挤出空间、降低成本：从-MCP、eMCP-与-eMMC-看移动设备内存的整合

挤出空间、降低成本：从MCP、eMCP与eMMC看移动设备内存的整合智能手机与平板电脑等移动设备蓬勃发展，性能好坏与否，除了好的CPU，内存的搭配也成了重要关键，随着技术的发展日臻成熟，移动设备得以衍生出不同等级的产品，以贴合不同消费者的需求，CPU有低中高端之分，内存也有所谓内存阶层的概念（Memoryhierarchy），要让储存容量、运算速度、单位价格等相异的多种内存妥善分配，达到最大经济效益。手机与平板电脑等移动设备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，将多重芯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芯片，为手机制造商节省了成本或生产上的困扰。以下以智能手机内存常见的配置方式为例，阐述移动设备内存整合的演进。MCP──内存整合的滥觞MCP为MultiChipPackage多晶片封装的简称，是将两种以上的内存芯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封装成单独两个芯片，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NORFlash加MobileDRAM（SRAM或PSRAM），一种为NANDFlash加DRAM或MobileDRAM（SRAM或PSRAM）而NANDFlash由于储存密度高、功耗低、体积小，成本也较NORFlash低廉，以目前基本的1Gb配置来看，NORFlash1Gb的价格约在6美元，为相同容量SLCNANDFlash的六倍，使得NAND渐有取代NOR之势。总体而言，MCP降低了系统硬件成本，价格甚至比各自独立的芯片还要便宜，MCP的最终多取决于NANDFlash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堆叠的芯片愈多，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1.4mm左右（目前普遍为1.0mm），在技术上有一定的局限，此外，其中一颗芯片失效，其他芯片也无法运作。MCP技术通常以SLCNAND搭配LPDDR1或2为主，MobileDRAM不超过4Gb，主要运用在功能型手机（Featurephone）或低端智能手机，主流配置为4+4或4+2，以调研机构DRAMeXchange2015年现在的报价来看，一颗4+4MCP价格约在4.5美元，4+2MCP价格在3美元左右，使其价格可压在低端智能手机整体物料清单（BOM）的3～6%之间。MCP出现较早，在技术发展上渐出现局限，三星、SK海力士等大厂开始转向eMMC、eMCP等技术的研发，然中国低端手机制造商在低容量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（MultiMediaCardAssociation；MMCA）针对手机与平板电脑等产品，订定了内嵌式内存的标准规格──eMMC（embeddedMultiMediaCard），以MCP方式将NANDFlash与控制芯片整合在同一BGA封装。NANDFlash发展迅速，不同NAND供应商产品之间也略有差异，当NANDFlash与其控制芯片封装在一起，手机制造商可以省去因NANDFlash供应商或制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周期。eMMC订有11.5mmx13mmx1.3mm、12mmx16mmx1.4mm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NORFlash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eMMC5.1，2015年2月几乎与官方规格发布同时间，三星推出了eMMC5.1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NANDFlash的选择上，以往以MLC为主，3-bitMLC（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-bitMLC导入eMMC中，促使其他NAND厂商跟进，抹写次数上也因此提升，3-bitMLC挟着较MLC便宜两成左右的价格优势，运用在智能手机、平板的比例逐年上升，且多以中端移动设备为主，2014年下半Apple在iPhone6与iPhone6Plus采用3-bitMLCeMMC后，开始从中端机型扩大到高端市场。eMMC运用在移动设备上还需另外加上DRAM，高端手机在DRAM选择上，渐从LPDDR3转换至LPDDR4，据悉，下一代iPhone将从LPDDR31GB提升至LPDDR42GB，目前三星GalaxyS6、LGG4都搭载3GBLPDDR4，根据调研机构DRANeXchange的数据，2015年第二季LPDDR4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。兼容MCP与eMMC的eMCPeMCP嵌入式多晶片封装（embeddedMultiChipPackage）为eMMC结合MCP封装，同MCP的配置，eMCP也将NANDFlash与MobileDRAM封装在一起，与传统MCP相比，多了NANDFlash控制芯片，以管理大容量快闪内存、减少主芯片在运算上的负担，在体积上更小同时也减省了更多电路链接设计，更便于智能手机厂商的设计生产。eMCP主要是为缩短低端智能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NANDFlash控制芯片相比，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11.5mmx13mmx1.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往高端市场发展的难点。总体来说，MCP主要运用在非常低端的智能手机或功能型手机市场，eMCP适合主流型的智能手机，尤其以使用联发科等处理器的手机厂商来说，采用eMCP有助于上市时间的推进，eMCP主要横跨低、中端市场，并有逐步往高端市场迈进的趋势，而eMMC与分离式MobileDRAM在配置上有较大的弹性，厂商在开规格上有较大的主控权，对于处理器与内存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eMMC5.0规格、128GB大容量的平价储存内存，抢攻中低端手机市场，内存整合方式在低中高端手机的区分已变得模糊，而手机厂商在内存的选择上，并不是最先进的整合技术就是最佳，整体而言适当、符合芯片平台，能够满足所开出的规格需求，稳定度与成本如预期，就是最佳的内存整合技术。NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。Intel于1988年首先开发出NORflash技术，彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。紧接着，1989年，东芝公司发表了NANDflash结构，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。但是经过了十多年之后，仍然有相当多的硬件工程师分不清NOR和NAND闪存。“NAND存储器”经常可以与相“NOR存储器”互换使用。许多业内人士也搞不清楚NAND闪存技术相对于NOR技术的优越之处，因为大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码并且需要多次擦写，这时NOR闪存更适合一些。而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案。NOR的特点是芯片内执行（XIP,eXecuteInPlace），这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高，在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。NAND结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于flash的管理需要特殊的系统接口。