5G 手机耗电大,它是怎样帮你偷偷省电的?

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03-18 12:10

最近我在做几款新手机的续航测试,发现这些手机虽然都是 5G 高性能手机,但它们的续航却能跟过去的 4G 手机几乎保持同一水准。

按道理说,手机在加入 5G 模块后,天线增多、吞吐能力更强,所消耗的电量理应比 4G 手机更大,但为何像 Galaxy S20 这种电池只有 4000mAh 的小身板 5G 手机,也能有 4-5 小时的(重度)亮屏时长

如果我们再往前看,还能发现一个有趣的现象,过去几年里,旗舰手机的电池容量普遍都是在 3500-4500mAh 这个标准范围内。

而且即便手机性能在一直升级,手机每次的亮屏时长也依然还是在 5-6 个小时,如果电池更大那甚至还能达到 7 小时左右。

实际上,随着手机所承载的功能越来越多,在目前电池技术没有取得突破性进步的条件下,电池内的每 1% 电量,对于手机来说都是弥足珍贵的。

除非像 Galaxy S20 Ultra 用更大的机身容纳 5000mAh 的电池,但这样便损失了手机的便携性,也同时增加了手机重量。

▲ 华为 Mate 20 X(5G)拥有大机身,能容纳更大的电池和方便散热

既然不能改变电池技术,那就改变耗电技术。手机厂商在大力升级硬件的同时,其实也不忘考虑到手机续航,他们通过积少成多的方式,给手机运行腾出更多电量。

我在之前一篇关于高刷新率屏幕的文章中,提到了 iPad Pro 采用的是一块 120Hz 屏幕,这块屏幕表现细腻、顺滑,但同时也比普通 60Hz 屏要增加消耗更多的电量。

而为了能延长 iPad 的续航时间,苹果其实并没有让这块屏幕以 120Hz 全局运行,而是通过 Promotion 这项技术让系统根据内容自动调节屏幕刷新率,进而控制屏幕的对电池消耗。

比如说,120Hz 是屏幕刷新率的最高值,当使用 Apple Pencil 书写、游戏这种需要高精度的操作时,系统会自动启用高刷新率;但如果像播放 30/60Hz 视频这种本身不需要 120Hz 的内容,系统就会自动切换到内容的最高速率。

至于像在电子书或者静态图片这种并不需要太高刷新率的场景,系统也会将刷新率降到最低,控制屏幕在静态显示下的电池消耗。

随着高刷新率屏在手机上出现,一些手机厂商也在手机系统内提供了类似于 Promotion 的「智能调配」刷新率的机制供用户使用,相比固定全局 120Hz 运行,这种智能调配机制能给手机省下约 5% 的电量。

▲ ColorOS 系统设置页

当然,虽然有些手机没有单独提供智能切换选项,但他们也会根据场景来自动调节刷新率。比如一加、黑鲨手机,尽管只提供 60/90Hz 的选项,但在 90Hz 下也会动态调节刷新率,工作原理其实也和 Promotion 相似。

▲ 一加手机氢 OS 系统设置页

近些年手机屏幕从 LCD 大量变为 OLED,这一方面是因为 OLED 更容易被厂商「捏造」出不同形态,另一方面是 OLED 相对要比 LCD 省电一些,但实际上 OLED 在硬件层面上给手机带来的节能还是比较有限,所以厂商也在利用 OLED 的一些特性来减少屏幕的消耗。

这里比较知名的莫过于如今各大厂商标配的「夜间模式」,这个能让 OLED 屏幕大量减少发光像素点的功能,无疑能让手机屏幕的消耗降到最低。

在前几天一篇关于黑暗模式的文章中,我们曾探讨过无论是 Google 还是苹果,这些厂商都在利用 OLED 屏幕来延长手机续航,而在 PhoneBuff 的测试里,夜间模式甚至能给 iPhone XS 多出 30% 的电量,这对于续航本身就一般的 iPhone XS 来说,可以说是非常明显的续航提升了。

除了从屏幕这个「耗电大户」入手以外,手机的其他关键零件也在给续航时间腾出更多电量。

想必大家都有留意到,每逢像 SoC、新手机这些产品发布时,厂商除了展示出新品在性能上比旧品强多少以外,也不忘花时间去介绍「功耗降低 XX%」这个关键信息。

▲ 图片来自:Android Authority

这对手机续航有什么帮助?

实际上随着 SoC 的 CPU 架构、制程工艺、调度设计的变化,当前 SoC 的功耗已经比过去递减下降,而性能效率也随新处理器的加入和工艺递增上升。

用简单的语言来说,现在花同样的力气,办的事比以前更多了。

在 Anandtech 对骁龙 865 几款一线处理器的对比测试中,我们能看到骁龙 865 的能量消耗在和骁龙 855 是非常接近,但前者比后者的性能却有 20% 的提升,这侧面证明高通介绍骁龙 865 时对比骁龙 855 有能效提升的说法。

▲ 图片来自:Anandtech

但 Anandtech 第一次所测试的只是骁龙 865 工程机的数据,而不能代表量产骁龙 865 表现,更具参考意义的是之后对 Galaxy S20 Ultra 的测试

在这次测试中,这枚骁龙 865 的功耗不但比骁龙 855 低,甚至还比之前在工程机上的测试成绩更低,这要归功于高通和三星对量产版 SoC 的能效优化。

当然,台积电的 7nm、A77 这些技术也应享有给手机省电的功劳。

▲ 工程机测试成绩(左)/S20 Ultra 测试成绩(右). 图片来自:Anandtech

不过需要备注的是,Anandtech 的这个排名只是基于测试得出的「平均功耗」参考数据,要得出 SoC 的总功耗还应该结合使用时间和其他综合因素。

但能看到骁龙 865 的功耗比过去更低,其实我们也能了解到新处理器在「节能」这方面有着更出色的表现。

▲ 麒麟 990 的多核 NPU 组合

而对于近年厂商加入的 AI 系统,手机厂商则是用「专核专功」的方式去减轻 CPU 的负担,比如说麒麟 990 里面的 NPU 就是用类似于 big.LITTLE 的「大核+微核」去节省 AI 所需用电。

像人脸解锁这些小任务用的是微核,而像拍照渲染则是用大核工作。

▲ 华为 AI 相机渲染

然而,通过 SoC 节省出来的去补充 5G 所消耗的电量也只是杯水车薪,手机厂商还需要从其他方面「挤」出宝贵的电量。

同样是花小力气办大事的还有 LPDDR 5 和 UFS 3.1 两个新标准,表面上看,两个新标准只是循例提升了内存和存储芯片的带宽和速率。

可实际上,这两个新标准都分别增加了节能方面的特性。

有人说 LPDDR5 和 UFS 3.1 都是为 AI 和 5G 准备的东西,我认为这其实是一句双关语,两个标准除了在速度上满足 AI 和 5G 需求外,它们也在提升性能的同时也节省了更多电量。

按照三星在公布 LPDDR5 时的实验室数据,LPDDR5 内存在功耗上要比 LPDDR4X 节省 20%。虽然这 20% 几乎可以被忽略不计,但我们并不能将它切开来看,需要和其他环节综合起来。

▲ 图片来自:中国三星

能让 LPDDR5 更省电的原因主要是这次新增的 Data-Copy(将单个针脚数据复制到其他针脚)和 Write-X(减少数据在 SoC 与内存之间传输时的耗电)两项减少数据来回传输耗能的技术。

用小学都能理解的话来说,就是「数据少来回跑,少折腾,少消耗。」

但是,内存所省下来的电量并不会完全转化到手机里,而是像 SoC 以同样的力气做更多的事。所以三星的 LPDDR5 内存的工作电压依然还是保持和 LPDDR4X 一致的 1.1V(Vddq/Vdd2),运行功耗没有变化,但它的传输速度却比 LPDDR4X 快 1.3 倍,而且容量也增大了。

▲ 图片来自:PC-Tablet

尽管 UFS 3.1 在性能上和加了 TurboWrite 的 UFS 3.0 不相伯仲,但新增加的 Deep Sleep 成了这个 0.1 的升级被 5G 手机选择的理由之一。

之所以叫做 Deep Sleep,是因为这个功能只会在手机闲置状态下才会触发,芯片会根据当前环境进入低功耗模式,继而节省像用户晚上睡觉时手机所消耗的待机电量。

不过 Deep Sleep 注定是一项用户感知不强的节能技术,毕竟在每次睡醒启用手机时你也不会关注到手机节省下来那 2-3% 的电量。

▲ 图片来自:AndroidCentral

除了在硬件方面下手以外,Google 也曾经在 Android P 系统中尝试加入 Deepmind 的 AI 优化系统,通过软件层面上的机器学习能力和 Adaptive Battery 调配软件资源,延长电池续航时间。

而苹果则是通过调频、关闭部分后台功能的低电量模式来延长手机续航时间,虽然牺牲了一些诸如「嘿,Siri」等苹果特色功能,但换来更长的续航时间,能给人带来和世界不失联的安全感。

更有一种方法则是直接让系统根据场景自动调节网络策略,ColorOS 的做法是在系统中加入 Smart 5G 依据手机温度、电量、当前网络环境自动切换 WiFi、4G/5G 网络,它的原理有点像屏幕刷新率自切换,按照 ColorOS 方面的说法,这项技术能给手机提升 30% 的续航时间。

所以即便 5G 手机的消耗比 4G 手机大,随着更先进的硬件和软件优化技术出现,5G 手机的续航问题已经从这些细节中被逐步解决。

其实自 5G 手机在国内开始普及起,我至今一直认为,手机性能、功能和续航都应该是以三驾马车同步并进,手机硬件、软件除了朝向更快、更多功能两方面发展,同时也要在电池容量的限制条件下,用更多节省耗能的方式,支持手机在未来的 5G 环境中实现更多新功能。

当然,今天的 5G 手机和我们见面还不到一年,许多节能优化的方法还有待我们继续摸索,比如改变 5G 基带的装配方式、减少多天线工作的消耗、使用更省电的屏幕……

不过说到底,我还是希望在不久的将来有更好的电池技术出现,毕竟续航的根本,还是在于电池的性能上。

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