LPDDR在智能终端中的应用和性能分析

吴旭

（上海锐嘉科科技集团 上海 201315）

LPDDR在智能终端中的应用和性能分析

吴旭

（上海锐嘉科科技集团 上海 201315）

基于不同产品对内存具有不同需求，通过对LPDDR发展趋势介绍，结合LPDDR2与LPDDR3不同类型、型号等性能对比。尤其是最近发展的LPDDR4新技术介绍，根据芯片频率和功耗等参数对比，在智能终端板型趋于小型化和整机超薄基础上，在提高系统性能、更大存储空间前提下，同时希望终端具有更长待机和操作系统时间，在具体项目中可以根据产品性能和客户需求做到最优化设计。

LPDDR；性能；功耗；智能终端

早期智能手机嵌入式存储主流方案为NAND MCP，即把SLC NAND Flash与低功耗DRAM封装在一起，具有生产成本低、技术相对成熟等优势，主要规格有4+2（4Gb SLC+2Gb LPDDR1/2）、4+4（SLC与LPDDR1/2 4Gb）等。随着终端所用操作系统的程序代码容量变大，特别是随着Android操作系统的广泛流行，厂商希望在手机中预装大量程序及软件，SLC NAND Flash已很难满足手机对存储容量的需求。三星等厂商开始将eMMC和低功耗DRAM封装在一起，满足手机等便携式终端对较大容量的要求，eMCP存储方案开始得到客户接受，在手机行业中广泛应用。目前应用较广的eMCP规格有4+4（eMMC和LPDDR1/2 4Gb）、8+8（8GB eMMC+8Gb LPDDR2）和16+16（16GB eMMC+16Gb LPDD2/3）等。

1　LPDDR技术更新

Low Power Double Data Rate SDRAM，是DDR SDRAM的一种，又称为 mDDR（Mobile DDR SDRM），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，以低功耗和小体积著称，专门用于移动式电子产品。

第二代低功耗内存技术LPDDR2的标准规范于2010年12月正式发布。LPDDR2计划用于智能手机、PDA、GPS单元以及便携式游戏机等移动产品。其特征主要有3点：

1）与此前标准（LPDDR）相比，加大了节能技术的支持。在接口 （I/O）与内部的电压和内部电压两方面，原来的LPDDR为+1.8 V，而此时的LPDDR2还支持+1.2 V。并且，还支持更新部分内存阵列的“Partial Array Self Refresh”和“Per-Bank Refresh”。

2）非易失性内存（闪存）和易失性内存（SDRAM）可共用接口，第一次采用共用接口设计，这样可降低控制器的引脚数，提高内存子系统周围的安装密度。

3）扩大了支持的内存容量和特性范围。支持的工作频率为100～533 MHz。数据位宽为×8、×16和×32，有2 bit和4 bit两种。闪存容量为64 Mbit～32 Gbit，DRAM为64 Mbit～8 Gbit。

第三代低功耗内存技术LPDDR3的标准规范于2012年5月正式发布。LPDDR3还支持PoP（Package on Package）堆叠封装和独立封装，以满足不同类型移动设备的需要。除了支持LPDDR2特性基础之外，LPDDR3重点加入了如下新技术：

1）Write-Leveling and CA Training（写入均衡与指令地址调用）：可让内存控制器补偿信号偏差，确保内存运行于业内最快输入总线速度的同时，维持数据输入设定、指令与地址输入时序均满足需求。

2）On Die Termination（片内终结器/ODT）：可选技术，为LPDDR3数据平面增加一个轻量级终结器，改进高速信号传输，并尽可能降低对功耗、系统操作和针脚计数的影响。

2　LPDDR性能与功耗对比

2.1LPDDR2与LPDDR3主频性能

市场上LPDDR3有800 MHz和933 MHz产品，而LPDDR2只有533 MHz产品（早期有400 MHz的）。由于性能的增加主要依赖时钟的频率，因此LPDDR3相对LPDDR2具有较大的性能［1］提升。

图1　LPDDR2和LPDDR3的时钟频率

2.2LPDDR2与LPDDR3功耗性能差异

从图2中LPDDR功耗［1］数据可以看出：

待机电流（IDD2P/IDD6）：LPDDR3与LPDDR2一致；

工 作 电 流（IDD4R/4W）：LP3（1600Mbps）为LP2 （800Mbps）的1.6～1.7倍。

备注：此数据基于存储器物料Datasheet（同温度下测试数据）。

由于功耗和CLK的频率是成正比的，所以LPDDR3与LPDDR2相比，伴随主频的提高 LPDDR3物料功耗高于LPDDR2系列产品。

图2　LPDDR2和LPDDR3功耗数据

除了eMCP的耗电之外，对移动终端来说，决定整机功耗还有LCM和CPU等，尤其是LCM在整个系统中占耗电大部分。对4.5寸LCM，LCM背光为10颗Led（10*20 mA=200 mA）；对5寸或者6寸LCM，背光通常有12或者14颗Led，这样光LCM背光耗电超过200 mA（最亮情况下）。出于整机功耗和显示均匀性方面考虑，一些项目或者设备采用AMOLED （Active-matrix organic light emitting diode）背光方案。

图3　LPDDR2与LPDDR3在系统中功耗比重

从此图3看出，基于Tablet（平板）元器件功耗，仅在DRAM从LPDDR2变更为LPDDR3，增加的功耗在整个终端功耗的7％左右。

2.3LPDDR4 RAM新技术

64位、多核处理器是目前智能手机行业最热门的技术之一，目前一些旗舰机型开始配置LPDDR4 RAM内存［2］。LPDDR4 RAM的两个主要新特性是双倍数据速率以及低功耗。首先，它被设计为双通道、每个通道16位，总共为32位，降低了处理器核心的压力，17 GB/s的带宽可优先提升手机的处理速度。另一方面，LPDDR4 RAM将工作电压从1.2 V降至1.1 V，同时还支持改进的节能低频模式，在进行简单的后台任务时，能够降低时钟的频率，从而进一步提升电池寿命。

新媒体如慢动作视频、人脸识别、3D摄像头捕捉都需要较大的RAM带宽，LPDDR4显然可以满足这部分的需求，同时也可以支持2000万像素及更高的摄像头传感器。智能手机硬件结构也是处理器+运行内存+图形芯片+存储的传统计算机模式，更先进的RAM运行内存标准，毫无疑问会充分发挥处理器的潜力，形成更好的性能。也有利于手机提升处理效率、延长电池寿命。

目前，采用高通骁龙810及三星Exynos7420处理器的机型如LG G Flex2、samsungS6/S6 Edge都采用LPDDR4 RAM，意味着今年后续的Android旗舰手机将会成为标配。不过，LPDDR4 RAM向中低端机型普及，还需要一定的时间。

2.4不同类型和内存对底电流影响

从表1中IDD6自刷新电流数据看出，LPDDR的容量增加一倍，会造成自刷新电流增加一倍。反映在整机系统底电流［3-5］就增加0.5～1 mA，同时芯片的功耗受温度影响较大。

以MT6589手机平台为例，室温25℃环境下手机整机底电流在2.5 mA左右 （此数据基于VM=1m A，使用不同的memory，VM耗电就可能不一样，这样底电流数据需要根据VM实际耗电大小来做加减）。

同样由于IC制程原因，MT6589平台底电流受环境温度影响较大，温度越高底电流越大，当处在-25℃时底电流可能降低至1.5 mA，温度在60℃可能接近5 mA。

表1　IDD6局部数据自刷新电流

图4　eMMC+LPDDR2/3芯片尺寸

3　eMCP容量和封装大小

eMCP是指将eMMC+LPDDR2/3 DRAM封装在一起，而eMMC内集成闪存与闪存控制器。LPDDR主频很高，当LPDDR与eMMC封装在一起，eMMC型号很容易对LPDDR直接产生干扰，这样对于基材设计、封装工艺要求都非常高。eMMC由于协议复杂，容易出现与主芯片平台调试兼容性问题，两个芯片种类叠加在一起，无疑增加出现技术风险的概率。一个eMCP中通常有1个eMMC控制器芯片的KGD （Know Good Die），多颗Nand Flash KGD，还有多个LPDDR2/ 3的KGD。受限于技术和工艺上的困难，在标准尺寸11.5 mm× 13 mm下eMCP容量再做大就很困难［6］。

以16GB+1GB为例，按照目前主流水平，需要叠加4颗Nand Flash KGD，2颗DRAM KGD，一颗eMMC控制KGD，而芯片厚度为1 mm在标准尺寸11.5 mm×13 mm下，难度可想而知。对大容量（≧16Gb）LPDDR2来说，以186 Ball为主，同时导致芯片尺寸变大很多。市场上eMMC+LPDDR2的16GB+16Gb容量也有162 Ball物料，但是少之甚少，不能作为主流。据说此物料个别公司在专项压力测试时，偶尔出现一些系统异常故障。

对常用的eMMC+LPDDR3物料，均为221 Ball封装形式。目前，一些高端智能终端逐渐采用Pop（PackageonPackage）形式，Pop封装将智能手机的主芯片CPU与LPDDR2/3封在一起，这样走线更简单并且可以较好地解决高主频下EMI （Electromagnetic Interference）和SI（信号完整性）问题。Pop同时可以做双通道，可以跑更高频率，使得整机性能更好。

4　结　论

LPDDR物料在便携式终端得到广泛应用，伴随智能终端的普及和大力应用，对系统整体性能提出更高的要求。本文在介绍LPDDR发展趋势基础上，通过不同LPDDR在系统中使用带来功耗和性能对比，说明LPDDR3是目前移动终端设备一种较好的性能比选择。伴随技术进步和产品更新换代，可以相信LPDDR4 RAM会逐渐从旗舰机型中走向中低端机型中，给消费者带来更快、更便携的用户体现效果。

［1］Rex sun.Samsung LPDDR3 DC Current characteristics［R］.2014.

［2］高翔.LPDDR4 RAM对于手机意味着什么［EB/OL］.［2015-04-13］.www.52rd.com.

［3］K.N.Kang.KMKUS000VM-B410 8GB e.MMC+8Gb DDP LPDDR2 S4 SDRAM［M］.2012.

［4］J.Y.Bae.KMR8X0001M-B608 16GB e.MMC+16Gb QDP LPDDR3 SDRAM［M］.2013.

［5］K.N.Kang.KMI8U000MA-B605 16GB e.MMC+16Gb QDP LPDDR2 S4 SDRAM［M］.2013.

［6］孙昌旭.智能手机Flash/DRAM选择、配置与价格大全［C］.电子工程专辑，2013.

Application and performance analysis of LPDDR in the smart terminal

WU Xu
（Ragentek Technology Group of Shanghai，Shanghai 201315，China）

In order to satisfy the requirement of the different products based on different memory，through the introduction of LPDDR development trend and the combined LPDDR2 with LPDDR3 different models such as type，performance contrast. Especially the recent development of the LPDDR4 new technology is introduced，combined with the chip frequency and power parameters have been contrasted，with the intelligent terminal board type tend to miniaturization and the whole machine based on ultra-thin，in improving system performance，more storage space，at the same time hope to has a longer standby and the operating system time，in the specific project can be done optimization design according to the product performance and customer demand.

LPDDR；performance；power consumption；smart terminal

TN929.53

A

1674－6236（2016）16-0164-03

2015-08-02稿件编号：201508002

吴 旭（1977—），男，上海人，硕士。研究方向：信号与信息处理，移动终端硬件设计。