半导体行业观察 · 11月23日 · 安徽

跑步进入LPDDR5X时代

能看到,无论是联发科近期发布的天玑9200处理器,还是高通最新推出的骁龙8Gen2移动平台,LPDDR5x 8533Mbps的内存支持似乎都在成为下一代旗舰手机处理器的标配,目前手机厂商都在全面开展LPDDR5x的验证,有的厂商已经规划在今年年末上市支持LPDDR5x满血版8533Mbps的项目。

新一代旗舰级智能手机主芯片的发布,预示着智能手机产品将迎来LPDDR5向LPDDR5x的大规模迭代,由此将迎来移动端、游戏、相机和人工智能应用的性能提升,以及更多新功能,从而进一步提升用户体验。

这一革新的底座,源于内存技术向LPDDR5X的升级和演进。

回顾LPDDR发展历程,LPDDR5X迎来新突破

LPDDR全称是Low Power Double Data Rate SDRAM,中文全称为低功耗双信道同步动态随机存取内存,通常以先进封装技术直接堆在CPU处理器上方,以低功耗和小体积著称,是移动应用场景的主流内存产品。

从十余年前诞生至今,这个由美国JEDEC固态技术协会面向低功耗内存而制定的通信标准随着技术的演变和产品需求进行升级和革新。

从第一代LPDDR到如今的LPDDR5X,每一代LPDDR都使内部读取大小和外部传输速度加倍,LPDDR内存产品的应用场景和定制需求等方面也出现了明显代差。

LPDDR内存是由DDR内存演化而来,由于LPDDR的使用场景更接近于DDR,所以LPDDR的发展过程和DDR有较大的交集。09年出现的LPDDR直到2013年的LPDDR3,可以说一直在追随大哥的脚步。值得注意的是,到了LPDDR3时代,LPDDR3以其不错的性能和更加优秀的能耗比,开始被包括Mac Book air在内的笔记本平台所采用。

后续随着智能手机等移动平台愈发旺盛的市场和和性能需求,LPDDR4开始按照自己的应用场景需求建立起自己的规范体系。

从LPDDR4开始,它和DDR内存走上了不同的发展道路。

随着移动市场的持续增长,手机等产品对内部硬件速率和续航指标的需求也在提升。LPDDR4设计之初的目标,就是将I/O接口的数据速率由LPDDR3的2133Mbps提高到了3200Mbps乃至4266Mbps。为实现这一目标,JEDEC委员会不得不重新设计LPDDR的架构,从此前的16位单通道芯片改为每通道16位的双通道芯片,总位数达到32位。

双通道架构缩短了数据信号从存储器阵列到I/O粘贴片的传送距离。这样就降低了LPDDR4接口所要求的大量数据传输所需要的功耗。而且双通道架构使得时钟与地址总线可以同数据总线放在一起。因此,数据总线到时钟及地址总线之间的偏斜得以降到最小,从而使得LPDDR4器件达到更高的数据速率。

此外,LPDDR4成功将预读取位数由原来的8位突破到了16位,同时其运行电压进一步降低至1.1V,并通过改变I/O接口信号发送方式、支持宽范围频率下的节电功能等一系列革新,使得LPDDR4在移动端大获成功,不仅抢先于DDR4更先商用,也受到了移动端市场的广泛欢迎,得以快速普及。

而LPDDR5则更进一步,2019年2月,JEDEC正式发布了JESD209-5,即Low Power Double Data Rate 5 (LPDDR5)全新低功耗内存标准。相较于2014年发布的第一代LPDDR4标准,LPDDR5的I/O速度提升到6400 MT/s,直接翻番。

JEDEC协会认为,LPDDR5有望对下一代便携电子设备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。

基于LPDDR5技术提升,智能手机上的4K高清视频直播、最新手游和基于AI的计算影像等应用均依赖更高的内存带宽才能带来更流畅的体验。 在这两三年时间中,LPDDR5在智能手机应用中位元出货的渗透率从不足8%发展至如今的接近40%,成为绝大对数智能旗舰手机DRAM选型的必备技术。

基于LPDDR5的性能基础,LPDDR5X更进一步,将赋能更广泛的设备拥有更多基于AI和5G的功能。

根据相关数据显示,LPDDR5X内存在各个场景下的功耗得以大幅降低,其中短视频功耗降低30%,长视频功耗降低25%,游戏功耗降低30%,综合下来实际日常使用的功耗可降低20%左右。

据了解,相比起满血版LPDDR5,LPDDR5X带来的提升主要有三点,分别是数据传输速率从6400Mbps增至8533Mbps,提升幅度高达33%;TX/RX均衡改善信号完整性;以及能通过新的自适应刷新管理提高可靠性。而且,对于支持8533Mbps LPDDR5X内存的移动SoC,其峰值理论可用带宽将进一步增长到68.26GB/s。

除了性能上的提升外,为了提高数据传输速率以及提高低功耗内存子系统的可靠性,LPDDR5X引入了名为pre-emphasis(预加重)的功能来提高信噪比并降低误码率以及自适应刷新管理,此外还有每引脚决策反馈均衡器,可以增强内存通道稳健性。两种内存颗粒的引脚完全兼容,这可以从各个层面上简化处理器对LPDDR5X支持所需要的内存控制策略。

历代LPDDR DRAM的数据传输速率

除此之外,在内存库分组和可变电压方面,LPDDR5X进行了更好的优化,从而能有效降低系统的整体功耗。

通过移动生态系统各个方面的合作和创新,LPDDR5X的性能和功耗将解锁全新AI和5G的潜力,例如,运营商建设和投资基础设施,手机厂商开发出能利用这一新带宽的终端设备,以及整个半导体行业的参与。

市场逆境下,存储大厂仍争相布局

在LPDDR技术正常迭代背后,在智能手机更高性能和容量需求情况下,是三星电子、SK海力士以及美光三家内存巨头在全球LPDDR5X这一最新技术领域的激烈竞争。

从市场格局来看,在DRAM这个重要的存储芯片细分领域,三星、SK海力士和美光是当之无愧的佼佼者。研究机构ICInsights的数据显示,2021年三大厂商共占据DRAM市场94%的份额。其中第一名韩国三星电子约占43.6%,第二名韩国SK海力士约占27.7%,第三名美国美光约占22.8%。

据ICinsights消息报道,疲软的经济状况和高通胀率减缓了全球对个人电脑、主流智能手机和其他消费电子产品的需求。

因此,DRAM旺季不旺,需求呈螺旋式下降,预计2022年下半年销售额将下降40%至293亿美元,预计2022全年DRAM市场将下降18%。

三星、SK海力士、美光等行业巨头纷纷表示季度内存销售额大幅下滑,并且预计DRAM市场疲软将持续到今年年底,至少会持续到2023年第1季度。

存储芯片市场迎来下行周期,产业变得愈发保守起来,比如缩减产能、灵活调整资本支出。美光科技预计2023财年资本支出为80亿美元,同比下滑33%;SK海力士决定将明年的投资规模从今年预计的15-20万亿韩元减少到50%以上;相比之下,三星暂未宣布减少2023年投资,保持了逆周期扩产的传统,只示可能灵活调整2023年设备方面的资本支出。

不过,在逆境之下,存储大厂始终对先进技术保持积极投入的态度。

LPDDR5X在取得更高带宽和更快速率的同时,降低了系统的整体功耗,除了在技术标准上的革新外,使用更先进的工艺节点,功耗效率自然会相应提升。

对DRAM芯片而言,先进制程意味着高能效与高容量,以及更好的终端使用体验。在芯片工艺制程上,DRAM目前的表述和以前有所不同。因为电路结构是三维的,所以线性的衡量方式不再适用,相较于之前的多少纳米,出现了1X、1Y、1Z、1α、1β、1γ之类的术语表达制程。

当前,DRAM先进制程工艺经历了1x、1y、1z与1α四代技术。三星、SK海力士和美光已在2016-2017年期间进入1Xnm阶段,2018-2019年进入1Ynm阶段,2020年后进入1Znm阶段。最新的1αnm,仍处于10+nm阶段。

目前,各大厂家在继续向10nm逼近。

SK海力士:首次将HKMG工艺用于LPDDR

2022年10月8日,韩国SK海力士公司抢先一步,宣布开始销售基于HKMG(高K金属栅)技术的LPDDR5X(低功耗双数据速率5x)移动DRAM。

与上一代芯片相比,SK海力士新产品采用1α工艺制造,功耗降低了25%,速度提升了33%,实现了8.5Gbps的操作速度。在JEDEC固态技术协会设定的1.01V至1.12V的超低电压范围内运行,确保了行业最高的低功耗指标的实现。

在DRAM业界中,SK海力士首次将HKMG工艺用于移动DRAM。

借助HKMG,一层薄薄的高k薄膜可取代晶体管栅极中现有的SiON栅氧化层,降低了泄漏电流,提高了芯片可靠性。

高k/金属栅极的集成解决方案

此外,通过减小栅厚度,可以实现晶体管微缩,并改善基于多晶硅/SiON的晶体管的速度特性。

SK海力士利用HKMG工艺,既提高了性能,又降低了功耗,可谓是一石二鸟,实现了积极的扩展和高效率。

此外,2022年10月23日,SK海力士向光刻机巨头ASML订购了下一代高数值孔径(0.55)的EUV光刻机,准备大干一场。EUV光刻机将带来更简化的工艺流程,且成本会随着工艺的不断完善而不断降低。

加持EUV光刻机可以大幅度提高DRAM性能

需要指出的是,尽管采用了EUV光刻机,SK海力士此次官宣的基于HKMG技术的LPDDR5X移动DRAM仍然属于1α节点。

三星电子:业界最快速度通过高通验证

紧随其后,10月18日,三星电子宣布其最新与高通合作的LPDDR5X DRAM,日前以8.5Gbps的业界最快速度通过了验证。

据了解,三星LPDDR5X采用14nm工艺制程,速度、容量以及功耗方面实现大幅提升,与上一代产品LPDDR5相比,其运行速度提升至1.3倍,功耗也减少了约20%。

三星与高通公司合作优化后,LPDDR5X的速度稳定在7.5Gbps,依旧是现有产品速度的1.2倍,预计会运用在下一代智能手机身上,提升超高分辨率视频录制、图像识别等方面的性能体验。

三星方面表示,LPDDR5X内存具有低功耗和高性能优势,其不单能够使用在手机中,在PC、服务器和汽车中也能广泛使用。

在10月召开的Samsung Foundry Forum 2022活动上,三星还对外公布了DRAM技术路线图。按照规划,三星将于2023年进入1β nm工艺阶段,即第五代10nm级别DRAM产品。为了克服DRAM扩展到10nm范围以外的挑战,三星一直在开发图案化、材料和架构方面的颠覆性解决方案,高K材料等技术正在顺利进行中。

三星电子LPDDR芯片发展历程

美光科技:率先推出1β节点工艺

11月2日,美光正式推出了1β节点DRAM产品,并且已经向智能手机和芯片平台合作伙伴进行出样测试。据美光透露,目前1β节点DRAM产品已经做好量产准备,并且会率先在LPDDR5X移动内存上采用这一全新制程技术,最高速度可达8.5Gb/s。

据悉,与1α相比,1β技术可将能效提高约15%,内存密度提升35%以上,单颗裸片容量高达16Gb。美光认为,随着LPDDR5X的出样,移动生态系统将率先受益于1β DRAM产品的优势,从而解锁下一代移动创新和先进的智能手机体验,并同时降低功耗。

作为世界最先进的DRAM工艺节点,1β代表了美光市场领先地位的提升,并与1α技术节点的批量发货紧密相连。

另一方面,美光正在通过精密的光刻和纳米制造挑战物理定律。

DRAM的规模很大程度上取决于每平方毫米半导体面积提供更多更快的内存的能力,这需要缩小电路。然而,随着芯片越来越小,在芯片上定义电路图案需要挑战物理定律。

虽然内存芯片已经开始转向一种使用EUV光刻来克服这些技术挑战的新工具,但美光已经利用其已被证实的前沿纳米制造和光刻技术,绕过了这一新兴技术。

美光表示,EUV技术仍处于发展初期,为规避技术风险,美光采用了成熟的尖端纳米制造和光刻技术进行1β的生产。要做到这一点,需要应用公司专有的、先进的多图案技术和浸没能力,例如专有的先进多重曝光技术和浸润式光刻技术,以最高的精度对这些微小的特征进行蚀刻。

这种创新带来的更大容量也将使智能手机和物联网设备等外形尺寸较小的设备能够在紧凑的空间中容纳更多内存。

在1β上制造的高密度、低功耗存储器能够在数据密集的智能事物、系统和应用程序之间实现更高效的数据流,并实现从边缘到云的更多智能。在未来一年,美光将开始在嵌入式、数据中心、客户端、消费者、工业和汽车领域扩大1β的投资组合。

写在最后

尽管存储芯片正面临市场价格的“雪崩”,但以三巨头为代表的存储厂商动态来看,长期的市场信心依然屹立不倒。在这种背景下,持续推进1α、1β、1γ工艺革新将是内存巨头们不变的战略,存储芯片赛道上的技术竞争仍旧十分激烈。

无论是第五代10nm级DRAM技术,还是更高层数堆叠的NAND Flash,存储大厂都在积极发力,以保持市场领先地位,并满足市场对高容量、高性能产品需求,呈现出持续发展的潜能。

同时,未来LPDDR的使用范围也将会从智能手机逐渐扩展到AI、汽车和数据中心等应用场景,市场前景越来越广阔。

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