發布日期：2022-04-17 點擊率：29
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業人士的共識。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。
體驗痛點意味著市場機遇，在終端硬件競爭進入平穩期后，電池續航能力成為一個重要的焦點，終端產業鏈上下游各方競相研發低功耗新技術與新方案。本文從產業鏈視角，剖析智能手機、可穿戴及IoT終端產業鏈的關鍵環節為解決續航問題正在或者即將開始應用的新技術與新方案。
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，也是未來器件研發的關注焦點。電池新材質、新技術的應用是續航困境解決的根本。軟硬一體的節電優化、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節。芯片產業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展的焦點之一。
（1）芯片指令集精簡與架構優化
ARM公司處于智能終端芯片生態鏈的頂端，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”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內核的芯片出現發熱問題，例如高通驍龍810等，為此，ARM在2015年初發布優化后的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較耗電的亂序執行管線設計，而改用簡單按序執行管線設計。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。
（2）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、面積小的優點。
（3）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％，發熱降低近30％（基于高通公司的測試和分析）。這延長了電池續航時間，減少了智能手機超薄機身內部的發熱。
（4）智能芯片軟硬一體化優化
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有機電激發光二極管自發光、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，增加續航能力。
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