智能終端續(xù)航瓶頸分析與解決方案

　　體驗痛點意味著市場機遇，在終端硬件競爭進入平穩(wěn)期后，電池續(xù)航能力成為一個重要的焦點，終端產業(yè)鏈上下游各方競相研發(fā)低功耗新技術與新方案。本文從產業(yè)鏈視角，剖析智能手機、可穿戴及IoT終端產業(yè)鏈的關鍵環(huán)節(jié)為解決續(xù)航問題正在或者即將開始應用的新技術與新方案。

　　1 引言

　　電池續(xù)航是目前智能終端體驗的最大瓶頸，這是普通消費者與專業(yè)人士的共識。過去幾年，智能手機市場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，續(xù)航體驗問題的日益突出本質上是手機電池需求過快增長與電池續(xù)航技術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、物聯網IoT等新興智能終端領域，也面臨著同樣的問題。

　　2 智能手機續(xù)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，也是未來器件研發(fā)的關注焦點。電池新材質、新技術的應用是續(xù)航困境解決的根本。軟硬一體的節(jié)電優(yōu)化、快充則是終端廠商競爭的焦點。

　　2.1 芯片低功耗設計

　　作為智能手機計算處理的耗電大戶，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(jié)。芯片產業(yè)鏈一直在研究提升性能的同時降低功耗，如何在性能與功耗之間取得平衡是未來芯片技術發(fā)展的焦點之一。

　?。?）芯片指令集精簡與架構優(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位時代。2013年，蘋果首次采用A7處理器，高通、聯發(fā)科等廠商也于2014年開始應用。目前采用ARM精簡指令集和內核的芯片已經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(zhàn)”帶來的功耗問題，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，在滿足手機高性能需求的同時兼顧低功耗。“大”核Cortex- A57重效能，設計主要源自Cortex-A15，但基于ARM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%。在實際使用中A57的功耗問題較為突出，不少采用A57內核的芯片出現發(fā)熱問題，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，沒有采用Cortex-A57較耗電的亂序執(zhí)行管線設計，而改用簡單按序執(zhí)行管線設計。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，面積僅為32nm Cortex-A9的1/4，有助于在降低成本同時降低功耗。

　?。?）通過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影，這也是近年來工藝制程升級迭代升級加快的重要推動力。

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

　　同時，半導體制程從14nm/16nm開始進入3D時代，相比較之前的2D晶體管，3D FinFET具有低功耗、面積小的優(yōu)點。

　?。?）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注，但降低功耗也一直是主流趨勢。

　　4G射頻面臨的核心挑戰(zhàn)是解決服務需求和網絡容量爆炸式增長所需的更多蜂窩頻段（目前全球頻段總數已達到40個）。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中集成天線開關、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協議中的全部頻段）的組合，支持全球漫游。包絡功率追蹤器（ET）根據信號的瞬態(tài)需求來調整功率放大器（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信號需求來調整功率放大器的供電量。包絡功率追蹤器與終端調制解調器交互工作，調整傳輸功率以滿足被傳輸內容的瞬時需求，而不是在恒定功率下的長時間間隔后調整，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）。這延長了電池續(xù)航時間，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、卷積神經網絡、大數據等技術應用到手機芯片平臺，將進一步降低芯片功耗。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

　　智能手機進入大屏時代（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不斷升級帶來的后果是功耗的顯著提升。

　　改進屏幕材質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(wěn)定性。同時，IGZO具有極高的電子遷移率，遷移率越高，電阻率越小，通過相同電流時，功耗也就越小。

　　對于傳統的LCD顯示屏，采用增加面板開口率、降低驅動電壓、提高背照燈光源—白色LED的發(fā)光效率，以及提高光學材料性能等方式，通過對輸入影像信號及周圍亮度的伽瑪校正以及畫面亮度控制等圖像處理，來降低顯示面板功耗。

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

　　2.3 電池

　　解決續(xù)航問題的根本手段是開源方式，即增加電池容量及發(fā)展新型高效電池技術。但近年來電池技術尚無突破性進展，太陽能電池、鎂離子電池、超級電容等電池新材的商用進展并不樂觀，對比而言，鋰離子電池的改進技術仍是業(yè)界的重心和最為現實的解決方案。

　　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。

　　目前一般手機廠商的電池能量密度大都在560~580WH/L，熱門機型中，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高能量密度電池產品將實現規(guī)模商用。特別需要關注的是，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解決的問題。

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

　　2.4 快速充電

　　發(fā)展節(jié)電技術的同時，快速充電正成為一項可快速大規(guī)模應用和普及的折中方案。從原理上來看，快充的實現主要通過增加電壓或電流或兩者同時增加來實現。

　　主流的芯片供應商高通和聯發(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，已經發(fā)展到QuickCharge 2.0，有兩種規(guī)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USB的Vbus傳送給充電器，充電器依照這個指令調整輸出電壓，電壓逐漸增加至5V 達到最大充電電流。

　　快充產業(yè)鏈包括協議、適配器（充電IC）、電源管理芯片、芯片平臺等。除前述的高通、聯發(fā)科外，還有TI的Max Charge、Fairchild的ACCP（Adaptive Charger Communication Protocol）等快充協議及方案。快充協議之間目前還不互通，主流的電源IC廠商產品均開始支持多種快充協議。

　　終端廠商中，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，同時需要一系列專門定制的配件，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）、數據線、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專屬方案成本最高，高通Quick Charge方案次之，聯發(fā)科Pump Express則相對比較經濟。

　　在快速充電體驗方面，終端廠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(jié)電技術方案

　　對智能手機而言，單個維度或器件的節(jié)電遠遠不夠，基于網絡、用戶使用行為等方面的軟硬一體節(jié)電方案是產業(yè)鏈的重點研究對象。業(yè)內正在進行優(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(jié)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APP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行CPU處理能力（大小核）的智能調度、動態(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(jié)電方案能夠有效識別用戶走路、跑步、駕駛、睡覺等狀態(tài)，以便提供針對性省電措施。垂直整合軟件系統，通過調頻管理、LCD背光管理、協議優(yōu)化、后臺應用管理、運行進程管控、外設開關管理等，有效降低整機功耗。根據用戶所處情景，配合動態(tài)調頻、動態(tài)降幀、進程冷卻等，可降低整機功耗。情景感知技術需要基于大數據積累進行迭代優(yōu)化。

　　基站黑名單管理優(yōu)化能夠自動偵測網絡環(huán)境，減少乒乓切換，降低待機功耗。網絡信號的小范圍波動容易引發(fā)手機乒乓選網，大量消耗手機電量。通過大量的外場數據為基礎進行建模，建立和優(yōu)化干擾小區(qū)的識別算法，形成黑名單功耗優(yōu)化技術。

　　3 可穿戴及IoT終端續(xù)航解決方案分析

　　如果說智能手機的續(xù)航問題影響的僅僅是用戶體驗，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(xù)航問題則是生存問題，在一定程度上決定了該品類的市場前景和空間。

　　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單，業(yè)界從一開始就采用低功耗技術。

　　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域，芯片單核、主頻較低，多數僅有幾十兆赫茲，與動輒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、陀螺儀及其它專業(yè)傳感器等本身的功耗較低，主要是與MCU一起進行整體低功耗方案設計，器件本身并未為此進行特別處理。

　　3.2 無線連接針對性優(yōu)化設計

　　車聯網、野外監(jiān)測等終端需要進行無線通信，但速率、頻次等要求較低，手機上采用的無線模塊如果用在這類終端，則會出現功耗、性能過剩、成本高等問題。面向物聯網終端，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版本還會有進一步的優(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，在附著或TAU（Tracking Area Update）過程中，PSM向網絡申請一個激活定時器值，當設備從連接狀態(tài)轉移到空閑狀態(tài)后，該定時器開始運行。當定時器終止時，設備進入省電模式，此時設備不再接收尋呼消息。看起來設備和網絡失聯，但設備仍然注冊在網絡中。設備將一直保持這種省電模式，直到設備需要主動向網絡發(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設備產品的解決方案主要通過低功耗藍牙、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。針對不同的應用場景，主要芯片方案廠商提供BLE+MCU、Wi-Fi+MCU、GPS+MCU、 Zigbee+MCU等低功耗解決方案。在這些無線連接技術中，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，軟件算法也是降低功耗、優(yōu)化續(xù)航的重要手段。MCU動態(tài)休眠算法、計步算法優(yōu)化、數據交互算法優(yōu)化等都可以優(yōu)化終端功耗。

　　4 智能終端續(xù)航體驗提升未來可期

　　如前文所述，智能終端續(xù)航體驗瓶頸的根本原因是手機電池需求過快增長與電池續(xù)航技術更新緩慢之間的矛盾日益尖銳。在電池需求層面，隨著智能手機硬件升級進入平穩(wěn)期，用戶的耗電需求提升增長趨緩。未來續(xù)航體驗的提升關鍵看續(xù)航技術的發(fā)展，除了上述所講續(xù)航新技術革新外，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)的演進與續(xù)航體驗的提升帶來福音。整體上，隨著智能終端續(xù)航新技術方案的普及與新材料的應用，智能終端續(xù)航體驗的提升前景可期。