100%靠进口的中国内存，却手握世界第四的技术

聊聊LPDDR5到底是什么...

2020年2月13日小米10系列手机的发布把，一个词带火了：LPDDR5。

今天，汐元不妨就和大家说一说，lpddr以及背后dram内存江湖的那些事。

一、你要先了解什么是DRAM

首先我们需要搞清楚内存大概有哪些种类。

内存的分类大概是这样的：可以看到，lpddr内存就是，sdram的一种，或者说就是ddr的，低功耗版。所以要弄清楚LPDDR，我们需要先了解，什么是ddr。

DDR严格的全称是DDR SDRAM，所以很显然，它也是SDRAM的一种。

那么SDRAM是什么？这就要从DRAM说起了（手动捂脸）。

DRAM，通俗地说，其实就是内存存储数据的，一种方式，它通过给电容充电，然后计算电容里面的，电位差，转换成1、0、1、0、1、0……这样的二进制信号。这些二进制信号，也就是数据的本质形态。

实际运作的时候，电容在充满电的时候可能会，出现漏电等情况，所以充满之后需要放电，用的时候再充满电，持续进行这种充电、放电的动作，是动态的。DRAM的“D”就是Dynamic（动态）的意思。

SDRAM又是什么呢？我们知道，cpu的工作频率通常都是以ghz，为单位的，而内存的工作频率是主要还是，mhz的水平。也就是说，cpu的工作频率远，高于内存。

频率差别大，cpu和内存怎么，协调工作呢？这就是SDRAM存在的意义。它的意思就是在cpu和内存之间形，成一个同步的机制，保证在指定的时间周期里，cpu一定能够从，内存拿到数据，不需要等待，也提高了存储速度。

SDRAM的“S”就是同步（synchronous）的意思。

到底怎么同步呢？不妨简单说明一下。

内存颗粒中数据是以Bank的方式存在的，bank就像库房，里的储物架。以前dram时代一个库房里，只有一个储物架，CPU来要数据的时候，如果这个储物架在忙，CPU就得等待。

SDRAM里，储物架变成了两个或者，两个以上，这样，CPU来要数据的时候，如果一个储物架在忙，另一个储物架就可以站，出来给cpu调配物资。如此，CPU就不需要等待，也就等于提高了速率。

下面就到DDR了。DDR的意思是“Double Data Rate”，也就是双倍速率。从上面这张图可以看到，之前sdram在一个时钟周期，里只做一次数据存取，而ddr在一个时钟周期里可以，做两次数据存取，分别是在上升沿和下降沿，这样也就实现了两倍速率。

这就是DDR。

基于这些，LPDDR也就很容易理解了。

二、LPDDR的演进之路

LPDDR的全称是Low Power Double Data Rate SDRAM，又称为mDDR（Mobile DDR SDRAM）,是美国jedec固态技术协会，面向低功耗内存而制定的标准。

lpddr以低功耗和，小体积著称，专门用于移动式电子产品。

除了低功耗，lpddr的发展过程也是不断吸纳新技术和新特性(，新特性)的过程。

第一代lpddr和ddr没有，太多不同。第二代lpddr标准在2010年，发布，相比第一代LPDDR更节能，同时引入了闪存和sdram共用，接口的设计，好处是降低了控制器的，引脚数。

另外，lpddr2还提高了支持的，内存容量以及其他性能的提升，例如额定频率为100—533MHz，数据位宽为x8、x16和x32，有2bit和4bit两种。

采用LPDDR2内存的手机，it之家的老，读者们可能还有印象，例如三星Galaxy S2、iPhone 5等。▲三星Galaxy S2，图自：wikimedia

LPDDR3标准在2013年发布。它引入了一些新技术。

第一种叫做写入均衡与指令，地址调用，这个技术主要是保证，内存高速运行的同时，还能维持数据传输的稳定，不出错。

第二种叫做片内终结器（ODT）技术，这是个可选技术，可以在提高内存信号，稳定性的基础上 节省不少电器元件。

另外，lpddr3的整体性能相比lpddr2，也有飞跃，额定频率可以达到667-800MHz。不过功耗控制方面表现，不太出色。

采用lpddr3内存的典型机型包括，小米手机3、三星Galaxy Note 4、iPhone 6等。▲小米手机3，图自：wikimedia

LPDDR4标准发布于2014年，它有两个主要特性：两倍数据速率和低功耗。

在LPDDR4上，芯片设计方式已经由之前的单通道(单通道，)演进为双通道，在电路上也优化了数据（DQ）信号和地址（CA）信号的位置，让走线长度变短，缩短了数据信号，的传送距离，从而减小时延。总之就是让数据，传输速率更快。速率大涨后，需要进一步控制功耗。lpddr4还采用了一种叫lvstl的，低功耗接口设计技术。这个技术具体也比较专业，不需要大家理解，它就是可以让电压，摆动的幅度可控制，并且在理想状态，下不需要直流电平，从而进一步控制功耗。lpddr4的数据传输速率，可以达到lpddr3的2倍，功耗却只有它的一半。

采用lpddr4内存的，手机如三星galaxy Note 5、iPhone 6s、华为P9系列等。▲iPhone 6s，图自：Pexels

2016年公布的LPDDR4X可以看做是LPDDR4的一个省电优化版本。这也是lpddr5之前那段时间主流中高端手机，上采用的内存，例如魅蓝X、三星Galaxy Note9、小米6、iPhone XS等等。▲iPhone XS

最后来说小米10手机采用的LPDDR5的内存。lpddr5内存标准是jedec，在2019年2月份确定的。

关于LPDDR5内存的优势，其实小米一众高管在预热小米，10的时候已经不遗余力地给大家科普过了，it之家当时也进行，了密切报道。这里汐元简单总结一下，即可。

相比LPDDR4X，lpddr5的关键在于，重新设计了架构，采用16banks可编程，和多时钟架构。

16Banks的架构，也就是小米宣传的“Bank Group架构”，可以让器件内部增加更多的，并行数据通路，增加了数据带宽，提升了性能。多时钟架构的意思是，lpddr5可以根据工作频率，动态调节工作电压。lpddr4x在高速工作时需要一直保持高时钟(，高时钟)频率，而lpddr5平时时钟频率，可以控制在800mhz，在数据有读写操作时，会冲到最大工作频率，当读/写工作停止时，则会回落，从而降低功耗。

另外，LPDDR5还引入了Data-Copy和Write-X两个新的指令。

其中，Data-Copy指令的意思是，LPDDR5可以将单个I/o引脚上传输的，数据复制到其他i/O引脚，提升数据传输的效率。

而Write-x指令可将全1，或全0信号写入到特定地址，不用将数据从soc发送到，lpddr5内存上，从而可以降低整个系统的，功耗水平。

其实就是六字真言：提速率，降功耗。

最后，汐元整理了lpddr从，第一代到第五代的演进路线，并通过一张表格的形式，呈现给大家：从表中的数据，结合前面的介绍，看得出LPDDR5相比LPDDR4X，无论在性能还是功耗上，确实会有明显更好的表现，对于它在更多智能，手机上的普及，以及在5G时代的表现，值得期待。

三、共同瞄准1Z纳米工艺

经常刷IT之家的小伙伴们一定都了解，计算机系统结构的存储器包括，三大种：缓存、内存和存储。

缓存通常用的是SRAM，虽然对运行速度要求最高，但容量等需求这么多年，没太大变化。存储是指我们，平时所说的闪存，包括硬盘、U盘等，它的容量需求增长过快，存储介质也在发生变化。▲图自：torange

所以，只有内存dram的市场，一直以来最稳固，规模最大。

就DRAM市场格局来说，经过过去五十多年的竞争，和发展，现在全球dram市场已经，形成一个寡头垄断的局面。

根据公开资料信息，2018年三星、sk海力士和美光在dram全球市场中占，比分别为46%，29%，21%，三家占比加起来超过95%。lpddr自然也是以，这三家供应商为主。

在工艺制程方面，内存也不像cpu那样，正朝着5nm、3nm进发。在工艺进入20nm之后，内存的制造难度就越来越，高了，行业也遭遇了一些瓶颈。在10纳米级别上，行业将它分成了3代节点，分别是1Xnm（16-19nm）、1Ynm（14-16nm）、1Znm（12-14nm）。

以目前最厉害的三星为例。下面这张图是三星官方，给出的lpddr内存量产历史：可以看到，在2018年的7月，三星已开始量产1y纳米工艺，的lpddr4x内存。

再往后，2019年3月，他们已经在开发1z纳米，工艺的dram，当时计划在2019年，下半年开始量产。

这个技术进度已经是三巨头里，比较领先的了。LPDDR5方面，三星在2018年7月即开，发出了8gb的lpddr5内存，然后在2019年7月18日，已经开始为高端，智能手机量产12gb LPDDR5内存，采用的工艺是1Y纳米。it之家之前报道了，三星galaxy S20发布的新闻，我们看到，目前三星也已经搞定，了16gb LPDDR5。

我们知道，小米10系列的lpddr5供应商同时包含，三星和美光。并且小米10系列先期采用的是，美光的lpddr5。事实上，美光在lpddr工艺研发，的进展上也比较顺利。例如这次交付给小米10的lpddr5内存采用，的也是1y纳米工艺。另外，美光在2019年8月已经开始量产1z，纳米的dram（16Gb DDR4），并计划在今年晚些时候，推出相关产品。

海力士方面进度稍慢一些，他们在2019年4月才宣布将销售1y纳米，工艺的内存芯片，今年CES 2020上，也只是展示了，lpddr5原型内存解决方案。他们目前正在努力提高1znm，工艺16gb DDR4的量产，并在积极拓展到lpddr5，等市场，同样预计在，今年大规模量产。总体来说，1z纳米的工艺是行业巨头们，接下来攻关的重点，并且不出意外的话会在今年晚些时候，我们就会看到实际的产品。当然啦，未必是适用于手机的，lpddr内存。

四、中国DRAM产业，栉风沐雨四十年，迎追赶良机

先和IT之家小伙伴们分享一组比较扎心的数据。

根据IC Insights的调查报告，2016年，中国本地的市场消耗 1070 亿美元半导体产品，需求量占全球30%左右。而根据光大证券《2017年中国集成电路产业现状，分析》报告中给出的中国核心集成电路，的自给率数据，DRAM的自给率为0%。基本是完全依赖，进口的状态。当然，这些是2016年、2017年的数据，而在距今的几年时间里，国内dram产业也取，得了一些可喜的进展，我们下面会说。

刚才汐元介绍了dram，全球的产业格局，基本情况相信大家也，了解了。

那么在这样一个寡头，垄断的局势下，中国dram存储产业有，破局的机会吗？我们究竟又处在哪一步？

下面，汐元不妨和大家讲一讲中国dram，产业的发展情况。

说起来，中国dram产业的发展，起步其实也不晚，至今已经有了40多年，的发展历史，只是受到技术、市场、产业链等因素的影响，没有真正发展成一个，成熟的产业体系。

1975年，北京大学物理系半导体，研究小组，由王阳元等人，在109厂采用，硅栅n沟道技术，生产出中国第一块1K DRAM。

1978年，中科院半导体所，成功研制4k DRAM；接着在1981年，又成功研制了16K DRAM。

1986年-1989 年，由中科院742 厂和永川半导体所无锡，分所合并成立的华晶电子集团，成功研制了中国人第一块 64k DRAM，采用的是 2.5 微米工艺。

到了90年代，中国的dram产业开始，尝试了早期的市场化探索。

其中，无锡华晶电子在，国务院八五计划（1990-1995） 15 亿元资金的支持下建设了，月产能1.2万片6英寸晶圆厂，并在1993年首次，成功研发 256K DRAM。▲华晶微电子的前身，无锡742厂

1995年和1999年，当时的首钢nec和，华虹nec分别推出了4m DRAM和64M DRAM内存芯片，特别是后者采用了0.35微米工艺，在产品上也达到了当时行业的主流水平。

首钢nec和华虹nec均有当时的it巨头，日本nec公司入资背景。例如华虹nec是由，上海市政府5 亿美元组建的华虹，微电子与日本 NEC共同成立，日本NEC出资2亿美元。

类似的探索大约到21世纪，前十年，这段时间以政府扶持、自主研发+技术引进为主要特点。

这一时期的探索，最终没有很成功，主要是受到了技术、设备封锁以及海外合作厂商的衰落，等因素的影响，但这些也为中国dram产业积累了宝贵，的经验和人才基础。

2010年以后，中国的dram产业获，得了新的发展局面。

这一时期，出海并购成为主要的特点。这里举例两个重要的，并购事件，分别是2015年的紫光收购，奇梦达和大陆资本收购 ISSI。

先说第一个。奇梦达的前身是德国英飞凌科技2003年在中国，西安成立的存储器事业部，后来独立成了奇梦达科技。所以，它是德系的。不过，奇梦达科技后来，发展遭遇了困难，在2009年破产了。同一年，它被浪潮集团收购，更名为西安华芯，半导体有限公司。

再后来，就是2015年，紫光集团旗下的紫光国芯，股份有限公司收购了西安华芯半导体（也就是我们说的奇梦达），收购后的公司名为，西安紫光国芯半导体有限公司。这一次收购填补了国内，dram芯片设计的空白。2017年，紫光已经在开展ddr4存储，芯片和模组的设计与开发，当时it之家也，作了相关报道。

不过，紫光的业务重心并不在，dram上，当时虽然这么说，但似乎一直到2019年才有，了实际动作。

第二个是大陆资本收购 ISSI。issi是成立于，1988年的美国公司，擅长设计、开发高速、低功耗SRAM以及中/低密度的DRAM、NOR闪存产品，主要应用于汽车、工业、医疗、消费电子等专业领域。issi于2015年12月，从纳斯达克退市，以武岳峰(武岳峰)资本为主的中国资本联合体，完成对issi的私有化收购，私有化主体为北京矽成。这次私有化过程中就遭到了美国，cypress的阻挠。后来，北京矽成也先后差点被，兆易创新、思源电气收购，最终落地为北京君正，实现资本化。整个过程也是一波三折。

总得来说，收购ISSI标志着海外 DRAM 厂商第一次整体整合进，中国存储产业之中。

不过，这两次重要收购为国产DRAM存储市场带来的都是芯片设计的能力，而不是从设计到制造，到封装测试的系统化能力（IDM）。

而从2014年开始到现在，中国存储产业才，真正开始向idm 时代迈进。

目前，国产dram市场的主要，玩家包括紫光国芯、福建晋华、合肥长鑫、长江存储等。其中合肥长鑫是，目前比较被看好的。

因为近些年中国在半导体存储器产业的集中，投资逐见成效，如果中国建立的存储器，企业一旦实现量产，对于行业巨头将构成，很大威胁。前面我们说了，全球半导体需求将近1/3来自中国，如果中国能自给自足，这些巨头们还怎么做生意？

从2016年开始，美国存储巨头美光就开始陆续对台湾的联电和，大陆的福建晋华发起诉讼，诉讼理由无外乎侵犯，知识产权等，但这些诉讼要么没有结果，要么被美国联邦法院驳回。这里插一句，台湾联电和福建晋华此前曾建立(，曾建立)合作关系。▲图自：福建晋华官网

这些诉讼纠纷只是开始。

终于，2018年10月30日，美国商务部发布公告，确认实施美国工业安全局BIS将福建晋华添加进实体清单的决定，规定所有美国公司在没有申请特殊，豁免的前提下，不得对福建晋华销售所有，软件及设备和技术服务。这道禁令无疑让刚刚有所起色，的国产dram存储市场顿时又陷入阴霾。

而作为我国“十三五”集成电路重大产能布局规划，中企业的福建晋华，成了第二个中兴，原来2018年底的dram量产计划，也被搁置，目前进度不理想。

同时业界也在担忧中国另一家dram关键大厂合肥长鑫存储，是否会成为下一个被钳制的企业。

合肥长鑫，存储技术有限公司，是2016年5月由合肥市政府旗下投资平台合肥产投与国内细分存储器领域的，领军企业兆易创新共同出资组建的，也是安徽省单体投资，最大的工业项目。

事实上，2017年，美光就曾对从台湾华亚科跳槽，到合肥长鑫的上百名员工发存证信函，欲采取施压手段，表明美光已经在“关注”合肥长鑫。▲图自：合肥长鑫官网

一时间，业界揣测四起，众说纷纭，其中大家讨论的一个关键，就是合肥长鑫的，技术是来源于哪里？

相信it之家小伙伴们也明白，这一点的重要性。首先我们必须保证自己采用的技术本身让人挑不出问题。

终于在2019年5月，合肥长鑫对外表示，他们的DRAM 技术基础来源于德系的奇梦达半导体。

没错，就是我们前面说到的在，十年前就倒闭的奇梦达。当年奇梦达在宣布破产前，已经成功研发出dram的基础堆，叠式技术buried Wordline（埋入式闸极字元线连结），且实验室研发也已经到了，46nm的工艺，但是因为之前走了弯路，资金无以为继，于是倒闭。▲图自：中国闪存市场峰会，长鑫存储的演讲环节

奇梦达虽然倒闭了，但他们的技术，还是蛮先进的，并且“造福”了好几家半导体公司，其中就有合肥长鑫存储。他们通过和奇梦达合作，获得了一千多万份有关，dram的技术文件及2.8TB数据。

这些技术资料，正是合肥长鑫能够，进一步创新、发展的基础，中国dram也才，能够延续火种。▲图自：中国闪存市场峰会，长鑫存储的演讲环节

目前，合肥长鑫已经在2019年末开始量产国内第一批19nm的8Gb LPDDR4内存，即前面所说的1Xnm工艺。

这意味着他们已经是国内第一家也是唯一一家DRAM生产商，换句话说，他们也许就是我国，dram自给率实现突破的第一步。

另外，合肥长鑫8gb的ddr4，内存也于2019年底交付。同时，合肥长鑫计划在2021 年量产17nm工艺的，dram芯片。

图自：合肥长鑫DRAM技术路线图

这些无疑承载着DRAM存储国产化从零到一的希望。

更值得振奋的是，合肥长鑫也是全球第四家 DRAM 产品采用20纳米以下工艺，的厂商。

紫光国芯方面，2018年小规模量产过ddr4，内存，但2019年才真正切入，到自主dram领域，建立DRAM事业群，预计2021年开始量产，进度上要慢一些。

而紫光集团旗下的长江，存储，一直以来主攻的领域是，的3d NAND Flash闪存，不过随着他们也和紫光，共同研发dram，两强合作，相信能很快赶上进度。

总得来说，说合肥长鑫是目前国产DRAM存储的唯一希望也不为过。这并不是坏消息，说明我们还手握，着追赶的希望。

五、总结：砥砺前行，终不负，有心人

仅从DRAM内存的角度来说，中国企业无论是在，技术还是产业链方面，距离全球顶尖的厂商都，有较大的差距，产品自给率方面更，是不容乐观。

但是，我们也无需灰心，纵观全球DRAM存储市场，除了三星、海力士以及美光三巨头外，从技术上讲，中国也仍然是有一定的，领先性的，这很关键。中国的消费电子，产业环境已经成熟，半导体需求量巨大，而中国经济也在，向着高附加值的产业结构转型，中美贸易摩擦带来，的技术封锁，让半导体产业的国产化，被提到一个前所未有的高度。

同时，根据IC Insights的报告，全球半导体产业的转移趋势正是从美国向日本，然后向韩国、台湾地区，接着向中国大陆，转移的过程。

于时于势，中国正处在半导体产业国产化，的良好时机，以及关键时刻。

以DRAM存储产业为例，中国已经经历了40多年，的探索，筚路蓝缕，惨淡经营，很多人进来很多人离开，经历无数教训、挫折、隐忍和韬晦，才换来宝贵的，人才和技术积淀，才能保住赶超行业巨头的“火种”。

接下来，我们需要进一步加大，企业自主创新+国家意志支持的力度，坚定IDM的发展模式，进行产业全链路的布局，高度重视技术、专利的原创性，避开巨头们的干扰、阻挠。

只有做到这些，才能在机遇和风险并存的产业，环境中不断前行，实现我们在半导体产业独立自主，的目标。

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