科工力量：LPDDR5內存韓美企業“三雄爭霸”，中國進展如何？

【文/ 科工力量專欄作者 陳辰】

日前，三星、小米發佈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，並搶在小米10前一天“全球首發”LPDDR5。

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

相對上一代際的LPDDR4x內存，LPDDR5在速率、功耗和性能等方面着實有較大提升。鑑於此，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項目至今處於停擺狀態；長江存儲去年剛剛重建DRAM事業羣，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，預計今年下半年製造LPDDR4x，LPDDR5則尚在規劃中。

合肥長鑫存儲Fab1工廠 圖源：新華社

LPDDR5是什麼？

首先，先來看下LPDDR5是什麼。LPDDR屬於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，主要應用於移動端電子產品（如16GB+512GB的前者）。從十餘年前誕生至今，這個協議隨着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製需求等方面出現了明顯代差。

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；至於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台式機等場景，則可能會應用成本更低的LPDDR4、LPDDR3等。

2019年2月，JEDEC協會正式發佈LPDDR5全新低功耗內存標準。相較於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。

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。考慮到汽車等相關市場需求，LPDDR5引入了鏈路ECC糾錯功能。

此外，LPDDR5引入了數據複製(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複製到其它針腳，提升數據傳輸的效率，後者則減少了SoC和RAM傳遞數據時的耗電。

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相當於數據傳輸從單車道變為多車道，增加更多的並行數據通路，提升數據傳輸帶寬。

得益於多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。

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。而這背後，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。

三星在2018年就開始向LPDDR5標準過渡，開發出業界首款基於第二代10nm製造工藝(1Y nm)的8Gb LPDDR5，2019年7月再次宣佈推出業內首款12Gb LPDDR5，並基於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，三星發佈了新一代旗艦智能手機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版本採用8GB LPDDR5 RAM，5G版本為12GB LPDDR5 RAM，S20 Ultra則獨享12/16GB LPDDR5 RAM。

與此同時，美光也在爭搶LPDDR5“全球首發”。2月6日，美光宣佈已交付全球首款量產的LPDDR5，並透露小米10將首發應用該芯片。但由於小米10推遲至2月13日線上發佈，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採用的是1Y nm光刻技術，將通過基於UFS的多芯片封裝(uMCP5)技術應用於智能手機，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級製造工藝：1Z、1α、1β和1γ，從而使其10nm級製造工藝總數超過6種。

美光技術路線圖

目前，美光正將1Y nm工藝用於製造12Gb LPDDR4X、16Gb DDR4和12Gb LPDDR5等多種產品，下一代1Z nm將用於生產16Gb LPDDR5以及DDR5存儲器件。而在1Z nm節點後，美光計劃開始使用1αnm和1βnm製造技術，並同時為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於提高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，遠遠高於LPDDR4x-4667，而且功耗更低。

SK海力士在CES 2020上展示的LPDDR5存儲芯片

整體而言，根據三星、美光、SK海力士的DRAM技術發展路線來看，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，隨着單晶圓（Die）容量已可達到16Gb，預計有望基於8顆16Gb芯片封裝量產16GB LPDDR5，進一步提高容量和性能。

在製造方面，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棟製造工廠用於量產1Znm工藝之後的1α、1β技術。未來隨着各廠商產能逐漸放量，LPDDR5的商用步伐將會加快。

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。”截至目前，除了三星和小米之外，中興、Realme、OPPO、努比亞和iQOO等品牌也確認了要採用LPDDR5。可以預見，到2020年後期，多數主流5G旗艦機將會搭載LPDDR5。那麼，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。美光方面發佈的數據顯示，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。

圖源：美光，下同

這背後的邏輯是：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可以降低後台應用的功耗，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於內存。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。

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並且存儲，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、遊戲、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”後台應用，而LPDDR5相對更能應對自如。

自2020年起，5G網絡正加快普及，5G雲遊戲、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雲遊戲延遲、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。

例如在使用LPDDR5之後，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、人工智能並且減輕雲計算的負載，使得很多雲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，隨着5G的應用和處理器性能提升，智能手機對LPDDR5的需求趨於明顯，移動辦公已經成為可能。其中，摺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。

華為Mate X摺疊屏手機

然而，新技術的誕生往往意味着產能爬坡、良率問題，反饋到市場上即採購成本較高。可以説，手機廠商將無法迴避採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，並下沉至更多中高端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”背後，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，而且市場佔有率總計接近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%。

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。在佈局的三大基地中，武漢新芯於2016年7月被紫光集團收購，後更名為長江存儲。該公司擁有規模為240億美元的存儲芯片製造中心，但主要是NAND閃存。

與長江存儲不同，福建晉華成立初期致力於DRAM存儲芯片開發。不過，由於相對缺乏技術積累，晉華選擇了與台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採購研發設備，委託聯電開發DRAM相關製程技術。成果雙方共有，整體技術完成後，再轉移到晉華進行量產。

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

在國際新態勢下，紫光集團於去年6月宣佈重啓DRAM計劃並組建DRAM事業羣，由曾任工信部電子信息司司長的刁石京出任董事長，“台灣DRAM教父”高啓全任DRAM事業羣CEO。不到兩個月後，紫光集團在重慶成立紫光國芯公司，建設DRAM存儲芯片製造工廠，計劃2021年完成。

上圖：高啓全，下圖：坂本幸雄

存儲行業人才是“瑰寶”。紫光集團於2019年11月15日再宣佈，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。他後來在接受採訪時曾表示，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內存的最大希望在於合肥長鑫存儲。去年9月20日，長鑫存儲在世界製造業大會上宣佈：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。這標誌我國在DRAM內存芯片領域實現量產技術突破。

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

在產能方面，長鑫存儲12英寸晶圓製造基地項目於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，約佔全球內存產能的3%。

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製造商合作，長鑫存儲將一千多萬份有關DRAM的技術文件及2.8TB數據收歸囊中。目前，該公司已拓展更廣泛的研發合作，且一直在從韓國和中國台灣地區招募工程師，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，但還不至於所謂的“跨越性升級換代”。某種程度上，LPDDR4屬於4G手機時代，而LPDDR5似乎為5G手機而生，並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，並將與“買單”的智能手機廠商相互推動或拉鋸。

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存儲芯片製造工廠

鑑於當前國際形勢和存儲行業現狀，中國不僅需要有自主的DRAM製造能力，也需要奮起直追、以先進產品破局。儘管行業存在高投入、高風險、週期長等特性，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14億人的大地上並無難事，“只要肯登攀”。

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