智能終端續航瓶頸分析與解決方案

　　體驗痛點(diǎn)意味著(zhù)市場(chǎng)機遇，在終端硬件競爭進(jìn)入平穩期后，電池續航能力成為一個(gè)重要的焦點(diǎn)，終端產(chǎn)業(yè)鏈上下游各方競相研發(fā)低功耗新技術(shù)與新方案。本文從產(chǎn)業(yè)鏈視角，剖析智能手機、可穿戴及IoT終端產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵環(huán)節為解決續航問(wèn)題正在或者即將開(kāi)始應用的新技術(shù)與新方案。

　　1 引言

　　電池續航是目前智能終端體驗的最大瓶頸，這是普通消費者與專(zhuān)業(yè)人士的共識。過(guò)去幾年，智能手機市場(chǎng)被硬件軍備競賽所籠罩，手機在硬件配置上遵循摩爾定律，但不包括電池技術(shù)，續航體驗問(wèn)題的日益突出本質(zhì)上是手機電池需求過(guò)快增長(cháng)與電池續航技術(shù)更新緩慢之間矛盾惡化的結果。除了智能手機，智能可穿戴設備、物聯(lián)網(wǎng)IoT等新興智能終端領(lǐng)域，也面臨著(zhù)同樣的問(wèn)題。

　　2 智能手機續航解決方案

　　從耗電角度，芯片、顯示屏是智能手機的耗電主體，也是未來(lái)器件研發(fā)的關(guān)注焦點(diǎn)。電池新材質(zhì)、新技術(shù)的應用是續航困境解決的根本。軟硬一體的節電優(yōu)化、快充則是終端廠(chǎng)商競爭的焦點(diǎn)。

　　2.1 芯片低功耗設計

　　作為智能手機計算處理的耗電大戶(hù)，如何降低手機采用的各種芯片的功耗是降低整機功耗的基礎環(huán)節。芯片產(chǎn)業(yè)鏈一直在研究提升性能的同時(shí)降低功耗，如何在性能與功耗之間取得平衡是未來(lái)芯片技術(shù)發(fā)展的焦點(diǎn)之一。

　?。?）芯片指令集精簡(jiǎn)與架構優(yōu)化

　　ARM公司處于智能終端芯片生態(tài)鏈的頂端，在成立之初就致力于低功耗設計，為智能手機設計了ARM精簡(jiǎn)指令集（相對復雜指令集）。2011年11 月，ARM發(fā)布ARM V8指令集，將手機芯片帶入64位時(shí)代。2013年，蘋(píng)果首次采用A7處理器，高通、聯(lián)發(fā)科等廠(chǎng)商也于2014年開(kāi)始應用。目前采用ARM精簡(jiǎn)指令集和內核的芯片已經(jīng)成為手機及其它智能設備的主流配置。

　　為解決手機芯片“核戰”帶來(lái)的功耗問(wèn)題，ARM公司推出big LITTLE（大小核）架構［1］，將重效能的“大”核與低功耗的“小”核搭配使用，在滿(mǎn)足手機高性能需求的同時(shí)兼顧低功耗。“大”核Cortex- A57重效能，設計主要源自Cortex-A15，但基于A(yíng)RM所作的優(yōu)化（如數據預取及增加Registers等），Cortex-A57處理 32bit軟件比Cortex-A15快20％至30%。在實(shí)際使用中A57的功耗問(wèn)題較為突出，不少采用A57內核的芯片出現發(fā)熱問(wèn)題，例如高通驍龍 810等，為此，ARM在2015年初發(fā)布優(yōu)化后的Cortex-A72內核，若采用16nm工藝，相比上一代的28工藝下的Cortex-A15，性能達到3.5倍，而功耗可降低75%。“小”核Cortex-A53則在提供足夠的性能下，盡量縮小芯片面積及功耗，沒(méi)有采用Cortex-A57較耗電的亂序執行管線(xiàn)設計，而改用簡(jiǎn)單按序執行管線(xiàn)設計。Cortex-A53提供與上一代采用ARM v7指令集的Cortex-A9等級的效能，但芯片面積更小，可在同制程下比Cortex-A9縮小40%。如果使用20nm制程的話(huà)，面積僅為32nm Cortex-A9的1/4，有助于在降低成本同時(shí)降低功耗。

　?。?）通過(guò)制程工藝提升降低功耗

　　相比較指令集和芯片架構設計，芯片工藝制程的升級對功耗的降低更加立竿見(jiàn)影，這也是近年來(lái)工藝制程升級迭代升級加快的重要推動(dòng)力。

　　英特爾、三星和臺積電三巨頭處于芯片制造領(lǐng)域的第一方陣。三星的14nm FinFET（Fin Field-Effect Transistor ，鰭式場(chǎng)效晶體管）工藝已經(jīng)量產(chǎn)出貨（三星Exynos 7420芯片），臺積電16nm FinFET也將規模量產(chǎn)；蘋(píng)果最新的A9處理將分別采用這兩家最先進(jìn)的工藝制程。

　　同時(shí)，半導體制程從14nm/16nm開(kāi)始進(jìn)入3D時(shí)代，相比較之前的2D晶體管，3D FinFET具有低功耗、面積小的優(yōu)點(diǎn)。

　?。?）射頻低功耗方案

　　在降低功耗層面，智能手機射頻芯片不如主芯片受關(guān)注，但降低功耗也一直是主流趨勢。

　　4G射頻面臨的核心挑戰是解決服務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò )容量爆炸式增長(cháng)所需的更多蜂窩頻段（目前全球頻段總數已達到40個(gè)）。多家公司推出成套的射頻解決方案，包括集成模塊、多模多頻器件、包絡(luò )功率追蹤等，高通公司的RF360解決方案［2］是其中的代表。在功率放大器PA中集成天線(xiàn)開(kāi)關(guān)、支持各種模式和頻段（從GSM之后的所有主要蜂窩制式和目前3GPP協(xié)議中的全部頻段）的組合，支持全球漫游。包絡(luò )功率追蹤器（ET）根據信號的瞬態(tài)需求來(lái)調整功率放大器（PA）電源，是傳統平均功率追蹤器（APT）的升級，APT根據功率水平分組而不是瞬時(shí)信號需求來(lái)調整功率放大器的供電量。包絡(luò )功率追蹤器與終端調制解調器交互工作，調整傳輸功率以滿(mǎn)足被傳輸內容的瞬時(shí)需求，而不是在恒定功率下的長(cháng)時(shí)間間隔后調整，功耗降低最高達20％，發(fā)熱降低近30％（基于高通公司的測試和分析）。這延長(cháng)了電池續航時(shí)間，減少了智能手機超薄機身內部的發(fā)熱。

　?。?）智能芯片軟硬一體化優(yōu)化

　　隨著(zhù)芯片硬件設計和工藝制程的提升，智能芯片平臺應運而生。智能芯片平臺是硬件與軟件一體化方案，將人工智能、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、大數據等技術(shù)應用到手機芯片平臺，將進(jìn)一步降低芯片功耗。高通最新的驍龍820（明年初上市）即是這樣的有益嘗試。

　　2.2 顯示屏

　　智能手機進(jìn)入大屏時(shí)代（主流尺寸5寸、5.5寸），屏幕成為手機耗電比例最大的模塊。大屏、PPI不斷升級帶來(lái)的后果是功耗的顯著(zhù)提升。

　　改進(jìn)屏幕材質(zhì)是降低屏幕功耗的有效解決方案之一。OLED有機電激發(fā)光二極管自發(fā)光、無(wú)需背光源，可有效降低功耗。IGZO將以往難度極高的銦、鎵、鋅與氧結晶化，實(shí)現了全新的原子排列的結晶構造，基于這一獨特的細致的排列方式，IGZO顯示屏具備極強的穩定性。同時(shí)，IGZO具有極高的電子遷移率，遷移率越高，電阻率越小，通過(guò)相同電流時(shí)，功耗也就越小。

　　對于傳統的LCD顯示屏，采用增加面板開(kāi)口率、降低驅動(dòng)電壓、提高背照燈光源—白色LED的發(fā)光效率，以及提高光學(xué)材料性能等方式，通過(guò)對輸入影像信號及周?chē)炼鹊馁が斝Ｕ约爱?huà)面亮度控制等圖像處理，來(lái)降低顯示面板功耗。

　　另外，可通過(guò)軟件降低屏幕分辨率、灰度顯示等方式來(lái)降低功耗，增加續航能力。

　　2.3 電池

　　解決續航問(wèn)題的根本手段是開(kāi)源方式，即增加電池容量及發(fā)展新型高效電池技術(shù)。但近年來(lái)電池技術(shù)尚無(wú)突破性進(jìn)展，太陽(yáng)能電池、鎂離子電池、超級電容等電池新材的商用進(jìn)展并不樂(lè )觀(guān)，對比而言，鋰離子電池的改進(jìn)技術(shù)仍是業(yè)界的重心和最為現實(shí)的解決方案。

　　當下電池的主流是聚合物鋰電池芯，以石墨作為負極，石墨碳負極電池的能量密度，達到600WH/L差不多已到極限，而引入硅負極材料來(lái)提升電池能量密度已是業(yè)界公認的方向之一，即以硅碳代替石墨，將石墨負極電池變成硅基負極電池。

　　目前一般手機廠(chǎng)商的電池能量密度大都在560~580WH/L，熱門(mén)機型中，小米note電池容量為3000mAh，能量密度為676.5Wh /L；華為榮耀6 Plus為3600mAh，電池能量密度為595Wh/L。據悉，業(yè)界多家手機廠(chǎng)家在新的手機方案中測試650~720WH/L的高密度硅負極電池，如采用純硅負極材料能量密度有望達到900WH/L。2015年，基于硅負極材料的700WH/L高能量密度電池產(chǎn)品將實(shí)現規模商用。特別需要關(guān)注的是，除了能量密度外，安全、膨脹、循環(huán)等性能指標也是高能量密度電池要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

　　另外，4.35V高壓電池技術(shù)、硅碳陽(yáng)極技術(shù)、納米陶瓷涂層覆膜技術(shù)等也是鋰離子電池改進(jìn)的方向。

　　2.4 快速充電

　　發(fā)展節電技術(shù)的同時(shí)，快速充電正成為一項可快速大規模應用和普及的折中方案。從原理上來(lái)看，快充的實(shí)現主要通過(guò)增加電壓或電流或兩者同時(shí)增加來(lái)實(shí)現。

　　主流的芯片供應商高通和聯(lián)發(fā)科均已發(fā)布快充解決方案，并集成到芯片平臺中。在芯片廠(chǎng)商解決方案中，高通的Quick Charge快充方案［3］生態(tài)系統最為成熟，已經(jīng)發(fā)展到QuickCharge 2.0，有兩種規格：Class A（5/9/12V）與ClassB（5/9/12/20V）;芯片方面，高通全系列芯片支持。聯(lián)發(fā)科Pump Express［4］允許充電器根據電流決定充電所需的初始電壓，由PMIC發(fā)出脈沖電流指令通過(guò)USB的Vbus傳送給充電器，充電器依照這個(gè)指令調整輸出電壓，電壓逐漸增加至5V 達到最大充電電流。

　　快充產(chǎn)業(yè)鏈包括協(xié)議、適配器（充電IC）、電源管理芯片、芯片平臺等。除前述的高通、聯(lián)發(fā)科外，還有TI的Max Charge、Fairchild的ACCP（Adaptive Charger Communication Protocol）等快充協(xié)議及方案?？斐鋮f(xié)議之間目前還不互通，主流的電源IC廠(chǎng)商產(chǎn)品均開(kāi)始支持多種快充協(xié)議。

　　終端廠(chǎng)商中，OPPO的VOOC閃充［5］最具代表性，現已發(fā)展到2.0版。VOOC采用降低電壓增大電流的充電方式（5V/4.5A），將充電控制電路從手機側移到適配器側，同時(shí)需要一系列專(zhuān)門(mén)定制的配件，包括適配器（新增充電控制電路+智能MCU控制）、電池（定制8觸點(diǎn)）、數據線(xiàn)、電路、接口（7pin）等。

　　從成本角度看，相比普通的充電方案，快充在充電IC、保護電路、電池等方面需要增加成本。VOOC專(zhuān)屬方案成本最高，高通Quick Charge方案次之，聯(lián)發(fā)科Pump Express則相對比較經(jīng)濟。

　　在快速充電體驗方面，終端廠(chǎng)商目前的期望基本上是10分鐘完成30%充電，30分鐘完成70%充電。

　　2.5 軟硬一體節電技術(shù)方案

　　對智能手機而言，單個(gè)維度或器件的節電遠遠不夠，基于網(wǎng)絡(luò )、用戶(hù)使用行為等方面的軟硬一體節電方案是產(chǎn)業(yè)鏈的重點(diǎn)研究對象。業(yè)內正在進(jìn)行優(yōu)化方向包括操作系統層面的資源調度優(yōu)化、情景感知節電、基站黑名單管理優(yōu)化等。

　　操作系統層面的調度優(yōu)化主要是基于A(yíng)PP應用行為優(yōu)化調度Android系統資源，基于應用層的性能需求進(jìn)行CPU處理能力（大小核）的智能調度、動(dòng)態(tài)電源調度管理以及軟硬一體調度優(yōu)化等。

　　基于情景感知的節電方案能夠有效識別用戶(hù)走路、跑步、駕駛、睡覺(jué)等狀態(tài)，以便提供針對性省電措施。垂直整合軟件系統，通過(guò)調頻管理、LCD背光管理、協(xié)議優(yōu)化、后臺應用管理、運行進(jìn)程管控、外設開(kāi)關(guān)管理等，有效降低整機功耗。根據用戶(hù)所處情景，配合動(dòng)態(tài)調頻、動(dòng)態(tài)降幀、進(jìn)程冷卻等，可降低整機功耗。情景感知技術(shù)需要基于大數據積累進(jìn)行迭代優(yōu)化。

　　基站黑名單管理優(yōu)化能夠自動(dòng)偵測網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，減少乒乓切換，降低待機功耗。網(wǎng)絡(luò )信號的小范圍波動(dòng)容易引發(fā)手機乒乓選網(wǎng)，大量消耗手機電量。通過(guò)大量的外場(chǎng)數據為基礎進(jìn)行建模，建立和優(yōu)化干擾小區的識別算法，形成黑名單功耗優(yōu)化技術(shù)。

　　3 可穿戴及IoT終端續航解決方案分析

　　如果說(shuō)智能手機的續航問(wèn)題影響的僅僅是用戶(hù)體驗，對于手環(huán)、智能手表、智能眼鏡等新興的可穿戴及IoT（Internet of things）終端而言，續航問(wèn)題則是生存問(wèn)題，在一定程度上決定了該品類(lèi)的市場(chǎng)前景和空間。

　　可穿戴及IoT終端最大的瓶頸是受限于設備尺寸與電池材料的限制，電池容量難以支撐用戶(hù)的體驗需求。智能手機需要處理比較復雜多媒體運算，而可穿戴及IoT終端的功能則一般相對簡(jiǎn)單，業(yè)界從一開(kāi)始就采用低功耗技術(shù)。

　　3.1 芯片及傳感器低功耗方案

　　由于可穿戴及IoT終端所需的計算處理能力相對較低，芯片方案多采用MCU形式，少數如智能手表、智能眼鏡則采用低端的手機芯片處理器。

　　不管是ARM架構的Cortex M系列（針對不同的應用場(chǎng)景，ARM Cortex M系列又細分為M0-M7）還是MIPS架構的MCU，設計之初面向的就是低功耗領(lǐng)域，芯片單核、主頻較低，多數僅有幾十兆赫茲，與動(dòng)輒8核，上G赫茲的手機芯片相比，天生功耗較低。

　　可穿戴及IoT終端中采用的傳感器，例如加速計、陀螺儀及其它專(zhuān)業(yè)傳感器等本身的功耗較低，主要是與MCU一起進(jìn)行整體低功耗方案設計，器件本身并未為此進(jìn)行特別處理。

　　3.2 無(wú)線(xiàn)連接針對性?xún)?yōu)化設計

　　車(chē)聯(lián)網(wǎng)、野外監測等終端需要進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，但速率、頻次等要求較低，手機上采用的無(wú)線(xiàn)模塊如果用在這類(lèi)終端，則會(huì )出現功耗、性能過(guò)剩、成本高等問(wèn)題。面向物聯(lián)網(wǎng)終端，3GPP組織在R12中發(fā)布了Cat.0［6］。為了降低設備復雜性和減小設備成本，Cat.0定義了一系列的簡(jiǎn)化方案，主要包括：采用半雙工FDD模式（Half duplex FDD）；減小設備接收帶寬到1.4MHz，當然，也可以擴到20MHz；單接收通路，取消RX分集雙通路；保持低速數據速率。簡(jiǎn)化方案不僅降低了速率需求，處理器計算能力和存儲能力也相對降低。在R13版本還會(huì )有進(jìn)一步的優(yōu)化，比如取消發(fā)射分集，不再支持MIMO，支持小于1.4MHz更低的帶寬，支持更低的數據速率等等。

　　為了省電，3GPP R12采用了PSM（Power Saving Mode，省電模式）方案。如果設備支持PSM，在附著(zhù)或TAU（Tracking Area Update）過(guò)程中，PSM向網(wǎng)絡(luò )申請一個(gè)激活定時(shí)器值，當設備從連接狀態(tài)轉移到空閑狀態(tài)后，該定時(shí)器開(kāi)始運行。當定時(shí)器終止時(shí)，設備進(jìn)入省電模式，此時(shí)設備不再接收尋呼消息?？雌饋?lái)設備和網(wǎng)絡(luò )失聯(lián)，但設備仍然注冊在網(wǎng)絡(luò )中。設備將一直保持這種省電模式，直到設備需要主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò )發(fā)送信息（比如周期性 TAU，發(fā)送上行數據等）。

　　3.3 低功耗整體方案

　　可穿戴及IoT設備產(chǎn)品的解決方案主要通過(guò)低功耗藍牙、低功耗Wi-Fi、低功耗GPS、低功耗的3G/4G模塊與MCU（或其它低功耗主控芯片）、傳感器等硬件整合設計的成套方案。針對不同的應用場(chǎng)景，主要芯片方案廠(chǎng)商提供BLE+MCU、Wi-Fi+MCU、GPS+MCU、 Zigbee+MCU等低功耗解決方案。在這些無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)中，都要“死磕”功耗這一難題。

　　3.4 算法優(yōu)化

　　可穿戴及IoT終端在硬件低功耗的同時(shí)，軟件算法也是降低功耗、優(yōu)化續航的重要手段。MCU動(dòng)態(tài)休眠算法、計步算法優(yōu)化、數據交互算法優(yōu)化等都可以?xún)?yōu)化終端功耗。

　　4 智能終端續航體驗提升未來(lái)可期

　　如前文所述，智能終端續航體驗瓶頸的根本原因是手機電池需求過(guò)快增長(cháng)與電池續航技術(shù)更新緩慢之間的矛盾日益尖銳。在電池需求層面，隨著(zhù)智能手機硬件升級進(jìn)入平穩期，用戶(hù)的耗電需求提升增長(cháng)趨緩。未來(lái)續航體驗的提升關(guān)鍵看續航技術(shù)的發(fā)展，除了上述所講續航新技術(shù)革新外，柔性電池與固態(tài)薄膜鋰電池的不斷成熟，將為智能終端形態(tài)的演進(jìn)與續航體驗的提升帶來(lái)福音。整體上，隨著(zhù)智能終端續航新技術(shù)方案的普及與新材料的應用，智能終端續航體驗的提升前景可期。