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2015-09-02

芯太热,这或许是做移动产品最大的技术问题

本文由杨作兴博士授权「深圳湾」发表,在原文基础上有略微改动。

未来是移动的天下,这已经是不争的趋势!视频监控领域也正在经历这样的变革。

百度的「小度 i 耳目」摄像头,360 的小水滴智能摄像机,还有丁丁拍和极路客等这些产品,都不迫不及待地摆脱了数据线的束缚,迈出了从固定向移动的重要一步。而 GoPro,腾讯的 Qlippie,多轴无人机等则更加彻底一些,已经完全放弃了有线数据传输,真正实现了移动监控摄像头的功能。从固定到无线,可谓是大势所趋。

但几乎所有的移动解决方案,都必然面临一个最大障碍:芯片太热了!「芯太热」是一个普遍现象,以下我尝试用专业技术知识来剖析下,为什么会太热?

我们先看看一个基本物理规律:

P=K_c2s * deltT_c2s=K_s2a * deltT_s2a。
P:监控设备芯片的总功耗;
K_c2s:监控设备从芯片的 PN 结到设备表面的散热系数,跟监控设备的散热表面积的大小有关,表面积越小,这个系数越大;
deltT_c2s:监控设备从芯片的 PN 结到监控设备表面的温差;
K_s2a:监控设备表面到大气环境的散热系数,跟监控设备的散热表面积的大小有关,表面积越小,这个系数越大;
deltT_s2a:监控设备表面到大气环境的温差。

举个例子,一个监控设备的功耗 P 是 3W,散热系数 K_c2s 是 0.1W/度, 那么温差 deltT_c2s 就是 30 度,散热系数 K_s2a 是 0.2W/度, 那么温差 deltT_s2a 就是 15 度。如果大气温度是 25 度,那么产品表面温度就是 40 度(25 度+15 度=40 度),芯片 PN 结结温就是 70 度(40 度+30 度=70 度)。

我们知道芯片是移动智能产品的核心,最关键的部件。一件合格的移动产品,需要保证两个温度不能超标:一个是芯片 PN 结的结温不要超过 120 度,超过 120 度就不在芯片的安全保证范围了,可能让芯片过热,出现永久损坏;另外一个是设备表面的温度不要超标,40 度以内为好,55 度就有些烫手了。根据上面那个公式,我们来看看以下三个应用领域实际效果和问题。

一、家用无线监控摄像头

假定居室温度平均温度为 25 度,那么:

1. 如果,将产品做小,表面积缩小一半,那温升基本会 double,即产品的表面温度将从 40 度提高到 55 度(25 度+30 度=55 度),芯片 PN 结温将从 70 度提高到 115 度(55 度+60 度=115 度)。

2. 如果,将图像分辨率从 720P 提高到 1080P,功耗 P 基本会 double,温升会 double,即产品表面的温度,将会从 40 度提高到 55 度,芯片 PN 结温将从 70 度提到到 115 度。

3. 如果,将解码芯片从 H264 升级到 H265,功耗 P 基本会 double,温升会 double,即产品表面的温度将从 40 度提高到 55 度,芯片 PN 结温将从 70 度提到到 115 度。

也就是说,以现有芯片的技术和特性,目前家用监控摄像头的温度控制情况是——通过控制散热面积和功耗,将设备表面温度控制在 50 度左右,虽然略微有点高,但还可以接受。不过,如果接下去技术继续革新,开始使用 1080P 分辨率和 H265 芯片,那么,家用监控摄像头的温控效果,恐怕就要面临比较大的挑战了。

二、行车记录仪

行车记录仪面临的挑战比家用监控摄像头更大:

1. 此类摄像头的视频分辨率基本上以 1080P 为主,功耗基本上是家用的两倍,温升也是加倍。

2. 汽车一个新的趋势是「24 小时监控」,这里的一个主要技术难题是室外停车:在汽车被暴晒的情况下,车内温度可能达到 70-80 度,即行驶记录仪的大气环境提高了 50 度左右,这时,可能造成芯片过热,形成产品永久损坏。

所以,理论上来说,行车记录仪在温控方面的挑战,要远远大于家用无线监控产品。此时,芯片的功耗如果没有数倍的降低,「24 小时监控」也许只能是一个梦想而已。

三、穿戴式摄像头

以目前的应用场景来了解,我认为穿戴式摄像头在温控上的挑战可能是最大的,理由如下:

1. 体积适宜方面,对穿戴式摄像头要求更高。作为上述三种摄像头里边体积最小,表面积也最小的设备,在同样功耗下,产品表面温度也会更高。

2. 客户体验方面,用户希望设备表面的温度最好是比体温低一点,一种凉爽感觉为适宜,如果超出范围,会直接导致用户体验过差,影响产品效果。

显然,由于穿戴用品的两个必然前提方面,对芯片的技术耗能要求非常苛刻,苛刻到目前的主流监控芯片,可能都无法满足这个要求。

综上所述,从固定到移动是一个共同梦想,但却面临着「芯太热」这个大门槛。如何有效解决这个难题?是减低产品性能,还是在低功耗方面发力?希望芯片业界的低功耗专家能在低功耗方面有所突破,这样我们才能在保持高性能的基本前提下,让「移动的梦想」飞起来。

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童圣 2015-09-06 12:06

^_^

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