智能手機省電秘訣：看如何從設計源頭來降低功耗

　　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WiMAX）機型以及“iPhone 4S”，在瀏覽Web時的連續使用時間。摘自美國在線媒體“AnandTech”（http://www.anandtech.com/）實施的基準測試所獲得的數據。細小浪費都不放過

　　手機廠商和部件廠商開始意識到電池耐久性會在將來成為一個大問題，從企業采取的各項措施中可以看出的趨勢是，業界正在從各個角度徹底削減電力的浪費。這種削減電力的出發點本身并不是什么新穎的東西。不過，與此前截然不同的是細微之處也不放過。

　　比如，將某個部件引進的低功耗化技術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間單位進行更為細致地劃分。單看每項低功耗化技術的節電成效也許較小，但一項一項地積累起來，就能大幅削減功耗。

　　智能手機具有用戶購買后可以追加應用軟件（以下簡稱應用）的特點，因此今后讓應用開發人員注重耗電量將變得很重要。九州大學系統LSI研究中心副教授久住憲嗣表示，“對應用進行實際分析后，發現了多個部分的特定處理會徒勞消耗電力。如果應用開發人員能夠仔細掌握自己所開發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）九州大學系統LSI研究中心開發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使用時間、無線通信量、存儲量和傳輸量等信息，推測應用在智能手機上運行時的耗電量。

　　低功耗化成為廠商形成差異化的因素

　　挑戰并徹底實現低耗電量，有助于強化手機廠商和部件廠商的競爭力。對于追求低耗電量極限的部件廠商來說，徹底降低功耗后不僅在智能手機市場上的業務量會越來越多，而且還能夠以此為契機涉足要求低功耗化的其他應用領域。

　　在手機廠商方面，僅組裝標準部件的廠商與專注于部件易用性的廠商之間的差距，在電池耐久性這個指標上將表現得越來越明顯。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產生很大的影響。夏普的河內表示，“在如何利用充分部件的調整部分，整體的耗電量將會發生很大變化。能否在不犧牲性能和外觀設計的前提下，找到電池容量和耗電量的最佳平衡點，這會是手機廠商之間實現差異化的一個重要因素”。

　　在智能手機領域，處理器、顯示器、RF電路無一不被要求兼顧低功耗和高性能。這些產品正設法通過“動態電力控制”及“混合化”等打破目前的僵局。能量密度增長空間有限的充電電池將開拓新的思路。

　　未來的智能手機要求應用處理、無線通信處理以及畫面顯示等主要功能全部實現高性能化。“目前的智能手機在正常使用時，應用處理、通信處理和顯示所需耗電量大約各占了1/3”（某手機企業的技術人員）。只減小其中某一項的耗電量，是無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。　　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、顯示器以及執行無線通信處理的RF電路今后的低耗電量化技術進行分析。同時還會介紹旨在增加充電電池容量以及提高易用性的技術開發動向。

　　處理器需要實現CPU和GPU的多核化并提高工作頻率，今后預計會通過半導體的微細化等繼續提高電力利用效率、徹底實施動態電源切斷及電壓和頻率控制，以及推進電路的混合化等。

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

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

　　處理器——徹底提高效率與推進動態控制

　　執行應用處理任務的處理器會瞬間消耗最大1～2W的電力。在智能手機中，處理器是對電池耐久性和發熱影響最大的部件之一。針對無線通信的收發進行信號處理的基帶處理LSI也會消耗較大的電力。

　　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，不過最多可以使用2個最大2GB的擴展文件。

　　“終端廠商要求‘在保持當前耗電量不變的情況下提高性能’”（半導體廠商）。為此，處理器需要實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）。另一個是盡量減少通常處理時無需消耗的電量。

　　圖6：在提高電路的電力效率以及進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，在兩個方向采取舉措。需要通過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的動態耗電量與工作頻率、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。

　　半導體的微