幕后功臣 智能手機背后的半導體產(chǎn)業(yè)

RAM和ROM發(fā)展歷史回顧

　　LPDDR4和UFS 2.0分別屬于RAM和ROM兩種不同存儲介質(zhì)技術，接下來我們分別回顧一下這兩種技術和PC上DDR內(nèi)存、SSD硬盤之間的歷史演進關系。

三星DDR和LPDDR里程碑節(jié)點

　　DDR和LPDDR其實都是DRAM，而全球三大DRAM廠商之中，又以三星和智能手機關系頗為密切，為了方便讀者理解，以三星為例看看DRAM歷史的演進過程。美光和SK海力士的歷史演進也類似。半導體更新迭代大致按照摩爾定律推測，而架構和工藝制程的更新成為了最主要的兩條主線，處理器如此，RAM和ROM也如此。從上面表格可得，DDR和LPDDR除了在架構上從DDR逐步更新到如今的DDR4和LPDDR4，工藝制程上也從5xnm一路更新到如今的2xnm。

　　和處理器類似，18nm和20nm只是不同廠商在同一代工藝節(jié)點上表現(xiàn)出來的數(shù)值誤差，實則上并沒有跨越兩代工藝制程，另一方面，10nm和Post-DDR4只是三星的愿景，暫時還沒有實現(xiàn)。

LPDDR和DDR重大歷史回顧

　　縱觀LPDDR和DDR歷史，制定固態(tài)技術標準的JEDEC協(xié)會對DDR和LPDDR兩種技術提出了標準規(guī)范。將智能手機和行業(yè)標準發(fā)展關聯(lián)起來，12年5月發(fā)布的LPDDR3標準規(guī)范，13年3月的三星S4正式用上了，同年7月，三星Note 3也沖上了3GB RAM的高度。14年8月，JEDEC發(fā)布了LPDDR4標準規(guī)范，并定義最高頻率為3200MHz。15年3月，MWC上三星發(fā)布了搭載LPDDR4 RAM的三星S6和三星S6 Edge，同年8月，三星發(fā)布的另外兩款旗艦——三星Note 5和三星S6 edge+將RAM容量提高到4GB。

SSD和ROM領域

　　先來解釋一下上面表格出現(xiàn)的一些專業(yè)術語，SSD是固態(tài)硬盤，ROM是手機存儲。它們兩者歸根到底其實都是NAND Flash，下文會詳細介紹SSD和ROM之間的關聯(lián)。SSD根據(jù)成本和存儲顆粒壽命再細分為TLC SSD、MLC SSD、SLC SSD（相同容量前提下，上述三者一般來說成本和壽命依次提高），而U盤和SD存儲卡其實也是TLC SSD的一種形態(tài)。2D NAND是早期的一種SSD內(nèi)部顆粒排列技術，而V-NAND則是如今由三星主導的3D平面上全新的顆粒排列技術，通過把內(nèi)存顆粒堆疊在一起來解決2D NAND閃存帶來的容量限制等問題。類似技術還有3D NAND，則是由Intel和美光合資的IMFT主導。

　　熟悉固態(tài)硬盤的消費者應該知道早期的消費級SSD主要是以MLC顆粒為主流的，SLC比較昂貴，TLC未成氣候，所以成本上始終無法進一步降低。TLC壽命短和易損壞的弊病導致在2012年以前，它們一般只用在U盤和SD存儲卡上，但是由于技術進步，TLC顆粒壽命得到了控制，從此出現(xiàn)了采用TLC顆粒的840和840 EVO SSD，進一步將成本降低，也讓SSD開始走近平民百姓。

　　如今除了三星，浦科特、金士頓、SK海力士等廠商也紛紛推出采用TLC顆粒的SSD。另一方面，除了存儲顆粒本身的不同，存儲顆粒之間排列方式也發(fā)生了改變，從剛開始的2D平面排列上升到立體空間3D排列，也就是如今的V-NAND排列方式。不知不覺，這種排列方式已經(jīng)經(jīng)歷了3代產(chǎn)品，850 PRO和850 EVO在較早前也成功升級換代，分別換上了第三代V-NAND排列的MLC芯片和TLC芯片，進一步增大了存儲容量，突破4TB級別的里程碑。Intel和美光合資公司IMFT則稱類似技術為3D NAND。

eMMC和UFS重要歷史回顧

　　在ROM領域，2013年10月，JEDEC發(fā)布eMMC 5.0標準，其實同年7月底，三星已經(jīng)能夠量產(chǎn)eMMC 5.0存儲產(chǎn)品。在業(yè)界開始準備采用UFS這種新的存儲介質(zhì)取代eMMC的時候，在13年9月JEDEC發(fā)布UFS 2.0標準之后，相隔不到兩年，15年3月，三星就在MWC上正式發(fā)布搭載了UFS 2.0的手機。

LPDDR4

　　在介紹LPDDR4和UFS 2.0兩項在RAM和ROM領域最新技術之前，我們先來介紹一下JEDEC這個組織。

　　根據(jù)百度百科的定義，JEDEC固態(tài)技術協(xié)會（JEDEC Solid State Technology Association）是微電子產(chǎn)業(yè)的領導標準機構，作為一個全球性的組織，JEDEC所制定的標準在過去50余年的時間里，已經(jīng)被全行業(yè)廣泛接受和采納。JEDEC的主要功能包括術語、定義、產(chǎn)品特征描述與操作、測試方法、生產(chǎn)支持功能、產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性、機械外形、固態(tài)存儲器、DRAM、閃存卡及模塊、以及射頻識別（RFID）標簽等的確定與標準化。所以才會有今天的LPDDR4和UFS 2.0標準出臺。

　　JEDEC固態(tài)技術協(xié)會在14年8月發(fā)布的新一代低功耗內(nèi)存標準LPDDR4(Low Power Double Data Rate 4)，是面向低功耗內(nèi)存而制定的通信標準，以低功耗和小體積著稱，專門用于移動式電子產(chǎn)品，例如智能手機。下面我們看看臺式機、筆記本和服務器領域的DDR標準和LPDDR標準的一些區(qū)別。

DDR和LPDDR區(qū)別

　　如上圖所示，LPDDR的運行電壓（工作電壓）相比DDR的標準電壓要低，這也符合了低功耗小體積的身份和定位，另一方面，兩種標準版本迭代時間并不是一致的，DDR4相比LPDDR4標準制定和出臺要早上不少。

　　接著我們對比一下LPDDR3和LPDDR4之間區(qū)別，前者和LPDDR2類似，采用單通道設計，而且位寬只有16bit，理論上最高工作頻率為2133MHz。LPDDR4采用了雙通道設計，即使依然是16bit的位寬，但是由于引入了雙通道的概念，所以最終能夠?qū)崿F(xiàn)32bit的位寬，同時最高工作頻率提升到3200MHz，上文小編提及過，決定RAM傳輸帶寬的幾個要素之中，LPDDR4都有針對性地提高，所以帶來的系統(tǒng)運行速度和文件傳輸速度的提升也會比較明顯。

UFS 2.0

　　目前市面上主流的ROM標準有兩種——eMMC 5.0和UFS 2.0，它們都屬于NAND Flash。前者有更成熟的生產(chǎn)工藝，后者有更強大的性能。換句話說，上面兩種存儲標準其實可以看作是SD存儲卡和U盤的近親，不過相比micro-SD卡，eMMC 5.0和UFS 2.0無論是傳輸速度還是可靠性上都要高上不少。

　　eMMC (Embedded Multi Media Card) 為MMC協(xié)會所訂立的、主要是針對手機或平板電腦等產(chǎn)品的內(nèi)嵌式存儲器標準規(guī)格。eMMC目前是主流的便攜移動產(chǎn)品解決方案，目的在于簡化終端產(chǎn)品存儲器的設計。由于手機內(nèi)部NAND Flash芯片來自不同廠牌，包括三星、東芝、海力士、美光等，當設計廠商在導入時，都需要根據(jù)每家公司的產(chǎn)品和技術特性來重新設計，過去并沒有一種技術能夠通用所有廠牌的NAND Flash芯片。

　　eMMC的設計標準，就是為了簡化NAND Flash的使用，將NAND Flash芯片和控制芯片設計成1顆MCP芯片，手機客戶只需要采購MCP芯片并放進新手機中，無須處理其它繁復的NAND Flash兼容性和管理問題，最大優(yōu)點是縮短新產(chǎn)品的上市周期和研發(fā)成本，讓其更快地推出市場。

　　eMMC 4.4的讀取速度大約為104MB/s，eMMC 4.5則為200MB/s，eMMC 5.0為400MB/s，但是因為使用的是8位并行總線，因此性能潛力已經(jīng)基本到達瓶頸，以最新的eMMC 5.1規(guī)范來說，其理論讀取速度為600MB/s左右，性能的大提升基本是不可能的了。

UFS是未來的主流存儲標準

　　2011年JEDEC發(fā)布了第一代通用閃存存儲（Universal Flash Storage，簡稱UFS）標準，希望能夠替代eMMC。然而，第一代的UFS并不受歡迎。2013年9月，JEDEC發(fā)布了新一代的通用閃存存儲標準UFS 2.0，該標準下的閃存讀寫速度可以高達1400MB/s，這相當于在2s內(nèi)讀寫兩個CD光盤的數(shù)據(jù)。

eMMC和UFS對比

eMMC和UFS對比

　　與eMMC不同，UFS 2.0的閃存規(guī)格采用了新的標準，它使用的是串行總線，類似機械硬盤的PATA接口向SATA接口的轉(zhuǎn)變，并行總線就是每一次能夠傳輸多個二進制位數(shù)據(jù)，而串行總線就是每一次只能夠傳輸一個二進制位數(shù)據(jù)，看樣子好像并行總線更好，實則不然，雖然上面提及到eMMC擁有8位并行總線，每一次能夠傳輸8個二進制位，但是如果串行總線每一次傳輸數(shù)據(jù)的速度足夠快，并行總線傳輸一次的時間，串行總線已經(jīng)傳輸了10次甚至20次，這樣的話，串行總線就能夠在相同時間內(nèi)傳輸10位甚至20位數(shù)據(jù)。

　　另一方面，UFS 2.0支持全雙工運行，可同時進行讀寫操作，讀取和寫入操作都有專門的通道，還支持指令隊列。相比之下，eMMC是半雙工，讀寫必須分開執(zhí)行，讀取和寫入操作共用同一條通道，指令也是打包的，在速度上就已經(jīng)略遜一籌了。打個比方，單車道和雙車道的區(qū)別不用多解釋也知道哪條車道的行車更加順暢，關鍵是，那條單車道還是分時復用車道，這段時間全部車輛只能自西向東行駛，下一段時間全部車輛只能自東向西行駛，工作效率不如兩條獨立車道，分別引導兩個不同方向的車流。而且UFS 2.0芯片不僅傳輸速度快，功耗也要比eMMC 5.0低一半，可以說是日后旗艦手機閃存的理想搭配。

eMMC和SSD關系

eMMC和SSD區(qū)別

　　最后讓我們看看臺式機/筆記本/服務器上SSD和智能手機中ROM的共同點和不同之處。

　　眾所周知，SSD是固態(tài)硬盤，主要由主控制器、閃存芯片陣列（陣列、陣列、陣列，重要事情說三遍）和緩存組成。緩存有時候也能夠集成在主控芯片內(nèi)。主控制器作用等同于手機中的處理器，負責協(xié)調(diào)閃存芯片陣列中單個閃存芯片之間，閃存芯片陣列和緩存之間，還有協(xié)調(diào)SSD和外部電路（例如臺式機內(nèi)存、處理器）的數(shù)據(jù)傳輸。

　　eMMC更像是微型版的SSD，將主控、緩存和閃存同時集合在一塊芯片中，注意，只有一塊閃存而不是閃存陣列，這就是SSD和eMMC最明顯的區(qū)別，另外，主控、緩存和閃存一般是通過BGA封裝方式封裝成一塊MCP芯片，這種芯片集成度相當高，更適合塞進去體積較小的手機中。

　　總結：簡簡單單的一臺智能手機，背后卻隱藏著強大的半導體產(chǎn)業(yè)，毫不夸張地說，處理器、RAM、ROM、基帶芯片、攝像頭CMOS，還有SoC主板上大大小小功能不同的芯片，其實都來源于半導體產(chǎn)業(yè)。半導體產(chǎn)業(yè)對智能手機的發(fā)展起到推波助瀾的重要作用。

　　同時我們也要意識到半導體產(chǎn)業(yè)在我國的尷尬地位，這也是如今國產(chǎn)廠商經(jīng)常說支持“新國貨運動”的最大難關，在信息化時代，除了手機，身邊電子數(shù)碼產(chǎn)品、智能穿戴設備、家庭影音系統(tǒng)等設備基本上都是以半導體為核心元件的，只有掌握了半導體核心技術，擁有自己的晶圓廠，真正做到制霸半導體產(chǎn)業(yè)，才有資格擺脫半導體領域那些巨鱷對上游供應商的把控，做到自產(chǎn)自銷，降低成本，將最先進的半導體技術推向全球，從做產(chǎn)品、再到做服務、最后制定行業(yè)標準。也只有在那個時候，“新國貨運動”才能夠真正打響。

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