跑步進入LPDDR5X時代_風聞

能看到，無論是聯發科近期發佈的天璣9200處理器，還是高通最新推出的驍龍8Gen2移動平台，LPDDR5x 8533Mbps的內存支持似乎都在成為下一代旗艦手機處理器的標配，目前手機廠商都在全面開展LPDDR5x的驗證，有的廠商已經規劃在今年年末上市支持LPDDR5x滿血版8533Mbps的項目。

新一代旗艦級智能手機主芯片的發佈，預示着智能手機產品將迎來LPDDR5向LPDDR5x的大規模迭代，由此將迎來移動端、遊戲、相機和人工智能應用的性能提升，以及更多新功能，從而進一步提升用户體驗。

這一革新的底座，源於內存技術向LPDDR5X的升級和演進。

回顧LPDDR發展歷程，LPDDR5X迎來新突破

LPDDR全稱是Low Power Double Data Rate SDRAM，中文全稱為低功耗雙信道同步動態隨機存取內存，通常以先進封裝技術直接堆在CPU處理器上方，以低功耗和小體積著稱，是移動應用場景的主流內存產品。

從十餘年前誕生至今，這個由美國JEDEC固態技術協會面向低功耗內存而制定的通信標準隨着技術的演變和產品需求進行升級和革新。

從第一代LPDDR到如今的LPDDR5X，每一代LPDDR都使內部讀取大小和外部傳輸速度加倍，LPDDR內存產品的應用場景和定製需求等方面也出現了明顯代差。

LPDDR內存是由DDR內存演化而來，由於LPDDR的使用場景更接近於DDR，所以LPDDR的發展過程和DDR有較大的交集。09年出現的LPDDR直到2013年的LPDDR3，可以説一直在追隨大哥的腳步。值得注意的是，到了LPDDR3時代，LPDDR3以其不錯的性能和更加優秀的能耗比，開始被包括Mac Book air在內的筆記本平台所採用。

後續隨着智能手機等移動平台愈發旺盛的市場和和性能需求，LPDDR4開始按照自己的應用場景需求建立起自己的規範體系。

從LPDDR4開始，它和DDR內存走上了不同的發展道路。

隨着移動市場的持續增長，手機等產品對內部硬件速率和續航指標的需求也在提升。LPDDR4設計之初的目標，就是將I/O接口的數據速率由LPDDR3的2133Mbps提高到了3200Mbps乃至4266Mbps。為實現這一目標，JEDEC委員會不得不重新設計LPDDR的架構，從此前的16位單通道芯片改為每通道16位的雙通道芯片，總位數達到32位。

雙通道架構縮短了數據信號從存儲器陣列到I/O粘貼片的傳送距離。這樣就降低了LPDDR4接口所要求的大量數據傳輸所需要的功耗。而且雙通道架構使得時鐘與地址總線可以同數據總線放在一起。因此，數據總線到時鐘及地址總線之間的偏斜得以降到最小，從而使得LPDDR4器件達到更高的數據速率。

此外，LPDDR4成功將預讀取位數由原來的8位突破到了16位，同時其運行電壓進一步降低至1.1V，並通過改變I/O接口信號發送方式、支持寬範圍頻率下的節電功能等一系列革新，使得LPDDR4在移動端大獲成功，不僅搶先於DDR4更先商用，也受到了移動端市場的廣泛歡迎，得以快速普及。

而LPDDR5則更進一步，2019年2月，JEDEC正式發佈了JESD209-5，即Low Power Double Data Rate 5 (LPDDR5)全新低功耗內存標準。相較於2014年發佈的第一代LPDDR4標準，LPDDR5的I/O速度提升到6400 MT/s，直接翻番。

JEDEC協會認為，LPDDR5有望對下一代便攜電子設備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。

基於LPDDR5技術提升，智能手機上的4K高清視頻直播、最新手遊和基於AI的計算影像等應用均依賴更高的內存帶寬才能帶來更流暢的體驗。 在這兩三年時間中，LPDDR5在智能手機應用中位元出貨的滲透率從不足8%發展至如今的接近40%，成為絕大對數智能旗艦手機DRAM選型的必備技術。

基於LPDDR5的性能基礎，LPDDR5X更進一步，將賦能更廣泛的設備擁有更多基於AI和5G的功能。

根據相關數據顯示，LPDDR5X內存在各個場景下的功耗得以大幅降低，其中短視頻功耗降低30%，長視頻功耗降低25%，遊戲功耗降低30%，綜合下來實際日常使用的功耗可降低20%左右。

據瞭解，相比起滿血版LPDDR5，LPDDR5X帶來的提升主要有三點，分別是數據傳輸速率從6400Mbps增至8533Mbps，提升幅度高達33%；TX/RX均衡改善信號完整性；以及能通過新的自適應刷新管理提高可靠性。而且，對於支持8533Mbps LPDDR5X內存的移動SoC，其峯值理論可用帶寬將進一步增長到68.26GB/s。

除了性能上的提升外，為了提高數據傳輸速率以及提高低功耗內存子系統的可靠性，LPDDR5X引入了名為pre-emphasis（預加重）的功能來提高信噪比並降低誤碼率以及自適應刷新管理，此外還有每引腳決策反饋均衡器，可以增強內存通道穩健性。兩種內存顆粒的引腳完全兼容，這可以從各個層面上簡化處理器對LPDDR5X支持所需要的內存控制策略。

歷代LPDDR DRAM的數據傳輸速率

除此之外，在內存庫分組和可變電壓方面，LPDDR5X進行了更好的優化，從而能有效降低系統的整體功耗。

通過移動生態系統各個方面的合作和創新，LPDDR5X的性能和功耗將解鎖全新AI和5G的潛力，例如，運營商建設和投資基礎設施，手機廠商開發出能利用這一新帶寬的終端設備，以及整個半導體行業的參與。

市場逆境下，存儲大廠仍爭相佈局

在LPDDR技術正常迭代背後，在智能手機更高性能和容量需求情況下，是三星電子、SK海力士以及美光三家內存巨頭在全球LPDDR5X這一最新技術領域的激烈競爭。

從市場格局來看，在DRAM這個重要的存儲芯片細分領域，三星、SK海力士和美光是當之無愧的佼佼者。研究機構ICInsights的數據顯示，2021年三大廠商共佔據DRAM市場94%的份額。其中第一名韓國三星電子約佔43.6%，第二名韓國SK海力士約佔27.7%，第三名美國美光約佔22.8%。

據ICinsights消息報道，疲軟的經濟狀況和高通脹率減緩了全球對個人電腦、主流智能手機和其他消費電子產品的需求。

因此，DRAM旺季不旺，需求呈螺旋式下降，預計2022年下半年銷售額將下降40%至293億美元，預計2022全年DRAM市場將下降18%。

三星、SK海力士、美光等行業巨頭紛紛表示季度內存銷售額大幅下滑，並且預計DRAM市場疲軟將持續到今年年底，至少會持續到2023年第1季度。

存儲芯片市場迎來下行週期，產業變得愈發保守起來，比如縮減產能、靈活調整資本支出。美光科技預計2023財年資本支出為80億美元，同比下滑33%；SK海力士決定將明年的投資規模從今年預計的15-20萬億韓元減少到50%以上；相比之下，三星暫未宣佈減少2023年投資，保持了逆週期擴產的傳統，只示可能靈活調整2023年設備方面的資本支出。

不過，在逆境之下，存儲大廠始終對先進技術保持積極投入的態度。

LPDDR5X在取得更高帶寬和更快速率的同時，降低了系統的整體功耗，除了在技術標準上的革新外，使用更先進的工藝節點，功耗效率自然會相應提升。

對DRAM芯片而言，先進製程意味着高能效與高容量，以及更好的終端使用體驗。在芯片工藝製程上，DRAM目前的表述和以前有所不同。因為電路結構是三維的，所以線性的衡量方式不再適用，相較於之前的多少納米，出現了1X、1Y、1Z、1α、1β、1γ之類的術語表達製程。

當前，DRAM先進製程工藝經歷了1x、1y、1z與1α四代技術。三星、SK海力士和美光已在2016-2017年期間進入1Xnm階段，2018-2019年進入1Ynm階段，2020年後進入1Znm階段。最新的1αnm，仍處於10+nm階段。

目前，各大廠家在繼續向10nm逼近。

SK海力士：首次將HKMG工藝用於LPDDR

2022年10月8日，韓國SK海力士公司搶先一步，宣佈開始銷售基於HKMG（高K金屬柵）技術的LPDDR5X（低功耗雙數據速率5x）移動DRAM。

與上一代芯片相比，SK海力士新產品採用1α工藝製造，功耗降低了25%，速度提升了33%，實現了8.5Gbps的操作速度。在JEDEC固態技術協會設定的1.01V至1.12V的超低電壓範圍內運行，確保了行業最高的低功耗指標的實現。

在DRAM業界中，SK海力士首次將HKMG工藝用於移動DRAM。

藉助HKMG，一層薄薄的高k薄膜可取代晶體管柵極中現有的SiON柵氧化層，降低了泄漏電流，提高了芯片可靠性。

高k/金屬柵極的集成解決方案

此外，通過減小柵厚度，可以實現晶體管微縮，並改善基於多晶硅/SiON的晶體管的速度特性。

SK海力士利用HKMG工藝，既提高了性能，又降低了功耗，可謂是一石二鳥，實現了積極的擴展和高效率。

此外，2022年10月23日，SK海力士向光刻機巨頭ASML訂購了下一代高數值孔徑（0.55）的EUV光刻機，準備大幹一場。EUV光刻機將帶來更簡化的工藝流程，且成本會隨着工藝的不斷完善而不斷降低。

加持EUV光刻機可以大幅度提高DRAM性能

需要指出的是，儘管採用了EUV光刻機，SK海力士此次官宣的基於HKMG技術的LPDDR5X移動DRAM仍然屬於1α節點。

三星電子：業界最快速度通過高通驗證

緊隨其後，10月18日，三星電子宣佈其最新與高通合作的LPDDR5X DRAM，日前以8.5Gbps的業界最快速度通過了驗證。

據瞭解，三星LPDDR5X採用14nm工藝製程，速度、容量以及功耗方面實現大幅提升，與上一代產品LPDDR5相比，其運行速度提升至1.3倍，功耗也減少了約20%。

三星與高通公司合作優化後，LPDDR5X的速度穩定在7.5Gbps，依舊是現有產品速度的1.2倍，預計會運用在下一代智能手機身上，提升超高分辨率視頻錄製、圖像識別等方面的性能體驗。

三星方面表示，LPDDR5X內存具有低功耗和高性能優勢，其不單能夠使用在手機中，在PC、服務器和汽車中也能廣泛使用。

在10月召開的Samsung Foundry Forum 2022活動上，三星還對外公佈了DRAM技術路線圖。按照規劃，三星將於2023年進入1β nm工藝階段，即第五代10nm級別DRAM產品。為了克服DRAM擴展到10nm範圍以外的挑戰，三星一直在開發圖案化、材料和架構方面的顛覆性解決方案，高K材料等技術正在順利進行中。

三星電子LPDDR芯片發展歷程

美光科技：率先推出1β節點工藝

11月2日，美光正式推出了1β節點DRAM產品，並且已經向智能手機和芯片平台合作伙伴進行出樣測試。據美光透露，目前1β節點DRAM產品已經做好量產準備，並且會率先在LPDDR5X移動內存上採用這一全新制程技術，最高速度可達8.5Gb/s。

據悉，與1α相比，1β技術可將能效提高約15%，內存密度提升35%以上，單顆裸片容量高達16Gb。美光認為，隨着LPDDR5X的出樣，移動生態系統將率先受益於1β DRAM產品的優勢，從而解鎖下一代移動創新和先進的智能手機體驗，並同時降低功耗。

作為世界最先進的DRAM工藝節點，1β代表了美光市場領先地位的提升，並與1α技術節點的批量發貨緊密相連。

另一方面，美光正在通過精密的光刻和納米制造挑戰物理定律。

DRAM的規模很大程度上取決於每平方毫米半導體面積提供更多更快的內存的能力，這需要縮小電路。然而，隨着芯片越來越小，在芯片上定義電路圖案需要挑戰物理定律。

雖然內存芯片已經開始轉向一種使用EUV光刻來克服這些技術挑戰的新工具，但美光已經利用其已被證實的前沿納米制造和光刻技術，繞過了這一新興技術。

美光表示，EUV技術仍處於發展初期，為規避技術風險，美光采用了成熟的尖端納米制造和光刻技術進行1β的生產。要做到這一點，需要應用公司專有的、先進的多圖案技術和浸沒能力，例如專有的先進多重曝光技術和浸潤式光刻技術，以最高的精度對這些微小的特徵進行蝕刻。

這種創新帶來的更大容量也將使智能手機和物聯網設備等外形尺寸較小的設備能夠在緊湊的空間中容納更多內存。

在1β上製造的高密度、低功耗存儲器能夠在數據密集的智能事物、系統和應用程序之間實現更高效的數據流，並實現從邊緣到雲的更多智能。在未來一年，美光將開始在嵌入式、數據中心、客户端、消費者、工業和汽車領域擴大1β的投資組合。

寫在最後

儘管存儲芯片正面臨市場價格的“雪崩”，但以三巨頭為代表的存儲廠商動態來看，長期的市場信心依然屹立不倒。在這種背景下，持續推進1α、1β、1γ工藝革新將是內存巨頭們不變的戰略，存儲芯片賽道上的技術競爭仍舊十分激烈。

無論是第五代10nm級DRAM技術，還是更高層數堆疊的NAND Flash，存儲大廠都在積極發力，以保持市場領先地位，並滿足市場對高容量、高性能產品需求，呈現出持續發展的潛能。

同時，未來LPDDR的使用範圍也將會從智能手機逐漸擴展到AI、汽車和數據中心等應用場景，市場前景越來越廣闊。