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【COMPUTEX 2015】挤出空间、降低成本:从 MCP、eMCP 与 eM


2020-06-12

【COMPUTEX 2015】挤出空间、降低成本:从 MCP、eMCP 与 eM

智慧手机与平板电脑等行动装置蓬勃发展,性能好坏与否,除了好的 CPU,记忆体的搭配也成了重要关键,随着技术的发展日臻成熟,行动装置得以衍生出不同等级的产品,以贴合不同消费者的需求,CPU 有低中高阶之分,记忆体也有所谓记忆体阶层的概念(Memory hierarchy),要让储存容量、运算速度、单位价格等相异的多种记忆体妥善分配,达到最大经济效益。

手机与平板电脑等行动装置愈发讲求轻薄甚至小巧,成了厂商构装的难题,为了节省空间,将多重晶片放入单一构装成了各家厂商努力的重点,RAM 与 ROM 的整合与封装也成了其一。技术的发展,使得 RAM 与 ROM 两者可整合为一,甚至可以直接内建控制晶片,为手机製造商节省了成本或生产上的困扰。以下以智慧手机记忆体常见的配置方式为例,阐述行动装置记忆体整合的演进。

【COMPUTEX 2015】挤出空间、降低成本:从 MCP、eMCP 与 eMMCP──记忆体整合的滥觞

MCP 为 Multi Chip Package 多晶片封装的简称,是将两种以上的记忆体晶片透过水平放置或堆叠的方式成同一个 BGA 封装,MCP 合而为一的方式,较以往以主流 TSOP 封装成单独两个晶片,节省 70% 的空间,简化了 PCB 板的结构,也简化了系统设计,使得组装与测试良率得以提高。

一般 MCP 组合方式有两种:一为 NOR Flash 加 Mobile DRAM(SRAM 或 PSRAM),一种为 NAND Flash 加 DRAM 或 Mobile DRAM(SRAM 或 PSRAM)而 NAND Flash 由于储存密度高、功耗低、体积小,成本也较 NOR Flash 低廉,以目前基本的 1Gb 配置来看,NOR Flash 1Gb 的价格约在 6 美元,为相同容量 SLC NAND Flash 的六倍,使得 NAND 渐有取代 NOR 之势。

总体而言,MCP 降低了系统硬体成本,价格甚至比各自独立的晶片还要便宜,MCP 的最终多取决于 NAND Flash 价格变化,不过一般而言至少可便宜 10% 以上。

MCP 技术发展关键在厚度的控制与实际良率,MCP 堆叠的晶片愈多,厚度也愈厚,然设计过程中还是得维持在一定的厚度,当初定义的最高高度在 1.4 mm 左右(目前普遍为 1.0mm),在技术上有一定的侷限,此外,其中一颗晶片失效,其他晶片也无法运作。

MCP 技术通常以 SLC NAND 搭配 LPDDR1 或 2 为主,Mobile DRAM 不超过 4Gb,主要运用在功能型手机(Feature phone)或低阶智慧型手机,主流配置为 4+4 或 4+2,以调研机构 DRAMeXchange 2015 年现在的报价来看,一颗 4+4 MCP 价格约在 4.5 美元,4+2 MCP 价格在 3 美元左右,使其价格可压在低阶智慧型手机整体物料清单(BOM)的 3~6% 之间。

MCP 出现较早,在技术发展上渐出现侷限,三星、SK 海力士等大厂开始转向 eMMC、eMCP 等技术的研发,然中国低阶手机製造商在低容量 MCP 市场仍有一定的需求,如晶豪、科统等台厂就看好这块市场,而积极抢进。

规格大一统的 eMMC

在 MCP 之后,多媒体卡协会(MultiMediaCard Association;MMCA)针对手机与平板电脑等产品,订定了内嵌式记忆体的标準规格──eMMC(embedded Multi Media Card),以 MCP 方式将 NAND Flash 与控制晶片整合在同一 BGA 封装。

NAND Flash 发展迅速,不同 NAND 供应商产品之间也略有差异,当 NAND Flash 与其控制晶片封装在一起,手机製造商可以省去因 NAND Flash 供应商或製程世代的改变而重新设计规格的麻烦,进一步节省研发测试成本、缩短产品上市或更新週期。

eMMC 订有 11.5mm x 13 mm x 1.3mm、12mm x 16mm x 1.4mm 等四种尺寸(详见表一),在规格上不断演进,如 v4.3 新增了boot功能,省下了 NOR Flash 等元件,也可快速开机,容量与读取速度也在每代演进过程中加速,目前已发展到 eMMC 5.1,2015 年 2 月几乎与官方规格发布同时间,三星推出了 eMMC 5.1 的产品,容量最高达 64GB,读取速度 250MB/s,写入性能提升到 125MB/s。

eMMC 在 NAND Flash 的选择上,以往以 MLC 为主,3-bit MLC(TLC)因抹写次数(产品寿命)不如 MLC,一般用在记忆卡随身碟等外插式产品,随着 2013 年三星将 3-bit MLC 导入 eMMC 中,促使其他 NAND 厂商跟进,抹写次数上也因此提升,3-bit MLC 挟着较 MLC 便宜两成左右的价格优势,运用在智慧手机、平板的比例逐年上升,且多以中阶行动装置为主,2014 年下半 Apple 在 iPhone 6 与 iPhone 6 Plus 採用 3-bit MLC eMMC 后,开始从中阶机型扩大到高阶市场。

eMMC 运用在行动装置上还需另外加上 DRAM,高阶手机在 DRAM 选择上,渐从 LPDDR3 转换至 LPDDR4,据悉,下世代 iPhone 将从 LPDDR3 1GB 提升至 LPDDR4 2GB,目前三星 Galaxy S6、LG G4 都搭载 3GB LPDDR 4,根据调研机构 DRANeXchange 的数据,2015 年第二季 LPDDR 4 较 LPDDR3 预估会有 30~35% 的溢价。

而结合 MCP 配置以及 eMMC 优势的 eMCP 也在这之后应运而生。

【COMPUTEX 2015】挤出空间、降低成本:从 MCP、eMCP 与 eM兼容 MCP 与 eMMC 的 eMCP

eMCP 嵌入式多晶片封装(embedded Multi Chip Package)为 eMMC 结合 MCP 封装,同 MCP 的配置,eMCP 也将 NAND Flash 与 Mobile DRAM 封装在一起,与传统 MCP 相比,多了 NAND Flash 控制晶片,以管理大容量快闪记忆体、减少主晶片在运算上的负担,在体积上更小同时也减省了更多电路连结设计,更便于智慧手机厂商的设计生产。

eMCP 主要是为缩短低阶智慧手机上市时程而开发,便于手机厂商测试的特性,中国手机市场竞争愈发激烈,对上市时程也就愈形重要,因此 eMCP 尤其受到联发科等公版客户的青睐。

在配置上以 LPDDR3 为基础,以 8+8 与 8+16 为最多,但在价格上与同规格 MCP 加 NAND Flash 控制晶片相比,价差可达 10~20%,就端看手机厂商在成本与上市时间的权衡。

eMCP 在规格上和 eMMC 同样有的 11.5mm x 13mm x 1.Xmm 尺寸限制,要将 eMMC 与 LPDDR 组装在一起,一来容量增长不易,二来两者结合很容易产生讯号干扰,品质增加了不确定性,都成为 eMCP 往高阶市场发展的难点。

总体来说,MCP 主要运用在非常低阶的智慧手机或功能型手机市场,eMCP 适合主流型的智慧手机,尤其以使用联发科等处理器的手机厂商来说,採用 eMCP 有助于上市时间的推进,eMCP 主要横跨低、中阶市场,并有逐步往高阶市场迈进的趋势,而 eMMC 与分离式 Mobile DRAM 在配置上有较大的弹性,厂商在开规格上有较大的主控权,对于处理器与记忆体之间的配合也能有较好的掌握,适合运用在追求效能的顶级旗舰机种。

而三星 2015 年 3 月推出 eMMC 5.0 规格、128GB 大容量的平价储存记忆体,抢攻中低阶手机市场,记忆体整合方式在低中高阶手机的区分已变得模糊,而手机厂商在记忆体的选择上,并不是最先进的整合技术就是最佳,整体而言适当、符合晶片平台,能够满足所开出的规格需求,稳定度与成本如预期,就是最佳的记忆体整合技术。

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