技术洞见 | 细谈LPDDR4/X与LPDDR5/X内存技术及其应用- 大数跨境

牛芯半导体

2025-03-13

导读：本文转载自硬件系统架构师，转载文章仅供学习和研究使用。

本文转载自硬件系统架构师，转载文章仅供学习和研究使用。

拍出完美的照片、打网络游戏、直播4K视频和实现高阶自动驾驶，都需要向处理器提供大量的图像、视频、游戏、5G和雷达数据。所有这些数据都会流经动态内存，需要强大、高效的内存来保证流畅的用户体验和实时安全性，高性能DDR对于充分发挥处理器的数据处理量，处理速度，算力具有关键的作用，为这些日益增长的数据密集型应用场景提供支持。DDR其实是一个很大的缓存器件，在系统运行期间用来短暂存储文件数据，断电后清空，所有这些数据都会流经内存，使得内存成为处理器的关键器件。

LPDDR4&LPDDR4X的特点

LPDDR4设备在命令/地址（CA）总线上使用2或4时钟架构，以减少系统中的输入引脚数量。6位CA总线包含命令、地址和存储体信息，每个命令使用1、2或4个时钟周期，在此期间，命令信息在时钟的正沿上传输。

LPDDR4内存优化用于解决电池供电应用中的功耗问题，与DDR4相比，这些内存器件的峰值带宽快33%，与标准DRAM相比，LPDDR4内存在待机模式下的功耗降低至1/5。这些内存器件采用多芯片封装（MCP）和封装体叠层（PoP）设计，可节省PCB空间。LPDDR4内存器件优化了x16、x32和x64配置，可为某些应用节省BOM。LPDDR4内存在性能、功耗、延迟和物理空间之间实现了完美平衡，因此非常节能，适合用于手持设备、电池供电应用和超便携设备。

LPDDR4和LPDDR4X SDRAM是低压存储器器件，有2Gb、4Gb和8Gb密度可供选择。这些器件具有低压内核和I/O电源要求。LPDDR4和LPDDR4X SDRAM的时钟频率范围为10MHz至1600MHz，每个I/O的数据速率高达3200Mbps。LPDDR4和LPDDR4X均具有可编程和“即时”突发长度的可编程读写延迟。

LPDDR4和LPDDR4X SDRAM采用双数据速率架构，以实现高速运行。双数据速率架构是一个16n预取架构，设有一个接口，设计用于在I/O引脚上每时钟周期传输两个数据字。这些器件以时钟上升沿和下降沿为基准，提供完全同步的操作。这些数据路径在内部被设计为流水线的形式，预取16n位，以实现非常高的带宽。

LPDDR4&LPDDR4X的结构

LPDDR4/LPDDR4X内部结构

如图是LPDDR的内部结构，内部配置有1或2个通道的高速同步DRAM设备。每通道配置有8个内部组，可同时运行，每个通道的密度从1Gb到16Gb。双通道由16个组组成，总裸片密度从2Gb到32Gb。

单die、单通道、单级方框图（x16 I/O）

双die、双通道、单级封装方框图（x32 I/O）

LPDDR4&LPDDR4X的参数

低压电源：LPDDR4: 1.8V（VDD1 = 1.70-1.95V）；LPDDR4X: 1.1V（VDD2 = 1.06-1.17V）

低压I/O：LPDDR4: 1.1V（VDDQ = 1.06-1.17V）；LPDDR4X: 0.6V（VDDQ = 0.57-0.65V）

时钟频率范围：10MHz至1866MHz，每I/O端口数据速率范围：每I/O 20Mbps至3733Mbps。

16n预取DDR体系结构，多路复用、双倍数据速率、命令/地址输入，低功耗的移动功能，每通道8个内部存储区，用于并行操作，便携特性，可降低功耗，可编程读写延迟，可编程和动态突发长度（BL=16或32），片上温度传感器，实现高效自刷新控制，ZQ校准，可调驱动强度，部分阵列自刷新（PASR）。

LPDDR5&LPDDR5X

LPDDR5进一步平衡了性能和功耗，可满足不同类型SoC的工作负载和系统要求。LPDDR5 DRAM设计用于满足5G网络的需求，DRAM支持5G智能手机以高达6.4Gbps峰值速度处理数据，这对于防止5G数据瓶颈至关重要。LPDDR5 DRAM可以满足这些要求，数据访问速度提升50%，与前几代产品相比，该器件的功效也增加20%以上。

5G网络速度需要最大限度地提高处理能力以及实现高带宽内存和存储。12GB LPDDR5 DRAM存储器，为消费者提供顺畅、无滞后的体验。利用更快的数据速度和更低的5G延迟来提高基于云的应用（如游戏和流媒体）的性能。

LPDDR5改进了整体DRAM设计，先进的工艺节点支持到16GB容量，数据速度为6.4Gbps。

LPDDR4/X&LPDDR5/X的
工作过程和使用场景

LPDDR5提高性能和能效

LPDDR5拥有非常独特的灵活性，不仅让处理器拥有极高的性能和能效，出色的用户体验取决于向日益精密的处理器提供大量的图像、视频、游戏和5G数据，同时在内存中为操作系统留出足够的空间来缓冲多任务应用程序，而且能在应用程序之间进行平滑的切换。

LPDDR5带宽高达6400Mb/s——比LPDDR4X性能提升50%，提升5G和AI等性能，能效提高20%，LPDDR5 提供了将AI引擎直接嵌入处理器所需的速度和容量（高达16GB）。为避免5G数据瓶颈，LPDDR5支持SOC在四通道系统中以51.2GB/s的峰值带宽处理数据，与LPDDR4相比，电源效率提升超过20%，因此蓄电场景续航时间更长。

了解内存在计算摄影、实时手游和4K视频直播中的关键作用也很重要，这些应用场景依赖于快速有效地将数据提供给处理器，同时缓冲应用程序，以便实现无延迟的应用程序切换。

计算摄影

计算摄影需要大量的内存才能让拍出完美的照片，如图的数据流，其实在点击拍照按钮之前，摄像头已经拍摄了几十张图像，将其存储在内存缓冲区中。当按下快门时，预留好的内存会将图像传输到内置于处理器SoC中的人工智能引擎中，并在这个过程中与内存缓冲区中的图像合并，从而拍出完美的照片。内存还存储图像，而图像处理器使用图像增稳、光校正、聚焦和其他技术来增强图像。

计算摄影数据流

旗舰手机配备了多个摄像头，包括广角镜头和长焦镜头，LPPDR5提供了高带宽和高容量，可以将来自多个不同图像传感器的图像以足够快的速度传送给人工智能引擎，从而实现实时图像处理，使这些摄像头拥有更多的内存带宽是拍摄完美照片的关键。当你点击拍照按钮时，数据就开始流动：传感器将原始图像移动到内存中，然后图像信号处理器（ISP）借助人工智能引擎的图像和场景识别功能处理内存中的原始图像，随后进行图像压缩和编码。而LPDDR5内存加速传输了这些引擎所需的数据。

能够以每秒60帧的速度录制4K视频，或以每秒30帧的速度录制6K视频旗舰手机为用户配备了先进的摄影和AI功能，可以帮助业余摄影者拍摄出高质量、专业级的照片，而这些丰富的计算摄影功能只有通过LPDDR5内存才能得以实现，也就是在一次点击后的几毫秒内就可以完成繁重的处理任务。

4K视频直播

随着5G网络的发展，4K视频直播变得无处不在，LPDDR5提供的高带宽能够实现同时解码多个4K视频。大容量对于处理大型视频文件以及为操作系统和缓冲应用程序留出内存空间也是非常必要的，此外5G数据流要求超低延迟，以防止用户体验出现任何卡顿。

如图数据流，手机上的直播类似于计算摄影，相应的传感器、编码器和人工智能引擎都需要高带宽的管道，在这个过程中，所有视频数据都会流经内存。

4K视频直播数据流

一些旗舰手机可以提供4K/8K直播功能，同时在高刷新率显示屏上以全分辨率实时预览内容，进行音乐会、视频播客和体育赛事直播都需要很高的内存带宽，而分辨率、功能和软件复杂性的不断增加，对内存带宽和容量提出了更高的要求。

游戏

如今玩家越来越多地在手机上玩图形密集型游戏，对于这类游戏，LPDDR5既能为电池续航提供高能效，也能满足高带宽需求的高刷新率显示屏、自定义控件、高分辨率音频和多人游戏。

当启动一个图形密集型游戏时，可立即使用的数据从存储加载到内存中，或者从网络下载到内存中。然后SoC处理游戏数据以增强视觉和音频体验，玩家操作数据由SoC处理并存储到内存缓冲中。在实时游戏中，信息通过5G网络收发，内存缓冲被不断更新。

手游数据流

复杂的手游需要高内存容量来加载实时游戏关卡，在手机屏幕开始显示之前，游戏数据已传输通过了GPU管道路径——顶点着色、光栅化、片段着色等等，所有这些都经由LPDDR5内存进行加速。

注重性能的游戏手机可以最大限度的使用带宽，提供超高的屏幕分辨率、高帧率144Hz刷新率和300Hz触摸采样率。实现这些功能需要足够的带宽来处理内存中的游戏数据，以获得最佳的视觉和音频体验，而5G网络上的多人游戏则需要超低的延迟、平滑的渲染、最快的响应能力和高级画质，这些高级工作负载需要更高的内存性能和更低的能耗，LPDDR5以高达6.4Gb/s的峰值速度处理数据，避免了5G数据瓶颈。

高阶自动驾驶

支持高阶自动驾驶的车辆，会配备多颗超高算力的芯片，接入的传感器多种多样，包括摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达。在高速行进中的车辆开启自动驾驶功能时，处理器需要快速无延迟的处理每时刻涌入进来的不同类型的海量数据，快速进行算法解析，算法融合，场景实时更新，最后输出控制逻辑。所有这些数据都会流经系统的动态内存，供处理器调用计算，由于车辆在高速行进中并且周围环境在不断变化，从环境感知到控制逻辑输出中间的延迟要求极短，以此来保证车辆姿态调整的及时性，实现自动驾驶的高安全性。LPDDR5/X卓越的能效可在数据密集型应用程序中实现多任务处理，同时大大降低功耗。

高阶自动驾驶数据流

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牛芯半导体（深圳）有限公司（简称“牛芯半导体”）成立于2020年，聚焦接口IP的开发和授权，并提供相关整体解决方案，致力成为全球领先的IP供应商。

牛芯半导体在主流先进工艺布局SerDes、DDR等中高端接口IP，产品广泛应用于消费电子、网络通信、数据存储、人工智能、汽车电子、医疗电子等领域。

未来，牛芯半导体持续响应IP市场需求，适应不断演进的接口技术和日益拓展的接口互联场景，赋能数智时代下的千行百业。

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牛芯半导体，专注于高速互联技术的研发和持续创新，拥有完全自主可控的知识产权，提供全栈式接口IP授权和高速互联芯片的定制方案，赋能芯片国产化；已服务客户超百家，涵盖智能驾驶、人工智能、特种计算等领域，致力成为全球领先的高速互联半导体公司。

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