智能手機省電秘訣：看如何從設計源頭來(lái)降低功耗

　　圖5：利用LTE后電池耐久性惡化

　　圖中是美國2011年下半年以后上市的主要4G（LTE或移動(dòng)WiMAX）機型以及“iPhone 4S”，在瀏覽Web時(shí)的連續使用時(shí)間。摘自美國在線(xiàn)媒體“AnandTech”（http://www.anandtech.com/）實(shí)施的基準測試所獲得的數據。細小浪費都不放過(guò)

　　手機廠(chǎng)商和部件廠(chǎng)商開(kāi)始意識到電池耐久性會(huì )在將來(lái)成為一個(gè)大問(wèn)題，從企業(yè)采取的各項措施中可以看出的趨勢是，業(yè)界正在從各個(gè)角度徹底削減電力的浪費。這種削減電力的出發(fā)點(diǎn)本身并不是什么新穎的東西。不過(guò)，與此前截然不同的是細微之處也不放過(guò)。

　　比如，將某個(gè)部件引進(jìn)的低功耗化技術(shù)擴展至智能手機內的其他部件，或者將控制電力的部件和時(shí)間單位進(jìn)行更為細致地劃分。單看每項低功耗化技術(shù)的節電成效也許較小，但一項一項地積累起來(lái)，就能大幅削減功耗。

　　智能手機具有用戶(hù)購買(mǎi)后可以追加應用軟件（以下簡(jiǎn)稱(chēng)應用）的特點(diǎn)，因此今后讓?xiě)瞄_(kāi)發(fā)人員注重耗電量將變得很重要。九州大學(xué)系統LSI研究中心副教授久住憲嗣表示，“對應用進(jìn)行實(shí)際分析后，發(fā)現了多個(gè)部分的特定處理會(huì )徒勞消耗電力。如果應用開(kāi)發(fā)人員能夠仔細掌握自己所開(kāi)發(fā)應用的耗電量及其詳細情況，就可以間接地為智能手機的低功耗化做出貢獻”注3）。

　　注3）九州大學(xué)系統LSI研究中心開(kāi)發(fā)出了制作智能手機耗電模型的方法。采用該模型可以根據應用的CPU使用時(shí)間、無(wú)線(xiàn)通信量、存儲量和傳輸量等信息，推測應用在智能手機上運行時(shí)的耗電量。

　　低功耗化成為廠(chǎng)商形成差異化的因素

　　挑戰并徹底實(shí)現低耗電量，有助于強化手機廠(chǎng)商和部件廠(chǎng)商的競爭力。對于追求低耗電量極限的部件廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，徹底降低功耗后不僅在智能手機市場(chǎng)上的業(yè)務(wù)量會(huì )越來(lái)越多，而且還能夠以此為契機涉足要求低功耗化的其他應用領(lǐng)域。

　　在手機廠(chǎng)商方面，僅組裝標準部件的廠(chǎng)商與專(zhuān)注于部件易用性的廠(chǎng)商之間的差距，在電池耐久性這個(gè)指標上將表現得越來(lái)越明顯。原因是僅憑充電電池容量和部件性能參數難以檢測的要素會(huì )產(chǎn)生很大的影響。夏普的河內表示，“在如何利用充分部件的調整部分，整體的耗電量將會(huì )發(fā)生很大變化。能否在不犧牲性能和外觀(guān)設計的前提下，找到電池容量和耗電量的最佳平衡點(diǎn)，這會(huì )是手機廠(chǎng)商之間實(shí)現差異化的一個(gè)重要因素”。

　　在智能手機領(lǐng)域，處理器、顯示器、RF電路無(wú)一不被要求兼顧低功耗和高性能。這些產(chǎn)品正設法通過(guò)“動(dòng)態(tài)電力控制”及“混合化”等打破目前的僵局。能量密度增長(cháng)空間有限的充電電池將開(kāi)拓新的思路。

　　未來(lái)的智能手機要求應用處理、無(wú)線(xiàn)通信處理以及畫(huà)面顯示等主要功能全部實(shí)現高性能化?！澳壳暗闹悄苁謾C在正常使用時(shí)，應用處理、通信處理和顯示所需耗電量大約各占了1/3”（某手機企業(yè)的技術(shù)人員）。只減小其中某一項的耗電量，是無(wú)法兼顧高性能和低耗電量的。因此需要在各項要素中徹底削減耗電量?！　?strong>在電力的使用方法和存儲方法上雙管齊下

　　本篇將對執行應用處理等的處理器、顯示器以及執行無(wú)線(xiàn)通信處理的RF電路今后的低耗電量化技術(shù)進(jìn)行分析。同時(shí)還會(huì )介紹旨在增加充電電池容量以及提高易用性的技術(shù)開(kāi)發(fā)動(dòng)向。

　　處理器需要實(shí)現CPU和GPU的多核化并提高工作頻率，今后預計會(huì )通過(guò)半導體的微細化等繼續提高電力利用效率、徹底實(shí)施動(dòng)態(tài)電源切斷及電壓和頻率控制，以及推進(jìn)電路的混合化等。

　　不斷向大屏幕化和高精細化發(fā)展的顯示器，其關(guān)鍵在于提高液晶面板背照燈光的利用效率和提高有機EL面板的發(fā)光效率。另外，為支持新一代移動(dòng)通信規格而需要處理多頻帶無(wú)線(xiàn)信號的RF電路方面，根據發(fā)送電力的波形對電源電壓進(jìn)行微細控制的“包絡(luò )跟蹤（Envelope Tracking）”等技術(shù)備受關(guān)注。

　　鋰離子充電電池單位體積的能量密度增長(cháng)空間有限，目前正通過(guò)內置電池組增加容積，以及通過(guò)快速充電功能減輕充電作業(yè)的負擔等嘗試。

　　處理器——徹底提高效率與推進(jìn)動(dòng)態(tài)控制

　　執行應用處理任務(wù)的處理器會(huì )瞬間消耗最大1～2W的電力。在智能手機中，處理器是對電池耐久性和發(fā)熱影響最大的部件之一。針對無(wú)線(xiàn)通信的收發(fā)進(jìn)行信號處理的基帶處理LSI也會(huì )消耗較大的電力。

　　處理器的負荷在日益增加。美國谷歌公司2012年3月將“Android”應用的容量限制由50MB提高到了4GB 注1）。今后亮相的應用將處理更多的數據，執行更加復雜的處理工作。

　　注1） 雖然應用APK文件的容量限制依然為50MB，不過(guò)最多可以使用2個(gè)最大2GB的擴展文件。

　　“終端廠(chǎng)商要求‘在保持當前耗電量不變的情況下提高性能’”（半導體廠(chǎng)商）。為此，處理器需要實(shí)現能夠輕松處理今后亮相的高級應用，并最大限度降低耗電量。

　　處理器的低耗電量化有兩大方向（圖6）。一是提高單位電力的處理性能（電力效率）。另一個(gè)是盡量減少通常處理時(shí)無(wú)需消耗的電量。

　　圖6：在提高電路的電力效率以及進(jìn)行極其細微的電力控制兩方面努力

　　為降低應用處理器和基帶處理LSI的耗電量，在兩個(gè)方向采取舉措。需要通過(guò)微細化和低電壓化等提高電路的電力效率，根據運行情況徹底對電力進(jìn)行極其細微的控制。

　　最大限度提高電力效率

　　為提高處理器的電力效率，各半導體廠(chǎng)商紛紛致力于半導體的微細化、電路的低電壓化以及漏電的削減等。LSI的動(dòng)態(tài)耗電量與工作頻率、負荷容量以及電源電壓的平方乘積成正比。盡量削減這些要素就能以更少的耗電量執行相同的處理任務(wù)。

　　半導體的微