100%靠进口的中国内存，却手握世界第四的技术
大嘉购整理编辑：
文经授权转载自公众号： IT之家(ID:ithomenews);作者：汐元
2020年2月13日小米10系列手机的发布把一个词带火了：LPDDR5。
今天，汐元不妨就和大家说一说LPDDR以及背后DRAM内存江湖的那些事。
一、你要先了解什么是DRAM
首先我们需要搞清楚内存大概有哪些种类。
内存的分类大概是这样的：
可以看到，LPDDR内存就是SDRAM的一种，或者说就是DDR的低功耗版。所以要弄清楚LPDDR，我们需要先了解什么是DDR。
DDR严格的全称是DDR SDRAM，所以很显然，它也是SDRAM的一种。
那么SDRAM是什么?这就要从DRAM说起了(手动捂脸)。
DRAM，通俗地说，其实就是内存存储数据的一种方式，它通过给电容充电，然后计算电容里面的电位差，转换成1、0、1、0、1、0……这样的二进制信号。
这些二进制信号，也就是数据的本质形态。
实际运作的时候，电容在充满电的时候可能会出现漏电等情况，所以充满之后需要放电，用的时候再充满电，持续进行这种充电、放电的动作，是动态的。
DRAM的“D”就是Dynamic(动态)的意思。
SDRAM又是什么呢?我们知道，CPU的工作频率通常都是以GHz为单位的，而内存的工作频率是主要还是MHz的水平。也就是说，CPU的工作频率远高于内存。
频率差别大，CPU和内存怎么协调工作呢?这就是SDRAM存在的意义。它的意思就是在CPU和内存之间形成一个同步的机制，保证在指定的时间周期里，CPU一定能够从内存拿到数据，不需要等待，也提高了存储速度。
SDRAM的“S”就是同步(synchronous)的意思。
到底怎么同步呢?不妨简单说明一下。
内存颗粒中数据是以Bank的方式存在的，Bank就像库房里的储物架。
以前DRAM时代一个库房里只有一个储物架，CPU来要数据的时候，如果这个储物架在忙，CPU就得等待。
SDRAM里，储物架变成了两个或者两个以上，这样，CPU来要数据的时候，如果一个储物架在忙，另一个储物架就可以站出来给CPU调配物资。
如此，CPU就不需要等待，也就等于提高了速率。
下面就到DDR了。DDR的意思是“Double Data Rate”，也就是双倍速率。
从上面这张图可以看到，之前SDRAM在一个时钟周期里只做一次数据存取，而DDR在一个时钟周期里可以做两次数据存取，分别是在上升沿和下降沿，这样也就实现了两倍速率。
这就是DDR。
基于这些，LPDDR也就很容易理解了。
二、LPDDR的演进之路
LPDDR的全称是Low Power Double Data Rate SDRAM，又称为mDDR(Mobile DDR SDRAM),是美国JEDEC固态技术协会面向低功耗内存而制定的标准。
LPDDR以低功耗和小体积著称，专门用于移动式电子产品。
除了低功耗，LPDDR的发展过程也是不断吸纳新技术和新特性的过程。
第一代LPDDR和DDR没有太多不同。第二代LPDDR标准在2010年发布，相比第一代LPDDR更节能，同时引入了闪存和SDRAM共用接口的设计，好处是降低了控制器的引脚数。
另外，LPDDR2还提高了支持的内存容量以及其他性能的提升，例如额定频率为100—533MHz，数据位宽为x8、x16和x32，有2bit和4bit两种。
采用LPDDR2内存的手机，IT之家的老读者们可能还有印象，例如三星Galaxy S2、iPhone 5等。
▲三星Galaxy S2，图自：wikimedia
LPDDR3标准在2013年发布。它引入了一些新技术。
第一种叫做写入均衡与指令地址调用，这个技术主要是保证内存高速运行的同时，还能维持数据传输的稳定不出错。
第二种叫做片内终结器(ODT)技术，这是个可选技术，可以在提高内存信号稳定性的基础上 节省不少电器元件。
另外，LPDDR3的整体性能相比LPDDR2也有飞跃，额定频率可以达到667-800MHz。不过功耗控制方面表现不太出色。
采用LPDDR3内存的典型机型包括小米手机3、三星Galaxy Note 4、iPhone 6等。
▲小米手机3，图自：wikimedia
LPDDR4标准发布于2014年，它有两个主要特性：两倍数据速率和低功耗。
在LPDDR4上，芯片设计方式已经由之前的单通道演进为双通道，在电路上也优化了数据(DQ)信号和地址(CA)信号的位置，让走线长度变短，缩短了数据信号的传送距离，从而减小时延。总之就是让数据传输速率更快。
速率大涨后，需要进一步控制功耗。LPDDR4还采用了一种叫LVSTL的低功耗接口设计技术。这个技术具体也比较专业，不需要大家理解，它就是可以让电压摆动的幅度可控制，并且在理想状态下不需要直流电平，从而进一步控制功耗。LPDDR4的数据传输速率可以达到LPDDR3的2倍，功耗却只有它的一半。
采用LPDDR4内存的手机如三星Galaxy Note 5、iPhone 6s、华为P9系列等。
▲iPhone 6s，图自：Pexels
2016年公布的LPDDR4X可以看做是LPDDR4的一个省电优化版本。这也是LPDDR5之前那段时间主流中高端手机上采用的内存，例如魅蓝X、三星Galaxy Note9、小米6、iPhone XS等等。
▲iPhone XS
最后来说小米10手机采用的LPDDR5的内存。LPDDR5内存标准是JEDEC在2019年2月份确定的。
关于LPDDR5内存的优势，其实小米一众高管在预热小米10的时候已经不遗余力地给大家科普过了，IT之家当时也进行了密切报道。
这里汐元简单总结一下即可。
相比LPDDR4X，LPDDR5的关键在于重新设计了架构，采用16Banks可编程和多时钟架构。
16Banks的架构，也就是小米宣传的“Bank Group架构”，可以让器件内部增加更多的并行数据通路，增加了数据带宽，提升了性能。
多时钟架构的意思是，LPDDR5可以根据工作频率动态调节工作电压。LPDDR4X在高速工作时需要一直保持高时钟频率，而LPDDR5平时时钟频率可以控制在800MHz，在数据有读写操作时，会冲到最大工作频率，当读/写工作停止时，则会回落，从而降低功耗。
另外，LPDDR5还引入了Data-Copy和Write-X两个新的指令。
其中，Data-Copy指令的意思是，LPDDR5可以将单个I/O引脚上传输的数据复制到其他I/O引脚，提升数据传输的效率。
而Write-X指令可将全1或全0信号写入到特定地址，不用将数据从SoC发送到LPDDR5内存上，从而可以降低整个系统的功耗水平。
其实就是六字真言：提速率，降功耗。
最后，汐元整理了LPDDR从第一代到第五代的演进路线，并通过一张表格的形式呈现给大家：
从表中的数据，结合前面的介绍，看得出LPDDR5相比LPDDR4X，无论在性能还是功耗上，确实会有明显更好的表现，对于它在更多智能手机上的普及，以及在5G时代的表现，值得期待。
三、共同瞄准1Z纳米工艺
经常刷IT之家的小伙伴们一定都了解，计算机系统结构的存储器包括三大种：缓存、内存和存储。
缓存通常用的是SRAM，虽然对运行速度要求最高，但容量等需求这么多年没太大变化。存储是指我们平时所说的闪存，包括硬盘、U盘等，它的容量需求增长过快，存储介质也在发生变化。
▲图自：torange
所以，只有内存DRAM的市场一直以来最稳固，规模最大。
就DRAM市场格局来说，经过过去五十多年的竞争和发展，现在全球DRAM市场已经形成一个寡头垄断的局面。
根据公开资料信息，2018年三星、SK海力士和美光在DRAM全球市场中占比分别为46%，29%，21%，三家占比加起来超过95%。
LPDDR自然也是以这三家供应商为主。
在工艺制程方面，内存也不像CPU那样正朝着5nm、3nm进发。在工艺进入20nm之后，内存的制造难度就越来越高了，行业也遭遇了一些瓶颈。在10纳米级别上，行业将它分成了3代节点，分别是1Xnm(16-19nm)、1Ynm(14-16nm)、1Znm(12-14nm)。
以目前最厉害的三星为例。下面这张图是三星官方给出的LPDDR内存量产历史：
可以看到，在2018年的7月，三星已开始量产1Y纳米工艺的LPDDR4X内存。
再往后，2019年3月，他们已经在开发1Z纳米工艺的DRAM，当时计划在2019年下半年开始量产。
这个技术进度已经是三巨头里比较领先的了。
LPDDR5方面，三星在2018年7月即开发出了8Gb的LPDDR5内存，然后在2019年7月18日，已经开始为高端智能手机量产12Gb LPDDR5内存，采用的工艺是1Y纳米。
IT之家之前报道了三星Galaxy S20发布的新闻，我们看到，目前三星也已经搞定了16Gb LPDDR5。
我们知道，小米10系列的LPDDR5供应商同时包含三星和美光。并且小米10系列先期采用的是美光的LPDDR5。事实上，美光在LPDDR工艺研发的进展上也比较顺利。例如这次交付给小米10的LPDDR5内存采用的也是1Y纳米工艺。
另外，美光在2019年8月已经开始量产1Z纳米的DRAM(16Gb DDR4)，并计划在今年晚些时候推出相关产品。
海力士方面进度稍慢一些，他们在2019年4月才宣布将销售1Y纳米工艺的内存芯片，今年CES 2020上，也只是展示了LPDDR5原型内存解决方案。他们目前正在努力提高1Znm工艺16Gb DDR4的量产，并在积极拓展到LPDDR5等市场，同样预计在今年大规模量产。
总体来说，1Z纳米的工艺是行业巨头们接下来攻关的重点，并且不出意外的话会在今年晚些时候我们就会看到实际的产品。当然啦，未必是适用于手机的LPDDR内存。
四、中国DRAM产业，栉风沐雨四十年，迎追赶良机
先和IT之家小伙伴们分享一组比较扎心的数据。
根据IC Insights的调查报告，2016年，中国本地的市场消耗 1070 亿美元半导体产品，需求量占全球30%左右。
而根据光大证券《2017年中国集成电路产业现状分析》报告中给出的中国核心集成电路的自给率数据，DRAM的自给率为0%。基本是完全依赖进口的状态。
当然，这些是2016年、2017年的数据，而在距今的几年时间里，国内DRAM产业也取得了一些可喜的进展，我们下面会说。
刚才汐元介绍了DRAM全球的产业格局，基本情况相信大家也了解了。
那么在这样一个寡头垄断的局势下，中国DRAM存储产业有破局的机会吗?我们究竟又处在哪一步?
下面，汐元不妨和大家讲一讲中国DRAM产业的发展情况。
说起来，中国DRAM产业的发展起步其实也不晚，至今已经有了40多年的发展历史，只是受到技术、市场、产业链等因素的影响，没有真正发展成一个成熟的产业体系。
1975年，北京大学物理系半导体研究小组，由王阳元等人，在109厂采用硅栅N沟道技术，生产出中国第一块1K DRAM。
1978年，中科院半导体所成功研制4K DRAM;接着在1981年，又成功研制了16K DRAM。
1986年-1989 年，由中科院742 厂和永川半导体所无锡分所合并成立的华晶电子集团，成功研制了中国人第一块 64k DRAM，采用的是 2.5 微米工艺。
到了90年代，中国的DRAM产业开始尝试了早期的市场化探索。
其中，无锡华晶电子在国务院八五计划(1990-1995) 15 亿元资金的支持下建设了月产能1.2万片6英寸晶圆厂，并在1993年首次成功研发 256K DRAM。
▲华晶微电子的前身，无锡742厂
1995年和1999年，当时的首钢NEC和华虹NEC分别推出了4M DRAM和64M DRAM内存芯片，特别是后者采用了0.35微米工艺，在产品上也达到了当时行业的主流水平。
首钢NEC和华虹NEC均有当时的IT巨头日本NEC公司入资背景。例如华虹NEC是由上海市政府5 亿美元组建的华虹微电子与日本 NEC共同成立，日本NEC出资2亿美元。
类似的探索大约到21世纪前十年，这段时间以政府扶持、自主研发+技术引进为主要特点。
这一时期的探索最终没有很成功，主要是受到了技术、设备封锁以及海外合作厂商的衰落等因素的影响，但这些也为中国DRAM产业积累了宝贵的经验和人才基础。
2010年以后，中国的DRAM产业获得了新的发展局面。
这一时期，出海并购成为主要的特点。这里举例两个重要的并购事件，分别是2015年的紫光收购奇梦达和大陆资本收购 ISSI。
先说第一个。奇梦达的前身是德国英飞凌科技2003年在中国西安成立的存储器事业部，后来独立成了奇梦达科技。所以，它是德系的。
不过，奇梦达科技后来发展遭遇了困难，在2009年破产了。同一年，它被浪潮集团收购，更名为西安华芯半导体有限公司。
再后来，就是2015年，紫光集团旗下的紫光国芯股份有限公司收购了西安华芯半导体(也就是我们说的奇梦达)，收购后的公司名为西安紫光国芯半导体有限公司。
这一次收购填补了国内DRAM芯片设计的空白。2017年，紫光已经在开展DDR4存储芯片和模组的设计与开发，当时IT之家也作了相关报道。
不过，紫光的业务重心并不在DRAM上，当时虽然这么说，但似乎一直到2019年才有了实际动作。
第二个是大陆资本收购 ISSI。ISSI是成立于1988年的美国公司，擅长设计、开发高速、低功耗SRAM以及中/低密度的DRAM、NOR闪存产品，主要应用于汽车、工业、医疗、消费电子等专业领域。
ISSI于2015年12月从纳斯达克退市，以武岳峰资本为主的中国资本联合体完成对ISSI的私有化收购，私有化主体为北京矽成。这次私有化过程中就遭到了美国Cypress的阻挠。后来，北京矽成也先后差点被兆易创新、思源电气收购，最终落地为北京君正实现资本化。整个过程也是一波三折。
总得来说，收购ISSI标志着海外 DRAM 厂商第一次整体整合进中国存储产业之中。
不过，这两次重要收购为国产DRAM存储市场带来的都是芯片设计的能力，而不是从设计到制造到封装测试的系统化能力(IDM)。
而从2014年开始到现在，中国存储产业才真正开始向IDM 时代迈进。
目前，国产DRAM市场的主要玩家包括紫光国芯、福建晋华、合肥长鑫、长江存储等。其中合肥长鑫是目前比较被看好的。
因为近些年中国在半导体存储器产业的集中投资逐见成效，如果中国建立的存储器企业一旦实现量产，对于行业巨头将构成很大威胁。前面我们说了，全球半导体需求将近1/3来自中国，如果中国能自给自足，这些巨头们还怎么做生意?
从2016年开始，美国存储巨头美光就开始陆续对台湾的联电和大陆的福建晋华发起诉讼，诉讼理由无外乎侵犯知识产权等，但这些诉讼要么没有结果，要么被美国联邦法院驳回。这里插一句，台湾联电和福建晋华此前曾建立合作关系。
▲图自：福建晋华官网
这些诉讼纠纷只是开始。
终于，2018年10月30日，美国商务部发布公告，确认实施美国工业安全局BIS将福建晋华添加进实体清单的决定，规定所有美国公司在没有申请特殊豁免的前提下，不得对福建晋华销售所有软件及设备和技术服务。
这道禁令无疑让刚刚有所起色的国产DRAM存储市场顿时又陷入阴霾。
而作为我国“十三五”集成电路重大产能布局规划中企业的福建晋华，成了第二个中兴，原来2018年底的DRAM量产计划也被搁置，目前进度不理想。
同时业界也在担忧中国另一家DRAM关键大厂合肥长鑫存储是否会成为下一个被钳制的企业。
合肥长鑫存储技术有限公司，是2016年5月由合肥市政府旗下投资平台合肥产投与国内细分存储器领域的领军企业兆易创新共同出资组建的，也是安徽省单体投资最大的工业项目。
事实上，2017年，美光就曾对从台湾华亚科跳槽到合肥长鑫的上百名员工发存证信函，欲采取施压手段，表明美光已经在“关注”合肥长鑫。
▲图自：合肥长鑫官网
一时间，业界揣测四起，众说纷纭，其中大家讨论的一个关键，就是合肥长鑫的技术是来源于哪里?
相信IT之家小伙伴们也明白这一点的重要性。首先我们必须保证自己采用的技术本身让人挑不出问题。
终于在2019年5月，合肥长鑫对外表示，他们的DRAM 技术基础来源于德系的奇梦达半导体。
没错，就是我们前面说到的在十年前就倒闭的奇梦达。
当年奇梦达在宣布破产前，已经成功研发出DRAM的基础堆叠式技术Buried Wordline(埋入式闸极字元线连结)，且实验室研发也已经到了46nm的工艺，但是因为之前走了弯路，资金无以为继，于是倒闭。
▲图自：中国闪存市场峰会，长鑫存储的演讲环节
奇梦达虽然倒闭了，但他们的技术还是蛮先进的，并且“造福”了好几家半导体公司，其中就有合肥长鑫存储。他们通过和奇梦达合作，获得了一千多万份有关DRAM的技术文件及2.8TB数据。
这些技术资料，正是合肥长鑫能够进一步创新、发展的基础，中国DRAM也才能够延续火种。
▲图自：中国闪存市场峰会，长鑫存储的演讲环节
目前，合肥长鑫已经在2019年末开始量产国内第一批19nm的8Gb LPDDR4内存，即前面所说的1Xnm工艺。
这意味着他们已经是国内第一家也是唯一一家DRAM生产商，换句话说，他们也许就是我国DRAM自给率实现突破的第一步。
另外，合肥长鑫8Gb的DDR4内存也于2019年底交付。同时，合肥长鑫计划在2021 年量产17nm工艺的DRAM芯片。
图自：合肥长鑫DRAM技术路线图
这些无疑承载着DRAM存储国产化从零到一的希望。
更值得振奋的是，合肥长鑫也是全球第四家 DRAM 产品采用20纳米以下工艺的厂商。
紫光国芯方面，2018年小规模量产过DDR4内存，但2019年才真正切入到自主DRAM领域，建立DRAM事业群，预计2021年开始量产，进度上要慢一些。
而紫光集团旗下的长江存储，一直以来主攻的领域是的3D NAND Flash闪存，不过随着他们也和紫光共同研发DRAM，两强合作，相信能很快赶上进度。
总得来说，说合肥长鑫是目前国产DRAM存储的唯一希望也不为过。这并不是坏消息，说明我们还手握着追赶的希望。
五、总结：砥砺前行，终不负，有心人
仅从DRAM内存的角度来说，中国企业无论是在技术还是产业链方面，距离全球顶尖的厂商都有较大的差距，产品自给率方面更是不容乐观。
但是，我们也无需灰心，纵观全球DRAM存储市场，除了三星、海力士以及美光三巨头外，从技术上讲，中国也仍然是有一定的领先性的，这很关键。
中国的消费电子产业环境已经成熟，半导体需求量巨大，而中国经济也在向着高附加值的产业结构转型，中美贸易摩擦带来的技术封锁，让半导体产业的国产化被提到一个前所未有的高度。
同时，根据IC Insights的报告，全球半导体产业的转移趋势正是从美国向日本，然后向韩国、台湾地区，接着向中国大陆转移的过程。
于时于势，中国正处在半导体产业国产化的良好时机，以及关键时刻。
以DRAM存储产业为例，中国已经经历了40多年的探索，筚路蓝缕，惨淡经营，很多人进来很多人离开，经历无数教训、挫折、隐忍和韬晦，才换来宝贵的人才和技术积淀，才能保住赶超行业巨头的“火种”。
接下来，我们需要进一步加大企业自主创新+国家意志支持的力度，坚定IDM的发展模式，进行产业全链路的布局，高度重视技术、专利的原创性，避开巨头们的干扰、阻挠。
只有做到这些，才能在机遇和风险并存的产业环境中不断前行，实现我们在半导体产业独立自主的目标。
特别声明：本文为合作媒体授权DoNews专栏转载，文章版权归原作者及原出处所有。文章系作者个人观点，不代表DoNews专栏的立场，转载请联系原作者及原出处获取授权。(有任何疑问都请联系idonews@donews.com)
