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越來越多的用戶對智能手機的“電池耐用性”感到不滿。雖然智能手機還有望進一步高性能化，但電池容量的增大卻無法抱有太大的期待。不放過任何可能性，徹底減少耗電量的挑戰(zhàn)已經(jīng)開始。
你的智能手機電池能用一天嗎？
智能手機已經(jīng)完全成為了手機的主角。在智能手機順利普及的同時，用戶對一個問題的不滿也爆發(fā)了。這就是電池的電量減少得太快了，也就是常說的“電池耐用性”非常差。智能手機用戶對電池耐用性非常不滿。
手機廠商也開始有了危機感。某手機廠商的技術(shù)人員表示，“我們最初只是著眼于推出智能手機產(chǎn)品，而近一年來則是將提高電池耐用性放在了優(yōu)先位置”。手機廠商正在部件廠商的協(xié)助下，采取措施兼顧手機的高性能化和低功耗化。
而且，還有更大的障礙在等待著手機廠商和部件廠商。這就是估計今后智能手機的性能提高幅度將超過電池容量的增幅（圖1），因而迫切需要進一步推進低功耗措施。
圖1：電池容量與性能之間的鴻溝逐漸擴大
智能手機運行的處理今后將更加復(fù)雜，而充電電池的容量卻無望增加。必須通過減少浪費耗電、提高處理的電力效率等措施，來降低性能提高所帶來的耗電量。智能手機的耗電量顯著增加
智能手機的電池耐久性之所以成為一個問題是因為與傳統(tǒng)手機相比，前者的耗電量顯著增加。智能手機用戶大多采用4英寸以上的大尺寸顯示屏，以便瀏覽數(shù)據(jù)量較多、用于個人電腦的Web網(wǎng)站。而且，隨著智能手機的各項功能越來越便利，用戶操作的時間也越來越長。
傳統(tǒng)手機的充電電池容量在800mAh左右，由于顯示屏的大屏幕化，智能手機的電池容量已經(jīng)增至1500mAh左右。盡管如此，用戶仍感覺“電池不經(jīng)用”。即使將現(xiàn)有的電池容量增加近兩倍，也無法滿足普通智能手機用戶一天消耗的電量（圖2）。
圖2：智能手機的耗電量逐漸增加
圖中是澳大利亞研究機構(gòu)NICTA的研發(fā)小組得出的智能手機耗電量分析結(jié)果。針對谷歌的“Nexus One”，在自主設(shè)定的多種狀態(tài)下測量了平均耗電量。
重視這個問題的手機廠商，開始力推延長智能手機電池耐久性的“節(jié)電”功能。比如，NEC卡西歐移動通信公司、夏普和松下移動通信公司都各自在智能手機中配備了被分別叫做“環(huán)保模式”、“環(huán)保技巧”以及“環(huán)保導(dǎo)航”的節(jié)電模式。
這些節(jié)電功能可以讓用戶簡單地進行旨在降低耗電量的設(shè)定，比如關(guān)閉無線LAN和藍牙等通信功能，或降低顯示屏亮度等。還配備了根據(jù)時間和電池剩余電量自動改變設(shè)定的功能。
夏普的智能手機還配備了可減少屏幕在關(guān)閉狀態(tài)時所消耗電量的“節(jié)能待機”功能（圖3）。夏普通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)本部全球營銷中心主任兼產(chǎn)品策劃部長河內(nèi)嚴表示，“在24個小時中，屏幕處于關(guān)閉狀態(tài)的時間大概有20個小時左右。減少該狀態(tài)下的后臺（Background）處理動作，也不會影響手機的易用性”。所以，手機會在屏幕關(guān)閉時自動停止運行部分后臺處理。
圖3：手機廠商配備可減少無用耗電的應(yīng)用
夏普在2012年2月上市的“AQUOS PHONE 104SH”等機型中配備了“環(huán)保技巧設(shè)定”應(yīng)用，可輕松進行節(jié)電設(shè)定（a）。為了減少屏幕關(guān)閉時的耗電量，還配備了可自動停止部分后臺處理和通信的“節(jié)能待機”功能（b）。致力于部件的節(jié)能
手機廠商一直致力于在不讓用戶察覺到的前期下，減少各個部件的耗電量。NEC卡西歐移動通信公司商品開發(fā)本部第一硬件設(shè)計部高級專家并木秀夫表示，在應(yīng)用處理領(lǐng)域，“我們一直致力于如何才能更好地利用處理器和存儲器的節(jié)電機構(gòu)”。包括根據(jù)處理負荷改變CPU內(nèi)核的電源電壓和工作頻率的機構(gòu)，以及根據(jù)不同范圍停止向存儲器供電的機構(gòu)等。各大公司都在絞盡腦汁地對這些機構(gòu)進行調(diào)整，以便明確何種狀態(tài)下應(yīng)該如何進行使用。
顯示屏中引進了可動態(tài)下調(diào)背照燈亮度的技術(shù)。比如，夏普可以對影像信號進行分析，掌握畫面的亮度和對比度趨勢，從而調(diào)整各個像素的亮度成分，同時降低背照燈的亮度。可以在不降低視覺質(zhì)量的情況下，將背照燈的亮度最大降低50％。
對性能的要求沒有止境
此前一直致力于低功耗化的手機廠商和部件廠商，今后必須具備更為出色的低功耗化技術(shù)。原因就是開篇提到的，因為手機性能的提高幅度很可能會大于電池容量的增幅。
智能手機中使用的鋰離子充電電池的單位體積能量密度，在10年后的2022年估計也僅會提高到現(xiàn)有的1.3倍左右。而對性能的提高要求則永無止境。在新一代智能手機中，估計應(yīng)用處理將增加CPU和GPU內(nèi)核的數(shù)量、提高工作頻率，顯示方面將支持顯示屏的大屏幕化和高精細化，通信方面將支持LTE（Long Term Evolution）等新型無線通信方式（圖4）。
圖4：運算、顯示和通信都會不斷發(fā)展
圖中是高端智能手機引進新功能的目標時間。CPU和GPU等運算部分、顯示屏的像素和尺寸等顯示部分，以及移動通信和無線LAN等通信部分，估計今后都會引進更為出色的高功能技術(shù)。
是放棄提高性能？還是忍受配備又大又重電池的厚重手機？如果僅僅依靠此前開發(fā)的低功耗化技術(shù)，那么遲早有一天會不得不面臨這個選擇。實際上手機業(yè)界已經(jīng)得出了一個測量結(jié)果：支持LTE的智能手機在LTE通信時的電池耐久性低于3G通信時（圖5）。
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(xù)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(shù)據(jù)。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(yè)采取的各項措施中可以看出的趨勢是，業(yè)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(fā)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(shù)擴展至智能手機內(nèi)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(shù)的節(jié)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(yīng)用軟件（以下簡稱應(yīng)用）的特點，因此今后讓應(yīng)用開發(fā)人員注重耗電量將變得很重要。九州大學(xué)系統(tǒng)LSI研究中心副教授久住憲嗣表示，“對應(yīng)用進行實際分析后，發(fā)現(xiàn)了多個部分的特定處理會徒勞消耗電力。如果應(yīng)用開發(fā)人員能夠仔細掌握自己所開發(fā)應(yīng)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(xué)系統(tǒng)LSI研究中心開發(fā)出了制作智能手機耗電模型的方法。采用該模型可以根據(jù)應(yīng)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(yīng)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(zhàn)并徹底實現(xiàn)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(yè)務(wù)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(yīng)用領(lǐng)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(xiàn)得越來越明顯。原因是僅憑充電電池容量和部件性能參數(shù)難以檢測的要素會產(chǎn)生很大的影響。夏普的河內(nèi)表示，“在如何利用充分部件的調(diào)整部分，整體的耗電量將會發(fā)生很大變化。能否在不犧牲性能和外觀設(shè)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(xiàn)差異化的一個重要因素”。
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在智能手機領(lǐng)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(chǎn)品正設(shè)法通過“動態(tài)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(yīng)用處理、無線通信處理以及畫面顯示等主要功能全部實現(xiàn)高性能化?！澳壳暗闹悄苁謾C在正常使用時，應(yīng)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(yè)的技術(shù)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(zhí)行應(yīng)用處理等的處理器、顯示器以及執(zhí)行無線通信處理的RF電路今后的低耗電量化技術(shù)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(shù)開發(fā)動向。
處理器需要實現(xiàn)CPU和GPU的多核化并提高工作頻率，今后預(yù)計會通過半導(dǎo)體的微細化等繼續(xù)提高電力利用效率、徹底實施動態(tài)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(fā)展的顯示器，其關(guān)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(fā)光效率。另外，為支持新一代移動通信規(guī)格而需要處理多頻帶無線信號的RF電路方面，根據(jù)發(fā)送電力的波形對電源電壓進行微細控制的“包絡(luò)跟蹤（Envelope Tracking）”等技術(shù)備受關(guān)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(nèi)置電池組增加容積，以及通過快速充電功能減輕充電作業(yè)的負擔(dān)等嘗試。
處理器——徹底提高效率與推進動態(tài)控制
執(zhí)行應(yīng)用處理任務(wù)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(fā)熱影響最大的部件之一。針對無線通信的收發(fā)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(yīng)用的容量限制由50MB提高到了4GB 注1）。今后亮相的應(yīng)用將處理更多的數(shù)據(jù)，執(zhí)行更加復(fù)雜的處理工作。
注1） 雖然應(yīng)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(dāng)前耗電量不變的情況下提高性能’”（半導(dǎo)體廠商）。為此，處理器需要實現(xiàn)能夠輕松處理今后亮相的高級應(yīng)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(yīng)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(jù)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(dǎo)體廠商紛紛致力于半導(dǎo)體的微細化、電路的低電壓化以及漏電的削減等。LSI的動態(tài)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(zhí)行相同的處理任務(wù)。
半導(dǎo)體的微細化在2012年是具有里程碑意義的一年。預(yù)計采用32nm/28nm工藝技術(shù)制造的產(chǎn)品將配備于智能手機（表1）。雖然漏電功率容易增加，但由于電路負荷容量減小，因此可以相應(yīng)削減耗電量。數(shù)年后的22nm/20nm工藝的應(yīng)用也有望利用這一效應(yīng)。
技術(shù)壁壘較高的是低電壓化。雖然半導(dǎo)體芯片截至90nm工藝一直在隨著微細化順利降低電壓，但之后SRAM的誤動作成為瓶頸，低電壓化越來越難以實現(xiàn)。目前的便攜終端用處理器的標準電壓只降到1.0～1.1V左右，最小驅(qū)動電壓降到0.8～0.9V左右。因此需要從根本上改進電路技術(shù)。
推進這類研究的是美國英特爾。該公司試制出了電力效率在閾值電壓附近最高的x86處理器“Claremont”。這是通過開發(fā)能以0.28V的極低電源電壓正常運行的電路群來實現(xiàn)的。以接近閾值電壓的0.45V電源電壓運行時，工作頻率為60MHz，電力效率最大為5830MIPS/W（整體耗電量為10mW）。以1.2V運行時，工作頻率最大為915MHz，電力效率為1240MIPS/W（整體耗電量為737mW）。
漏電功率對策也在推進
要想提高電力效率，還必須削減漏電功率。韓國三星電子在“Exynos”處理器上采用32nm工藝制造技術(shù)時，導(dǎo)入了high-k柵極絕緣膜/金屬柵極（即HKMG）。
與32nm工藝中未導(dǎo)入HKMG時相比，柵極漏電流降至約1/100，整體漏電流降至約1/10。另外，三星電子還首次采用了基板偏壓技術(shù)*。目的是根據(jù)裸片上的漏電功率和性能的監(jiān)控信息，減小制造偏差造成的性能下降和漏電功率。
*基板偏壓技術(shù)＝在硅基板上加載偏壓以動態(tài)控制閾值電壓的技術(shù)。通過加載負電壓提高閾值電壓以暫時抑制漏電流的后基板偏壓，或者通過加載正電壓降低閾值電壓以暫時提高速度的前基板偏壓。
為盡量削減正常處理時無需消耗的電力，而實施的對策是根據(jù)負荷改變工作頻率和電壓的DVFS*，以及以電路塊為單位的電源切斷和時鐘切斷操作。處理器本來就導(dǎo)入了以動態(tài)控制電力為目的的技術(shù)。通過將這些技術(shù)用于細微之處，使負荷和耗電量走勢基本上呈現(xiàn)同樣的曲線走勢。
*DVFS（dynamic voltage and frequency scaling）＝在LSI中，通過根據(jù)處理負荷等動態(tài)控制電源電壓和工作頻率，從而削減耗電量的方法。以LSI根據(jù)軟件指示變更設(shè)定的形態(tài)運行。
從細微之處入手，瑞薩移動的做法可謂典型。該公司的母公司瑞薩電子在用于傳統(tǒng)手機的應(yīng)用處理及基帶處理整合型處理器“SH-Mobile G”系列中，將DVFS應(yīng)用到了CPU內(nèi)核中，并對電源域和時鐘系統(tǒng)進行了細分化。
而瑞薩移動面向智能手機開發(fā)的“MP5232”則對CPU內(nèi)核的工作頻率設(shè)定以及電源域和時鐘系統(tǒng)則進行了更加細致的劃分（圖7）?！坝捎诒仨毰渲?a target="_blank">電源開關(guān)，因此并不是只要細分就完事了。我們設(shè)想了智能手機的使用情況，找到了最佳劃分點”（瑞薩移動移動多媒體事業(yè)本部SoC事業(yè)部事業(yè)部長服部俊洋）。
圖7：根據(jù)利用情況對電力進行極其細微的控制
瑞薩移動面向智能手機開發(fā)的“MP5232”與用于傳統(tǒng)手機的處理器相比，可以根據(jù)利用情況對電力進行極其細微的控制。CPU內(nèi)核的工作頻率設(shè)定、電源域的數(shù)量以及時鐘系統(tǒng)的數(shù)量均大幅增加。
對每個CPU內(nèi)核控制頻率
美國高通的“Snapdragon”系列采用根據(jù)多個CPU內(nèi)核進行DVFS的方式。向一個內(nèi)核施加較大負荷時，如果其他內(nèi)核的負荷較小，則會削減負載較小的內(nèi)核的工作頻率（圖8）。其他半導(dǎo)體廠商則采用對內(nèi)核群統(tǒng)一進行DVFS的方法，即根據(jù)處理負荷統(tǒng)一改變多個CPU內(nèi)核的工作頻率。
圖8：按照多個CPU內(nèi)核進行DVFS
高通在“Snapdragon”系列的多核產(chǎn)品中，按照各CPU內(nèi)核進行了動態(tài)控制電壓和頻率的DVFS。通過向各CPU內(nèi)核供給其他系統(tǒng)的電力和時鐘，提高了對處理負荷的追隨性。
按內(nèi)核進行DVFS的方法存在電源電路部件增加的問題，不過“該方式能防止當(dāng)單線程的處理負荷較大時，其他內(nèi)核以不必要的高頻率運行狀態(tài)，我們判斷這樣做的優(yōu)勢更大一些”（高通日本CDMA技術(shù)營銷及業(yè)務(wù)開發(fā)統(tǒng)括部長須永順子）。除了雙核產(chǎn)品外，四核產(chǎn)品也采用相同的方式。
DVFS和電源切斷的徹底實施在基帶處理LSI方面也得到了推進。尤其是“在整合型處理器中，基帶處理部也容易細微地控制電力”（高通日本的須永）。不僅是成本和安裝面積，耗電量也可能成為選擇整合型處理器的理由。
適當(dāng)使用效率各異的CPU
今后，處理器將導(dǎo)入的新低耗電量化舉措之一是電路的“混合”化。在智能手機中，“所要求的處理動態(tài)范圍比傳統(tǒng)手機大幅擴大。今后還會進一步擴大”（瑞薩移動的服部）。在處理負荷非常小時和非常大時區(qū)分使用最佳電力效率的電路——這類對策將得到推進。
混合化從耗電量尤其大的CPU部分開始。最先得到應(yīng)用的是美國英偉達在“Tegra 3”中采用的“4-PLUS-1”技術(shù)。這是在同一枚裸片上混載采用LP（低電力）工藝的低電力CPU內(nèi)核和采用G（普通）工藝的主CPU內(nèi)核群的做法，可根據(jù)負荷切換使用（圖9）。CPU內(nèi)核采用相同的微架構(gòu)。
圖9：利用不同的制造工藝安裝
區(qū)分使用CPU的英偉達在“Tegra3”中導(dǎo)入了可以區(qū)分使用以低電力工藝制造的CPU內(nèi)核以及以普通工藝制造的CPU內(nèi)核的“4-PLUS-1”技術(shù)。為了不使切換點附近頻繁發(fā)生切換，采取了預(yù)防措施。
“從決定切換到完成切換所需時間不到2ms，用戶應(yīng)該注意不到”（英偉達日本技術(shù)營銷工程師Steven Zhang）。不過，如果負荷剛好在切換邊界附近變化，可能會頻繁進行切換處理，因此配備了在重復(fù)切換點的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際切換次數(shù)調(diào)整切換點的學(xué)習(xí)功能。
通過微細化獲得可行對策
2013年前后有望實現(xiàn)實用化的，是切換不同微架構(gòu)CPU內(nèi)核的方法。英國ARM公司發(fā)布了可以切換使用相同指令集架構(gòu)CPU內(nèi)核群的“big.LITTLE”技術(shù)（圖10）。通過混合使用為提高最高性能而開發(fā)的A15內(nèi)核，以及為優(yōu)先提高電力效率而開發(fā)的A7內(nèi)核，兼顧了負荷較小時的低電力運行和負荷較大時的高性能運行 注2）。兩種內(nèi)核在寄存器范圍等方面存在差異，不過這種差異可以利用二者配備的虛擬支援機構(gòu)吸收。“在同一枚裸片上混載制造工藝各異的電路可能會增加掩模費用。將來采用閾值較少的big.LITTLE的廠商應(yīng)該會增加”（某半導(dǎo)體廠商的技術(shù)人員）。
圖10：在不同架構(gòu)的CPU中切換使用的“big.LITTLE”
ARM公司正在開發(fā)可以切換使用指令集兼容的Cortex-A15內(nèi)核群和Cortex-A7內(nèi)核群的“big.LITTLE”技術(shù)。處理負荷較低時利用電力效率較高的A7內(nèi)核群，負荷較高時利用單位頻率的處理性能較高的A15內(nèi)核。
注2） big.LITTLE技術(shù)有切換使用A15內(nèi)核和A7內(nèi)核的“Task Migration”模式，以及同時運行A15內(nèi)核和A7內(nèi)核的“MP”模式。MP模式需要擴展OS的調(diào)度器（Scheduler），ARM公司正面向big.LITLLE的實用化時間進行開發(fā)。
混合化得以推進的背景在于，CPU內(nèi)核在處理器上所占的面積比例減小。在目前的雙核產(chǎn)品中，CPU內(nèi)核的面積只占整體的1～2成。今后，如果電路面積也隨著半導(dǎo)體的進一步微細化而出現(xiàn)充?？臻g，GPU內(nèi)核等其他電路也有望采用混合構(gòu)造。
顯示器——大屏幕和高精細化不斷增加功耗，液晶及有機EL均瞄準耗電量減半
智能手機配備了比普通手機尺寸大且高精細的顯示面板，顯示面板的耗電量也隨之增加。現(xiàn)有智能手機配備的顯示面板，無論液晶面板還是有機EL面板，其耗電量均超過了600mW（圖11）。有機EL面板在全白顯示時的耗電量甚至達到了約1800mW。
圖11：耗電量高的智能手機用面板
智能手機配備的液晶面板或有機EL面板的耗電量超過了600mW。圖中為各終端廠商通過實施圖像處理等降低耗電量的情況。（圖中的面板耗電量為LG顯示器的數(shù)據(jù)）
加之智能手機不以語音通話為主，而主要是用于Web網(wǎng)站瀏覽和郵件收發(fā)，這種用法的改變，使得顯示面板會一直保持點亮狀態(tài)?？梢哉f，一直消耗著600mW以上電力的顯示面板是令智能手機電池耐久性惡化的主要原因。
目前是以圖像處理來降低耗電量
如果只單純配備耗電量超過600mW的顯示面板，智能手機是無法避免電池驅(qū)動時間太短的問題的。各終端廠商現(xiàn)在是通過實施諸如相對于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，來降低顯示面板耗電量的。
由圖像處理降低顯示面板耗電量的方法“在普通手機上從2008年前后開始導(dǎo)入，隨著顯示面板的大屏幕化和高精細化，能夠更加精細地進行控制”（NEC卡西歐移動的并木）。
配備有機EL面板的智能手機除圖像處理外，還在顯示內(nèi)容方面下了工夫。通過在菜單畫面等上以黑色顯示背景，以白色顯示文字，減小了白顯示在畫面整體所占的面積?？梢哉f這是全白顯示時的耗電量高的“有機EL面板機型必須要做的處理”（NEC卡西歐移動的并木）。
高精細化變成瓶頸
盡管終端廠商采取了措施，但據(jù)稱在瀏覽Web網(wǎng)站時顯示面板的耗電量“仍占智能手機整體的約3成”（多家終端廠商）。要想從根本上解決問題，需要降低顯示面板自身的耗電量。
但從面板廠商的開發(fā)動向來看，智能手機用顯示面板的耗電量今后還可能進一步增加。因為液晶面板等均在不斷推進大屏幕化和高精細化。
目前，各終端廠商的高端機型開始普遍采用分辨率在300ppi以上的顯示面板（圖12）。在2012年底～2013年，分辨率有可能會提高到近500ppi。精細度提高，單位像素的開口率就會降低，耗電量就會進一步增加。
圖12：精細度的提高，會使面板開口率降低
智能手機配備的液晶面板不斷推進大屏幕化和高精細化。隨著分辨率的提高，面板開口率逐漸降低。
各面板廠商需要開發(fā)兼顧高精細化和低耗電量化的面板。雖然進展緩慢，但液晶面板和有機EL面板均已開始采取旨在大幅削減耗電量的措施。
已采用了多種技術(shù)
液晶面板通過控制液晶分子的電壓部分遮蔽背照燈光來表現(xiàn)灰階。降低耗電量的對策有增加面板開口率、降低驅(qū)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(xué)材料性能等。耗電量的降低，正是這些措施“一點點積累的結(jié)果”（日立顯示器）注1）。
注1）東芝移動顯示器、索尼移動顯示器和日立顯示器三家公司2012年4月合并成了日本顯示器，本文中使用的是原公司名稱。
現(xiàn)有智能手機用液晶面板已經(jīng)采用了多種低耗電量化技術(shù)（圖13）。顯示模式采用可提高開口率的“FFS（fringe field switching）”方式*，驅(qū)動元件采用載流子遷移率高、可小型化的低溫多晶硅（LTPS）TFT。光學(xué)部材使用了多片可提高亮度的薄膜。
*FFS方式＝與IPS方式一樣是橫向電場控制用顯示技術(shù)。與IPS方式不同的是，像素電極和通用電極配置在上下方向。中小型液晶面板大部分都采用FFS方式，但稱為IPS方式。
圖13：配備8個白色LED
分辨率超過300ppi的液晶面板最多可配備8個白色LED。為提高背照燈光的利用效率，采用了旨在提高開口率的面板技術(shù)和光學(xué)部材。（圖為富士通的“Arrows X LTE”配備的4.3英寸、1280×720像素的液晶面板。Fomalhaut Technology Solutions協(xié)助拆解）
盡管如此，現(xiàn)有智能手機的液晶面板仍必須使用最多8個白色LED來確保亮度。雖然白色LED的發(fā)光效率“有望以年均5～10％左右的幅度提高”（日亞化學(xué)工業(yè)），但隨著高精細化的發(fā)展，發(fā)光效率提高的部分可能會被抵消掉。僅改良現(xiàn)有技術(shù)只能提高數(shù)％左右，難以從根本上解決問題。
從像素構(gòu)成入手
在大幅削減耗電量上備受關(guān)注的液晶技術(shù)，也就是子像素排列的變更。具體為，在R（紅）G（綠）B（藍）3色的子像素中添加未配備彩色濾光片（CF）的W（白）來提高面板透射率，從而降低耗電量。雖然這是原來就有的技術(shù)，但目前將其應(yīng)用于高精細面板中的討論在加速。
通過變更子像素的排列降低了液晶面板耗電量的終端已經(jīng)面世。那就是英國索尼移動通信（Sony Mobile Communications）2012年2月發(fā)布的智能手機“Xperia P”。該機型配備了索尼開發(fā)的“WhiteMagic”液晶面板（圖14）。
圖14：采用RGBW方式的WhiteMagic
索尼移動通信在該公司的智能手機“Xperia P”上采用了索尼開發(fā)的液晶面板“WhiteMagic”（a）。通過采用在RGB中追加W的4色子像素，與原產(chǎn)品相比不但將耗電量削減約50％，還可將亮度提高至約2倍（b）。
WhiteMagic在一個像素上配置了RGBW四色的子像素。即使背照燈亮度減半，面板畫面仍可實現(xiàn)與此前產(chǎn)品相同的亮度。其特點是，如果背照燈亮度與原產(chǎn)品相同，則畫面亮度可提高至2倍左右。
索尼移動采用WhiteMagic時，調(diào)整了對輸入影像的圖像處理。這是因為，如果只單純追加W，影像的對比度感會降低。索尼移動與索尼共同反復(fù)調(diào)整了將RGB影像信號轉(zhuǎn)換成RGBW時的圖像處理參數(shù)。由此，“實現(xiàn)了在室內(nèi)使用時可削減耗電量，在戶外時畫面明亮容易看清的效果”（索尼移動）。
將RGBW分配給兩個像素
韓國三星電子正在研究同樣采用RGBW四色子像素，但將其分配給兩個像素的“Pentile”方式。由于將一個像素的子像素數(shù)從以往的3個減為2個，因此更方便提高面板透射率。雖然因像素減少而被指畫質(zhì)劣化，但不失為削減耗電量的有效手段。
三星采用Pentile方式試制的10.1英寸、2560×1600像素的液晶面板，驅(qū)動元件采用遷移率低、TFT難以小型化的非晶硅TFT，但卻可實現(xiàn)299ppi的高分辨率（圖15）。耗電量最大為3.4W，與采用RGB三色CF的10.1英寸1280×800像素產(chǎn)品相同?！白钤珙A(yù)定在2012年內(nèi)開始量產(chǎn)”（三星）。
圖15：以Pentile方式降低耗電量
三星電子正探討在高精細面板中導(dǎo)入將RGBW四色子像素分配給兩個像素的“Pentile”方式。據(jù)稱在10.1英寸產(chǎn)品的比較中，導(dǎo)入該方式的2560×1600像素產(chǎn)品的耗電量與采用RGB三色子像素的1280×800像素產(chǎn)品為同等水平。
關(guān)鍵在于提高發(fā)光元件的性能
有機EL面板屬于自發(fā)光型器件，與液晶面板相比構(gòu)成部材較少。用于智能手機的有機EL面板采用在TFT基板相反的一側(cè)提取光的頂部發(fā)光構(gòu)造，因此不會被TFT遮擋住光線。要降低耗電量，需要提高有機EL元件的內(nèi)部量子效率和光提取效率。
要提高有機EL元件的內(nèi)部量子效率，最有效的方法莫過于采用磷光材料。三重態(tài)激勵發(fā)光的磷光材料與從單重態(tài)激勵發(fā)光的螢光材料相比，在理論上內(nèi)部量子效率更高。目前的狀況是，在智能手機用有機EL面板上，R發(fā)光材料已經(jīng)實用化，G發(fā)光材料即將得到采用。但B的磷光材料由于色純度和壽命較低，實用化尚需時日 注2）。
注2） 為使磷光材料從三重態(tài)發(fā)光，而要采用Ir（銥）和Pt（白金）等昂貴的金屬。因此存在成本高的課題。九州大學(xué)以數(shù)年后實現(xiàn)實用化為目標，正在開發(fā)不含Ir和Pt的發(fā)光材料。通過將單重態(tài)和三重態(tài)激發(fā)狀態(tài)的能量順序之差降到50meV，而在將能量向單重態(tài)轉(zhuǎn)換。據(jù)2012年3月發(fā)布的開發(fā)成果，已經(jīng)實現(xiàn)了86.5％的高轉(zhuǎn)換效率。
出光興產(chǎn)采用現(xiàn)有的B螢光材料提高了內(nèi)部量子效率（圖16）。該公司通過在電子輸送層和發(fā)光層之間設(shè)置“EEL（efficiency enhancement layer）”層，開發(fā)出了超過螢光材料理論界限的B發(fā)光元件?！癊EL通過使三重態(tài)激子在發(fā)光元件內(nèi)保留一定的時間，使激子之間發(fā)生碰撞，從而將能量向單重態(tài)轉(zhuǎn)移”（出光興產(chǎn)電子材料部電子材料中心主任研究員熊均）。由此提高了內(nèi)部量子效率。
圖16：耗電量降至1/2以下
出光興產(chǎn)通過追加高效率層提高了B螢光材料的內(nèi)部量子效率，并通過追加覆蓋層改善了光提取效率（a，b）。取得了4英寸的800×480像素產(chǎn)品的耗電量在全白顯示時為644mW，平均為143mW的模擬結(jié)果（c）。（圖由本刊根據(jù)出光興產(chǎn)的資料制作）
出光興產(chǎn)還設(shè)法提高了有機EL元件的光提取效率。通過在發(fā)光元件的負極上設(shè)置折射率較高的有機物覆蓋層，“抑制了表面離子體在負極表面上造成的消光現(xiàn)象”（熊均）。該公司采用B螢光材料以及R和G磷光材料試制出了設(shè)置有EEL和覆蓋層的有機EL元件。將其用于800×480像素的4英寸品時，預(yù)計耗電量在全白顯示時為644mW，平均為143mW，可降至目前的1/2以下。
還可能有第三種顯示元件
除了液晶面板和有機EL面板外，還有其他降低了耗電量的顯示器技術(shù)。其中之一就是美國風(fēng)險企業(yè)Pixtronix開發(fā)的MEMS顯示器（圖17）。
圖17：以MEMS快門顯示
CMI和日立顯示器等試制了采用Pixtronix公司自主技術(shù)的MEMS顯示器（a，b）。與液晶面板相比，光的利用效率比較高（c）。（圖根據(jù)Pixtronix公司的資料制作）
Pixtronix開發(fā)的MEMS顯示器技術(shù)由MEMS快門、采用RGB三色LED的背照燈、TFT、反射板及玻璃基板等構(gòu)成。通過高速開關(guān)MEMS快門，控制LED背照燈的透射光和自然光量來顯示灰階。透射模式通過依次驅(qū)動RGB三色LED背照燈來顯示彩色。由于無需像液晶面板那樣使用偏光板和CF，因此光利用效率可提高至60～80％左右，比液晶面板的6～8％有大幅提升。
Pixtronix已在向奇美電子（CMI）、日立顯示器以及三星等知名面板廠商提供技術(shù)授權(quán)。CMI已公開了5.14英寸的640×480像素試制品，日立顯示器也公開了2.5英寸的320×240像素試制品。CMI的試制品耗電量為550mW，“是相同性能參數(shù)液晶面板的2/3左右”（CMI）。
RF電路篇：降低功放耗電量，關(guān)注包絡(luò)跟蹤
在用于智能手機通信的無線電路（RF電路）中，旨在降低耗電量的技術(shù)開發(fā)也十分活躍。這是因為，就峰值功率而言，僅RF電路就會消耗2W左右的電力，所以還存在著很大的削減空間。
RF電路中消耗電力最大的是發(fā)送部用來放大信號的功率放大器（PA）。在終端和基站處于遠距離等情況下時，信號峰值會在瞬間消耗1.5W左右的電力（圖18）。因此在RF電路中，如何削減PA的耗電量成了關(guān)注的焦點。
圖18：RF電路的對策
智能手機的RF電路中，耗電量最大的是功率放大器（PA）。例如LTE在以23dBm輸出時，僅功率放大器就會瞬間消耗1.5W左右的電力（a）。因此，要想降低RF電路的耗電量，提高PA的效率以及通過周邊技術(shù)降低損耗至關(guān)重要（b）。（圖18：（a）由本刊根據(jù)澳大利亞新南維爾士大學(xué)和英國Nujira公司的資料制作）
削減耗電量的關(guān)鍵在于提高PA的功率附加效率*和降低周邊技術(shù)的電力損耗（圖18（b））。
*功率附加效率（PAE：power added efficiency）＝表示PA的實際輸出信號電力（從輸出信號電力中減去輸入信號電力的值）與電源加載的直流電力的比率。
PA的功率附加效率因采用的通信方式而異。比如，用于GSM方式通信電路的PA有望達到50％以上的效率，而用于W-CDMA方式的PA最大為40％左右，至于LTE由于尚未進行充分優(yōu)化等，最大效率只有35％左右。也就是說，LTE終端中用于PA的輸入功率有65％以上被浪費了（化為熱量等）。
多頻阻礙效率提高
今后將成為主流的LTE方式智能手機的PA要想提高功率附加效率無比困難。理由在于多頻化的推進。
LTE方式的智能手機為了能在世界各地使用，標配了國際漫游功能。因此，RF電路必須支持多個頻率（多頻化）。如果PA和濾波器等RF電路的個別部件根據(jù)支持頻率的數(shù)量來安裝，部件個數(shù)就會增加，導(dǎo)致安裝面積增大，成本也會增加。為了避免這種情況，LTE終端的主流是利用可在一個封裝中支持多個頻率的多頻產(chǎn)品（圖19）?！昂芏嘟K端廠商打算在RF電路中以多模和多頻部件的使用為主”（村田制作所執(zhí)行董事、模塊事業(yè)本部副本部長中島規(guī)巨）。
圖19：通過多頻產(chǎn)品削減安裝面積
采用多頻型功率放大器（PA）的話，即使支持的頻帶數(shù)增加，安裝面積也不會增加。（本站根據(jù)三菱電機的資料制作）
村田制作所的多頻型PA與單一頻帶（單頻）產(chǎn)品相比，不容易提高效率。所支持的放大頻帶數(shù)量越多，功率附加效率越難以提高，二者屬于此消彼長（Trade-off）的關(guān)系 注1）。
注1） 多頻型PA一般采用廣帶型放大電路，與特定頻帶具備放大特性的單頻型相比，效率值容易下降。
包絡(luò)跟蹤技術(shù)亮相
作為提高LTE終端多頻型PA效率的技術(shù)，備受關(guān)注的是對輸入PA的電源電壓進行細微控制的“Envelope Tracking（包絡(luò)跟蹤）”。
包絡(luò)跟蹤是對PA的電源電壓進行極其細微的動態(tài)調(diào)節(jié)的技術(shù)。此前一直利用以發(fā)送信號的1個時隙為單位切換PA電源電壓的方法“Average Power Tracking”。而包絡(luò)跟蹤則追蹤信號振幅（信號電力），以更小的時隙切換電源電壓，由此在輸出時會選擇效率最高的電源電壓進行發(fā)送（圖20）。
圖20：追蹤信號波形，細微控制電壓
無電壓控制、Average Power Tracking以及Envelope Tracking時的時間軸信號波形示意圖。粉線表示電壓值水平，粉色區(qū)域表示發(fā)熱（多余的電力消耗）。（圖由本刊根據(jù)Nujira公司的資料制作）
PA的功率附加效率對電源電壓和發(fā)送電力有依賴性，因此如果能根據(jù)發(fā)送電力切換電源電壓，在理想狀態(tài)下能一直選擇最大效率點，可以減少多余的電力消耗。通過組合使用該技術(shù)，彌補了多頻型PA效率降低的缺點。
包絡(luò)跟蹤有多種實現(xiàn)方法，最常用的是從輸入信號波形中提取振幅的形狀，然后將所需的偏置信號輸入PA的方法（圖21）。此時采用的旨在加載最佳偏壓的控制IC由歐美風(fēng)險企業(yè)開發(fā)。
圖21：包絡(luò)跟蹤的控制電路
從輸入信號波形生成偏置信號波形，利用偏置信號波形對輸入功率放大器（PA）的電源電壓進行微細控制。根據(jù)PA的輸出改變電源電壓，由此能以最高效率的電壓驅(qū)動。（圖由本刊根據(jù)三菱電機的資料制作）
大幅削減耗電量
例如，如果使用英國Nujira公司供貨的包絡(luò)跟蹤用控制IC，耗電量可較未使用時削減40％～55％（圖22）?！芭cW-CDMA等相比，動態(tài)范圍較大的LTE能進一步降低耗電量”（Nujira公司現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)理Tamas Vlasits）。
圖22：包絡(luò)跟蹤的效果
Nujira公司的包絡(luò)跟蹤控制IC“NCT-L1100”封裝在4mm見方的BGA等中（a）。W-CDMA、HSUPA及LTE在23dBm輸出時的RF電路耗電量。導(dǎo)入包絡(luò)跟蹤技術(shù)，大幅降低了PA的耗電量。LTE的話可削減55％的耗電量（b）。（圖由本刊根據(jù)Nujira公司的資料制作）
包絡(luò)跟蹤用控制IC插入PA和RF收發(fā)器IC（或基帶處理LSI）之間使用。控制IC通過符合MIPI（Mobile Industry Processor Interface）標準的芯片間接口等控制 注2）。
注2） MIPI Alliance于2011年11約成立了旨在制定包絡(luò)跟蹤專用接口標準的工作組。預(yù)定制定從RF收發(fā)器IC或基帶處理LSI收發(fā)包絡(luò)信號的信號線標準。
在包絡(luò)跟蹤用控制IC領(lǐng)域另一家較受關(guān)注的公司是美國Quantance。該公司將自主開發(fā)的技術(shù)命名為“qBoost”，計劃與PA廠商合作擴大技術(shù)的應(yīng)用范圍。該公司稱，利用該技術(shù)可將功率附加效率提高至50％左右。
Quantance已經(jīng)與三菱電機展開了合作。三菱電機前不久發(fā)布了尺寸僅3mm見方、可放大6頻帶的PA，設(shè)想與包絡(luò)跟蹤技術(shù)組合使用。組合使用后可確保最大40％的效率（圖23）。
圖23：支持6個頻帶，可確保40％的效率
三菱電機開發(fā)的GaAs制PA尺寸只有3mm×3mm×1mm（a）。功率附加效率在1.7G～2GHz的6個頻帶中最大可確保40％（b）。（圖由本刊根據(jù)三菱電機的資料制作）
將來計劃配備于RF IC
包絡(luò)跟蹤技術(shù)不僅可以利用上述專用控制IC來支持，在不久的將來還計劃嵌入RF收發(fā)器IC等使用。富士通半導(dǎo)體預(yù)定2012年5月上旬開始樣品供貨配備包絡(luò)跟蹤控制功能的多模及多頻型RF收發(fā)器IC“MB86L11A”。這是業(yè)界首款配備包絡(luò)跟蹤控制功能的RF收發(fā)器IC。此外，美國高通公司等從事智能手機芯片組業(yè)務(wù)的大企業(yè)好像也都在考慮標配該技術(shù)。
不過，包絡(luò)跟蹤也存在課題。由于電源電壓高速切換，信號的失真特性會劣化，相鄰?fù)ǖ赖穆╇姽目赡軙龃蟆Ｗ鳛榻鉀Q對策，瑞薩電子通過提前使發(fā)送信號失真（預(yù)失真）減輕了劣化，瑞薩電子認為“需要探討類似的補償技術(shù)”。
提高元件自身的效率
還有廠商打算通過提高PA元件自身的特性來提高效率，以降低耗電量。例如美國威訊聯(lián)合半導(dǎo)體（RF Micro Devices）于2012年2月底發(fā)布了可將LTE發(fā)送時的功率附加效率提高至42～44％左右的PA“ultra-high efficiency PA” 注3）。
注3）可用于放大W-CDMA的頻帶1、2、3、4、5、8，以及LTE的頻帶4、7、11、13、17、18、20、21。
另外，富士通半導(dǎo)體2011年底開始供貨多頻型PA，通過在PA元件中利用與富士通研究所共同開發(fā)的高耐壓晶體管“EBV-Transistor”提高了效率。這是一款利用CMOS技術(shù)設(shè)計的PA，能夠通過一個封裝支持W-CDMA和HSPA利用的3個頻帶的放大（圖24）。據(jù)富士通半導(dǎo)體介紹，使用頻率較高的中低輸出時的效率非常高。
圖24：富士通的CMOS制PA支持3個頻帶
富士通半導(dǎo)體開發(fā)的CMOS制PA利用一枚芯片實現(xiàn)了W-CDMA/HSPA的頻帶Ⅰ（2.1GHz頻帶）、頻帶Ⅴ（850MHz頻帶）、頻帶Ⅸ（1.7GHz頻帶）的放大。尺寸為4mm×3.5mm×0.7mm。
減少反射波降低耗電量
另外還有不在PA上下工夫，而是通過導(dǎo)入RF電路的周邊技術(shù)來降低電力損耗的案例，比如插入隔離器來減少反射波。
隔離器是僅通過單向信號的部件，如果在PA和天線之間插入隔離器，可以阻止從天線側(cè)逆流進入的信號。
最近的智能手機天線一般設(shè)置在機身側(cè)面等，天線阻抗會隨著用戶握持方法的不同而大幅變動。因此，RF發(fā)送部會產(chǎn)生阻抗不匹配現(xiàn)象，從而導(dǎo)致PA的輸出信號作為反射波返回，這會使S/N惡化。
反射越多，PA的發(fā)送電力越大，所以會導(dǎo)致耗電量的增加。插入隔離器可以去除反射波，從而降低耗電量。
使用隔離器會導(dǎo)致部件數(shù)量增加。因此，海外的終端廠商大都不愿意采用。不過開發(fā)商期待，隨著對降低RF電路耗電量的關(guān)注度越來越高，采用的海外終端廠商也會增加。比如，隔離器開發(fā)企業(yè)之一村田制作所開發(fā)出了將PA、濾波器以及隔離器（穩(wěn)定器）收納在一個封裝內(nèi)的PA模塊，并且已開始供貨（圖25）。該公司通過集成化縮小了產(chǎn)品尺寸，并以此為優(yōu)勢向日本國內(nèi)外的終端廠商積極促銷。
圖25：將隔離器內(nèi)置于PA模塊
村田制作所從2011年下半年開始量產(chǎn)將PA、SAW濾波器及隔離器（穩(wěn)定器）收納在一個封裝內(nèi)的模塊（a）。支持多頻帶信號放大。外形尺寸為6.6mm×3.8mm×1.0mm（b）。
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