LPDDR

Mobiilne DDR: Samsung K4X2G323PD-8GD8

LPDDR (tuntud ka kui mobiilne DDR, mDDR, Low Power DDR või LP-DDR) on kahekordse andmeedastuskiirusega sünkroonne DRAM mobiilarvutite jaoks.

Siini laius

LP-DDR põlvkondade omadused

	LP-DDR
	1	1E	2	2E	3	3E	4	4E
Mälu massiivitakt (MHz)	200	266,7	200	266,7	200	266,7	200	266,7
eelhanke maht	2n		4n		8n		16n
I/O siini taktsagedus (MHz)	200	266,7	400	533,3	800	1067	1600	2133
Andmeedastuskiirus (DDR) (MT/s)	400	533,3	800	1067	1600	2133	3200	4267
Toitepinge	1,8 V		1,2 V, 1,8 V		1,2 V, 1,8 V		1,1 V, 1,8 V
Käsu/aadressi siin	19 bitti, SDR		10 bitti, DDR		10 bitti, DDR		6 bitti, SDR

Erinevalt standardsest SDRAM-ist, mida kasutatakse statsionaarsetes seadmetes ja sülearvutites ning mis on tavaliselt ühendatud 64-bitise mälusiiniga, lubab LPDDR ka 16- või 32-bitiseid kanaleid. Lisaks standardsele SDRAM-ile on ka iga LPDDR-i põlvkond kahekordistanud sisemise hanke mahu ja välise edastuskiiruse.

Algne LP-DDR (LP-DDR1)

Algne madala võimsusega DDR (tagantjärele nimega LPDDR1) on veidi modifitseeritud DDR SDRAM-i vorm, millel on tehtud mitu muudatust, et vähendada üldist energiatarvet. Kõige olulisemaks muudatuseks on toitepinge alandamine 2,5 voldilt 1,8 voldile. Täiendav sääst saadakse temperatuuri poolt kompenseeritud värskendamisest (DRAM nõuab madalatel temperatuuridel vähem värskendamist), osalisest massiivi enesevärskendamisest ja "sügavast väljalülitusrežiimist", mis ohverdab kogu mälu sisu. Lisaks on kiibid väiksemad, kasutades vähem ruumi kui nende mittemobiilsed ekvivalendid ning andmeedastus võib ulatuda kuni 200 Mbit/s klemmi kohta. LP-DDR-i kaks peamist pakkujat on Samsung ja Micron, kes kasutavad tehnoloogiat tahvelarvuti andmetöötlusseadmetes, näiteks iPad, Samsung Galaxy Tab 7.0 ja Motorola Droid X.

LP-DDR2

Uus JEDEC-i standard JESD209-2E määratleb oluliste täiendustega madala võimsusega DDR-liidese. See ei ühildu DDR1 ega DDR2 SDRAM-iga, kuid ühildub kas:

• LPDDR2-S2: 2n eelhangitava mäluga (näiteks DDR1),
• LPDDR2-S4: 4n eelhangitava mäluga (näiteks DDR2), või
• LPDDR2-N: säilmäluga (välkmälu).

LPDDR2, mis töötab 1,2-voldise toitepingega ning mille taktsagedus on 100–533 MHz, multipleksib juhtimis- ja aadressiread 10-bitisele DDR käskaadressi siinile. S2-seadmetel, mis on väiksemad kui 4 Gbit, ja S4-seadmetel, mis on väiksemad kui 1 Gbit, on ainult neli panka. Nad ignoreerivad panga aadressi BA2 signaali ega toeta ühekaupa pankade värskendamist. Säilmälu ei toeta andmepuhvrite reastamiseks kirjutamise käsku. Selle asemel toetavad mitmed juhtregistrid spetsiaalses aadressiregioonis lugemis - ja kirjutamiskäske, mida saab kasutada mälumassiivi kustutamiseks ja programmeerimiseks. Säilmälu ei kasuta värskenduskäske ning määrab eellaadimise käsu ümber aadressidele A20 ja sellest üleval poole olevatele aadressidele. Madala järjestusega bitte (A19 ja alla) edastatakse käsuga Aktiveeri (Activate). See viib valitud rea mälumassiivist ühte 4. või 8. (valitud BA bitide kaudu) rea andmepuhvritesse, kus neid saab lugeda Loe (Read) abil. Erinevalt DRAM-ist ei ole panga aadressi bitid osa mälust; iga aadressi saab üle kanda mis tahes rea andmepuhvrisse. Rea andmepuhver võib sõltuvalt mälu tüübist olla 32 kuni 4096 baiti.

LP-DDR3

2012. aasta mais avaldas JEDEC JESD209-3 väikese võimsusega mäluseadme standardi. Võrreldes LPDDR2-ga pakub LPDDR3 suuremat andmekiirust, suuremat ribalaiust ja võimsust ning suuremat mälutihedust. LPDDR3 saavutab andmekiiruse 1600 MT/s ja kasutab uusi tehnoloogiaid. LPDDR3-l on 8-bitine eelhanke arhitektuur, ajastuste parandamiseks on kasutusele võetud käsuaadressi koolitusrežiim, edastatava signaali müra vähendamiseks on kasutusele võetud ODT (On-die Termination) tehnoloogia. 2013. aastal tutvustas Samsung Electronics esimest 4-gigabitist LPDDR3 moodulit, mis võimaldas edastada andmeid kuni 2133 Mbit/s ühe klemmi kohta. Jõudlus on rohkem kui kahekordselt suurenenud võrreldes eelneva generatsiooni LPDDR2 jõudlusega, mis oli võimeline andmeid edastama ainult 800 Mbit/s ühe klemmi kohta.

2014. aastal avaldas Micron 16 Gb LPDDR3 SDRAM-i, mille andmeedastuskiirus oli 1866 Mbit/s ühe klemmi kohta.

LP-DDR4

• 30. detsembril 2013 teatas Samsung, et on töötanud välja esimese 8 Gib LPDDR4, mis võimaldab edastada andmeid 3200 Mbit/s ühe klemmi kohta, võimaldades seega 50% suuremat jõudlust kui kiireim LPDDR3 ja tarbides 1,1 voldi juures 40% vähem energiat.
• 25. augustil 2014 avaldas JEDEC JESD209-4 LPDDR4 väikese võimsusega mäluseadme standardi.

Suurimad muudatused:

• Liidese kiiruse kahekordistamine ja arvukad elektrilised muutused
• Sisemise eelhanke suuruse kahekordistamine, minimaalne edastusmaht
• 10-bitise DDR käsu/aadressisiini muutmine 6-bitiseks SDR siiniks
• Üleminek ühelt 32-bitiselt siinilt kahele sõltumatule 16-biti laiustele siinidele
• Andmetele pääseb juurde 16- või 32-bitiste pakettide ülekannetega (256 või 512 bitti, 32 või 64 baiti, 8 või 16 tsüklit DDR).

LP-DDR4X

Samsung Semiconductor pakkus välja LPDDR4 variandi, mille nimi on LPDDR4X. LPDDR4X on identne LPDDR4-ga, välja arvatud see, et vähendades I/O-pinget (Vddq) 1,1 voldilt 0,6 voldile saadakse juurde lisavõimsust.

• 9. jaanuaril 2017 teatas SK Hynix 8 ja 6 GiB LPDDR4X-st.
• 8. märtsil 2017 avaldas JEDEC LPDDR4X standardi

Lisaks madalamale pingele hõlmavad täiendavad täiustused ühe kanaliga kiibi valikut, mis on sobilik väiksemate rakenduste puhul.

LP-DDR5

19. veebruaril 2019 avaldas JEDEC standardi JESD209-5 „Low Power Double Data Rate 5 (LPDDR5)”. LPDDR5 on osa madala energiatarbega dünaamilise muutmälu (DRAM) standardite perekonnast, mille eesmärk on pakkuda suuremat jõudlust mobiilsetes seadmetes, säilitades samal ajal madala energiatarbimise. Selline tasakaal on eriti oluline nutitelefonides, tahvelarvutites ja sülearvutites, kus aku kestvus on üks kriitilisemaid tegureid.

Arenduse käigus püüti LPDDR5 puhul lahendada nii ribalaiuse piirangud kui ka energiatarbimise kasv, mis oli ilmnenud eelnevates põlvkondades. Selle tulemusel keskenduti nii arhitektuurilistele kui ka füüsikalistele muudatustele, mis võimaldavad suuremat andmeedastuskiirust ilma proportsionaalse energiakuluta.

Samsung Electronics teatas 2018. aasta juulis LPDDR5 toimivate prototüüpide valmimisest. See näitas, et standardi arendus oli jõudnud praktilise rakendamise faasi ning mälutootjad hakkasid valmistuma selle kasutuselevõtuks järgmise põlvkonna seadmetes.

LPDDR5 peamised tehnilised muudatused võrreldes eelkäijatega on järgmised:

• Andmeedastuskiirus on suurendatud kuni 6400 Mbit/s ühe viigu kohta, mis parandab märgatavalt mälu ribalaiust.
• Kasutusele on võetud diferentsiaalsed kellasignaalid sagedusega 3200 MHz (DDR), mis parandavad signaali stabiilsust ja vähendavad häireid.
• Prefetch arhitektuur ei ole enam kahekordistatud ning jääb tasemele 16n, mis aitab hoida tasakaalu kiiruse ja energiatarbe vahel.
• Mälupankade arv on suurendatud 16-ni, mis on jaotatud nelja eraldi pangagrupi vahel, sarnaselt DDR4 arhitektuurile, kuid optimeeritult madalama latentsuse saavutamiseks.

Lisaks jõudluse kasvule pöörati LPDDR5 puhul suurt tähelepanu energiatõhususele. Selleks võeti kasutusele mitmeid uusi tehnoloogiaid, mis vähendavad tarbetut andmeliiklust ja optimeerivad töörežiime:

• Data-Copy ja Write-X käsud võimaldavad vähendada andmete füüsilist edastamist, kui sama väärtust tuleb kirjutada mitmesse mälupanka.
• Dünaamiline pinge ja sageduse skaleerimine (DVFS) võimaldab mälul kohandada oma energiatarbimist vastavalt koormusele.
• Uus taktsignaali arhitektuur jagab töö erinevate kellasignaalide vahel: käsud kasutavad madalama sagedusega põhikella (CK), samal ajal kui andmeedastus toimub kõrgema kiirusega Write Clock (WCK) ja Read Strobe (RDQS) signaalide kaudu.
• Iga baidi jaoks on eraldi täiskiirusel töötav kellakomplekt, mis parandab täpsust ja vähendab viivitusi.
• Clock Enable (CKE) viik on eemaldatud ning madala energiatarbega režiim aktiveeritakse käsu kaudu, mis saadetakse CA siinil. See režiim kestab kuni kiibi uuesti aktiveerimiseni.

LPDDR5 kasutuselevõtt toimus mitmes põlvkonnas protsessoriplatvormides. Seda toetavad näiteks AMD Van Gogh, Intel Tiger Lake, Apple Silicon (sh M1 Pro, M1 Max, M1 Ultra, M2 ja A16 Bionic), Huawei Kirin 9000 ning Qualcomm Snapdragon 888 mälukontrollerid. See näitab, et standard levis kiiresti nii mobiilsete kui ka hübriidsete arvutusseadmete ökosüsteemides.

Tehniliselt tähendab LPDDR5 areng seda, et andmeedastuskiirus kahekordistus võrreldes varasemate põlvkondadega, samas kui energiatõhusus paranes. Kuna kasutusel on veerandkiiruseline põhikell, on selle sagedus madalam kui LPDDR4 lahendustel, kuid andmete edastamine toimub mitme paralleelse kanali kaudu, mis kompenseerib sageduse vähenemise. Käsusiin (CA) on laiendatud 7 bitini ning käsud edastatakse kahekordse andmesagedusega, mis võimaldab säilitada ühilduvust varasemate lahendustega, samal ajal jõudlust suurendades.

LP-DDR5X

LPDDR5X on LPDDR5 edasiarendus, mille eesmärk on veelgi suurendada andmeedastuskiirust ja parandada energiatõhusust. See on loodud vastusena kasvavale vajadusele suurema andmeribalaiuse järele, mida vajavad eelkõige tehisintellekti rakendused, mobiilne andmetöötlus ning autotööstuse süsteemid.

LPDDR5X ei muuda täielikult LPDDR5 arhitektuuri, vaid optimeerib seda, et saavutada kõrgemad sagedused ja parem signaali kvaliteet. Selle tulemusena on võimalik saavutada andmeedastuskiirus kuni 10,7 Gbps ühe viigu kohta.

Lisaks kiiruse kasvule on LPDDR5X puhul oluline ka energiatarbimise optimeerimine. Kuigi kiirus suureneb, on püütud hoida energiakulu kontrolli all, kasutades täiustatud töörežiime ja paremat pinge juhtimist. See võimaldab mälul kohaneda dünaamiliselt vastavalt töökoormusele — näiteks vähendada tarbimist väikese koormuse korral ja tõsta jõudlust ainult vajaduse korral.

LPDDR5X on leidnud laialdast kasutust kaasaegsetes seadmetes, sealhulgas nutitelefonides, sülearvutites ja tehisintellekti kiirendites. Selle populaarsus tuleneb asjaolust, et see pakub head tasakaalu jõudluse ja energiatõhususe vahel, mis on tänapäeva mobiilsete seadmete puhul kriitilise tähtsusega.

LP-DDR6

LPDDR6 on LPDDR5X järgmise põlvkonna edasiarendus, mille eesmärk on viia nii jõudlus kui ka energiatõhusus uuele tasemele. Erinevalt varasematest üleminekutest keskendub LPDDR6 rohkem sisemisele optimeerimisele ja arhitektuuri tõhustamisele kui täiesti uue struktuuri loomisele.

SK hynix tutvustas oma esimest LPDDR6 lahendust, mis põhineb 10 nm klassi (1c) tootmisprotsessil. See võimaldab suuremat transistoride tihedust ning paremat energiatarbimise kontrolli. LPDDR6 suudab saavutada andmeedastuskiiruse üle 10,7 Gbps ühe viigu kohta ning on ligikaudu 33% kiirem kui LPDDR5X.

Lisaks kiiruse kasvule on LPDDR6 puhul rõhutatud energiatõhususe paranemist, mis võib ulatuda umbes 20% võrreldes eelkäijaga. Selle saavutamiseks kasutatakse täiustatud sub-kanali arhitektuuri, mis võimaldab aktiveerida ainult neid mäluosi, mida parasjagu vaja on. Samuti kasutatakse dünaamilist pinge ja sageduse skaleerimist (DVFS), mis kohandab energiatarvet vastavalt töökoormusele.

LPDDR6 on suunatud eelkõige seadmetele, kus on vaja väga suurt andmeedastuskiirust koos madala energiatarbega. Sellisteks seadmeteks on näiteks tipptasemel nutitelefonid, tahvelarvutid ning tehisintellekti ja masinõppe rakendused, kus mälu jõudlus mängib otsest rolli süsteemi üldises võimekuses.