智能手機(jī)省電秘訣：看如何從設(shè)計(jì)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(guó)2011年下半年以后上市的主要4G（LTE或移動(dòng)WiMAX）機(jī)型以及“iPhone 4S”，在瀏覽Web時(shí)的連續(xù)使用時(shí)間。摘自美國(guó)在線媒體“AnandTech”（http://www.anandtech.com/）實(shí)施的基準(zhǔn)測(cè)試所獲得的數(shù)據(jù)。細(xì)小浪費(fèi)都不放過(guò)

　　手機(jī)廠商和部件廠商開始意識(shí)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(xiàng)措施中可以看出的趨勢(shì)是，業(yè)界正在從各個(gè)角度徹底削減電力的浪費(fèi)。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(xì)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(kuò)展至智能手機(jī)內(nèi)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(xì)致地劃分。單看每項(xiàng)低功耗化技術(shù)的節(jié)電成效也許較小，但一項(xiàng)一項(xiàng)地積累起來(lái)，就能大幅削減功耗。

　　智能手機(jī)具有用戶購(gòu)買后可以追加應(yīng)用軟件（以下簡(jiǎn)稱應(yīng)用）的特點(diǎn)，因此今后讓應(yīng)用開發(fā)人員注重耗電量將變得很重要。九州大學(xué)系統(tǒng)LSI研究中心副教授久住憲嗣表示，“對(duì)應(yīng)用進(jìn)行實(shí)際分析后，發(fā)現(xiàn)了多個(gè)部分的特定處理會(huì)徒勞消耗電力。如果應(yīng)用開發(fā)人員能夠仔細(xì)掌握自己所開發(fā)應(yīng)用的耗電量及其詳細(xì)情況，就可以間接地為智能手機(jī)的低功耗化做出貢獻(xiàn)”注3）。

　　注3）九州大學(xué)系統(tǒng)LSI研究中心開發(fā)出了制作智能手機(jī)耗電模型的方法。采用該模型可以根據(jù)應(yīng)用的CPU使用時(shí)間、無(wú)線通信量、存儲(chǔ)量和傳輸量等信息，推測(cè)應(yīng)用在智能手機(jī)上運(yùn)行時(shí)的耗電量。

　　低功耗化成為廠商形成差異化的因素

　　挑戰(zhàn)并徹底實(shí)現(xiàn)低耗電量，有助于強(qiáng)化手機(jī)廠商和部件廠商的競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于追求低耗電量極限的部件廠商來(lái)說(shuō)，徹底降低功耗后不僅在智能手機(jī)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(jī)涉足要求低功耗化的其他應(yīng)用領(lǐng)域。

　　在手機(jī)廠商方面，僅組裝標(biāo)準(zhǔn)部件的廠商與專注于部件易用性的廠商之間的差距，在電池耐久性這個(gè)指標(biāo)上將表現(xiàn)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(shù)難以檢測(cè)的要素會(huì)產(chǎn)生很大的影響。夏普的河內(nèi)表示，“在如何利用充分部件的調(diào)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設(shè)計(jì)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(jī)廠商之間實(shí)現(xiàn)差異化的一個(gè)重要因素”。

　　在智能手機(jī)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(shè)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(zhǎng)空間有限的充電電池將開拓新的思路。

　　未來(lái)的智能手機(jī)要求應(yīng)用處理、無(wú)線通信處理以及畫面顯示等主要功能全部實(shí)現(xiàn)高性能化?！澳壳暗闹悄苁謾C(jī)在正常使用時(shí)，應(yīng)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(jī)企業(yè)的技術(shù)人員）。只減小其中某一項(xiàng)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(xiàng)要素中徹底削減耗電量?！　?strong>在電力的使用方法和存儲(chǔ)方法上雙管齊下

　　本篇將對(duì)執(zhí)行應(yīng)用處理等的處理器、顯示器以及執(zhí)行無(wú)線通信處理的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)開發(fā)動(dòng)向。

　　處理器需要實(shí)現(xiàn)CPU和GPU的多核化并提高工作頻率，今后預(yù)計(jì)會(huì)通過(guò)半導(dǎo)體的微細(xì)化等繼續(xù)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(xì)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(jī)EL面板的發(fā)光效率。另外，為支持新一代移動(dòng)通信規(guī)格而需要處理多頻帶無(wú)線信號(hào)的RF電路方面，根據(jù)發(fā)送電力的波形對(duì)電源電壓進(jìn)行微細(xì)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(zhǎng)空間有限，目前正通過(guò)內(nèi)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(fù)擔(dān)等嘗試。

　　處理器——徹底提高效率與推進(jìn)動(dòng)態(tài)控制

　　執(zhí)行應(yīng)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(jī)中，處理器是對(duì)電池耐久性和發(fā)熱影響最大的部件之一。針對(duì)無(wú)線通信的收發(fā)進(jìn)行信號(hào)處理的基帶處理LSI也會(huì)消耗較大的電力。

　　處理器的負(fù)荷在日益增加。美國(guó)谷歌公司2012年3月將“Android”應(yīng)用的容量限制由50MB提高到了4GB 注1）。今后亮相的應(yīng)用將處理更多的數(shù)據(jù)，執(zhí)行更加復(fù)雜的處理工作。

　　注1） 雖然應(yīng)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(kuò)展文件。

　　“終端廠商要求‘在保持當(dāng)前耗電量不變的情況下提高性能’”（半導(dǎo)體廠商）。為此，處理器需要實(shí)現(xiàn)能夠輕松處理今后亮相的高級(jí)應(yīng)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(xì)微的電力控制兩方面努力

　　為降低應(yīng)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(xì)化和低電壓化等提高電路的電力效率，根據(jù)運(yùn)行情況徹底對(duì)電力進(jìn)行極其細(xì)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(dǎo)體廠商紛紛致力于半導(dǎo)體的微細(xì)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(fù)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(zhí)行相同的處理任務(wù)。

　　半導(dǎo)體的微