選擇合適的存儲器解決方案是滿足目標系統對各種應用(從云計算和人工智能 (AI),再到汽車和移動應用)的功能和性能要求的關鍵。雙數據速率同步動態隨機存取存儲器 (DDR SDRAM) 或 DRAM 已成為現實的技術,因為它使用電容器作為存儲元件來實現高密度和簡單架構、低延遲和高性能、幾乎無限的存取耐力和低功耗等多種優勢。DDR DRAM 可以根據系統要求以不同的形式使用——在雙列直插式存儲器模塊 (DIMM) 上或作為分立 DRAM 解決方案中均可使用。DDR 分為三個主要類別,每個類別都有獨特的功能,可幫助設計人員滿足其目標片上系統 (SoC) 的功耗、性能和面積要求。圖 1 顯示了不同的 DDR 類別及其目標應用場景:
圖 1:JEDEC 定義了應用廣泛的三類 DRAM 標準,以滿足各種應用的設計要求 1
標準 DDR 面向服務器、云計算、網絡、筆記本電腦、臺式機和消費類應用,支持更寬的通道寬度、更高的密度和不同的形狀尺寸。DDR4 是這一類別目前最常用的標準,支持高達 3200 Mbps 的數據速率。DDR5 DRAM 的運行速度高達 6400 Mbps,預計將在 2020 年問世。
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移動 DDR (LPDDR) 適用于對面積和功耗非常敏感的移動和汽車應用。LPDDR 提供更窄的通道寬度和幾種低功耗工作狀態。LPDDR4 和 LPDDR4X 支持高達 4267 Mbps 的數據速率,是該類別中的常用標準。最大數據速率為 6400 Mbps 的 LPDDR5 DRAM 預計將于 2020 年問世。
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圖形 DDR (GDDR) 面向需要極高吞吐量的數據密集型應用程序,例如圖形相關應用程序、數據中心加速和 AI。GDDR 和高帶寬存儲器 (HBM) 是這一類型的標準。
每個標準都旨在提供高性能和容量,在運行時將功耗降至最低,并通過可靠性、可用性和可維護性 (RAS) 功能以及糾錯碼 (ECC) 功能來提高通道的穩定性。 本文說明了 LPDDR5 標準的主要功能。DDR5 的主要功能將在后續文章中介紹。 移動 DDR (LPDDR) 概覽 LPDDR DRAM 提供了一種功耗顯著降低的高性能解決方案,而降低功耗是平板電腦、智能手機和汽車等移動應用的重點要求。此類應用所需的 SoC 傾向于在每個通道上使用更少的存儲設備和更短的互連,而 LPDDR DRAM 的運行速度比標準 DDR DRAM 快(例如,LPDDR4/4X DRAM 的運行速度最高為 4267 Mbps,而標準 DDR4 DRAM 的運行速度最高為 3200 Mbps),所以能夠提供更高的性能。但 LPDDR DRAM 在此類設備中不使用,處于待機狀態時,可以將它們置于低功耗狀態,例如深度睡眠狀態,或者可以使用動態頻率調節 (DFS) 功能在較低頻率下運行。因此,當存儲通道待機時,存儲控制器可以適時地使用這些低功耗功能來降低總功耗。 LPDDR5 DRAM 使用動態電壓調節 (DVS) 功能節省更多功耗,此時存儲器控制器可以在通道待機期間降低 DRAM 的頻率和電壓。與普通的標準 DDR DRAM 通道(64 位寬)相比,LPDDR DRAM 通道通常為 16 位或 32 位寬。與其他兩個類別的 DRAM 世代一樣,后繼的每一個 LPDDR 世代(LPDDR5、LPDDR4/4X、LPDDR3、LPDDR2、LPDDR)都比其上一代產品具有更高的性能和更低的功耗。此外,任何兩代 LPDDR 都不彼此兼容。 LPDDR5 主要功能 與 LPDDR4/4X DRAM 相比,LPDDR5 DRAM 支持高達 6400 Mbps 的數據速率和在更低的工作電壓(VDD 的 1.05/0.9V 和 I/O 的 0.5/0.35V)下支持更大的設備尺寸(每個通道 2Gb 至 32Gb)。表 1 顯示了 LPDDR5 和 LPDDR4 DRAM 之間的比較:
LPDDR5 DRAM | LPDDR4 DRAM | |
設備大小 | 2Gb至32Gb(每通道) 4、8和16 bank 設備 1k、2k 和 4k 頁大小 | 2Gb至16Gb(每通道) 8 bank 設備 2k 頁大小 |
速度 | 最高 6400 Mbps | 最高 4266 Mbps |
電壓 | 1.8V DRAM 陣列 1.05V / 0.9V 內核 0.5V / 0.3 V I/O | 1.8V DRAM 陣列 1.1V 內核 1.1V / 0.6V I/O |
表格 1:LPDDR5 對比 LPDDR4/4X DRAM LPDDR5 DRAM 可通過 DVS 支持兩種內核和 I/O 電壓:在較高頻率下運行電壓分別為 1.05V 和 0.5V,在較低頻率下運行電壓分別為 0.9V 和 0.3V。因此,LPDDR5 DRAM 支持內核和 I/O 電壓的 DVS。 LPDDR5 的其他關鍵功能包括用于命令/地址 (C/A) 時鐘 (CK) 的新型可擴展時鐘架構,以簡化 SoC 時序收斂;靈活的 DRAM 存儲庫架構模式,可根據流量模式實現最佳性能;決策反饋均衡器 (DFE) 以增加 DRAM 上的寫入數據的余量,寫入 X 功能可以節省功耗,以及鏈接 ECC 以增強存儲器通道 RAS。以下部分將詳細說明每個功能 用于簡化時序收斂的新型可擴展時鐘架構 C/A CK 通常以與所有先前 LPDDR 標準(LPDDR4/4X 及更早的標準)中的數據選通 (DQS) 相同的頻率運行。這種時鐘方案給 DRAM C/A 通道和 SoC 時序收斂都帶來了巨大壓力,因為 CK 是存儲器通道上 C/A 通道的參考,并且 SoC 中的存儲控制器通常以 CK 頻率的一半,采用 DFI 1:2 比率模式在 DDR PHY 接口上運行。例如,LPDDR4/4X 的速度為 4267 Mbps,CK 和 DQS 的運行頻率為 2133 MHz,而 C/A 的數據速率為 2133 Mbps,控制器時鐘的運行頻率為 1066 MHz。 這樣的時鐘方案無法以 LPDDR5 速度擴展。因此,LPDDR5 采用了新的時鐘方案,其中 CK 以高于 3200 Mbps 的速度,按照數據選通頻率的四分之一運行,而以低于 3200 Mbps 的速度,按照數據選通頻率的一半運行。因此,即使在 6400 Mbps 的速率下,該時鐘方案也要求 CK 僅以 800 MHz 的頻率運行。這樣可以降低 C/A 的運行速度(以 1600 Mbps 的速度運行,因為 C/A 可以在 LPDDR5 的 CK 速率的上升端和下降端(例如 DDR 類型)上都進行轉換),從而大大提高了 C/A 通道的余量。同樣,CK 減速使 SoC 不僅可以更有效地收斂時序,而且還可以提供更高的性能,因為控制器現在可以在 800 MHz 的 DFI 1:1 比率下工作。此外,LPDDR5 不支持傳統的雙向數據選通架構,而是引入了兩個單向數據選通:用于寫入操作的寫入時鐘 (WCK) 和用于讀取操作的可選讀取時鐘 (RDQS)。系統可以選擇無選通或單端選通來以較低的速度進行讀取,同時節省功耗,當要想達到高速時,就需要采用差分選通 (RDQS/RDQS#)。 保證通道穩定性的單抽頭 DFE 判決反饋均衡器 (DFE) 減少了對接收數據的符號間干擾 (ISI),從而提高了接收數據的余量。先前檢測到的符號出現在正在檢測的當前符號上,就會引發 ISI。LPDDR5 DRAM 將具有單抽頭 DFE,以提高寫入數據的余量,從而增強存儲通道的穩定性。 Write X 降低功耗 Write X 是一種省電功能,允許系統將特定的位模式(例如全零模式)轉變成連續的存儲器位置,而無需切換通道上的 DQ 位。 用于防止通道噪聲引起的錯誤的 Link ECC Link ECC 可以恢復通道中發生的單比特傳輸錯誤。該數據與 ECC 一起由控制器發送到 LPDDR5 DRAM,并且在接收到數據/ECC 后,DRAM 會生成 ECC 并檢查接收到的 ECC 是否相同。在將數據寫入存儲器陣列之前,任何單比特錯誤都將得到糾正。因此,Link ECC 是適合高速的強大 RAS 功能,可防止通道噪聲引起的錯誤。 突發長度為 16 或 32 拍的靈活存儲庫架構 LPDDR5 DRAM 通過支持三種模式(Bank-Group 模式(4 個 Bank,4 Bank-Group),8 Bank 和 16 Bank)而具有靈活的存儲庫架構,供用戶根據其流量模式選擇。Bank-Group 模式適用于高于 3200 Mbps 的速度,并允許 16 和 32 拍的突發長度。8 Bank 模式支持突發長度為 32 拍的所有速度,而 16 Bank 模式則支持突發長度為 16 或 32 拍的 3200 Mbps 以下的速度。 用于進一步節約功耗的 3 種 FSP 與支持 C/A 和 DQ 的 2 個頻率設定點 (FSP) 的 LPDDR4/4X DRAM 不同,LPDDR5 DRAM 具有用于 C/A 和 DQ 的 3 個 FSP。這使控制器能夠以最少的切換時間快速切換三個頻率,以實現最佳的功耗節約效果。如前所述,DFS 與 DVS 的結合使 LPDDR5 DRAM 成為對功耗敏感的應用的理想選擇。 總結 存儲器是用于移動設備、IoT、汽車和云數據中心等應用中的任何電子系統的重要組件。SoC 設計人員必須選擇合適的存儲器技術,才能提供必要的性能、容量、功率和面積。DDR 已成為現實的存儲技術,可用于多種類別,包括標準 DDR 和低功耗 DDR (LPDDR)。最新的標準 LPDDR5 和 DDR5 以更低的功耗提供更高的性能。LPDDR5 的運行速度高達 6400 Mbps,具有許多低功耗和 RAS 功能,包括新穎的時鐘架構、可簡化時序收斂。數據速率高達 6400 Mbps 的 DDR5 DRAM 支持更高的密度,包括雙通道 DIMM 拓撲以提高通道效率和性能。 Synopsys 提供了全面的存儲器接口 IP 產品組合,支持 LPDDR 和 DDR 標準,包括最新的 LPDDR5 和 DDR5。DesignWare DDR IP全套解決方案包括 PHY、控制器和驗證 IP,它們都支持最新標準的主要功能。Synopsys 的產品組合還包括硬化選項、信號完整性/電源完整性分析、驗證模型、原型設計和仿真支持。
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原文標題:被三星、小米吹爆的LPDDR5到底是個啥?一文看懂它的功能
文章出處:【微信號:EngicoolArabic,微信公眾號:電子工程技術】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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