Aplikacje mobilne napędzają sprzedaż DRAM

Rys. 1. Udziały w rynku mobilnych pamięci DRAM w IV kwartale 2010. Źródło: iSuppli

Na przykład Elpida, w wyniku rosnącego popytu ze strony Apple i jego iPada 2, znacznie zmniejszyła produkcję DRAM do komputerów osobistych na rzecz produkcji pamięci mobilnych. Jednocześnie wymagania w zakresie przepustowości aplikacji mobilnych przekraczają możliwości obecnej technologii DRAM, wymuszając przejście do nowych standardów.

Według przedstawicieli konsorcjum pracującego nad technologią Serial Port Memory Technology (SPMT), mobilne pamięci DDR 2 małej mocy (LPDDR2) powoli kończą swój żywot. Pilna potrzeba zwiększenia przepustowości spowodowała, że wiele firm zaczęło rozwijać konkurencyjne technologie pamięci mobilnych nowej generacji, takie jak LPDDR3, LPDDR4, M-PHY, Mobile XDR, SPMT oraz Wide I/O.

Samsung oraz kilka innych firm wspiera Wide I/O, podczas gdy Micron - LPDDR3. Według przedstawicieli Samsunga za wcześnie jest wyrokować, która z tych nowych technologii się przyjmie. Firma uważa, że na rynku jest miejsce tylko dla jednej z nich, a w przyszłości w dominujących urządzeniach będą stosowane maksymalnie dwie technologie.

Poszukiwanie nowego standardu wynika z wymagań przepustowości. Ostatnio LG Electronics wprowadził na rynek Optimusa 3D, smartfon 4G z trójwymiarowym wyświetlaczem niewymagającym stosowania specjalnych okularów, dwoma obiektywami i obsługą wideo HD. Urządzenie LG bazuje na dwurdzeniowym procesorze aplikacyjnym OMAP 4 TI oraz - podobnie jak iPad 2 - zawiera mobilną pamięć DRAM typu LPDDR2.

Maksymalna przepustowość pamięci LPDDR2 wynosi 8,5 GB/s przy poborze mocy około 360mW. Według przedstawicieli Rambusa, przemysł będzie w 2013 roku wymagał od pamięci przepustowości na poziomie 12,8 GB/s przy maksymalnym zużyciu mocy ograniczonym do 500mW.

Przedstawiciele TI uważają, że w przyszłości mobilne DRAM będą musiały działać z szybkością 25,6 GB/s. Konieczne będzie zatem opracowanie szybszej technologii, a także redukcja wymiarów układów oraz zmniejszenie zużycia mocy, aby wydłużyć czas życia baterii.

Pamięci zyskują na znaczeniu

Tabela 1. Standardy mobilnych pamięci DRAM

Według iSuppli, w przeszłości mobilne DRAM były uznawane na rynku pamięci za obszar stagnacji. Jednak obecnie dzięki smartfonom i tabletom branża mobilnych DRAM ma w 2011 roku wzrosnąć o 71%. Według analityków iSuppli, jest to wynik znacznie lepszy niż w przypadku całkowitego rynku DRAM, który ze względu na słabość sektora komputerów osobistych spadnie w 2011 roku o 11,8% do 35,5 mld dol. z 40,3 mld dol. w roku 2010.

Według firmy analitycznej Raymond James & Associates, średnia pojemność DRAM w smartfonach i tabletach rośnie w stronę 1GB z obecnych 512MB. Dla porównania, komputer osobisty zawiera średnio od 3,4 do 3,5GB pamięci DRAM. Mobilny moduł DRAM jest od dwóch do czterech razy droższy niż jego odpowiednik do PC ze względu na restrykcyjne wymagania aplikacji mobilnych w zakresie wymiarów i zużycia mocy.

Według iSuppli, rynek mobilnych DRAM opiera się na modelu produkcji na zamówienie, gdzie ceny zależą bardziej od redukcji kosztów niż od zmian popytu i podaży. Przewidywalny model popytu i podaży nie sprawdza się przy rozwiniętej konkurencji. Według iSuppli, w pierwszym kwartale popyt i podaż były w równowadze, w drugim kwartale oczekiwana była przewaga podaży, a w drugiej połowie roku spodziewana jest przewaga popytu.

Przepustowość napędza technologię

Rys. 2. Sprzedaż mobilnych DRAM na świecie (w miliardach gigabitów). Źródło: iSuppli

W kwestii standardów oczekiwane są szerokie zmiany. Mobilne DRAM poprzedniej generacji bazowały na technologiach synchronicznych małej mocy, a później na 1,8-woltowych LPDDR1 o częstotliwości 200 MHz, umożliwiających transfer do 400 MB/s. Jednak LPDDR1 osiągnęły już kres wydajności, a producenci przestawili się na produkcję 1,2-woltowych pamięci LPDDR2, które dzięki takim technikom, jak PASR (Partial Array Self-Refresh), zapewniają redukcję mocy o ponad 50%.

Częstotliwość pracy LPDDR2 wynosi od 100 do 533 MHz, co odpowiada transferowi od 200 do 1066 MB/s. W jednej obudowie PoP (Package-on-Package) można zmieścić maksymalnie cztery moduły, co daje całkowity transfer na poziomie 8,5 GB/s. Pamięci LPDDR1 miały w II kwartale 2011 większościowy udział w rynku mobilnych DRAM, podczas gdy udział LPDDR2 wyniósł 40% przy 31% w I kwartale.

Przewiduje się, że w IV kwartale udział LPDDR2 w rynku wzrośnie do 58%. Podczas gdy dostawcy wprowadzają na rynek urządzenia z modułami LPDDR2, Micron rozwija pamięci LPDDR3 o częstotliwości 800 MHz i transferze 1,6 GB/s. Wykorzystanie czterech takich modułów w jednej obudowie zwiększy maksymalną przepustowość do 12,8 GB/s.

Według Microna, pamięci LPDDR2 spełniają większość wymagań aplikacji mobilnych, jednak urządzenia high-end będą już niedługo potrzebowały LPDDR3. Ostateczna wersja robocza specyfikacji LPDDR3 ma być gotowa pod koniec roku 2011. Z kolei Samsung traktuje LPDDR3 obojętnie, gdyż według prognoz firmy co najmniej do roku 2012 głównym typem pamięci będzie LPDDR2.

W ofercie Samsunga znajdują się obecnie 4-gigabitowe mobilne moduły DRAM o częstotliwości 533 MHz oparte na LPDDR2 i produkowane w procesie technologicznym 30nm. Według firmy, nowe pamięci umożliwią tworzenie lżejszych urządzeń o dłuższym czasie życia baterii. Wcześniej, aby otrzymać moduł o pojemności 1GB, należało spiętrzyć cztery 2-gigabitowe układy LPDDR2.

Obecnie taką samą pojemność można uzyskać przez spiętrzenie dwóch 4-gigabitowych modułów LPDDR2 przy jednoczesnym zmniejszeniu wysokości obudowy o 20% oraz redukcji zużycia mocy o jedną czwartą. Poza wsparciem LPDDR2, Samsung ogłosił wsparcie dla standardów SPMT oraz Wide I/O.

Standardowy moduł DRAM zawiera maksymalnie 32 linie danych. Dla porównania, Wide I/O to technologia 4-kanałowa o 128 liniach danych na kanał, co daje 512 linii we-wy oraz łączną przepustowość 12 GB/s. Ponadto w celu redukcji pobieranej mocy Wide I/O pracuje w niskich częstotliwościach.

Firmy z branży spodziewają się, że moduły DRAM oparte na technologii Wide I/O trafią na rynek w roku 2013. W dalszej przyszłości przewiduje się spiętrzanie modułów Wide I/O z wykorzystaniem technologii TSV (Through-Silicon-Via), jednak obecnie jej ograniczeniami są wysokie koszty implementacji oraz niewielkie wsparcie ze strony narzędzi do projektowania EDA.

Według przedstawicieli konsorcjum pracującego nad rozwojem SPMT, czas TSV jeszcze nie nadszedł, możliwości LPDDR2 wyczerpują się, a LPDDR3 to technologia tymczasowa, która co prawda jest szybka, ale i wymagająca większej mocy zasilającej. W skład konsorcjum wchodzą ARM, Hynix, LG, Marvell, Samsung oraz Silicon Image.

W roku 2010 konsorcjum odrzuciło swoją początkową koncepcję szeregową i stworzyło technologię hybrydową o nazwie SerialSwitch, która działa z prędkością 1,6 GB/s w trybie równoległym i 6,4 GB/s na kanał w trybie szeregowym. Pierwsze DRAM bazujące na tej technologii mają wejść na rynek pod koniec roku. Z kolei rozwijany przez Rambusa standard Mobile XDR ma zapewniać transfer do 17 GB/s.

W przeszłości firmie nie powiodła się próba dłuższego zagoszczenia na rynku pamięci do PC, co może działać na niekorzyść nowej specyfikacji. Według Rambusa, technologia Mobile XDR ma na celu uzupełnienie niedoskonałości pamięci LPDDR3. Według przedstawicieli firmy, LPDDR3 są szybkie, ale wiele im brakuje w kwestii ograniczenia zużycia mocy do poziomu 500mW.

Część analityków mówi już o potencjalnym powstaniu LPDDR4. Inną technologią jest M-PHY rozwijana przez Mobile Industry Processor Interface Alliance, która ma być interfejsem dla wbudowanych aparatów cyfrowych, wyświetlaczy, audio, wideo, pamięci, zarządzania mocą oraz komunikacji w układach baseband oraz RF. Jest to standard niekonkurujący bezpośrednio z mobilną technologią DRAM, ale mający pewne znaczenie dla tego rynku.

Która technologia się przyjmie?

Rys. 3. Dochody całości branży DRAM (w mld dol.). Źródło: iSuppli

Chociaż jest zbyt wcześnie, aby wskazać zwycięzcę w konkurencji między różnymi technologiami pamięci mobilnych, nieznaczną przewagę wydaje się mieć Wide I/O, którą to specyfikację wsparły nawet Nokia, Hynix i Samsung. Inni producenci telefonów komórkowych, w tym Motorola oraz Research In Motion, nie wypowiedzieli się w kwestii nowego standardu, podobnie jak Apple, które jest chyba najbardziej tajemniczą firmą OEM na świecie.

Pewną wskazówką może być obserwacja zachowania dostawców procesorów aplikacyjnych. Urządzenia te wspierają takie funkcje, jak komunikacja bezprzewodowa, zarządzanie mocą, audio oraz wideo w smartfonach, tabletach i innych urządzeniach mobilnych. Ponadto każdy procesor aplikacyjny wspiera standard mobilnej pamięci DRAM wymagany przez firmy OEM.

Jeden z dostawców takich procesorów, Texas Instruments, uważnie przygląda się wszystkim standardom, jednak uważa Wide I/O za przodujący. Według firmy, ma on wiele zalet i w końcu zostanie przyjęty przez rynek. Przedstawiciele Qualcomma na razie nie potrafią ocenić, która technologia zwycięży, ale zauważają, że przemysł wymaga coraz więcej mocy obliczeniowej dla nowych i wymagających aplikacji.

Rosnące wymagania przepustowości w urządzeniach mobilnych przyczyniły się do powstania bardziej wydajnych procesorów aplikacyjnych, produkowanych przez Nvidię, Qualcomma oraz TI. Na początku 2011 roku Qualcomm wprowadził na rynek nową architekturę dla rodziny procesorów aplikacyjnych Snapdragon. W mikroarchitekturze procesorowej o nazwie Krait każdy rdzeń ma być taktowany częstotliwością 2,5 GHz.

Urządzenia bliźniacze do ARM są produkowane w procesie technologicznym 28nm i dostępne w wersji z 1, 2 lub 4 rdzeniami. Z kolei TI jest producentem wielordzeniowego procesora OMAP 5, również wykonanego w procesie 28nm oraz dostępnego w dwóch wersjach - OMAP5430 jest skierowany do smartfonów, a OMAP5432 do mobilnych aplikacji obliczeniowych i elektroniki użytkowej.

Grzegorz Michałowski