引言:拍出完美的照片、打網(wǎng)絡(luò)游戲、直播4K視頻和實(shí)現(xiàn)高階自動(dòng)駕駛,都需要向處理器提供大量的圖像、視頻、游戲、5G和雷達(dá)數(shù)據(jù)。所有這些數(shù)據(jù)都會(huì)流經(jīng)動(dòng)態(tài)內(nèi)存,需要強(qiáng)大、高效的內(nèi)存來(lái)保證流暢的用戶(hù)體驗(yàn)和實(shí)時(shí)安全性,高性能DDR對(duì)于充分發(fā)揮處理器的數(shù)據(jù)處理量,處理速度,算力具有關(guān)鍵的作用,為這些日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用場(chǎng)景提供支持。DDR其實(shí)是一個(gè)很大的緩存器件,在系統(tǒng)運(yùn)行期間用來(lái)短暫存儲(chǔ)文件數(shù)據(jù),斷電后清空,所有這些數(shù)據(jù)都會(huì)流經(jīng)內(nèi)存,使得內(nèi)存成為處理器的關(guān)鍵器件。
1.LPDDR4&LPDDR4X的特點(diǎn)
LPDDR4設(shè)備在命令/地址(CA)總線(xiàn)上使用2或4時(shí)鐘架構(gòu),以減少系統(tǒng)中的輸入引腳數(shù)量。6位CA總線(xiàn)包含命令、地址和存儲(chǔ)體信息,每個(gè)命令使用1、2或4個(gè)時(shí)鐘周期,在此期間,命令信息在時(shí)鐘的正沿上傳輸。
LPDDR4內(nèi)存優(yōu)化用于解決電池供電應(yīng)用中的功耗問(wèn)題,與DDR4相比,這些內(nèi)存器件的峰值帶寬快33%,與標(biāo)準(zhǔn)DRAM相比,LPDDR4內(nèi)存在待機(jī)模式下的功耗降低至1/5。這些內(nèi)存器件采用多芯片封裝(MCP)和封裝體疊層(PoP)設(shè)計(jì),可節(jié)省PCB空間。LPDDR4內(nèi)存器件優(yōu)化了x16、x32和x64配置,可為某些應(yīng)用節(jié)省BOM。LPDDR4內(nèi)存在性能、功耗、延遲和物理空間之間實(shí)現(xiàn)了完美平衡,因此非常節(jié)能,適合用于手持設(shè)備、電池供電應(yīng)用和超便攜設(shè)備。
LPDDR4和LPDDR4X SDRAM是低壓存儲(chǔ)器器件,有2Gb、4Gb和8Gb密度可供選擇。這些器件具有低壓內(nèi)核和I/O電源要求。LPDDR4和LPDDR4X SDRAM的時(shí)鐘頻率范圍為10MHz至1600MHz,每個(gè)I/O的數(shù)據(jù)速率高達(dá)3200Mbps。LPDDR4和LPDDR4X均具有可編程和“即時(shí)”突發(fā)長(zhǎng)度的可編程讀寫(xiě)延遲。
LPDDR4和LPDDR4X SDRAM采用雙數(shù)據(jù)速率架構(gòu),以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行。雙數(shù)據(jù)速率架構(gòu)是一個(gè)16n預(yù)取架構(gòu),設(shè)有一個(gè)接口,設(shè)計(jì)用于在I/O引腳上每時(shí)鐘周期傳輸兩個(gè)數(shù)據(jù)字。這些器件以時(shí)鐘上升沿和下降沿為基準(zhǔn),提供完全同步的操作。這些數(shù)據(jù)路徑在內(nèi)部被設(shè)計(jì)為流水線(xiàn)的形式,預(yù)取16n位,以實(shí)現(xiàn)非常高的帶寬。
2.LPDDR4&LPDDR4X的結(jié)構(gòu)
圖10-1:LPDDR4/LPDDR4X內(nèi)部結(jié)構(gòu)
如圖10-1是LPDDR的內(nèi)部結(jié)構(gòu),內(nèi)部配置有1或2個(gè)通道的高速同步DRAM設(shè)備。每通道配置有8個(gè)內(nèi)部組,可同時(shí)運(yùn)行,每個(gè)通道的密度從1Gb到16Gb。雙通道由16個(gè)組組成,總裸片密度從2Gb到32Gb。
圖10-2:?jiǎn)蝑ie、單通道、單級(jí)方框圖(x16 I/O)
圖10-3:雙die、雙通道、單級(jí)封裝方框圖(x32 I/O)
3.LPDDR4&LPDDR4X的參數(shù)
低壓電源:LPDDR4: 1.8V(VDD1 = 1.70-1.95V);LPDDR4X: 1.1V(VDD2 = 1.06-1.17V)
低壓I/O:LPDDR4: 1.1V(VDDQ = 1.06-1.17V);LPDDR4X: 0.6V(VDDQ = 0.57-0.65V)
時(shí)鐘頻率范圍:10MHz至1866MHz,每I/O端口數(shù)據(jù)速率范圍:每I/O 20Mbps至3733Mbps。
16n預(yù)取DDR體系結(jié)構(gòu),多路復(fù)用、雙倍數(shù)據(jù)速率、命令/地址輸入,低功耗的移動(dòng)功能,每通道8個(gè)內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū),用于并行操作,便攜特性,可降低功耗,可編程讀寫(xiě)延遲,可編程和動(dòng)態(tài)突發(fā)長(zhǎng)度(BL=16或32),片上溫度傳感器,實(shí)現(xiàn)高效自刷新控制,ZQ校準(zhǔn),可調(diào)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度,部分陣列自刷新 (PASR)。
4.LPDDR5&LPDDR5X
LPDDR5進(jìn)一步平衡了性能和功耗,可滿(mǎn)足不同類(lèi)型SOC的工作負(fù)載和系統(tǒng)要求。LPDDR5 DRAM設(shè)計(jì)用于滿(mǎn)足5G網(wǎng)絡(luò)的需求,DRAM支持5G智能手機(jī)以高達(dá)6.4Gbps峰值速度處理數(shù)據(jù),這對(duì)于防止5G數(shù)據(jù)瓶頸至關(guān)重要。LPDDR5 DRAM可以滿(mǎn)足這些要求,數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)速度提升50%,與前幾代產(chǎn)品相比,該器件的功效也增加20%以上。
5G網(wǎng)絡(luò)速度需要最大限度地提高處理能力以及實(shí)現(xiàn)高帶寬內(nèi)存和存儲(chǔ)。12GB LPDDR5 DRAM存儲(chǔ)器,為消費(fèi)者提供順暢、無(wú)滯后的體驗(yàn)。利用更快的數(shù)據(jù)速度和更低的5G延遲來(lái)提高基于云的應(yīng)用(如游戲和流媒體)的性能。
LPDDR5改進(jìn)了整體DRAM設(shè)計(jì),先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)支持到16GB容量,數(shù)據(jù)速度為6.4Gbps。
5.LPDDR4/X&LPDDR5/X的工作過(guò)程和使用場(chǎng)景
LPDDR5提高性能和能效
LPDDR5擁有非常獨(dú)特的靈活性,不僅讓處理器擁有極高的性能和能效,出色的用戶(hù)體驗(yàn)取決于向日益精密的處理器提供大量的圖像、視頻、游戲和5G數(shù)據(jù),同時(shí)在內(nèi)存中為操作系統(tǒng)留出足夠的空間來(lái)緩沖多任務(wù)應(yīng)用程序,而且能在應(yīng)用程序之間進(jìn)行平滑的切換。
LPDDR5帶寬高達(dá)6400Mb/s——比LPDDR4X性能提升50%,提升5G和AI等性能,能效提高20%,LPDDR5 提供了將AI引擎直接嵌入處理器所需的速度和容量(高達(dá)16GB)。為避免5G數(shù)據(jù)瓶頸,LPDDR5支持SOC在四通道系統(tǒng)中以51.2GB/s的峰值帶寬處理數(shù)據(jù),與LPDDR4相比,電源效率提升超過(guò)20%,因此蓄電場(chǎng)景續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)。
了解內(nèi)存在計(jì)算攝影、實(shí)時(shí)手游和4K視頻直播中的關(guān)鍵作用也很重要,這些應(yīng)用場(chǎng)景依賴(lài)于快速有效地將數(shù)據(jù)提供給處理器,同時(shí)緩沖應(yīng)用程序,以便實(shí)現(xiàn)無(wú)延遲的應(yīng)用程序切換。
計(jì)算攝影
計(jì)算攝影需要大量的內(nèi)存才能讓拍出完美的照片,如圖10-4的數(shù)據(jù)流,其實(shí)在點(diǎn)擊拍照按鈕之前,攝像頭已經(jīng)拍攝了幾十張圖像,將其存儲(chǔ)在內(nèi)存緩沖區(qū)中。當(dāng)按下快門(mén)時(shí),預(yù)留好的內(nèi)存會(huì)將圖像傳輸?shù)絻?nèi)置于處理器SoC中的人工智能引擎中,并在這個(gè)過(guò)程中與內(nèi)存緩沖區(qū)中的圖像合并,從而拍出完美的照片。內(nèi)存還存儲(chǔ)圖像,而圖像處理器使用圖像增穩(wěn)、光校正、聚焦和其他技術(shù)來(lái)增強(qiáng)圖像。
圖10-4:計(jì)算攝影數(shù)據(jù)流
旗艦手機(jī)配備了多個(gè)攝像頭,包括廣角鏡頭和長(zhǎng)焦鏡頭,LPPDR5提供了高帶寬和高容量,可以將來(lái)自多個(gè)不同圖像傳感器的圖像以足夠快的速度傳送給人工智能引擎,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像處理,使這些攝像頭擁有更多的內(nèi)存帶寬是拍攝完美照片的關(guān)鍵。當(dāng)你點(diǎn)擊拍照按鈕時(shí),數(shù)據(jù)就開(kāi)始流動(dòng):傳感器將原始圖像移動(dòng)到內(nèi)存中,然后圖像信號(hào)處理器(ISP)借助人工智能引擎的圖像和場(chǎng)景識(shí)別功能處理內(nèi)存中的原始圖像,隨后進(jìn)行圖像壓縮和編碼。而LPDDR5內(nèi)存加速傳輸了這些引擎所需的數(shù)據(jù)。
能夠以每秒60幀的速度錄制4K視頻,或以每秒30幀的速度錄制6K視頻旗艦手機(jī)為用戶(hù)配備了先進(jìn)的攝影和AI功能,可以幫助業(yè)余攝影者拍攝出高質(zhì)量、專(zhuān)業(yè)級(jí)的照片,而這些豐富的計(jì)算攝影功能只有通過(guò)LPDDR5內(nèi)存才能得以實(shí)現(xiàn),也就是在一次點(diǎn)擊后的幾毫秒內(nèi)就可以完成繁重的處理任務(wù)。
4K視頻直播
隨著5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,4K視頻直播變得無(wú)處不在,LPDDR5提供的高帶寬能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)解碼多個(gè)4K視頻。大容量對(duì)于處理大型視頻文件以及為操作系統(tǒng)和緩沖應(yīng)用程序留出內(nèi)存空間也是非常必要的,此外5G數(shù)據(jù)流要求超低延遲,以防止用戶(hù)體驗(yàn)出現(xiàn)任何卡頓。
如圖10-5數(shù)據(jù)流,手機(jī)上的直播類(lèi)似于計(jì)算攝影,相應(yīng)的傳感器、編碼器和人工智能引擎都需要高帶寬的管道,在這個(gè)過(guò)程中,所有視頻數(shù)據(jù)都會(huì)流經(jīng)內(nèi)存。
圖10-5:4K視頻直播數(shù)據(jù)流
一些旗艦手機(jī)可以提供4K/8K直播功能,同時(shí)在高刷新率顯示屏上以全分辨率實(shí)時(shí)預(yù)覽內(nèi)容,進(jìn)行音樂(lè)會(huì)、視頻播客和體育賽事直播都需要很高的內(nèi)存帶寬,而分辨率、功能和軟件復(fù)雜性的不斷增加,對(duì)內(nèi)存帶寬和容量提出了更高的要求。
游戲
如今玩家越來(lái)越多地在手機(jī)上玩圖形密集型游戲,對(duì)于這類(lèi)游戲,LPDDR5既能為電池續(xù)航提供高能效,也能滿(mǎn)足高帶寬需求的高刷新率顯示屏、自定義控件、高分辨率音頻和多人游戲。
當(dāng)啟動(dòng)一個(gè)圖形密集型游戲時(shí),可立即使用的數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)加載到內(nèi)存中,或者從網(wǎng)絡(luò)下載到內(nèi)存中。然后SoC處理游戲數(shù)據(jù)以增強(qiáng)視覺(jué)和音頻體驗(yàn),玩家操作數(shù)據(jù)由SoC處理并存儲(chǔ)到內(nèi)存緩沖中。在實(shí)時(shí)游戲中,信息通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)收發(fā),內(nèi)存緩沖被不斷更新。
圖10-6:手游數(shù)據(jù)流
復(fù)雜的手游需要高內(nèi)存容量來(lái)加載實(shí)時(shí)游戲關(guān)卡,在手機(jī)屏幕開(kāi)始顯示之前,游戲數(shù)據(jù)已傳輸通過(guò)了GPU管道路徑——頂點(diǎn)著色、光柵化、片段著色等等,所有這些都經(jīng)由LPDDR5內(nèi)存進(jìn)行加速。
注重性能的游戲手機(jī)可以最大限度的使用帶寬,提供超高的屏幕分辨率、高幀率144Hz刷新率和300Hz觸摸采樣率。實(shí)現(xiàn)這些功能需要足夠的帶寬來(lái)處理內(nèi)存中的游戲數(shù)據(jù),以獲得最佳的視覺(jué)和音頻體驗(yàn),而5G網(wǎng)絡(luò)上的多人游戲則需要超低的延遲、平滑的渲染、最快的響應(yīng)能力和高級(jí)畫(huà)質(zhì),這些高級(jí)工作負(fù)載需要更高的內(nèi)存性能和更低的能耗,LPDDR5以高達(dá)6.4Gb/s的峰值速度處理數(shù)據(jù),避免了5G數(shù)據(jù)瓶頸。
高階自動(dòng)駕駛
支持高階自動(dòng)駕駛的車(chē)輛,會(huì)配備多顆超高算力的芯片,接入的傳感器多種多樣,包括攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)。在高速行進(jìn)中的車(chē)輛開(kāi)啟自動(dòng)駕駛功能時(shí),處理器需要快速無(wú)延遲的處理每時(shí)刻涌入進(jìn)來(lái)的不同類(lèi)型的海量數(shù)據(jù),快速進(jìn)行算法解析,算法融合,場(chǎng)景實(shí)時(shí)更新,最后輸出控制邏輯。所有這些數(shù)據(jù)都會(huì)流經(jīng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)內(nèi)存,供處理器調(diào)用計(jì)算,由于車(chē)輛在高速行進(jìn)中并且周?chē)h(huán)境在不斷變化,從環(huán)境感知到控制邏輯輸出中間的延遲要求極短,以此來(lái)保證車(chē)輛姿態(tài)調(diào)整的及時(shí)性,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的高安全性。LPDDR5/X卓越的能效可在數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)多任務(wù)處理,同時(shí)大大降低功耗。
圖10-7:高階自動(dòng)駕駛數(shù)據(jù)流
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