我們已經(jīng)生活在一個由AI驅(qū)動的世界里——面部識別、實時翻譯，以及無所不在的虛擬助手，都已不再是新奇事物，而是用戶對產(chǎn)品習(xí)以為常的期待。AI正在改變我們的日常生活，尤其是在移動領(lǐng)域。人們對更高程度自動化的追求，在這一領(lǐng)域只會愈發(fā)強(qiáng)烈。到2028年，AI智能手機(jī)的出貨量預(yù)計將達(dá)到9.12億部1，而2023年這一數(shù)據(jù)僅為5,050萬部，在此期間的復(fù)合年增長率 (CAGR) 達(dá)到78.4%2。到2028年，支持生成式AI的智能手機(jī)預(yù)計將占智能手機(jī)出貨總量的54%以上，全球在用數(shù)量將超過10億部。1

越來越多的消費(fèi)者希望端側(cè)設(shè)備更加自動化和智能化，這一需求推動了AI智能手機(jī)的采用，使端側(cè)AI成為下一代移動體驗的關(guān)鍵驅(qū)動因素。在端側(cè)設(shè)備上本地運(yùn)行AI，可減少對持續(xù)穩(wěn)定互聯(lián)網(wǎng)連接的需求，或者減少對云端等集中式服務(wù)器的依賴，從而縮短響應(yīng)時間，并實現(xiàn)更安全的數(shù)據(jù)處理。然而，盡管人們對AI的期望越來越高，但目前的硬件功能難以跟上AI發(fā)展的步伐。

AI正在推動數(shù)據(jù)處理效率的提升

在以AI為核心的經(jīng)濟(jì)體中，數(shù)據(jù)是最基本的要素——每一項洞察、每一個預(yù)測、每一次決策，都源于對數(shù)據(jù)的處理。數(shù)據(jù)的質(zhì)量、數(shù)量和可訪問性，與功能強(qiáng)大的先進(jìn)算法和大模型同樣重要。

大語言模型 (LLM) 依賴于大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)輸入，需要大量的計算資源進(jìn)行處理。直接在端側(cè)設(shè)備上運(yùn)行這些模型（稱為“設(shè)備端AI”）需要能夠處理密集型工作負(fù)載的高性能硬件。為滿足用戶對快速響應(yīng)、無縫應(yīng)用切換、更短加載時間和更長續(xù)航時間的期望，移動設(shè)備必須支持本地實時AI處理，而無需依賴云端。這種情況下，內(nèi)存變得至關(guān)重要：內(nèi)存是數(shù)據(jù)和計算之間的橋梁，只有借助高速內(nèi)存，處理器才能立即訪問和操作大型數(shù)據(jù)集。系統(tǒng)的響應(yīng)能力，取決于內(nèi)存的性能可否匹配處理器的處理能力。然而，AI處理和高分辨率視頻捕獲等任務(wù)需要消耗大量電量。每一項的性能提升都必須考慮相應(yīng)的代價，在這一領(lǐng)域也不例外，更高水平的響應(yīng)能力是以電池電量的快速消耗為代價的。因此，為了在提供AI所需速度的同時保持電池續(xù)航時間，節(jié)能型內(nèi)存或者低功耗DRAM (LPDRAM)至關(guān)重要。

以較低電壓實現(xiàn)高性能

在近幾代LPDDR（低功耗雙倍數(shù)據(jù)率）內(nèi)存中，業(yè)界一直致力于突破電壓調(diào)節(jié)的限制。由于功率是電壓與電流的乘積，因此降低供電電壓水平會直接減少功耗。在功耗較大的高速內(nèi)存系統(tǒng)中，即使適度降低供電電壓，也能節(jié)省大量能源。

作為新一代移動DRAM，LPDDR5X具有更高的帶寬和電源效率，為降低供電電壓，新規(guī)范將曾經(jīng)整合為一體的VDD2軌重新設(shè)計為兩個不同的域：VDD2H（VDD2的高壓域）和VDD2L（VDD2的低壓域）。這種設(shè)計允許廠商根據(jù)不同的性能需求，進(jìn)行更精確的電壓調(diào)節(jié)。

為充分利用這一架構(gòu)，DVSC（動態(tài)電壓和頻率切換控制）和eDVFSC（增強(qiáng)型DVFSC）等技術(shù)至關(guān)重要。它們可根據(jù)工作負(fù)載需求動態(tài)調(diào)整電壓和頻率，使VDD2H能在低速任務(wù)期間以較低的電壓運(yùn)行，從而有助于降低功耗，延長電池續(xù)航。

免責(zé)聲明：VDDQ可在0.5伏（規(guī)范范圍-1）和0.3伏（規(guī)范范圍-2）這兩種規(guī)范范圍內(nèi)運(yùn)行。為簡單起見，上圖使用了0.3伏電壓，但實際工作電壓可能因系統(tǒng)配置和運(yùn)行模式而異。

內(nèi)存組和核心邏輯等高性能器件繼續(xù)由VDD2H和VDD1等高壓電源軌供電，以保持速度和響應(yīng)能力。同時，外圍電路和I/O功能操作由VDD2L和VDDQ等低壓電源軌供電，以在處理低負(fù)載任務(wù)時降低能耗。

美光在低VDD2H領(lǐng)域的創(chuàng)新

VDD2H和VDD2L的分離，大幅提高了供電靈活性，改善了供電效率，標(biāo)志著LPDDR5X技術(shù)的長足進(jìn)步。通過識別不需要原有全電壓VDD2電源軌的器件，工程師可以讓系統(tǒng)在低頻活動期間依靠VDD2L供電，從而能在不影響響應(yīng)能力的前提下降低功耗。

但美光的創(chuàng)新并未止步于此。美光工程師發(fā)現(xiàn)，即使是由VDD2H供電的組件也能承受較低的電壓閾值。因此美光工程師引入了低電壓VDD2H (LVDD2H)，這是一種經(jīng)過微調(diào)的VDD2H低電壓版。通過讓VDD2H在接近其最小可運(yùn)行電壓的LVDD2H模式下運(yùn)行，除了從分離VDD2L中已經(jīng)實現(xiàn)的功耗節(jié)約之外，還可節(jié)省更多功耗。

降低VDD2H的電壓（特別是在高速運(yùn)行模式下）具有以下幾大關(guān)鍵優(yōu)勢：

降低動態(tài)和靜態(tài)功耗，以及整體能耗

改善熱性能，因為功率越低，發(fā)熱越少

在能效至關(guān)重要的移動和嵌入式系統(tǒng)中延長電池續(xù)航

LVDD2H運(yùn)行模式

通過大量測試與特征分析，美光工程師確定了兩種主要的LVDD2H運(yùn)行模式：標(biāo)稱模式和最小模式。

在標(biāo)稱模式下，為與生態(tài)系統(tǒng)性能相匹配，在8.533–10.7 Gbps數(shù)據(jù)傳輸速率下電壓水平保持在1.05V，在低于7.5 Gbps數(shù)據(jù)傳輸速率時降低電壓水平。在最小模式下，LVDD2H在全部數(shù)據(jù)傳輸速率范圍內(nèi)降低電壓水平。

通過LVDD2H節(jié)約能源

美光的內(nèi)部測試展示了LVDD2H在以下兩個主流用例中的重要作用：人工智能標(biāo)記語言 (AIML) 和使用天數(shù) (DoU)3。在AIML工作負(fù)載中，將VDD2H從1.060V降低至0.98V，可平均節(jié)約高達(dá)8%的功耗4。在12個不同的AI模型上測試了電壓降低的效果，所有測試都顯示出顯著的節(jié)能效果。在所有LLM中，Llama 2-13b的節(jié)能效果最明顯，達(dá)到12%。這些節(jié)能功能可直接增強(qiáng)終端用戶在使用多種AI功能時的體驗，如語音助手、照片處理、自動更正和聊天機(jī)器人等。對于DoU測試場景，在8個不同的用例中，降低電壓平均獲得了5%的功耗節(jié)約。DoU用例包括用戶在白天使用移動設(shè)備經(jīng)常從事的典型活動，如Facebook聊天、聽音樂、瀏覽網(wǎng)頁或觀看視頻。

未來展望

通過降低電壓，可直接降低功耗，延長電池續(xù)航，用戶每天都能感受到其帶來的好處。隨著技術(shù)以前所未有的速度發(fā)展，要想緊跟技術(shù)發(fā)展步伐，滿足其需求，先進(jìn)的內(nèi)存解決方案至關(guān)重要。美光持續(xù)不懈地通過產(chǎn)品設(shè)計來盡可能提高能效和性能，除了為最終用戶帶來切實效益之外，也為整個行業(yè)樹立了節(jié)能型DRAM的標(biāo)桿。通過與生態(tài)系統(tǒng)伙伴密切合作，助力協(xié)同創(chuàng)新與全行業(yè)發(fā)展，美光正在塑造未來的數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)。對創(chuàng)新和卓越的不懈追求，使美光能夠始終引領(lǐng)未來趨勢，不斷推出支持下一代用戶體驗的解決方案。

1Counterpoint Research. 《推動AI在智能手機(jī)中普及的生態(tài)系統(tǒng)》。2025年1月10日發(fā)布https://www.counterpointresearch.com/insight/post-insight-research-notes-blogs-the-ecosystem-driving-ais-democratization-in-smartphones/

2IDC?！?024-2028年全球生成式AI智能手機(jī)預(yù)測：2024年7月》。2024年7月發(fā)布?！?024–2028年全球人工智能智能手機(jī)預(yù)測：2024年7月》

3測試配置基于高通平臺，所搭載的2R-1β LPDDR5X在啟用eDVFSC后支持的帶寬為9.6 Gbps。由于本報告中所用硬件的限制，相對于LPDRAM頻率的電壓調(diào)節(jié)固定為1.06V/0.98V。

4由于測試環(huán)境的限制，報告中使用的電壓水平 (1.060V/0.98V) 與標(biāo)稱設(shè)置 (1.05V/0.99V) 略有不同。

本文作者

Rui Zhou

移動業(yè)務(wù)部門

產(chǎn)品市場高級經(jīng)理