從 MCP、eMCP 與 eMMC 看行動裝置記憶體的整合

kenny wang

http://technews.tw/2015/06/05/mcp%e3%80%81emcp-emmc-flash-memory/

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。

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。

兼容 MCP 與 eMMC 的 eMCPeMCP 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。

個人基本上是搞不懂記憶體市場!
只能說 亂中有序 吧!

yoonamats

謝謝大大分享很實用的資訊




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