可穿戴設(shè)備等智能終端續(xù)航瓶頸分析與解決方案

　　1 引言

　　電池續(xù)航是目前智能終端體驗(yàn)的最大瓶頸，這是普通消費(fèi)者與專業(yè)人士的共識(shí)。過去幾年，智能手機(jī)市場被硬件軍備競賽所籠罩，手機(jī)在硬件配置上遵循摩爾定律，但不包括電池技術(shù)，續(xù)航體驗(yàn)問題的日益突出本質(zhì)上是手機(jī)電池需求過快增長與電池續(xù)航技術(shù)更新緩慢之間矛盾惡化的結(jié)果。除了智能手機(jī)，智能可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)IoT等新興智能終端領(lǐng)域，也面臨著同樣的問題。

　　體驗(yàn)痛點(diǎn)意味著市場機(jī)遇，在終端硬件競爭進(jìn)入平穩(wěn)期后，電池續(xù)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(jī)、可穿戴及IoT終端產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為解決續(xù)航問題正在或者即將開始應(yīng)用的新技術(shù)與新方案。

　　2 智能手機(jī)續(xù)航解決方案

　　從耗電角度，芯片、顯示屏是智能手機(jī)的耗電主體，也是未來器件研發(fā)的關(guān)注焦點(diǎn)。電池新材質(zhì)、新技術(shù)的應(yīng)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(diǎn)。

　　2.1 芯片低功耗設(shè)計(jì)

　　作為智能手機(jī)計(jì)算處理的耗電大戶，如何降低手機(jī)采用的各種芯片的功耗是降低整機(jī)功耗的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。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芯片技術(shù)發(fā)展的焦點(diǎn)之一。

　?。?）芯片指令集精簡與架構(gòu)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(shè)計(jì)，為智能手機(jī)設(shè)計(jì)了ARM精簡指令集（相對(duì)復(fù)雜指令集）。2011年11 月，ARM發(fā)布ARM V8指令集，將手機(jī)芯片帶入64位時(shí)代。2013年，蘋果首次采用A7處理器，高通、聯(lián)發(fā)科等廠商也于2014年開始應(yīng)用。目前采用ARM精簡指令集和內(nèi)核的芯片已經(jīng)成為手機(jī)及其它智能設(shè)備的主流配置。

　　為解決手機(jī)芯片“核戰(zhàn)”帶來的功耗問題，ARM公司推出big LITTLE（大小核）架構(gòu)［1］，將重效能的“大”核與低功耗的“小”核搭配使用，在滿足手機(jī)高性能需求的同時(shí)兼顧低功耗。“大”核Cortex- A57重效能，設(shè)計(jì)主要源自Cortex-A15，但基于ARM所作的優(yōu)化（如數(shù)據(jù)預(yù)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的功耗問題較為突出，不少采用A57內(nèi)核的芯片出現(xiàn)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(nèi)核，若采用16nm工藝，相比上一代的28工藝下的Cortex-A15，性能達(dá)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(shè)計(jì)，而改用簡單按序執(zhí)行管線設(shè)計(jì)。Cortex-A53提供與上一代采用ARM v7指令集的Cortex-A9等級(jí)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(shí)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(gòu)設(shè)計(jì)，芯片工藝制程的升級(jí)對(duì)功耗的降低更加立竿見影，這也是近年來工藝制程升級(jí)迭代升級(jí)加快的重要推動(dòng)力。

　　英特爾、三星和臺(tái)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 ，鰭式場效晶體管）工藝已經(jīng)量產(chǎn)出貨（三星Exynos 7420芯片），臺(tái)積電16nm FinFET也將規(guī)模量產(chǎn)；蘋果最新的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(dǎo)體制程從14nm/16nm開始進(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(jī)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(zhàn)是解決服務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)容量爆炸式增長所需的更多蜂窩頻段（目前全球頻段總數(shù)已達(dá)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中集成天線開關(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(jù)信號(hào)的瞬態(tài)需求來調(diào)整功率放大器（PA）電源，是傳統(tǒng)平均功率追蹤器（APT）的升級(jí)，APT根據(jù)功率水平分組而不是瞬時(shí)信號(hào)需求來調(diào)整功率放大器的供電量。包絡(luò)功率追蹤器與終端調(diào)制解調(diào)器交互工作，調(diào)整傳輸功率以滿足被傳輸內(nèi)容的瞬時(shí)需求，而不是在恒定功率下的長時(shí)間間隔后調(diào)整，功耗降低最高達(dá)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(shí)間，減少了智能手機(jī)超薄機(jī)身內(nèi)部的發(fā)熱。

　?。?）智能芯片軟硬一體化優(yōu)化

　　隨著芯片硬件設(shè)計(jì)和工藝制程的提升，智能芯片平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。智能芯片平臺(tái)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(shù)據(jù)等技術(shù)應(yīng)用到手機(jī)芯片平臺(tái)，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(jī)進(jìn)入大屏?xí)r代（主流尺寸5寸、5.5寸），屏幕成為手機(jī)耗電比例最大的模塊。大屏、PPI不斷升級(jí)帶來的后果是功耗的顯著提升。

　　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(jī)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(jié)晶化，實(shí)現(xiàn)了全新的原子排列的結(jié)晶構(gòu)造，基于這一獨(dú)特的細(xì)致的排列方式，IGZO顯示屏具備極強(qiáng)的穩(wěn)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，通過相同電流時(shí)，功耗也就越小。

　　對(duì)于傳統(tǒng)的LCD顯示屏，采用增加面板開口率、降低驅(qū)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，通過對(duì)輸入影像信號(hào)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(shù)。但近年來電池技術(shù)尚無突破性進(jìn)展，太陽能電池、鎂離子電池、超級(jí)電容等電池新材的商用進(jìn)展并不樂觀，對(duì)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(xiàn)實(shí)的解決方案。

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

　　目前一般手機(jī)廠商的電池能量密度大都在560~580WH/L，熱門機(jī)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(jù)悉，業(yè)界多家手機(jī)廠家在新的手機(jī)方案中測試650~720WH/L的高密度硅負(fù)極電池，如采用純硅負(fù)極材料能量密度有望達(dá)到900WH/L。2015年，基于硅負(fù)極材料的700WH/L高能量密度電池產(chǎn)品將實(shí)現(xiàn)規(guī)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(biāo)也是高能量密度電池要重點(diǎn)解決的問題。

　　另外，4.35V高壓電池技術(shù)、硅碳陽極技術(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(jié)電技術(shù)的同時(shí)，快速充電正成為一項(xiàng)可快速大規(guī)模應(yīng)用和普及的折中方案。從原理上來看，快充的實(shí)現(xiàn)主要通過增加電壓或電流或兩者同時(shí)增加來實(shí)現(xiàn)。

　　主流的芯片供應(yīng)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(tái)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(tǒng)最為成熟，已經(jīng)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(lián)發(fā)科Pump Express［4］允許充電器根據(jù)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(gè)指令調(diào)整輸出電壓，電壓逐漸增加至5V 達(dá)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(tái)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廠商產(chǎn)品均開始支持多種快充協(xié)議。

　　終端廠商中，OPPO的VOOC閃充［5］最具代表性，現(xiàn)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(jī)側(cè)移到適配器側(cè)，同時(shí)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(diǎn)）、數(shù)據(jù)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(hù)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(lián)發(fā)科Pump Express則相對(duì)比較經(jīng)濟(jì)。

　　在快速充電體驗(yàn)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(shù)方案

　　對(duì)智能手機(jī)而言，單個(gè)維度或器件的節(jié)電遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，基于網(wǎng)絡(luò)、用戶使用行為等方面的軟硬一體節(jié)電方案是產(chǎn)業(yè)鏈的重點(diǎn)研究對(duì)象。業(yè)內(nèi)正在進(jìn)行優(yōu)化方向包括操作系統(tǒng)層面的資源調(diào)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(tǒng)層面的調(diào)度優(yōu)化主要是基于APP應(yīng)用行為優(yōu)化調(diào)度Android系統(tǒng)資源，基于應(yīng)用層的性能需求進(jìn)行CPU處理能力（大小核）的智能調(diào)度、動(dòng)態(tài)電源調(diào)度管理以及軟硬一體調(diào)度優(yōu)化等。

　　基于情景感知的節(jié)電方案能夠有效識(shí)別用戶走路、跑步、駕駛、睡覺等狀態(tài)，以便提供針對(duì)性省電措施。垂直整合軟件系統(tǒng)，通過調(diào)頻管理、LCD背光管理、協(xié)議優(yōu)化、后臺(tái)應(yīng)用管理、運(yùn)行進(jìn)程管控、外設(shè)開關(guān)管理等，有效降低整機(jī)功耗。根據(jù)用戶所處情景，配合動(dòng)態(tài)調(diào)頻、動(dòng)態(tài)降幀、進(jìn)程冷卻等，可降低整機(jī)功耗。情景感知技術(shù)需要基于大數(shù)據(jù)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(jī)功耗。網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的小范圍波動(dòng)容易引發(fā)手機(jī)乒乓選網(wǎng)，大量消耗手機(jī)電量。通過大量的外場數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行建模，建立和優(yōu)化干擾小區(qū)的識(shí)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(xù)航解決方案分析

　　如果說智能手機(jī)的續(xù)航問題影響的僅僅是用戶體驗(yàn)，對(duì)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(shè)備尺寸與電池材料的限制，電池容量難以支撐用戶的體驗(yàn)需求。智能手機(jī)需要處理比較復(fù)雜多媒體運(yùn)算，而可穿戴及IoT終端的功能則一般相對(duì)簡單，業(yè)界從一開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(jì)算處理能力相對(duì)較低，芯片方案多采用MCU形式，少數(shù)如智能手表、智能眼鏡則采用低端的手機(jī)芯片處理器。

　　不管是ARM架構(gòu)的Cortex M系列（針對(duì)不同的應(yīng)用場景，ARM Cortex M系列又細(xì)分為M0-M7）還是MIPS架構(gòu)的MCU，設(shè)計(jì)之初面向的就是低功耗領(lǐng)域，芯片單核、主頻較低，多數(shù)僅有幾十兆赫茲，與動(dòng)輒8核，上G赫茲的手機(jī)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(jì)、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(jìn)行整體低功耗方案設(shè)計(jì)，器件本身并未為此進(jìn)行特別處理

　　3.2 無線連接針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　車聯(lián)網(wǎng)、野外監(jiān)測等終端需要進(jìn)行無線通信，但速率、頻次等要求較低，手機(jī)上采用的無線模塊如果用在這類終端，則會(huì)出現(xiàn)功耗、性能過剩、成本高等問題。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(shè)備復(fù)雜性和減小設(shè)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(shè)備接收帶寬到1.4MHz，當(dāng)然，也可以擴(kuò)到20MHz；單接收通路，取消RX分集雙通路；保持低速數(shù)據(jù)速率。簡化方案不僅降低了速率需求，處理器計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力也相對(duì)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(shù)據(jù)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(shè)備支持PSM，在附著或TAU（Tracking Area Update）過程中，PSM向網(wǎng)絡(luò)申請一個(gè)激活定時(shí)器值，當(dāng)設(shè)備從連接狀態(tài)轉(zhuǎn)移到空閑狀態(tài)后，該定時(shí)器開始運(yùn)行。當(dāng)定時(shí)器終止時(shí)，設(shè)備進(jìn)入省電模式，此時(shí)設(shè)備不再接收尋呼消息。看起來設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)失聯(lián)，但設(shè)備仍然注冊在網(wǎng)絡(luò)中。設(shè)備將一直保持這種省電模式，直到設(shè)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(shù)據(jù)等）。

　　3.3 低功耗整體方案

　　可穿戴及IoT設(shè)備產(chǎn)品的解決方案主要通過低功耗藍(lán)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(shè)計(jì)的成套方案。針對(duì)不同的應(yīng)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(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(xù)航的重要手段。MCU動(dòng)態(tài)休眠算法、計(jì)步算法優(yōu)化、數(shù)據(jù)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(yàn)提升未來可期

　　如前文所述，智能終端續(xù)航體驗(yàn)瓶頸的根本原因是手機(jī)電池需求過快增長與電池續(xù)航技術(shù)更新緩慢之間的矛盾日益尖銳。在電池需求層面，隨著智能手機(jī)硬件升級(jí)進(jìn)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(yàn)的提升關(guān)鍵看續(xù)航技術(shù)的發(fā)展，除了上述所講續(xù)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(xù)航體驗(yàn)的提升帶來福音。整體上，隨著智能終端續(xù)航新技術(shù)方案的普及與新材料的應(yīng)用，智能終端續(xù)航體驗(yàn)的提升前景可期。