上一代际的LPDDR4x内存,LPDDR5在速率、功耗和性能等方面着实有较大提升。鉴于此,LPDDR5曾被多家企业高管和媒体称为“5G时代旗舰机的标配”。而目前,全球仅有三星、美光、SK海力士进入LPDDR5领域竞争角逐,且均已陆续进入1Znm DRAM技术阶段。

在中国三大存储基地中,福建晋华曾受美国“实体清单”制裁,DRAM项目至今处于停摆状态;长江存储去年刚刚重建DRAM事业群,正大肆“招兵买马”,计划5年内量产;合肥长鑫暂时成为“独苗”,实现了8Gb DDR4量产,预计今年下半年制造LPDDR4x,LPDDR5则尚在规划中。

合肥长鑫存储Fab1工厂 图源:新华社

LPDDR5是什么?

首先,先来看下LPDDR5是什么。LPDDR属于DDR SDRAM的一种,全称Low Power Double Data Rate,是美国JEDEC固态技术协会(JEDEC Solid State Technology Association)面向低功耗内存而制定的通信标准。LPDDR5代表第五代通信标准。

LPDDR以低功耗、小体积著称,主要应用于移动端电子产品(如16GB+512GB的前者)。从十余年前诞生至今,这个协议随着技术的演变和产品需求进行升级和革新。到目前的LPDDR5,LPDDR内存产品应用场景和定制需求等方面出现了明显代差。

其中,最常见的智能手机等基本会应用最新标准的LPDDR产品,即LPDDR4或是LPDDR5;至于对性能需求不太高的汽车内嵌存储、智能硬件内置存储,以及连接固定电源的台式机等场景,则可能会应用成本更低的LPDDR4、LPDDR3等。

2019年2月,JEDEC协会正式发布LPDDR5全新低功耗内存标准。相较于LPDDR4标准,LPDDR5的I/O速度从3200MT/s提升到6400MT/s,速度直接翻番。如果匹配高端智能机常见的64bit BUS,每秒可以传送51.2GB数据;若匹配PC的128bit BUS,每秒可突破100GB数据。

JEDEC协会认为,LPDDR5有望对下一代便携电子设备(手机、平板)的性能产生巨大提升,为了实现这一改进,协会标准对LPDDR5体系结构进行了重新设计,转向最高16 Bank可编程和多时钟体系结构。考虑到汽车等相关市场需求,LPDDR5引入了链路ECC纠错功能。

此外,LPDDR5引入了数据复制(Data-Copy)和写X(Write-X)两个减少数据传输操作的命令来降低整体系统功耗。前者可以将单个阵脚的数据直接复制到其它针脚,提升数据传输的效率,后者则减少了SoC和RAM传递数据时的耗电。

图源:美光,下同

具体而言,LPDDR5较上一代际的LPDDR4x有较多方面优势。首先,LPDDR4x仅支持Single Bank Group,而LPDDR5支持多Bank Group模式。更多的Bank Group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,提升数据传输带宽。

得益于多Bank Group模式,与上代LPDDR4x相比,LPDDR5的数据传输速率从4266Mbps提升至5500Mbps,传输带宽从34GB/s提升到了44GB/s,这是人类历史目前最高速率的内存规格。未来,这一速率还将分别达到6400Mbps、51.2GB/s,提升50%之多。

另外,LPDDR4x器件在高速工作时,时钟为2133MHz,且需要一直保持这样的状态。而LPDDR5器件修改了这一设计,时钟只有800MHz。当读/写工作停止时,达到最大工作频率的WCK信号也会停止,从而降低功耗。同时在低速工作状态,LPDDR5也可切换至更低的电压。

韩美企业“三雄争霸”

与2012年的LPDDR3,2014年的LPDDR4以及2016年的LPDDR4x类似,LPDDR5在今年商用是一个正常的技术迭代。而这背后,在智能手机更高性能和容量需求情况下,是韩国的三星、SK海力士以及美国的美光三家巨头正在全球LPDDR5这一最新技术领域激烈竞争。

三星在2018年就开始向LPDDR5标准过渡,开发出业界首款基于第二代10nm制造工艺(1Y nm)的8Gb LPDDR5,2019年7月再次宣布推出业内首款12Gb LPDDR5,并基于8颗12Gb封装量产12GB LPDDR5。此外,三星还将在今年开发16Gb LPDDR5。

2月12日凌晨,三星发布了新一代旗舰智能手机Galaxy S20系列,整体配置上有不小升级。其中,内存方面全球首发LPDDR5,三星S20/S20+ 4G版本采用8GB LPDDR5 RAM,5G版本为12GB LPDDR5 RAM,S20 Ultra则独享12/16GB LPDDR5 RAM。

与此同时,美光也在争抢LPDDR5“全球首发”。2月6日,美光宣布已交付全球首款量产的LPDDR5,并透露小米10将首发应用该芯片。但由于小米10推迟至2月13日线上发布,这一“全球首发”被三星提前一天截胡,而雷军也称小米10同时搭载三星和美光LPDDR5内存。

美光LPDDR5采用的是1Y nm光刻技术,将通过基于UFS的多芯片封装(uMCP5)技术应用于智能手机,且计划今年晚些时候推出1Z nm级的产品。整体而言,美光计划引入至少四种以上的10nm级制造工艺:1Z、1α、1β和1γ,从而使其10nm级制造工艺总数超过6种。

美光技术路线图

目前,美光正将1Y nm工艺用于制造12Gb LPDDR4X、16Gb DDR4和12Gb LPDDR5等多种产品,下一代1Z nm将用于生产16Gb LPDDR5以及DDR5存储器件。而在1Z nm节点后,美光计划开始使用1αnm和1βnm制造技术,并同时为1γnm技术的可行架构寻找路径。

韩国另一家公司SK海力士目前主要致力于提高1Znm工艺量产16Gb DDR4,且正在拓展到LPDDR5和HBM2E市场,计划在2020年规模量产。在今年1月举办的CES 2020上,SK海力士展示的LPDDR5芯片频率已达5500MHz,远远高于LPDDR4x-4667,而且功耗更低。

SK海力士在CES 2020上展示的LPDDR5存储芯片

整体而言,根据三星、美光、SK海力士的DRAM技术发展路线来看,从2019下半年开始,三大厂商均已陆续进入1Znm DRAM技术阶段。到2020年,随着单晶圆(Die)容量已可达到16Gb,预计有望基于8颗16Gb芯片封装量产16GB LPDDR5,进一步提高容量和性能。

在制造方面,为灵活管理和提高产能,三星正考虑从今年开始将12GB LPDDR5转移到平泽工厂。而美光计划对日本广岛工厂进行第二阶段投资,即建设F栋制造工厂用于量产1Znm工艺之后的1α、1β技术。未来随着各厂商产能逐渐放量,LPDDR5的商用步伐将会加快。

三星平泽工厂

“5G时代旗舰的标配”

多家企业高管和媒体发出这样的声音,“LPDDR5将成为 5G时代旗舰手机的标配。”截至目前,除了三星和小米之外,中兴、Realme、OPPO、努比亚和iQOO等品牌也确认了要采用LPDDR5。可以预见,到2020年后期,多数主流5G旗舰机将会搭载LPDDR5。那么,其中的技术逻辑在哪?

首先,功耗问题是移动设备最敏感的问题之一,而5G手机相比4G手机更耗电已成共识。美光方面发布的数据显示,LPDDR5如果以5.5 Gbps的传输速度运行,手机续航时间能够延长5%-10%;如果以最高的6.4Gbps传输速率运行,手机续航时间能够提高10%以上。

图源:美光,下同

这背后的逻辑是:当内存运行速度更快,处理器得以用更快的速度传输数据,也就能更早地进入“睡眠模式”,不再花费更多时间高负荷、高耗电地运转。简而言之,就是LPDDR5可以降低后台应用的功耗,更好的满足5G手机的功耗控制需求。

其次,5G旗舰机的性能表现也受制于内存。众所周知,CPU是手机数据处理的核心,运行速度快、存储空间小,而闪存刚好相反,这便需要内存中枢去传导数据与指令,以使数据处理与数据传输速度相匹配。这时,高性能内存对手机整体流畅度提升大有裨益。

具体而言,在手机拍照迈进亿级像素时,LPDDR4需要几秒的时间才能够完成处理并且存储,而LPDDR5能提供一种几乎“零时差”的体验。另外,如果同时运行视频、游戏、屏幕分享等多个App,依靠LPDDR4容易捉襟见肘——出现切换卡顿、黑屏或“杀死”后台应用,而LPDDR5相对更能应对自如。

自2020年起,5G网络正加快普及,5G云游戏、AI运算等场景更是会带来终端数据吞吐量的成倍增长。LPDDR5高性能内存可以有效降低云游戏延迟、确保AI运算数据实时同步,以及为5G相关服务的衍生与发展做好更充分的终端性能保障。

例如在使用LPDDR5之后,智能手机的边缘计算就能够成为一个数据处理的枢纽,能够支持数据处理、人工智能并且减轻云计算的负载,使得很多云计算功能转移到边缘计算,能够充分利用高速网络、5G带宽以及高速高容量的内存。

值得注意,随着5G的应用和处理器性能提升,智能手机对LPDDR5的需求趋于明显,移动办公已经成为可能。其中,折叠屏的出现让移动端能像PC一样进行多任务操作,大尺寸、5G低时延和LPDDR5共同协作以实现这样的创新体验。

华为Mate X折叠屏手机

然而,新技术的诞生往往意味着产能爬坡、良率问题,反馈到市场上即采购成本较高。可以说,手机厂商将无法回避采购价格和性能提升之间的矛盾。雷军也曾表示,“LPDDR5唯一缺点就是成本比较贵”。但预计过一段时间也会降到合理水平,并下沉至更多中高端5G智能手机中。

中国公司进展如何?

在LPDDR5将成“5G时代旗舰标配”背后,三星、美光、SK海力士不仅走在存储芯片技术前沿,拥有大量专利,而且市场占有率总计接近95%。而国内相关技术积累较薄弱,自给能力不足。赛迪数据显示,2018年中国大陆进口存储芯片价值已超1200亿美元,同比增38.3%。

DRAMeXchange数据截图

突围存储行业成为国家战略议题。2014年6月,国务院印发《国家集成电路产业发展推进纲要》,开始集中力量发展存储芯片等。在布局的三大基地中,武汉新芯于2016年7月被紫光集团收购,后更名为长江存储。该公司拥有规模为240亿美元的存储芯片制造中心,但主要是NAND闪存。

与长江存储不同,福建晋华成立初期致力于DRAM存储芯片开发。不过,由于相对缺乏技术积累,晋华选择了与台湾联电合作引进技术的道路。自2016年5月起,晋华提供数亿美元资金采购研发设备,委托联电开发DRAM相关制程技术。成果双方共有,整体技术完成后,再转移到晋华进行量产。

在晋华已整体投入达约56亿美元时,原本预计于2018年底投入DRAM内存的试产,这将意味着中国大陆首个DRAM内存自制成功。但是由于美光公司的诉讼,美国政府在2018年10月将晋华列入“实体名单”,并实行禁运。随后联电宣布中止与晋华合作,撤走研发人员,整个工程陷入停摆至今。

在国际新态势下,紫光集团于去年6月宣布重启DRAM计划并组建DRAM事业群,由曾任工信部电子信息司司长的刁石京出任董事长,“台湾DRAM教父”高启全任DRAM事业群CEO。不到两个月后,紫光集团在重庆成立紫光国芯公司,建设DRAM存储芯片制造工厂,计划2021年完成。

上图:高启全,下图:坂本幸雄

存储行业人才是“瑰宝”。紫光集团于2019年11月15日再宣布,前日本尔必达社长坂本幸雄出任集团高级副总裁兼日本分公司CEO。他后来在接受采访时曾表示,紫光的目标是5年内量产DRAM内存,且将在日本设立开发中心。据悉,紫光内部已计划在未来十年内投资8000亿元人民币,以加快DRAM量产。

目前,国内DRAM内存的最大希望在于合肥长鑫存储。去年9月20日,长鑫存储在世界制造业大会上宣布:总投资约1500亿元的长鑫存储内存芯片项目正式投产,同时其10nm级第一代8Gb DDR4在大会上首度亮相。这标志我国在DRAM内存芯片领域实现量产技术突破。

据悉,长鑫存储正在使用10G1工艺技术(即19nm工艺)制造4GB和8GB的DDR4内存芯片,目标是在2020年第一季度上市,并将使用同样的技术在2020年下半年制造 LPDDR4X内存。长鑫存储的技术路线图包括17nm的DDR4、LPDDR4X、DDR5和LPDDR5内存,但尚未公布具体时间。

在产能方面,长鑫存储12英寸晶圆制造基地项目于2016年由合肥产投和北京兆易创新合作投资,是中国大陆唯一拥有完整技术、工艺和生产运营团队的DRAM项目,也是安徽省单体投资最大的工业项目。当前月产能2万片,该公司计划在2020年第二季度将产能提高一倍,约占全球内存产能的3%。

为提升产能,长鑫存储计划再建两座晶圆厂,图为厂房效果图。 图源:长鑫存储

值得一提,长鑫存储最初的DRAM技术重要来源是德国的奇梦达。通过与这家曾位居全球第二的DRAM制造商合作,长鑫存储将一千多万份有关DRAM的技术文件及2.8TB数据收归囊中。目前,该公司已拓展更广泛的研发合作,且一直在从韩国和中国台湾地区招募工程师,以建立DRAM相关人才储备。

结语

相比前代产品LPDDR4x,LPDDR5确实具备更优异的性能、速率和功耗表现,但还不至于所谓的“跨越性升级换代”。某种程度上,LPDDR4属于4G手机时代,而LPDDR5似乎为5G手机而生,并且具备更好的应用扩展性。在这一具备市场前景的领域,三星、美光和SK海力士已然开始攻城略地,并将与“买单”的智能手机厂商相互推动或拉锯。

2019年8月27日,重庆市与紫光集团签署项目合作协议,建设DRAM存储芯片制造工厂

鉴于当前国际形势和存储行业现状,中国不仅需要有自主的DRAM制造能力,也需要奋起直追、以先进产品破局。尽管行业存在高投入、高风险、周期长等特性,但如果政府统筹发展、整合各方资源,企业坚持长期、大力投入科研,市场积极推进国产化战略等方面有机化合,或许有理由相信:在14亿人的大地上并无难事,“只要肯登攀”。

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来源:观察者网 | 责任编辑:陈辰
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