公元2020年2月13日小米10系列手機的發佈把一個詞帶火了：LPDDR5。
IT之家在小米10系列手機發布後，第一時間為大家送上了小米10 Pro手機的評測。不過在評測中，關於LPDDR5的內容我們還沒有展開去說。
今天，汐元不妨就和大家說一說LPDDR以及背後DRAM內存江湖的那些事。
本文計劃分為上、下兩篇。第一篇和大家聊一些DRAM的基礎科普，第二篇重點談一談DRAM存儲國產化的過去和現在。
一、你要先了解什麼是DRAM
首先我們需要搞清楚內存大概有哪些種類。
在IT之家《內存標籤上這串數字，暗藏了內存工作的“秘密”》這篇文章裡，我們知道了，內存就是CPU工廠和硬盤數據之間數據傳輸的“臨時倉庫”。而經過這些年的發展，內存的分類大概是這樣的：
可以看到，LPDDR內存就是SDRAM的一種，或者說就是DDR的低功耗版。所以要弄清楚LPDDR，我們需要先了解什麼是DDR。
DDR嚴格的全稱是DDR SDRAM，所以很顯然，它也是SDRAM的一種。
那麼SDRAM是什麼？這就要從DRAM說起了（手動捂臉）。
DRAM，通俗地說，其實就是內存存儲數據的一種方式，它通過給電容充電，然後計算電容裡面的電位差，轉換成1、0、1、0、1、0……這樣的二進制信號。
這些二進制信號，也就是數據的本質形態。
實際運作的時候，電容在充滿電的時候可能會出現漏電等情況，所以充滿之後需要放電，用的時候再充滿電，持續進行這種充電、放電的動作，是動態的。
DRAM的“D”就是Dynamic（動態）的意思。
SDRAM又是什麼呢？我們知道，CPU的工作頻率通常都是以GHz為單位的，而內存的工作頻率是主要還是MHz的水平。也就是說，CPU的工作頻率遠高於內存。
頻率差別大，CPU和內存怎麼協調工作呢？這就是SDRAM存在的意義。它的意思就是在CPU和內存之間形成一個同步的機制，保證在指定的時間週期裡，CPU一定能夠從內存拿到數據，不需要等待，也提高了存儲速度。
SDRAM的“S”就是同步（synchronous）的意思。
到底怎麼同步呢？不妨簡單說明一下。還是要聯繫IT之家之前《內存標籤上這串數字，暗藏了內存工作的“秘密”》這篇文章。
當時我們說，內存顆粒中數據是以Bank的方式存在的，Bank就像庫房裡的儲物架。
以前DRAM時代一個庫房裡只有一個儲物架，CPU來要數據的時候，如果這個儲物架在忙，CPU就得等待。
SDRAM裡，儲物架變成了兩個或者兩個以上，這樣，CPU來要數據的時候，如果一個儲物架在忙，另一個儲物架就可以站出來給CPU調配物資。
如此，CPU就不需要等待，也就等於提高了速率。
下面就到DDR了。DDR的意思是“Double Data Rate”，也就是雙倍速率。
從上面這張圖可以看到，之前SDRAM在一個時鐘週期裡只做一次數據存取，而DDR在一個時鐘週期裡可以做兩次數據存取，分別是在上升沿和下降沿，這樣也就實現了兩倍速率。
這就是DDR。
基於這些，LPDDR也就很容易理解了。
二、LPDDR的演進之路
LPDDR的全稱是Low Power Double Data Rate SDRAM，又稱為mDDR（Mobile DDR SDRAM）,是美國JEDEC固態技術協會面向低功耗內存而制定的標準。
LPDDR以低功耗和小體積著稱，專門用於移動式電子產品。
除了低功耗，LPDDR的發展過程也是不斷吸納新技術和新特性的過程。
第一代LPDDR和DDR沒有太多不同。第二代LPDDR標準在2010年發佈，相比第一代LPDDR更節能，同時引入了閃存和SDRAM共用接口的設計，好處是降低了控制器的引腳數。
另外，LPDDR2還提高了支持的內存容量以及其他性能的提升，例如額定頻率為100—533MHz，數據位寬為x8、x16和x32，有2bit和4bit兩種。
採用LPDDR2內存的手機，IT之家的老讀者們可能還有印象，例如三星Galaxy S2、iPhone 5等。
▲三星Galaxy S2，圖自：wikimedia
LPDDR3標準在2013年發佈。它引入了一些新技術。
第一種叫做寫入均衡與指令地址調用，這個技術主要是保證內存高速運行的同時，還能維持數據傳輸的穩定不出錯。
第二種叫做片內終結器（ODT）技術，這是個可選技術，可以在提高內存信號穩定性的基礎上 節省不少電器元件。
另外，LPDDR3的整體性能相比LPDDR2也有飛躍，額定頻率可以達到667-800MHz。不過功耗控制方面表現不太出色。
採用LPDDR3內存的典型機型包括小米手機3、三星Galaxy Note 4、iPhone 6等。
▲小米手機3，圖自：wikimedia
LPDDR4標準發佈於2014年，它有兩個主要特性：兩倍數據速率和低功耗。
在LPDDR4上，芯片設計方式已經由之前的單通道演進為雙通道，在電路上也優化了數據（DQ）信號和地址（CA）信號的位置，讓走線長度變短，縮短了數據信號的傳送距離，從而減小時延。總之就是讓數據傳輸速率更快。
速率大漲後，需要進一步控制功耗。LPDDR4還採用了一種叫LVSTL的低功耗接口設計技術。這個技術具體也比較專業，不需要大家理解，它就是可以讓電壓擺動的幅度可控制，並且在理想狀態下不需要直流電平，從而進一步控制功耗。LPDDR4的數據傳輸速率可以達到LPDDR3的2倍，功耗卻只有它的一半。
採用LPDDR4內存的手機如三星Galaxy Note 5、iPhone 6s、華為P9系列等。
▲iPhone 6s，圖自：Pexels
2016年公佈的LPDDR4X可以看做是LPDDR4的一個省電優化版本。這也是LPDDR5之前那段時間主流中高端手機上採用的內存，例如魅藍X、三星Galaxy Note9、小米6、iPhone XS等等。
▲iPhone XS
最後來說小米10手機採用的LPDDR5的內存。LPDDR5內存標準是JEDEC在2019年2月份確定的。
關於LPDDR5內存的優勢，其實小米一眾高管在預熱小米10的時候已經不遺餘力地給大家科普過了，IT之家當時也進行了密切報道。
這裡汐元簡單總結一下即可。
相比LPDDR4X，LPDDR5的關鍵在於重新設計了架構，採用16Banks可編程和多時鐘架構。
16Banks的架構，也就是小米宣傳的“Bank Group架構”，可以讓器件內部增加更多的並行數據通路，增加了數據帶寬，提升了性能。
多時鐘架構的意思是，LPDDR5可以根據工作頻率動態調節工作電壓。LPDDR4X在高速工作時需要一直保持高時鐘頻率，而LPDDR5平時時鐘頻率可以控制在800MHz，在數據有讀寫操作時，會衝到最大工作頻率，當讀/寫工作停止時，則會回落，從而降低功耗。
另外，LPDDR5還引入了Data-Copy和Write-X兩個新的指令。
其中，Data-Copy指令的意思是，LPDDR5可以將單個I/O引腳上傳輸的數據複製到其他I/O引腳，提升數據傳輸的效率。
而Write-X指令可將全1或全0信號寫入到特定地址，不用將數據從SoC發送到LPDDR5內存上，從而可以降低整個系統的功耗水平。
其實就是六字真言：提速率，降功耗。
最後，汐元整理了LPDDR從第一代到第五代的演進路線，並通過一張表格的形式呈現給大家：
從表中的數據，結合前面的介紹，看得出LPDDR5相比LPDDR4X，無論在性能還是功耗上，確實會有明顯更好的表現，對於它在更多智能手機上的普及，以及在5G時代的表現，值得期待。
講到這裡，上篇也就差不多了。汐元在介紹的時候希望儘可能在“通俗”和“專業”之間做一個平衡，也許上述介紹有不那麼精準之處，或者不易懂之處，歡迎大家在IT之家的評論區指出。
下一篇汐元將從DRAM產業層面介紹一下中國內存產業的發展情況，敬請期待。
參考
- CSDN，2018-04-10，《SDRAM詳細介紹》。
- 纖維球分期のINS凌沂（B站），2020-02-10，《簡單瞭解·LPDDR的認知與回顧》。
- 花粉俱樂部，2016-04-18 ，《LPDDR4對比LPDDR3！新技術到底發生了什麼樣的驚天改變？》。
- Proladon，2018-06-22，《RAM記憶體篇》。
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