【COMPUTEX 2015】擠出空間、降低成本:從 MCP、eMCP 與 eMMC 看行動裝置記憶體的整合

作者 | 發布日期 2015 年 06 月 05 日 11:00 | 分類 手機 , 晶片 , 零組件 follow us in feedly
2015 特刊

智慧手機與平板電腦等行動裝置蓬勃發展,性能好壞與否,除了好的 CPU,記憶體的搭配也成了重要關鍵,隨著技術的發展日臻成熟,行動裝置得以衍生出不同等級的產品,以貼合不同消費者的需求,CPU 有低中高階之分,記憶體也有所謂記憶體階層的概念(Memory hierarchy),要讓儲存容量、運算速度、單位價格等相異的多種記憶體妥善分配,達到最大經濟效益。



手機與平板電腦等行動裝置愈發講求輕薄甚至小巧,成了廠商構裝的難題,為了節省空間,將多重晶片放入單一構裝成了各家廠商努力的重點,RAM 與 ROM 的整合與封裝也成了其一。技術的發展,使得 RAM 與 ROM 兩者可整合為一,甚至可以直接內建控制晶片,為手機製造商節省了成本或生產上的困擾。以下以智慧手機記憶體常見的配置方式為例,闡述行動裝置記憶體整合的演進。

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MCP──記憶體整合的濫觴

MCP 為 Multi Chip Package 多晶片封裝的簡稱,是將兩種以上的記憶體晶片透過水平放置或堆疊的方式成同一個 BGA 封裝,MCP 合而為一的方式,較以往以主流 TSOP 封裝成單獨兩個晶片,節省 70% 的空間,簡化了 PCB 板的結構,也簡化了系統設計,使得組裝與測試良率得以提高。

一般 MCP 組合方式有兩種:一為 NOR Flash 加 Mobile DRAM(SRAM 或 PSRAM),一種為 NAND Flash 加 DRAM 或 Mobile DRAM(SRAM 或 PSRAM)而 NAND Flash 由於儲存密度高、功耗低、體積小,成本也較 NOR Flash 低廉,以目前基本的 1Gb 配置來看,NOR Flash 1Gb 的價格約在 6 美元,為相同容量 SLC NAND Flash 的六倍,使得 NAND 漸有取代 NOR 之勢。

總體而言,MCP 降低了系統硬體成本,價格甚至比各自獨立的晶片還要便宜,MCP 的最終多取決於 NAND Flash 價格變化,不過一般而言至少可便宜 10% 以上。

MCP 技術發展關鍵在厚度的控制與實際良率,MCP 堆疊的晶片愈多,厚度也愈厚,然設計過程中還是得維持在一定的厚度,當初定義的最高高度在 1.4 mm 左右(目前普遍為 1.0mm),在技術上有一定的侷限,此外,其中一顆晶片失效,其他晶片也無法運作。

MCP 技術通常以 SLC NAND 搭配 LPDDR1 或 2 為主,Mobile DRAM 不超過 4Gb,主要運用在功能型手機(Feature phone)或低階智慧型手機,主流配置為 4+4 或 4+2,以調研機構 DRAMeXchange 2015 年現在的報價來看,一顆 4+4 MCP 價格約在 4.5 美元,4+2 MCP 價格在 3 美元左右,使其價格可壓在低階智慧型手機整體物料清單(BOM)的 3~6% 之間。

MCP 出現較早,在技術發展上漸出現侷限,三星、SK 海力士等大廠開始轉向 eMMC、eMCP 等技術的研發,然中國低階手機製造商在低容量 MCP 市場仍有一定的需求,如晶豪、科統等台廠就看好這塊市場,而積極搶進。

 

規格大一統的 eMMC

在 MCP 之後,多媒體卡協會(MultiMediaCard Association;MMCA)針對手機與平板電腦等產品,訂定了內嵌式記憶體的標準規格──eMMC(embedded Multi Media Card),以 MCP 方式將 NAND Flash 與控制晶片整合在同一 BGA 封裝。

NAND Flash 發展迅速,不同 NAND 供應商產品之間也略有差異,當 NAND Flash 與其控制晶片封裝在一起,手機製造商可以省去因 NAND Flash 供應商或製程世代的改變而重新設計規格的麻煩,進一步節省研發測試成本、縮短產品上市或更新週期。

eMMC 訂有 11.5mm x 13 mm x 1.3mm、12mm x 16mm x 1.4mm 等四種尺寸(詳見表一),在規格上不斷演進,如 v4.3 新增了boot功能,省下了 NOR Flash 等元件,也可快速開機,容量與讀取速度也在每代演進過程中加速,目前已發展到 eMMC 5.1,2015 年 2 月幾乎與官方規格發布同時間,三星推出了 eMMC 5.1 的產品,容量最高達 64GB,讀取速度 250MB/s,寫入性能提升到 125MB/s。

eMMC 在 NAND Flash 的選擇上,以往以 MLC 為主,3-bit MLC(TLC)因抹寫次數(產品壽命)不如 MLC,一般用在記憶卡隨身碟等外插式產品,隨著 2013 年三星將 3-bit MLC 導入 eMMC 中,促使其他 NAND 廠商跟進,抹寫次數上也因此提升,3-bit MLC 挾著較 MLC 便宜兩成左右的價格優勢,運用在智慧手機、平板的比例逐年上升,且多以中階行動裝置為主,2014 年下半 Apple 在 iPhone 6 與 iPhone 6 Plus 採用 3-bit MLC eMMC 後,開始從中階機型擴大到高階市場。

eMMC 運用在行動裝置上還需另外加上 DRAM,高階手機在 DRAM 選擇上,漸從 LPDDR3 轉換至 LPDDR4,據悉,下世代 iPhone 將從 LPDDR3 1GB 提升至 LPDDR4 2GB,目前三星 Galaxy S6、LG G4 都搭載 3GB LPDDR 4,根據調研機構 DRANeXchange 的數據,2015 年第二季 LPDDR 4 較 LPDDR3 預估會有 30~35% 的溢價。

而結合 MCP 配置以及 eMMC 優勢的 eMCP 也在這之後應運而生。

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兼容 MCP 與 eMMC 的 eMCP

eMCP 嵌入式多晶片封裝(embedded Multi Chip Package)為 eMMC 結合 MCP 封裝,同 MCP 的配置,eMCP 也將 NAND Flash 與 Mobile DRAM 封裝在一起,與傳統 MCP 相比,多了 NAND Flash 控制晶片,以管理大容量快閃記憶體、減少主晶片在運算上的負擔,在體積上更小同時也減省了更多電路連結設計,更便於智慧手機廠商的設計生產。

eMCP 主要是為縮短低階智慧手機上市時程而開發,便於手機廠商測試的特性,中國手機市場競爭愈發激烈,對上市時程也就愈形重要,因此 eMCP 尤其受到聯發科等公版客戶的青睞。

在配置上以 LPDDR3 為基礎,以 8+8 與 8+16 為最多,但在價格上與同規格 MCP 加 NAND Flash 控制晶片相比,價差可達 10~20%,就端看手機廠商在成本與上市時間的權衡。

eMCP 在規格上和 eMMC 同樣有的 11.5mm x 13mm x 1.Xmm 尺寸限制,要將 eMMC 與 LPDDR 組裝在一起,一來容量增長不易,二來兩者結合很容易產生訊號干擾,品質增加了不確定性,都成為 eMCP 往高階市場發展的難點。

總體來說,MCP 主要運用在非常低階的智慧手機或功能型手機市場,eMCP 適合主流型的智慧手機,尤其以使用聯發科等處理器的手機廠商來說,採用 eMCP 有助於上市時間的推進,eMCP 主要橫跨低、中階市場,並有逐步往高階市場邁進的趨勢,而 eMMC 與分離式 Mobile DRAM 在配置上有較大的彈性,廠商在開規格上有較大的主控權,對於處理器與記憶體之間的配合也能有較好的掌握,適合運用在追求效能的頂級旗艦機種。

而三星 2015 年 3 月推出 eMMC 5.0 規格、128GB 大容量的平價儲存記憶體,搶攻中低階手機市場,記憶體整合方式在低中高階手機的區分已變得模糊,而手機廠商在記憶體的選擇上,並不是最先進的整合技術就是最佳,整體而言適當、符合晶片平台,能夠滿足所開出的規格需求,穩定度與成本如預期,就是最佳的記憶體整合技術。

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(本文轉載自 COMPUTEX 2015《物聯行動穿戴世代成形》特刊) 

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