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AI时代下的手机:算力重要,电力更重要

作者:蓝鲸新闻发布时间:2024-06-25

文|数智前线游勇

编辑|周路平

硅碳负极材料显著提升了手机电池的能量密度,不少手机已开始迈上6000mAh的台阶。但在AI时代,光靠电池能量密度的提升可能并不能满足用户对续航的要求。

不久前,苹果首次向外界秀出了它在AI领域的布局和肌肉,包括一批AI功能对手机系统层面的改造,可以跨App协作,可以调用个人的数据和情境,同时与Open AI合作,把ChatGPT引入手机中。

但与此同时,AI对手机的电力消耗也引发了市场上的担忧。马斯克曾说:“AI技术的发展速度前所未见,到了明年人类就没有足够的电力来运行所有的芯片了。”OpenAI CEO奥特曼也提到,AI技术消耗的电力将远远超出人们预期。

事实上,无论是从云端调用大模型,还是在手机上直接运行参数量较小的模型,都将加快对电量的消耗。而手机电池容量这些年并没有多少增长,提升电池的容量成了和AI应用落地一样关键的事。

从芯片性能到大存储,从高刷屏幕到手机影像,每一个与用户体验密切相关的领域,在过去几年都经历了肉眼可见的变化。而如今,进展最缓慢的手机电池,也将在AI时代到来前开启新的内卷。

01、手机电池开始内卷

2013年,iPhone5s搭载的A7处理器的晶体管数量为10亿个。十年后的2023年,iPhone15搭载了最新款的苹果芯片A17Pro,其晶体管数量达到了190亿个。十年时间,晶体管数量涨了19倍,摩尔定律并没有完全失效。

而反观电池容量,则出现了另一幅景象。iPhone5S的电池容量为1560mAh,而iPhone15标准版的电池容量也只有3349mAh。即便是安卓手机,前些年的手机容量普遍在4000-5000mAh徘徊。受限于材料,锂电池在1991年商用之后,其能量密度一直在缓慢发展,甚至一度有些停滞。

但情况正在发生改变。

6月20日,一加手机又开了一场“散装”发布会。这次是电池,一加与宁德新能源(ATL)联合发布了“冰川电池”,采用了当下最热门的硅碳负极电池。在冰川电池的加持下,一加Ace3Pro的电池容量首次达到6100mAh。虽然容量增加了,但体积相比5000mAh的普通石墨电池还减小了3%。

一加冰川电池发布次日,联想手机也透露,不久后发布的moto razr 新品将采用最新的电池解决方案,也用的是高电压硅碳负极,而联想给这个电池专门起了个名字——星海电池。据悉,这款电池的能量密度高达822Wh/L。

电池的内卷在此之前就已经开始了,最显著的表现是,每一家手机厂商都给自家的手机电池起了个大气磅礴的名字。除了一加的冰川电池,还有小米的金沙江电池、荣耀青海湖电池、华为巨鲸电池及vivo的蓝海电池等。好在手机品牌有限,不然湖海山川估计都不够用。

而这些电池无一例外,都采用了硅基负极(包括硅碳和硅氧负极等)。

早在2019年,小米的概念机型Max Alpha就搭载了纳米硅基电池。一年半后,小米11 Pro成为国内首款搭载硅基负极材料的手机,小米用的是硅氧负极,电池容量达到了5000mAh。很快,华为Mate Xs 2也采用了高硅负极电池。

2023年,荣耀Magic 5 Pro搭载荣耀发布的青海湖电池,被认为是首款将硅碳负极电池技术商用的智能手机产品。而vivo采用了新一代硅碳负极材料的蓝海电池,其能量密度比普通石墨负极电池高出约20%。该电池将由vivo S19系列手机搭载,首次突破809Wh/L能量密度。

不过,手机厂商用的硅碳负极电池背后,几乎都来自同一家供应商——ATL(宁德新能源)。经常有人将宁德时代和宁德新能源搞混淆。宁德新能源和宁德时代虽然渊源很深,但两家没有股权上的关系,而且业务方向也明显不同,宁德新能源专注于消费电子领域的锂电池生产,而宁德时代专注于动力电池。

在新的电池技术的加持下,电池容量纷纷迈上5500mAh的台阶。除了一加Ace3 Pro做到了6100mAh,搭载青海湖电池的荣耀Magic6Pro电池容量达到了5600mAh,而vivo的X100Ultra做到了5500mAh,S19也首次突破6000mAh。

手机续航也开始进入“2”时代。比如即将发布的一加Ace3Pro的DOU达到了2天,vivo旗下也有几款机型的DOU达到了这一数字。

其实,DOU(Daily Office Use,日常办公使用)是各家内部的一个测试指标,并没有统一的测试标准,但其逻辑是通过大数据,模拟用户一天的用机情况。而且,由于用户群体太复杂,每个个体对续航的体验和感受会存在差异。

不过,目前看来,能实现2天续航的机型基本不是直板旗舰机,要么是中低端机型,要么是折叠机型。旗舰机的电池容量虽然在硅碳负极的加持下,也在快速提升,但旗舰机的顶级配置,往往意味着功耗更大,而且各种大尺寸影像传感器对手机空间的占用比较高,所以还没有直板旗舰的DOU做到2天时间。

一加中国区总裁李杰说,硅碳负极和大容量电池,很快就会普及。除了一加Ace3Pro将首次搭载冰川电池,一加后续的项目中会普及大电池方案。

02、大电池背后的努力

手机电池能量密度的显著提升,得益于硅基负极材料的商用。现在的手机锂电池由正负极、电解质和隔膜等几个部分组成,而正极材料基本是钴酸锂,负极材料是石墨。

但石墨的能量密度已经快接近极限,新型的负极材料成为提升锂电池容量的关键。硅负极的比容量(4200 mAh/g)远高于石墨(372 mAh/g)的理论比容量。

硅碳负极其实不是新鲜词,早在上世纪70年代就已经开始提出了相应的概念。但因为首效和体积膨胀的问题,一直没能大规模使用。比如纯硅的体积膨胀可达石墨的三倍以上。

但在几年前,美国一家硅碳复合材料公司Group 14,通过CVD气相沉积,制备出了新的材料,很大程度改善了硅的膨胀问题,并且已经成功实现产业化。宁德新能源(ATL)的硅碳负极材料就来自Group 14。

ATL副总经理赵忠利告诉数智前线,硅碳负极电池去年才开始量产,主要是这几年解决了硅膨胀、首效低等问题,“在能够接受的成本下,让它的能量密度能够提升,让它的膨胀不是那么大。”ATL正在开足马力,生产硅碳负极电池,满足对手机厂商的供应,“现在行业在卷,竞争很激烈,速度就变得很快。”

此前,有机构预测,预计到2025年,硅基材料使用比例将由目前的25%增长至40%。

而且,目前的硅碳负极电池的硅含量大多在6%左右。真锂研究创始人墨柯告诉数智前线,随着多孔碳技术的成熟,在负极材料中提升硅含量还有很大潜力。这也意味着,随着硅含量的增加,电池的能量密度也将继续增长。

事实上,为了提高锂电池的能量密度,业内一直在做着不同的努力。墨柯告诉数智前线,除了这次硅碳负极材料的突破,锂电池的能量密度在过去经历过几次大幅增长。比如提升材料的压实密度和提高电压。手机电池的正极材料钴酸锂,最开始的标准电压是3.7V,如今已经普遍提高到了3.8-3.9V,而一加冰川电池已经做到了4.53V。

vivo不久前首发的半固态电池则是从电解质入手。电解质是正极和负极中间的材料,其作用是在正负极之间传输锂离子。之前都是液态电解质,但液态电解质存在漏液的问题,也存在安全性问题,锂枝晶会有正负极短路的风险。而且在低温环境下,续航也会降低。

固态电解质可以避免这些问题。不过,目前固态电解质还有很长的路要走,半固态电池是一个过渡方案。

除了正负极材料上下功夫,也开始有些厂商在改进电池的封装工艺。比如,此前有爆料称,三星Galaxy S24Ultra和苹果iPhone15都会采用堆叠式电池技术,以提高能量密度和延长使用寿命。

传统的封装方法用的是卷绕工艺,但堆叠式工艺的优势是能减少空间浪费,提升同体积下的电池容量。目前堆叠式电池技术已经在电动汽车领域得到了广泛应用。不过,手机厂商还未正式发布相关电池。

而苹果从iPhone X开始使用了双层主板和异形电池设计,来为iPhone塞入更大容量的电池。而很多安卓手机也采用了双电芯的做法,通过电路串联的方式,在一块电池里放入多个电芯,提高充电的效率。

03、AI时代,光靠做大电池可能还不够

诺基亚最经典的功能机诺基亚1100,在全球共卖出了2.5亿部,成为手机历史上卖得最多的手机。而这款手机采用了BL-5C锂电池,容量只有850mAh。虽然容量不高,但续航时间却很长,官方待机时间达到了400小时。

显然,手机续航的长短不仅与电池容量大小相关,也跟耗电量有非常大的关系。功能机基本是打电话、听歌、发短信,耗电非常有限。而智能机的高刷屏幕、芯片功耗不断提升,用户使用时长也在逐年增加,这些因素都使得虽然电池容量在缓慢增长,但赶不上用户的耗电需求。

曾有数码博主对2019年到2021年发布的近200款手机进行了续航测试。测试机型的平均电池容量为从2019年的3912.1mAh到4287.93mAh再到4498.49mAh,都是逐年上涨,但在“5小时续航测试”中,平均剩余电量几乎都没有变化,都在50%左右。这也说明,虽然电池容量提升了,但屏幕、Soc以及5G等因素的影响下,手机耗电量也在逐步增加。

所以说,续航不仅要开源,节流同样重要。

iPhone的电池容量一直不高,但续航并不算太差,其核心是对系统的优化和对芯片的调教。iOS系统有一套墓碑机制,它允许应用在进入后台后保留其状态,然后被“冻结”,确保它们在不活跃时进入低功耗状态,同时保留其状态以便快速恢复,以节省系统资源和电池。

安卓厂商这些年也在系统功耗优化方面做了很多努力。比如vivo通过系统轻量化提升了计算效率,通过不公平调度将系统资源优先分配给前台任务,提升了手机的续航体验。

OPPO也自研了“微架构超算引擎”,通过CPU调度平台,基于用户触觉、视觉、听觉为导向定制专属的CPU调频调度算法,降低高负载应用场景下的CPU功耗;支持动态帧率刷新,在不同场景下智能调整屏幕刷新率,降低高刷带来的屏幕功耗。

而荣耀的都江堰电源管理系统则是通过硬件芯片+软件算法结合,实现了对电量精准测量、电池使用安全和充放电策略的全方位管理和优化。

大家的思路都是通过系统层面的资源优化,来减少功耗,提高续航能力。

但随着大模型时代的到来,AI对端侧算力和电力的消耗也已经引发了不少的担忧。虽然还没有机构或者厂商,统计过大模型在手机侧的应用会带来多少电力的消耗,而且现在手机上的AI能力有限,人们对功耗的感知也不强烈,但随着AI在手机系统层面的深度应用,必然会加大人们的续航焦虑。

Group14 Technologies的首席执行官表示,智能手机新功能的不断增加驱动了对下一代电池技术的需求。他说:“如果硅负极电池能够提供超过50%的能量密度提升,那么无论设备的效率是否能同步提升,设备制造商在系统设计上的灵活性都将得到极大的增强。”

芯片厂商也在努力降低功耗。高通表示,骁龙X Elite芯片在运行微软的Copilot Plus人工智能助手时,电力消耗仅为传统芯片的十分之一,但性能输出却与之相当。

一直以来,电池材料的革新和手机系统和功能的膨胀是一个矛盾的两面,在即将到来的AI手机时代,除了电池材料的进步,如何降低手机本身的功耗将是保证体验的一大关键。


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