智能手机电池对策详解 - 全文

　　通过微细控制打破僵局，电池探索新思路

　　在智能手机领域，处理器、显示器、RF电路无一不被要求兼顾低功耗和高性能。这些产品正设法通过“动态电力控制”及“混合化”等打破目前的僵局。能量密度增长空间有限的充电电池将开拓新的思路。

　　未来的智能手机要求应用处理、无线通信处理以及画面显示等主要功能全部实现高性能化。“目前的智能手机在正常使用时，应用处理、通信处理和显示所需耗电量大约各占了1/3”（某手机企业的技术人员）。只减小其中某一项的耗电量，是无法兼顾高性能和低耗电量的。因此需要在各项要素中彻底削减耗电量。

　　在电力的使用方法和存储方法上双管齐下

　　本篇将对执行应用处理等的处理器、显示器以及执行无线通信处理的RF电路今后的低耗电量化技术进行分析。同时还会介绍旨在增加充电电池容量以及提高易用性的技术开发动向。

　　处理器需要实现CPU和GPU的多核化并提高工作频率，今后预计会通过半导体的微细化等继续提高电力利用效率、彻底实施动态电源切断及电压和频率控制，以及推进电路的混合化等。

　　不断向大屏幕化和高精细化发展的显示器，其关键在于提高液晶面板背照灯光的利用效率和提高有机EL面板的发光效率。另外，为支持新一代移动通信规格而需要处理多频带无线信号的RF电路方面，根据发送电力的波形对电源电压进行微细控制的“包络跟踪（Envelope Tracking）”等技术备受关注。

　　锂离子充电电池单位体积的能量密度增长空间有限，目前正通过内置电池组增加容积，以及通过快速充电功能减轻充电作业的负担等尝试。

　　电力使用部分和电力存储部分，本系列将详细报道各部分的技术革新动态。

　　处理器——彻底提高效率与推进动态控制

　　执行应用处理任务的处理器会瞬间消耗最大1～2W的电力。在智能手机中，处理器是对电池耐久性和发热影响最大的部件之一。针对无线通信的收发进行信号处理的基带处理LSI也会消耗较大的电力。

　　处理器的负荷在日益增加。美国谷歌公司2012年3月将“Android”应用的容量限制由50MB提高到了4GB 注1）。今后亮相的应用将处理更多的数据，执行更加复杂的处理工作。

　　注1） 虽然应用APK文件的容量限制依然为50MB，不过最多可以使用2个最大2GB的扩展文件。

　　“终端厂商要求‘在保持当前耗电量不变的情况下提高性能’”（半导体厂商）。为此，处理器需要实现能够轻松处理今后亮相的高级应用，并最大限度降低耗电量。

　　处理器的低耗电量化有两大方向（图1）。一是提高单位电力的处理性能（电力效率）。另一个是尽量减少通常处理时无需消耗的电量。

　　图1：在提高电路的电力效率以及进行极其细微的电力控制两方面努力

　　为降低应用处理器和基带处理LSI的耗电量，在两个方向采取举措。需要通过微细化和低电压化等提高电路的电力效率，根据运行情况彻底对电力进行极其细微的控制。

　　最大限度提高电力效率

　　为提高处理器的电力效率，各半导体厂商纷纷致力于半导体的微细化、电路的低电压化以及漏电的削减等。LSI的动态耗电量与工作频率、负荷容量以及电源电压的平方乘积成正比。尽量削减这些要素就能以更少的耗电量执行相同的处理任务。

　　半导体的微细化在2012年是具有里程碑意义的一年。预计采用32nm/28nm工艺技术制造的产品将配备于智能手机（表1）。虽然漏电功率容易增加，但由于电路负荷容量减小，因此可以相应削减耗电量。数年后的22nm/20nm工艺的应用也有望利用这一效应。

　　技术壁垒较高的是低电压化。虽然半导体芯片截至90nm工艺一直在随着微细化顺利降低电压，但之后SRAM的误动作成为瓶颈，低电压化越来越难以实现。目前的便携终端用处理器的标准电压只降到1.0～1.1V左右，最小驱动电压降到0.8～0.9V左右。因此需要从根本上改进电路技术。

　　推进这类研究的是美国英特尔。该公司试制出了电力效率在阈值电压附近最高的x86处理器“Claremont”。这是通过开发能以0.28V的极低电源电压正常运行的电路群来实现的。以接近阈值电压的0.45V电源电压运行时，工作频率为60MHz，电力效率最大为5830MIPS/W（整体耗电量为10mW）。以1.2V运行时，工作频率最大为915MHz，电力效率为1240MIPS/W（整体耗电量为737mW）。

　　漏电功率对策也在推进

　　要想提高电力效率，还必须削减漏电功率。韩国三星电子在“Exynos”处理器上采用32nm工艺制造技术时，导入了high-k栅极绝缘膜/金属栅极（即HKMG）。

　　与32nm工艺中未导入HKMG时相比，栅极漏电流降至约1/100，整体漏电流降至约1/10。另外，三星电子还首次采用了基板偏压技术*。目的是根据裸片上的漏电功率和性能的监控信息，减小制造偏差造成的性能下降和漏电功率。

　　*基板偏压技术＝在硅基板上加载偏压以动态控制阈值电压的技术。通过加载负电压提高阈值电压以暂时抑制漏电流的后基板偏压，或者通过加载正电压降低阈值电压以暂时提高速度的前基板偏压。

　　为尽量削减正常处理时无需消耗的电力，而实施的对策是根据负荷改变工作频率和电压的DVFS*，以及以电路块为单位的电源切断和时钟切断操作。处理器本来就导入了以动态控制电力为目的的技术。通过将这些技术用于细微之处，使负荷和耗电量走势基本上呈现同样的曲线走势。

　　*DVFS（dynamic voltage and frequency scaling）＝在LSI中，通过根据处理负荷等动态控制电源电压和工作频率，从而削减耗电量的方法。以LSI根据软件指示变更设定的形态运行。

　　从细微之处入手，瑞萨移动的做法可谓典型。该公司的母公司瑞萨电子在用于传统手机的应用处理及基带处理整合型处理器“SH-Mobile G”系列中，将DVFS应用到了CPU内核中，并对电源域和时钟系统进行了细分化。

　　而瑞萨移动面向智能手机开发的“MP5232”则对CPU内核的工作频率设定以及电源域和时钟系统则进行了更加细致的划分（图2）。“由于必须配置电源开关，因此并不是只要细分就完事了。我们设想了智能手机的使用情况，找到了最佳划分点”（瑞萨移动移动多媒体事业本部SoC事业部事业部长服部俊洋）。

　　图2：根据利用情况对电力进行极其细微的控制

　　瑞萨移动面向智能手机开发的“MP5232”与用于传统手机的处理器相比，可以根据利用情况对电力进行极其细微的控制。CPU内核的工作频率设定、电源域的数量以及时钟系统的数量均大幅增加。

　　对每个CPU内核控制频率

　　美国高通的“Snapdragon”系列采用根据多个CPU内核进行DVFS的方式。向一个内核施加较大负荷时，如果其他内核的负荷较小，则会削减负载较小的内核的工作频率（图3）。其他半导体厂商则采用对内核群统一进行DVFS的方法，即根据处理负荷统一改变多个CPU内核的工作频率。

　　图3：按照多个CPU内核进行DVFS

　　高通在“Snapdragon”系列的多核产品中，按照各CPU内核进行了动态控制电压和频率的DVFS。通过向各CPU内核供给其他系统的电力和时钟，提高了对处理负荷的追随性。

　　按内核进行DVFS的方法存在电源电路部件增加的问题，不过“该方式能防止当单线程的处理负荷较大时，其他内核以不必要的高频率运行状态，我们判断这样做的优势更大一些”（高通日本CDMA技术营销及业务开发统括部长须永顺子）。除了双核产品外，四核产品也采用相同的方式。

　　DVFS和电源切断的彻底实施在基带处理LSI方面也得到了推进。尤其是“在整合型处理器中，基带处理部也容易细微地控制电力”（高通日本的须永）。不仅是成本和安装面积，耗电量也可能成为选择整合型处理器的理由。

　　适当使用效率各异的CPU

　　今后，处理器将导入的新低耗电量化举措之一是电路的“混合”化。在智能手机中，“所要求的处理动态范围比传统手机大幅扩大。今后还会进一步扩大”（瑞萨移动的服部）。在处理负荷非常小时和非常大时区分使用最佳电力效率的电路——这类对策将得到推进。

　　混合化从耗电量尤其大的CPU部分开始。最先得到应用的是美国英伟达在“Tegra 3”中采用的“4-PLUS-1”技术。这是在同一枚裸片上混载采用LP（低电力）工艺的低电力CPU内核和采用G（普通）工艺的主CPU内核群的做法，可根据负荷切换使用（图4）。CPU内核采用相同的微架构。

　　图4：利用不同的制造工艺安装

　　区分使用CPU的英伟达在“Tegra3”中导入了可以区分使用以低电力工艺制造的CPU内核以及以普通工艺制造的CPU内核的“4-PLUS-1”技术。为了不使切换点附近频繁发生切换，采取了预防措施。

　　“从决定切换到完成切换所需时间不到2ms，用户应该注意不到”（英伟达日本技术营销工程师Steven Zhang）。不过，如果负荷刚好在切换边界附近变化，可能会频繁进行切换处理，因此配备了在重复切换点的基础上，根据实际切换次数调整切换点的学习功能。

　　通过微细化获得可行对策

　　2013年前后有望实现实用化的，是切换不同微架构CPU内核的方法。英国ARM公司发布了可以切换使用相同指令集架构CPU内核群的“big.LITTLE”技术（图5）。通过混合使用为提高最高性能而开发的A15内核，以及为优先提高电力效率而开发的A7内核，兼顾了负荷较小时的低电力运行和负荷较大时的高性能运行 注2）。两种内核在寄存器范围等方面存在差异，不过这种差异可以利用二者配备的虚拟支援机构吸收。“在同一枚裸片上混载制造工艺各异的电路可能会增加掩模费用。将来采用阈值较少的big.LITTLE的厂商应该会增加”（某半导体厂商的技术人员）。

　　图5：在不同架构的CPU中切换使用的“big.LITTLE”

　　ARM公司正在开发可以切换使用指令集兼容的Cortex-A15内核群和Cortex-A7内核群的“big.LITTLE”技术。处理负荷较低时利用电力效率较高的A7内核群，负荷较高时利用单位频率的处理性能较高的A15内核。

　　注2） big.LITTLE技术有切换使用A15内核和A7内核的“Task Migration”模式，以及同时运行A15内核和A7内核的“MP”模式。MP模式需要扩展OS的调度器（Scheduler），ARM公司正面向big.LITLLE的实用化时间进行开发。

　　混合化得以推进的背景在于，CPU内核在处理器上所占的面积比例减小。在目前的双核产品中，CPU内核的面积只占整体的1～2成。今后，如果电路面积也随着半导体的进一步微细化而出现充裕空间，GPU内核等其他电路也有望采用混合构造。

　　显示器——大屏幕和高精细化不断增加功耗，液晶及有机EL均瞄准耗电量减半

　　智能手机配备了比普通手机尺寸大且高精细的显示面板，显示面板的耗电量也随之增加。现有智能手机配备的显示面板，无论液晶面板还是有机EL面板，其耗电量均超过了600mW（图1）。有机EL面板在全白显示时的耗电量甚至达到了约1800mW。

　　图1：耗电量高的智能手机用面板

　　智能手机配备的液晶面板或有机EL面板的耗电量超过了600mW。图中为各终端厂商通过实施图像处理等降低耗电量的情况。（图中的面板耗电量为LG显示器的数据）

　　加之智能手机不以语音通话为主，而主要是用于Web网站浏览和邮件收发，这种用法的改变，使得显示面板会一直保持点亮状态。可以说，一直消耗着600mW以上电力的显示面板是令智能手机电池耐久性恶化的主要原因。

　　目前是以图像处理来降低耗电量

　　如果只单纯配备耗电量超过600mW的显示面板，智能手机是无法避免电池驱动时间太短的问题的。各终端厂商现在是通过实施诸如相对于输入影像信号及周围亮度的伽玛校正以及画面亮度控制等图像处理，来降低显示面板耗电量的。

　　由图像处理降低显示面板耗电量的方法“在普通手机上从2008年前后开始导入，随着显示面板的大屏幕化和高精细化，能够更加精细地进行控制”（NEC卡西欧移动的并木）。

　　配备有机EL面板的智能手机除图像处理外，还在显示内容方面下了工夫。通过在菜单画面等上以黑色显示背景，以白色显示文字，减小了白显示在画面整体所占的面积。可以说这是全白显示时的耗电量高的“有机EL面板机型必须要做的处理”（NEC卡西欧移动的并木）。

　　高精细化变成瓶颈

　　尽管终端厂商采取了措施，但据称在浏览Web网站时显示面板的耗电量“仍占智能手机整体的约3成”（多家终端厂商）。要想从根本上解决问题，需要降低显示面板自身的耗电量。

　　但从面板厂商的开发动向来看，智能手机用显示面板的耗电量今后还可能进一步增加。因为液晶面板等均在不断推进大屏幕化和高精细化。

　　目前，各终端厂商的高端机型开始普遍采用分辨率在300ppi以上的显示面板（图2）。在2012年底～2013年，分辨率有可能会提高到近500ppi。精细度提高，单位像素的开口率就会降低，耗电量就会进一步增加。

　　图2：精细度的提高，会使面板开口率降低

　　智能手机配备的液晶面板不断推进大屏幕化和高精细化。随着分辨率的提高，面板开口率逐渐降低。

　　各面板厂商需要开发兼顾高精细化和低耗电量化的面板。虽然进展缓慢，但液晶面板和有机EL面板均已开始采取旨在大幅削减耗电量的措施。

　　已采用了多种技术

　　液晶面板通过控制液晶分子的电压部分遮蔽背照灯光来表现灰阶。降低耗电量的对策有增加面板开口率、降低驱动电压、提高背照灯光源——白色LED的发光效率，以及提高光学材料性能等。耗电量的降低，正是这些措施“一点点积累的结果”（日立显示器）注1）。

　　注1）东芝移动显示器、索尼移动显示器和日立显示器三家公司2012年4月合并成了日本显示器，本文中使用的是原公司名称。

　　现有智能手机用液晶面板已经采用了多种低耗电量化技术（图3）。显示模式采用可提高开口率的“FFS（fringe field switching）”方式*，驱动元件采用载流子迁移率高、可小型化的低温多晶硅（LTPS）TFT。光学部材使用了多片可提高亮度的薄膜。

　　*FFS方式＝与IPS方式一样是横向电场控制用显示技术。与IPS方式不同的是，像素电极和通用电极配置在上下方向。中小型液晶面板大部分都采用FFS方式，但称为IPS方式。

　　图3：配备8个白色LED

　　分辨率超过300ppi的液晶面板最多可配备8个白色LED。为提高背照灯光的利用效率，采用了旨在提高开口率的面板技术和光学部材。（图为富士通的“Arrows X LTE”配备的4.3英寸、1280×720像素的液晶面板。Fomalhaut Technology Solutions协助拆解）

　　尽管如此，现有智能手机的液晶面板仍必须使用最多8个白色LED来确保亮度。虽然白色LED的发光效率“有望以年均5～10％左右的幅度提高”（日亚化学工业），但随着高精细化的发展，发光效率提高的部分可能会被抵消掉。仅改良现有技术只能提高数％左右，难以从根本上解决问题。

　　从像素构成入手

　　在大幅削减耗电量上备受关注的液晶技术，也就是子像素排列的变更。具体为，在R（红）G（绿）B（蓝）3色的子像素中添加未配备彩色滤光片（CF）的W（白）来提高面板透射率，从而降低耗电量。虽然这是原来就有的技术，但目前将其应用于高精细面板中的讨论在加速。

　　通过变更子像素的排列降低了液晶面板耗电量的终端已经面世。那就是英国索尼移动通信（Sony Mobile Communications）2012年2月发布的智能手机“Xperia P”。该机型配备了索尼开发的“WhiteMagic”液晶面板（图4）。

　　图4：采用RGBW方式的WhiteMagic

　　索尼移动通信在该公司的智能手机“Xperia P”上采用了索尼开发的液晶面板“WhiteMagic”（a）。通过采用在RGB中追加W的4色子像素，与原产品相比不但将耗电量削减约50％，还可将亮度提高至约2倍（b）。

　　WhiteMagic在一个像素上配置了RGBW四色的子像素。即使背照灯亮度减半，面板画面仍可实现与此前产品相同的亮度。其特点是，如果背照灯亮度与原产品相同，则画面亮度可提高至2倍左右。

　　索尼移动采用WhiteMagic时，调整了对输入影像的图像处理。这是因为，如果只单纯追加W，影像的对比度感会降低。索尼移动与索尼共同反复调整了将RGB影像信号转换成RGBW时的图像处理参数。由此，“实现了在室内使用时可削减耗电量，在户外时画面明亮容易看清的效果”（索尼移动）。

　　将RGBW分配给两个像素

　　韩国三星电子正在研究同样采用RGBW四色子像素，但将其分配给两个像素的“Pentile”方式。由于将一个像素的子像素数从以往的3个减为2个，因此更方便提高面板透射率。虽然因像素减少而被指画质劣化，但不失为削减耗电量的有效手段。

　　三星采用Pentile方式试制的10.1英寸、2560×1600像素的液晶面板，驱动元件采用迁移率低、TFT难以小型化的非晶硅TFT，但却可实现299ppi的高分辨率（图5）。耗电量最大为3.4W，与采用RGB三色CF的10.1英寸1280×800像素产品相同。“最早预定在2012年内开始量产”（三星）。

　　图5：以Pentile方式降低耗电量

　　三星电子正探讨在高精细面板中导入将RGBW四色子像素分配给两个像素的“Pentile”方式。据称在10.1英寸产品的比较中，导入该方式的2560×1600像素产品的耗电量与采用RGB三色子像素的1280×800像素产品为同等水平。

　　关键在于提高发光元件的性能

　　有机EL面板属于自发光型器件，与液晶面板相比构成部材较少。用于智能手机的有机EL面板采用在TFT基板相反的一侧提取光的顶部发光构造，因此不会被TFT遮挡住光线。要降低耗电量，需要提高有机EL元件的内部量子效率和光提取效率。

　　要提高有机EL元件的内部量子效率，最有效的方法莫过于采用磷光材料。三重态激励发光的磷光材料与从单重态激励发光的萤光材料相比，在理论上内部量子效率更高。目前的状况是，在智能手机用有机EL面板上，R发光材料已经实用化，G发光材料即将得到采用。但B的磷光材料由于色纯度和寿命较低，实用化尚需时日 注2）。

　　注2） 为使磷光材料从三重态发光，而要采用Ir（铱）和Pt（白金）等昂贵的金属。因此存在成本高的课题。九州大学以数年后实现实用化为目标，正在开发不含Ir和Pt的发光材料。通过将单重态和三重态激发状态的能量顺序之差降到50meV，而在将能量向单重态转换。据2012年3月发布的开发成果，已经实现了86.5％的高转换效率。

　　出光兴产采用现有的B萤光材料提高了内部量子效率（图6）。该公司通过在电子输送层和发光层之间设置“EEL（efficiency enhancement layer）”层，开发出了超过萤光材料理论界限的B发光元件。“EEL通过使三重态激子在发光元件内保留一定的时间，使激子之间发生碰撞，从而将能量向单重态转移”（出光兴产电子材料部电子材料中心主任研究员熊均）。由此提高了内部量子效率。

　　图6：耗电量降至1/2以下

　　出光兴产通过追加高效率层提高了B萤光材料的内部量子效率，并通过追加覆盖层改善了光提取效率（a，b）。取得了4英寸的800×480像素产品的耗电量在全白显示时为644mW，平均为143mW的模拟结果（c）。（图由本刊根据出光兴产的资料制作）

　　出光兴产还设法提高了有机EL元件的光提取效率。通过在发光元件的负极上设置折射率较高的有机物覆盖层，“抑制了表面离子体在负极表面上造成的消光现象”（熊均）。该公司采用B萤光材料以及R和G磷光材料试制出了设置有EEL和覆盖层的有机EL元件。将其用于800×480像素的4英寸品时，预计耗电量在全白显示时为644mW，平均为143mW，可降至目前的1/2以下。

　　还可能有第三种显示元件

　　除了液晶面板和有机EL面板外，还有其他降低了耗电量的显示器技术。其中之一就是美国风险企业Pixtronix开发的MEMS显示器（图7）。

　　图7：以MEMS快门显示

　　CMI和日立显示器等试制了采用Pixtronix公司自主技术的MEMS显示器（a，b）。与液晶面板相比，光的利用效率比较高（c）。（图根据Pixtronix公司的资料制作）

　　Pixtronix开发的MEMS显示器技术由MEMS快门、采用RGB三色LED的背照灯、TFT、反射板及玻璃基板等构成。通过高速开关MEMS快门，控制LED背照灯的透射光和自然光量来显示灰阶。透射模式通过依次驱动RGB三色LED背照灯来显示彩色。由于无需像液晶面板那样使用偏光板和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已在向奇美电子（CMI）、日立显示器以及三星等知名面板厂商提供技术授权。CMI已公开了5.14英寸的640×480像素试制品，日立显示器也公开了2.5英寸的320×240像素试制品。CMI的试制品耗电量为550mW，“是相同性能参数液晶面板的2/3左右”（CMI）。