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。

2、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。

3、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 主要功能

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。

文章來源：Synopsys 解決方案部門高級技術營銷經理 Vadhiraj Sankaranarayanan