未来的智能手机

　　随着电子技术的不断发展，数码产品越来越贴近人们的生活。10年前手机仅仅作为一个通讯设备出现在人们的面前，但是在网络全球化的今天，手机俨然成为个人的“超级计算机”，日益强大的性能和丰富的功能不断地改变着人们手机使用的态度，让人们对手机的依赖性越来越强。 　　经历了数10年的发展，智能手机已经逐步按照操作系统形成了3大阵营——苹果旗下的iOS、Google旗下的Android和微软旗下的Windows Phone。未来各大厂商争夺市场的武器中，硬件性能的地位并非被摆在首位。不过，这也符合智能手机平台的特征，智能手机更多地是一个包括软件和应用在内的整体产品，用户无法通过升级某个硬件来获得设备性能的提升，在性能足够的前提下，外观设计、材质、品牌等因素都可能被置于硬件配置之上被优先考虑。 　　但从另一方面而言，更加丰富的应用必定会依赖于更强悍的硬件性能才能生存，这也促进了智能手机硬件技术的进步，这一进步甚至超越了台式机和笔记本电脑等传统的硬件平台。 　　比如在处理器方面，用于iPhone的三代处理器Apple A4、Apple A5和Apple A6，每一代的性能几乎都达到了上一代的两倍，也就是说在短短两年的时间内，苹果公司A系列处理器的性能提升了8倍，这一增长幅度远远超越了摩尔定律。同样的事情还出现在显示技术上，两年前许多手机还在使用800×600分辨率的显示屏，而如今主流手机的分辨率竟骤增到了1080p。要知道，在主流台式机平台上，Full HD尚未完全普及，而用到Full HD分辨率的13英寸笔记本电脑更是凤毛麟角。 　　未来智能手机和平板电脑的硬件规格还能够有如此高速的发展吗？近年来智能手机出现的硬件规格的爆发式提升也许将放缓脚步——毕竟此前的发展大多得益于后发优势，而现在这一优势已经不再明显。比如在这类对续航能力要求极高的平台上，处理器的性能要受到电池供电能力的限制，而电池的容量增长速度远远慢于硬件规格的提升，因此未来超节能处理器的性能增长将会更接近摩尔定律；在超越人类视网膜的极限之后，屏幕分辨率继续提升的意义也已经不大，拥有3D效果、提高在强光下观看的舒适度、节约电能等特性也是未来的发展方向。结合无线芯片和传感器技术，智能手机将会产生更多的应用。同时，电池的发展也不可忽视，容量更大、可充电次数更多的电池将是智能手机和平板电脑进化的强劲保障。 　　处理器各显神通 　　在移动领域，ARM一直是需要高性能低功耗产品的嵌入式领域的设计规范，它通过出售芯片技术授权的方式，建立起新型的微处理器设计、生产和销售商业模式，并将其授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商。高通、三星、英伟达等厂商都积极地在此规范之上依靠自己计算、通信、图形等各个领域的经验长处开发着专属的处理器平台，此外，英特尔也在一旁虎视眈眈，x86处理器也逐渐已经开始进军手机领域。 　　在智能手机领域，ARM架构处理器占据着绝对优势，不过生产ARM处理器的数家顶级厂商之间的竞争却从未停止。我们所见到的智能手机处理器几乎都源自ARM所设立的标准。 　　在当今的处理器阵营中，高通的骁龙系列处理器犹如一颗璀璨的明星，光彩夺目。其中骁龙800系列处理器凭借最高可达2.3GHz的四核Krait 400 CPU和超越上一代产品50%图形处理性能的Adreno 330 GPU，在绝对性能方面傲视群雄。如今许多品牌的旗舰级手机采用的处理器都是高通公司的骁龙600和骁龙800系列，如HTC One、LG Optimus G Pro、小米2S等手机均选择了骁龙600系列处理器，索尼的新旗舰巨屏手机Xperia Z Ultra则采用了最新的骁龙800处理器。 　　除此之外，高通在无线通信领域方面的优势也是其有力的武器。随着多模多频段的3G和4G网络的兴起，手机所支持的频段越多，就越容易受到经常漫游各地消费者的钟爱。如今新一代的高通骁龙处理器均配备了高通公司第三代4G LTE调制解调器，它支持LTEFDD、LTETDD、WCDMA、CDMA1x、EV-DO、TD-SCDMA和GSM等网络，基本涵盖了目前所有主流的网络制式，一台机器全网通吃不再是梦。凭借高通处理器在通讯方面的优势，就连三星新一代旗舰手机GALAXY S4在欧洲销售的机型也都不得不舍弃自家的Exynos 5410处理器而采用支持4G LTE网络的高通骁龙600处理器。 　　如果说高通的优势在于无线通信，那么英伟达则是大家熟知的PC时代的图形专家；Tegra是英伟达于2008年洞察到移动领域的巨大潜力后，适时推出的基于ARM构架的通用处理器品牌。自从Tegra3起，英伟达就开始在Tegra处理器当中采用为减低功耗而考虑的独特“4+1结构”，其特色在于“动态待机”，如在执行音乐、视频播放这种低负载任务时，全部4个主核心皆关闭以节能，仅留下协核心运行。而在运行需要更高性能的应用时，则按需逐个开启主核心，同时关闭协核心。这一点与三星最新的Exynos 5410处理器颇有相似之处，Exynos 5410内部采用4个Cortex-A15和4个Cortex-A7核心，不过该处理器仅支持big.LITTLE架构的群体迁移方式，在实际工作时同时最多只有4个内核工作，其中A15架构处理器负责处理繁重的工作负载，而A7架构处理器则应付一些日常应用。 　　抛开庞大的ARM阵营，移动领域还有另外一位重量级选手——英特尔。英特尔在智能手机平台的首个产品，是我们所熟知的与联想共同推出的K800，随后升级版处理器——Atom Z2480单核凭借2GHz的主频让摩托罗拉MT788大放异彩，打破了长久以来的单纯“多核战争”的局面，由此x86与ARM的战争也逐渐拉开。 　　虽然在核心数量上并不占优势，但是英特尔 Atom处理器支持PC上才有的超线程技术，确保处理器能并行执行两个指令线程，以单核模拟双核环境，满足了当前多任务环境下对性能和系统响应能力的要求。实际的性能测试也显示出它在核心方面足以具备以一敌二、以二敌四的能力。 　　如今采用英特尔Atom Z2580处理器的联想K900和中兴V975（Geek）手机的优异表现让我们对英特尔手机处理器的性能刮目相看。不过不得不说的是，其支持的网络制式少得可怜，仅支持GSM与WCDMA的单卡双模，让其在采用高通处理器几乎支持全系网络制式的产品面前显得相形见绌。 　　如今这种“残酷”的竞争看起来对英特尔和英伟达较为有利。英特尔在制程和架构方面积累了大量经验，这些红利将在今后一段时间内逐步体现出来。而英伟达则成功地整合了ARM移动架构和有高性能潜力的图形内核，凭借其在这方面的丰富经验，它能够胸有成竹地推出未来数代超节能处理器的发展规划。高通在无线通讯方面具有相当的优势，并且在硬件设计方面具有雄厚的实力，但是这些优势在制程面前显得有些单薄。苹果、三星则看起来不用过分发愁，因为它们的处理器通常是“自产自销”，即使有所延误，也会凭借其较大的市场占有率和粉丝群体成功渡过难关。未来智能手机处理器的大战仍旧大有看头。 　　屏幕不再只是分辨率 　　手机屏幕作为手机重要的一个组成部分，其显示效果会直接影响到整机的体验。目前关于屏幕的概念名词非常多，让人难以区分。目前主流的手机屏幕材质可归结为两类：LCD与OLED。LCD是一种较为传统的屏幕材质，技术比较成熟，往下延伸可分为更多子类型，如TFT、IPS、SLCD等。这里需要提出的是，TFT与LCD在概念上有重叠，TFT又被认为是所有LCD面板的统称，在这里我们根据一般使用方式，将TFT归属为LCD的一个子分类。 　　传统的LCD屏幕 　　TFT屏幕的表现效果中规中矩，属于液晶面板中的“元老”。虽然理论上TFT算是比较老的一种屏幕材质，但由于大厂针对这些产品进行了技术优化，所以可以让其实达到不错的显示效果。采用该面板的机型也比较广泛，如三星GALAXY Mega 5.8、索尼Xperia Z等用的都是TFT屏幕。不过部分小品牌的手机产品为节省成本，采用较为低廉的TFT屏幕，其显示效果就有些参差不齐了。 　　IPS屏幕俗称“Super TFT”，从名字可以看出，IPS屏幕是基于TFT屏幕的进阶版，但其实质还是TFT屏幕。IPS屏幕的优势是显示效果通透、亮丽，可视角度大，可以达到接近180°的可视角度。在实际应用中，IPS屏幕最为典型的案例是苹果的iPhone系列，如iPhone 4S、iPhone 5。同样也是苹果iPhone让IPS屏幕在手机中的应用中发扬光大。另外，诺基亚Lumia920，中兴V975（Geek）、华为Ascend D2也使用的是IPS屏幕，但是同为IPS屏幕，显示效果却有着些许差异，这也取决于IPS的显示技术与优化力度。 　　除了TFT和IPS屏幕外，SLCD屏幕也是LCD屏幕中的一大类别，SLCD的全称为Super LCD，可以说SLCD屏幕是LCD屏幕的高级进化版，该屏幕在色彩表现和可视角度方面更为接近于OLED屏的显示效果，而且色彩还原比较真实，不会显得偏色。 　　SLCD屏幕的流行主要归功于HTC，因为该品牌旗下的大部分主流机型都采用该材质的屏幕，并且取得了非常不错的市场认可。如HTC的One系列中的One X和One V两款机型，采用的就是SLCD二代屏幕，新的HTC One则采用了SLCD三代屏幕。该屏幕的显示效果有目共睹，通透性非常出色，饱和度也把控得很到位，得到了很多用户的高度认可。 　　新生代的OLED 　　OLED屏幕与LCD屏的最大差异是，OLED屏是通过像素自发光来显示图像。从这个角度上来讲，OLED屏幕比LCD屏幕的技术要更加先进。另外OLED屏在厚度上可以做得更薄，从而有利于控制整机的厚度。想当年三星GALAXY S2以8.49mm的纤薄厚度征服了全球的目光，其所采用的超薄Super AMOLED Plus屏幕功不可没。 　　目前主流AMOLED屏幕属于OLED屏的一个分支，主要技术掌握在三星手中。AMOLED屏幕在发展过程中衍生出了很多不同的版本，比如AMOLED、Super AMOLED、Super AMOLED Plus以及Super AMOLED Advanced等等。Super AMOLED屏幕色彩饱和度高，显示艳丽，但它采用P排列，颗粒感较强。好在Super AMOLED Advanced和Super AMOLEDHD屏幕拥有较高的分辨率，在一定程度上可以缓解颗粒感，特别是HD Super AMOLED屏幕的颗粒感已经控制得很好了，使用体验已经非常出色。例如三星当今的旗舰手机Galxy S4采用的就是Super AMOLED HD屏幕，其色彩表现非常到位，1080p的分辨率也让我们丝毫感受不到颗粒感。 　　如今，高端智能手机的屏幕分辨率已经从去年的720p跃升至1080p的水平，在这种分辨率下，即便是5英寸屏幕的像素密度也已高达440ppi以上，远远超出了人眼可识别的300ppi的极限。而手机的屏幕尺寸由于受到便携性的限制不可能无限制地增加，可以预料在没有特殊需求的推动下，高端手机屏幕的分辨率之战或许会进入一个短暂的“停火期”。因此预计各大屏幕制造商的交火点未来依然将在显示效果、厚度、能耗和功能化等几个方面。 　　可弯曲的柔性屏幕 　　在今年年初的CES展会上，三星展示了采用其柔性屏的“Youm”，它能够在仅有0.6mm的轻薄透明材料上提供显示能力。虽然如此之薄，但显示效果却并未打折扣。“Youm”的主要原理是将以往在屏幕中采用的玻璃物料改为塑料，配合发光有机物料提供画面显示。它能够保留AMOLED屏幕颜色显示丰富、省电、可视角度高、对比度高及反应速度快等优点，并能提供超薄、可弯曲以及不易碎的特性，相对于目前现有的显示技术来说，这是一项重大创新。 　　如今除了三星外，LG已经开始批量生产其推出的柔性塑料电子纸显示屏EPD（Plastic Electronic Paper Display）。EPD首次用塑料电子墨水基板取代传统的玻璃基板，这使产品具有了柔韧性，可以弯曲，这也是全球首款已经进入实际生产的柔性屏幕。 　　苹果也已经申请了一项柔性屏幕新专利，这项技术不仅能够允许屏幕弯曲，还可以模拟物理按键的触感、反弹感，并且可以发出声音，让一些科幻设想有了实现的可能。我们有理由相信凭借可以令电子产品形态更加多变的优势，柔性显示屏有望成为消费电子产品、特别是智能手机未来几年的主流。 　　摄像头超越DC 　　作为手机的一项附加功能，手机的数码相机功能得到了迅速的发展，其中的关键指标像素数从早期的30万像素逐步升级到如今主流的800万像素、1 300万像素甚至更高，大有取代中、低端卡片数码相机的趋势。有些手机厂商以拍照为主打功能的手机，其拍照功能大有喧宾夺主的气势。 　　经过多年的发展，目前绝大多数主流手机的影像传感器均用了背照式CMOS设计，这种设计将感光层的元件调整了位置，让光线可避免受到微透镜和广电二极管之间电路和晶体管的影响。相比传统的CMOS，背照式CMOS可以显著提高光的效能，大大改善低光照条件下的拍摄质量。如今市面上常见的iPhone 5，三星GALAXY S3、GALAXY Note 2和小米2等主流800W像素的手机均采用的是这类CMOS。 　　如今在背照式CMOS的技术上，索尼公司开发出了新的堆栈式CMOS传感器“Exmor RS CMOS”，新传感器将原本需紧靠感光组件的电路部分置于感光组件的下方，使得设备内部拥有更多的空间。在实现功能多样化的同时，还做到了小型化。该CMOS一举将像素数提升到了1 300万，同时还能拥有上佳的画质表现。采用索尼Exmor RS CMOS的手机目前主要有索尼Xperia Z、三星GALAXY S4、OPPO Find5、联想K900和小米2S等机型。 　　除了CMOS方面的改进，许多厂商也开始在镜头内加入光学防抖技术，这可以大大减少拍照时手部抖动造成的图片模糊，由于光学防抖技术的存在，在拍照时我们可以使用较长的曝光时间，显著提升暗光线下的拍摄效果。如诺基亚的Lumia 920/925等机型，采用了配备F2.0大光圈的卡尔蔡司镜头和光学防抖技术（OIS），在暗光下拥有十分出众的拍摄效果。 　　由于手机体积和厚度的限制，影像传感器的体积都非常小巧，大多数手机采用的都是1/3.06英寸规格的感光元件和较小尺寸的镜头，这同时也限制了手机摄像头的成像能力。于是许多手机厂商在其主打拍照功能的手机中将CMOS和镜头的规格进行了大幅的提升，如诺基亚Lumia 1020采用了1/1.5英寸的背照式感光元件，而诺基亚独有的PureView技术让每7个像素点整合成一个“超级像素点”，这也就意味着，同样条件下，同样强度的光线在进入镜头后会照射到比一般500万像素传感器所拥有的大得多的像素点上。因此，采用PureView技术的手机摄像头在弱光情况下出现的噪点会大大减少，成像质量也就会明显提高。与此类似的技术还有HTC采用的UltraPixel，采用该技术摄像头的CMOS由3层感光元件组成，单个像素点的尺寸达到了普通手机摄像头的3倍以上，可以捕捉到更多的光线，通过搭配光学防抖技术，它同样可以在弱光环境下拍摄出惊艳的照片。 　　除了以上的机型，手机厂商们也不乏有更加激进的做法，如三星为其S4 Zoom手机配备了10倍光学变焦的镜头和1/2.3英寸的1 600万像素影像传感器，俨然一副主流卡片数码相机的配置，不过这样的做法带来的是厚重的机身，并不是所有消费者都能接受这种混搭的设计。 　　在现有技术下，由于手机便携性的限制，镜头的尺寸不可能无限制增大，于是人们开始将研究方向的重点放在了提高影像传感器性能方面。不久前，新加坡南洋理工大学的研究人员使用纯石墨烯制作出一种高光敏感度的传感器，这种新型传感器的关键在于使用了“滞留光线”的纳米结构，它采用能够比传统的传感器更长时间捕获产生光线的电子微粒，这就会导致传感器产生一种更强的电信号。据称，采用该技术的影像传感器的感光性能比传统影像传感器强1 000倍，即使是在十分昏暗的光线环境中，依然能够捕捉到明亮、清晰的影像。如果这种影像传感器能够实用化，那么对于手机的摄像头乃至整个摄影界都会是一场革命。 　　电池未来很美好 　　由于智能手机既要强调便携性，同时又要具有足够的性能，因此电能供应成为制约智能手机发展的重要问题。尽管近年来锂离子电池技术的研究不断出现突破，但电池能量的增长却远远赶不上需求。 　　虽然主流手机的屏幕变得越来越大，但是由于人们对于轻薄机身无止境地追求导致留给电池的空间不增反减。与智能手机飞速增长的用电需求相比，锂聚合物电池的能量密度年增长率仅为5%～7%，如今大多数主流手机的续航时间仅为一天左右，一天一充是非常普遍的状态，现有的电池技术已经远远跟不上步伐。 　　从2008～2013年之间iPhone和GALAXY S系列的电池能量密度走向图我们可以看到，iPhone 3GS使用的是能量密度较低的锂聚合物而非锂离子电池，而之后的GALAXY S2由于采用锂离子电池能量密度有了比较大的提升。GALAXY S2比iPhone 3GS增加了53%，GALAXY S3又比GALAXY S2增加了27%，之后GALAXY S4在GALAXY S3上有10%的提升；GALAXY S4和iPhone 5则相差无几。可见电池能量密度提升得越来越慢。这也说明三星和苹果在当前材料的潜力挖掘上越来越接近极限了。 　　现有电池技术似乎已经走入了死胡同，世界各国的研究人员正尝试不同的方法，研发更强大的电池。一个方向是提高电池的能量密度，如卡尔斯鲁厄理工学院的纳米技术研究所正在制定新的架构，研发一种可能比锂离子电池的能量密度高20倍的新型电池。这种电池使用金属阳极和金属氟化物阴极，据研究人员介绍这种材料的一大优势是，能量密度高达5 000Wh/l，而目前的锂离子电池则只有区区的250Wh/l。 　　除了提高电池的能量密度外，减少电池的充电时间也是另一种不错的方法，美国伊利诺伊州西北大学的研究人员已经开发出了一种硅阳极的电池，通过让锂离子在两个电极之间更快地移动来加快充电的速度，其充电性能将是传统电池的10倍，这就意味着新型电池只需充不到2min的电，即可支持手机持续通话超过100h。 　　外壳更加耐用 　　俗话说人靠衣裳马靠鞍，作为一款手机，性能和功能固然重要。但是不可否认的是，手机的衣服——外壳材质也对购买者或多或少起到一些引导作用。在这个追求品位的年代，手机除了拥有作为电子产品的功能之外，另一个重要用途就是用来满足部分人群面子工程的需要。所以主流手机厂商们也在手机的外壳材质方面做了很多文章，好让它们的手机产品看起来更加时尚。 　　聚碳酸酯是一种高分子聚合物材料，由于其牢固和轻便的特性，受到了许多智能手机厂商的宠爱。如今市面上许多主流手机都采用聚碳酸酯材质来制造手机外壳，如三星GALAXY S4、HTC One X。不过恰恰是由于聚碳酸酯的低成本和高可塑性，所以这类材料被大量的用于许多低端机型，加之塑料一词本身就给人以廉价的感觉，所以采用这类外壳材质的高端手机也免不了被许多消费者戴上“塑料手机”和“廉价货”的帽子。 　　在很多年前，高端的黑白显示屏手机大都使用金属材质打造。于是金属材质一度成为高端的象征，随着材料技术的进步，金属材质的外壳成本已经不再那么高不可攀，采用金属外壳的手机也已经不是什么稀罕物。如今许多手机的金属外壳会选择采用铝材质，比较有名的是诺基亚N8的阳极氧化铝和HTC One S的微弧阳极氧化铝合金。这些所谓的“合金材料”，主要原料是金属铝，通过掺入少量的镁或是其他的金属材料来加强其硬度，依据添加金属的不同而被称为镁铝合金或钛铝合金。除了拥有远超普通塑料材质的硬度外，铝合金材料还十分容易上色，简直是高端智能手机最为理想的伴侣。如iPhone 5的外壳通过阳极氧化铝的工艺让颜色附着在手机壳的表面，只不过这种颜色只是薄薄的一个涂层，很容易在磕蹭中脱落，露出铝合金原本的质地和颜色（主要是白色），这样反而会大大影响手机的美观程度。 　　除了塑料和金属材质外，如果不是苹果第一个吃螃蟹，有谁能想到玻璃也可以做成手机外壳呢？当乔布斯将采用双面玻璃设计的iPhone 4展现在世人面前时，现场的观众们无不为之倾倒。目前除了苹果iPhone 4和iPhone 4S之外，采用双面玻璃设计的手机还有索尼Xperia Z和Google Nexus 4。这些手机敢于使用双面玻璃材质要归功于康宁发明的大猩猩玻璃，这种玻璃具有光滑和硬度高的特点，非常耐磨，普通的金属无法在其表面留下痕迹。不过其缺点也十分明显，由于抗冲击性较差，如果不小心跌落到硬地面上很可能会导致外壳碎裂。 　　除了以上各种传统的材料外，研究人员也在不断尝试着新的材料，其中获得2010年诺贝尔物理学奖石墨烯成了材料学家研究的重要对象，石墨烯是目前世界上已发现的最轻、最坚硬的纳米材料。如果将这种材料制作成手机外壳，可以想象，我们的手机可以变得多么坚固耐用。如果苹果公司选用这种材料来制作手机外壳的话，相信Send Me To Heaven（一个将你的手机尽可能地向上抛的APP，该APP可以记录下你抛起手机的高度，并把成绩加入到一个全球性的排行榜中）就不会被苹果限制上架了。不过由于技术的限制，这种材料依然十分昂贵，但我们相信随着技术的进步，在不久的将来，使用轻盈又坚固的石墨烯材料外壳的手机将会出现在我们的面前。 　　总结 　　近几年来，智能手机市场持续保持快速地成长，究其原因是因为人们对于智能手机日益高涨的需求所致。苹果iPhone手机取得的巨大成功，也让各大厂商看到了智能终端市场蕴藏的无限商机。它们纷纷强势出击，不断发布各种形态和功能多样的智能手机新品，让智能手机市场的竞争趋近白热化，同时也让其成为科技创新的热点，这是一个非常良好的势态，它可以让人们在第一时间感受到科技带来的便利。在这个科技大爆炸的年代，我们有理由相信未来的智能手机可以让我们的生活变得更加丰富多彩。