体会痛点意味着商场机会，在终端硬件竞赛进入平稳期后，电池续航才能成为一个重要的焦点，终端产业链上下游各方竞相研制低功耗新技能与新计划。本文从产业链视角，剖析智能手机、可穿戴及IoT终端产业链的要害环节为处理续航问题正在或许行将开端运用的新技能与新计划。
1 导言
电池续航是现在智能终端体会的最大瓶颈，这是一般顾客与专业人士的一致。曩昔几年，智能手机商场被硬件军备竞赛所笼罩，手机在硬件装备上遵从摩尔定律，但不包含电池技能，续航体会问题的日益杰出本质上是手机电池需求过快添加与电池续航技能更新缓慢之间对立恶化的成果。除了智能手机，智能可穿戴设备、物联网IoT等新式智能终端范畴，也面对着相同的问题。
2 智能手机续航处理计划
从耗电视点，芯片、显现屏是智能手机的耗电主体，也是未来器材研制的重视焦点。电池新原料、新技能的运用是续航窘境处理的底子。软硬一体的节电优化、快充则是终端厂商竞赛的焦点。
2.1 芯片低功耗规划
作为智能手机核算处理的耗电大户，怎么下降手机选用的各种芯片的功耗是下降整机功耗的根底环节。芯片产业链一向在研讨进步功用的一同下降功耗，怎么在功用与功耗之间获得平衡是未来芯片技能开展的焦点之一。
（1）芯片指令集精简与架构优化
ARM公司处于智能终端芯片生态链的顶端，在树立之初就致力于低功耗规划，为智能手机规划了ARM精简指令集（相对杂乱指令集）。2011年11 月，ARM发布ARM V8指令集，将手机芯片带入64位年代。2013年，苹果初次选用A7处理器，高通、联发科等厂商也于2014年开端运用。现在选用ARM精简指令集和内核的芯片现已成为手机及其它智能设备的干流装备。
为处理手机芯片“核战”带来的功耗问题，ARM公司推出big LITTLE（巨细核）架构［1］，将重效能的“大”核与低功耗的“小”核调配运用，在满意手机高功用需求的一同统筹低功耗。“大”核Cortex- A57重效能，规划首要源自Cortex-A15，但依据ARM所作的优化（如数据预取及添加Registers等），Cortex-A57处理 32bit软件比Cortex-A15快20％至30%。在实际运用中A57的功耗问题较为杰出，不少选用A57内核的芯片呈现发热问题，例如高通骁龙 810等，为此，ARM在2015年头发布优化后的Cortex-A72内核，若选用16nm工艺，比较上一代的28工艺下的Cortex-A15，功用到达3.5倍，而功耗可下降75%。“小”核Cortex-A53则在供给满意的功用下，尽量缩小芯片面积及功耗，没有选用Cortex-A57较耗电的乱序履行管线规划，而改用简略按序履行管线规划。Cortex-A53供给与上一代选用ARM v7指令集的Cortex-A9等级的效能，但芯片面积更小，可在同制程下比Cortex-A9缩小40%。假如运用20nm制程的话，面积仅为32nm Cortex-A9的1/4，有助于在下降本钱一同下降功耗。
（2）经过制程工艺进步下降功耗
比较较指令集和芯片架构规划，芯片工艺制程的晋级对功耗的下降愈加马到成功，这也是近年来工艺制程晋级迭代晋级加快的重要推动力。
英特尔、三星和台积电三巨子处于芯片制作范畴的榜首方阵。三星的14nm FinFET（Fin Field-Effect Transistor ，鳍式场效晶体管）工艺现已量产出货（三星Exynos 7420芯片），台积电16nm FinFET也将规划量产；苹果最新的A9处理将别离选用这两家最先进的工艺制程。
一同，半导体制程从14nm/16nm开端进入3D年代，比较较之前的2D晶体管，3D FinFET具有低功耗、面积小的长处。
（3）射频低功耗计划
在下降功耗层面，智能手机射频芯片不如主芯片受重视，但下降功耗也一向是干流趋势。
4G射频面对的中心应战是处理服务需求和网络容量爆破式添加所需的更多蜂窝频段（现在全球频段总数已到达40个）。多家公司推出成套的射频处理计划，包含集成模块、多模多频器材、包络功率追寻等，高通公司的RF360处理计划［2］是其间的代表。在功率放大器PA中集成天线开关、支撑各种方式和频段（从GSM之后的一切首要蜂窝制式和现在3GPP协议中的悉数频段）的组合，支撑全球周游。包络功率追寻器（ET）依据信号的瞬态需求来调整功率放大器（PA）电源，是传统平均功率追寻器（APT）的晋级，APT依据功率水平分组而不是瞬时信号需求来调整功率放大器的供电量。包络功率追寻器与终端调制解调器交互作业，调整传输功率以满意被传输内容的瞬时需求，而不是在稳定功率下的长期距离后调整，功耗下降最高达20％，发热下降近30％（依据高通公司的测验和剖析）。这延长了电池续航时刻，削减了智能手机超薄机身内部的发热。
（4）智能芯片软硬一体化优化
跟着芯片硬件规划和工艺制程的进步，智能芯片渠道应运而生。智能芯片渠道是硬件与软件一体化计划，将人工智能、卷积神经网络、大数据等技能运用到手机芯片渠道，将进一步下降芯片功耗。高通最新的骁龙820（明年头上市）便是这样的有利测验。
2.2 显现屏
智能手机进入大屏年代（干流尺度5寸、5.5寸），屏幕成为手机耗电份额最大的模块。大屏、PPI不断晋级带来的结果是功耗的明显进步。
改善屏幕原料是下降屏幕功耗的有用处理计划之一。OLED有机电激起光二极管自发光、无需背光源，可有用下降功耗。IGZO将以往难度极高的铟、镓、锌与氧结晶化，完结了全新的原子摆放的结晶结构，依据这一共同的详尽的摆放方法，IGZO显现屏具有极强的稳定性。一同，IGZO具有极高的电子迁移率，迁移率越高，电阻率越小，经过相同电流时，功耗也就越小。
关于传统的LCD显现屏，选用添加面板开口率、下降驱动电压、进步背照灯光源—白色LED的发光功率，以及进步光学资料功用等方法，经过对输入印象信号及周围亮度的伽玛校对以及画面亮度操控等图画处理，来下降显现面板功耗。
别的，可经过软件下降屏幕分辨率、灰度显现等方法来下降功耗，添加续航才能。
2.3 电池
处理续航问题的底子手法是开源方法，即添加电池容量及开展新式高效电池技能。但近年来电池技能尚无突破性开展，太阳能电池、镁离子电池、超级电容等电池新材的商用开展并不达观，比照而言，锂离子电池的改善技能仍是业界的重心和最为实际的处理计划。
当下电池的干流是聚合物锂电池芯，以石墨作为负极，石墨碳负极电池的能量密度，到达600WH/L差不多已到极限，而引进硅负极资料来进步电池能量密度已是业界公认的方向之一，即以硅碳替代石墨，将石墨负极电池变成硅基负极电池。
现在一般手机厂商的电池能量密度大都在560~580WH/L，抢手机型中，小米note电池容量为3000mAh，能量密度为676.5Wh /L；华为荣耀6 Plus为3600mAh，电池能量密度为595Wh/L。据悉，业界多家手机厂家在新的手机计划中测验650~720WH/L的高密度硅负极电池，如选用纯硅负极资料能量密度有望到达900WH/L。2015年，依据硅负极资料的700WH/L高能量密度电池产品将完结规划商用。特别需求重视的是，除了能量密度外，安全、胀大、循环等功用指标也是高能量密度电池要要点处理的问题。
别的，4.35V高压电池技能、硅碳阳极技能、纳米陶瓷涂层覆膜技能等也是锂离子电池改善的方向。
2.4 快速充电
开展节电技能的一同，快速充电正成为一项可快速大规划运用和遍及的折中计划。从原理上来看，快充的完结首要经过添加电压或电流或两者一同添加来完结。
干流的芯片供货商高通和联发科均已发布快充处理计划，并集成到芯片渠道中。在芯片厂商处理计划中，高通的Quick Charge快充计划［3］生态体系最为老练，现已开展到QuickCharge 2.0，有两种标准：Class A（5/9/12V）与ClassB（5/9/12/20V）;芯片方面，高通全系列芯片支撑。联发科Pump Express［4］答应充电器依据电流决议充电所需的初始电压，由PMIC宣布脉冲电流指令经过USB的Vbus传送给充电器，充电器按照这个指令调整输出电压，电压逐步添加至5V 到达最大充电电流。
快充产业链包含协议、适配器（充电IC）、电源办理芯片、芯片渠道等。除前述的高通、联发科外，还有TI的Max Charge、Fairchild的ACCP（Adaptive Charger Communication Protocol）等快充协议及计划。快充协议之间现在还不互通，干流的电源IC厂商产品均开端支撑多种快充协议。
终端厂商中，OPPO的VOOC闪充［5］最具代表性，现已开展到2.0版。VOOC选用下降电压增大电流的充电方法（5V/4.5A），将充电操控电路从手机侧移到适配器侧，一同需求一系列专门定制的配件，包含适配器（新增充电操控电路+智能MCU操控）、电池（定制8触点）、数据线、电路、接口（7pin）等。
从本钱视点看，比较一般的充电计划，快充在充电IC、维护电路、电池等方面需求添加本钱。VOOC专属计划本钱最高，高通Quick Charge计划次之，联发科Pump Express则比较照较经济。
在快速充电体会方面，终端厂商现在的希望基本上是10分钟完结30%充电，30分钟完结70%充电。
2.5 软硬一体节电技能计划
对智能手机而言，单个维度或器材的节电远远不够，依据网络、用户运用行为等方面的软硬一体节电计划是产业链的要点研讨目标。业界正在进行优化方向包含操作体系层面的资源调度优化、情形感知节电、基站黑名单办理优化等。
操作体系层面的调度优化首要是依据APP运用行为优化调度Android体系资源，依据运用层的功用需求进行CPU处理才能（巨细核）的智能调度、动态电源调度办理以及软硬一体调度优化等。
依据情形感知的节电计划能够有用辨认用户走路、跑步、驾驭、睡觉等状况，以便供给针对性省电办法。笔直整合软件体系，经过调频办理、LCD背光办理、协议优化、后台运用办理、运转进程管控、外设开关办理等，有用下降整机功耗。依据用户所在情形，合作动态调频、动态降帧、进程冷却等，可下降整机功耗。情形感知技能需求依据大数据堆集进行迭代优化。
基站黑名单办理优化能够主动侦测网络环境，削减乒乓切换，下降待机功耗。网络信号的小范围动摇简略引发手机乒乓选网，很多耗费手机电量。经过很多的外场数据为根底进行建模，树立和优化搅扰小区的辨认算法，构成黑名单功耗优化技能。
3 可穿戴及IoT终端续航处理计划剖析
假如说智能手机的续航问题影响的仅仅是用户体会，关于手环、智能手表、智能眼镜等新式的可穿戴及IoT（Internet of things）终端而言，续航问题则是生计问题，在必定程度上决议了该品类的商场远景和空间。
可穿戴及IoT终端最大的瓶颈是受限于设备尺度与电池资料的约束，电池容量难以支撑用户的体会需求。智能手机需求处理比较杂乱多媒体运算，而可穿戴及IoT终端的功用则一般相对简略，业界从一开端就选用低功耗技能。
3.1 芯片及传感器低功耗计划
因为可穿戴及IoT终端所需的核算处理才能相对较低，芯片计划多选用MCU方式，少量如智能手表、智能眼镜则选用低端的手机芯片处理器。
不管是ARM架构的Cortex M系列（针对不同的运用场景，ARM Cortex M系列又细分为M0-M7）仍是MIPS架构的MCU，规划之初面向的便是低功耗范畴，芯片单核、主频较低，大都仅有几十兆赫兹，与动辄8核，上G赫兹的手机芯片比较，天然生成功耗较低。
可穿戴及IoT终端中选用的传感器，例如加快计、陀螺仪及其它专业传感器等自身的功耗较低，首要是与MCU一同进行全体低功耗计划规划，器材自身并未为此进行特别处理。
3.2 无线衔接针对性优化规划
车联网、户外监测等终端需求进行无线通信，但速率、频次等要求较低，手机上选用的无线模块假如用在这类终端，则会呈现功耗、功用过剩、本钱高级问题。面向物联网终端，3GPP安排在R12中发布了Cat.0［6］。为了下降设备杂乱性和减小设备本钱，Cat.0界说了一系列的简化计划，首要包含：选用半双工FDD方式（Half duplex FDD）；减小设备接纳带宽到1.4MHz，当然，也能够扩到20MHz；单接纳通路，撤销RX分集双通路；坚持低速数据速率。简化计划不只下降了速率需求，处理器核算才能和存储才能也相对下降。在R13版别还会有进一步的优化，比方撤销发射分集，不再支撑MIMO，支撑小于1.4MHz更低的带宽，支撑更低的数据速率等等。
为了省电，3GPP R12选用了PSM（Power Saving Mode，省电方式）计划。假如设备支撑PSM，在附着或TAU（Tracking Area Update）过程中，PSM向网络请求一个激活定时器值，当设备从衔接状况转移到闲暇状况后，该定时器开端运转。当定时器停止时，设备进入省电方式，此刻设备不再接纳寻呼音讯。看起来设备和网络失联，但设备依然注册在网络中。设备将一向坚持这种省电方式，直到设备需求主意向网络发送信息（比方周期性 TAU，发送上行数据等）。
3.3 低功耗全体计划
可穿戴及IoT设备产品的处理计划首要经过低功耗蓝牙、低功耗Wi-Fi、低功耗GPS、低功耗的3G/4G模块与MCU（或其它低功耗主控芯片）、传感器等硬件整合规划的成套计划。针对不同的运用场景，首要芯片计划厂商供给BLE+MCU、Wi-Fi+MCU、GPS+MCU、 Zigbee+MCU等低功耗处理计划。在这些无线衔接技能中，都要“死磕”功耗这一难题。
3.4 算法优化
可穿戴及IoT终端在硬件低功耗的一同，软件算法也是下降功耗、优化续航的重要手法。MCU动态休眠算法、计步算法优化、数据交互算法优化等都能够优化终端功耗。
4 智能终端续航体会进步未来可期
如前文所述，智能终端续航体会瓶颈的底子原因是手机电池需求过快添加与电池续航技能更新缓慢之间的对立日益尖利。在电池需求层面，跟着智能手机硬件晋级进入平稳期，用户的耗电需求进步添加趋缓。未来续航体会的进步要害看续航技能的开展，除了上述所讲续航新技能改造外，柔性电池与固态薄膜锂电池的不断老练，将为智能终端形状的演进与续航体会的进步带来福音。全体上，跟着智能终端续航新技能计划的遍及与新资料的运用，智能终端续航体会的进步远景可期。
