2023 01月17日
作者: 小白哥
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存储器与LPDDR技术简介

存储器是一种由半导体技术制造而成,用来存储数据的电子设备。存储器的数据以二进制的方式存储,每一个存储单元称为记忆元。它是在计算机或者电子行业中经常使用的一种存储载体,以其工作方式和工作原理的差异,可以分为以下几种,如下图所示。

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存储器主要可以分为两大类:Random Access Memory与Read-Only Memory,简称RAM与ROM。RAM,称做随机存储器,断电后数据丢失,但是存取速度很快,所以适合临时存储CPU的运行数据。ROM为只读存储器,断电后数据不会丢失,但是存取速度较慢。

RAM根据其功能可分为Dynamic RAM 与Static RAM,简称DRAM与SRAM,称为动态随机存储器与静态随机存储器。静态存储不需刷新,但电路结构复杂且容量小,无法满足大存储容量的要求,因而在内存的使用中逐渐被DRAM 代替。随后又出现了Synchronous DRAM,简称SDRAM,它是具有一个同步接口的 DRAM,同步指的是SDRAM的时钟频率与处理器总线系统的运行频率同步,这样的好处是:当处理器访问一个存储阵列的同时,另一个阵列已做好读写准备,显著提高了系统的读写效率。

随着移动设备的普及,在相同容量相同速度的前提下如何实现更低功耗成为大家关注的重点,JEDEC组织在DDR的基础上,制定了LPDDR SDRAM规范以追求更低的功耗和更高的性能。

1.存储器封装技术

SDRAM产业标准组织定义了两种不同形式的DRAM封装,一种是 TSOP (Thin Small Outline Package),薄型小尺寸封装,另一种是BGA(Ball Grid Array),球型栅阵列式封装。TSOP技术成本低廉,应用广泛;BGA技术则多用于更加微型化的特定应用中。

在使用由TSOP技术封装的内存的过程中发现,当频率达到150MHz以上,信号容易产生不可忽略的电磁与信号干扰。这与封装时将SDRAM芯片通过其引脚焊接于PCB板之上,从而PCB板通过较小的焊接面积与引脚接触,使两者之间传热困难有关。与TSOP封装相比,BGA特殊的封装方式使得引脚间距减小,从而能进行更好的散热。同时,BGA使用特殊的塌陷可控的焊接方法,从而可以改善它的电热性能;重量与薄厚程度与之前相比,都有所改善。

对于要求更低功耗的移动设备来说,将采用BGA形式将芯片与内存以SIP方式进行封装。SIP (System In a Package),称为系统级封装,形式如下图所示。SIP将基带芯片、存储器以及模拟器件,以成排或叠加的封装方式集成于一个封装体内,从而在实现完整功能的同时,提升了面积利用率。

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SIP技术是从封装的角度出发,提出的一种新型集成技术。它可以兼容不同制造技术的芯片,包括有源或者无源器件,并将它们联合装载于高性能基板之上,实现系统集成级的封装,运用物理焊接及其他连接方式,使各部分联合运作实现新的功能,大大提高了集成度。

2.LPDDR发展过程

LPDDR是低功耗双倍数据率同步动态存储器的简称,属于DDR SDRAM(Double Data Rate SDRAM,双倍速率同步动态随机存储器)的一个分支,是由美国JEDEC(Joint Electron Device Engineering Council),中文名为固态技术协会,针对便携式电子终端制定的低功耗内存的通信标准。它以体积小、功耗低著称。细数LPDDR系列的发展,可以将其简单地分为五代产品:LPDDR、LPDDR2、LPDDR3、LPDDR4(包含LPDDR4X)以及LPDDR5。下图显示了LPDDR系列存储器的发展时间线以及各代存储器的主要技术指标。

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3.LPDDR4介绍

根据LPDDR4的JEDEC标准规范中,其最高理论速率可达4266MHz,目前实际应用产品中的LPDDR4内存工作频率为3200MHz,比 LPDRR3快了一倍。为了达到如此高的频率,LPDDR4的架构进行了重新设计,如下图所示,从单通道Die、每通道16-bit进化到了双通道Die、每通道16-bit,也就是总的位宽翻番为32-bit。

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双通道设计大大减少了数据信号从内存阵列到IO接口的传输距离,直接降低了功耗。LPDDR4与以往的LPDDR3相比较而言,其内部供电电压变得更低为1.1V,而LPDDR3的内部供电电压为1.2V。LPDDR3只是在 LPDDR2基础上的改进,LPDDR4的架构则发生了彻底改变,其与LPDDR3对比如下表所示。

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