Smartphone 2020: S UI v síti příští generace

Fotoaparát, fotoaparát, fotoaparát - reklamní poutače na nové vlajkové lodi neumí již několik let nabízet nic lepšího než kvalitu použitého fotoaparátu. Má to svou logiku, protože dnes vládne obliba fotografování všeho a vždy a okamžitého sdílení pořízených snímků na sociálních sítích. Samozřejmé je to i z technologického pohledu. Fotoaparáty mobilních telefonů prošly intenzivním vývojem, který se nezastavil jen u kvality, ale zaměřuje se i na kvantitu. Tři zadní fotoaparáty přináší do tenkého těla smartphonu možnost optického zoomu, dokážou zaznamenávat snímky s dříve v této kategorii nepředstavitelným rozlišením a umožní i snímání širokoúhlých záběrů. Vývoj telefonních fotoaparátů bude samozřejmě pokračovat i nadále, ale v příštích letech se hlavního zájmu dočkají i jiné komponenty, jako je například procesor.

Většina SoC (System on Chip) procesorů chytrých telefonů dostane dříve nebo později umělou inteligenci, která bude integrována buď přímo do architektury čipu, nebo bude mít podobu přídavného modulu. V nejbližších letech se zásadního vylepšení dočkají i jiné součásti smartphonů: nové typy displejů přinesou vyšší jas a lepší obraz, exotické materiály radikálně zvýší odolnost a pevnost šasi, ani ne tak vůči pádům, ale vůči působení přírodních jevů, jako je znečištění nebo intenzivní déšť. Nové technologie baterií přinesou delší výdrž a rychlejší nabíjení. Větší zásoba energie a úspornější provoz budou nutné, protože nové modely smartphonů budou připojeny do příští, páté generace mobilních sítí. Ta již bude představovat opravdový internet věcí. Budou do ní připojeny miliardy zařízení a chytré telefony budou muset dokázat jejich informace zpracovat, což bude vyžadovat větší výpočetní výkon, a tudíž i více energie. Chytré telefony 5. generace budou v roce 2020 vypadat prakticky stejně jako ty dnešní, ale budou rychlejší a mnohem provázanější s bezdrátovým okolím, z něhož budou přijímat a zpracovávat více informací.

Ještě chytřejší smartphony

Uniklá prezentace společnosti SoftBank, obrovské japonské firmy, která je jedním z investorů výrobce procesorů Qualcomm, odhaluje, jak proběhne začátek transformace chytrých telefonů. Na jednom slidu je zmíněný příští SoC Qualcommu s označením Snapdragon 855, který má být historicky prvním procesorem založeným na 7nm výrobním procesu. Přechod ze současného 10nm na 7nm výrobní proces přinese v oblasti procesorů pro mobilní telefony přibližně 20procentní zvýšení efektivity a výpočetního výkonu. To přinese prostor pro přidání dalších výpočetních jednotek a speciálních čipů, které přenesou neurální sítě z internetu přímo do těla chytrého telefonu. V jednom zařízení se bude dokonce moci nacházet větší počet takových jednotek, které pak dokážou zároveň ovládat jazykového asistenta podle analýzy jazyka a rozpoznávání tváře. Smartphone tak mimo jiné snadno umožní tlumočení ze znakového jazyka do mluvené řeči.

Umělá inteligence na dosah

Google zakomponoval do nejnovější verze systému Android 8.1 infrastrukturu pro podporu umělé inteligence. Systémové rozhraní zvané Neural Networks API (NNAPI) slouží k propojení aplikací, hardwaru a frameworku umělé inteligence. Díky tomu budou vývojáři aplikací schopni využívat lokální neurální sítě umístěné přímo ve smartphonu a vychované pomocí některých známých frameworků, jako jsou například Google TensorFlow nebo Facebook Caffe. NNAPI dále umožní spolupráci neurální sítě s různými typy hardwarových čipů určených pro zpracování umělé inteligence, ať už jsou částí SoC, nebo se jedná o samostatné procesory.

Již před rokem uvedla na trh podobný procesor společnost Huawei. Neurální procesorová jednotka (NPU) spolupracuje v nové generaci procesorů Kirin s fotoaparátem smartphonu a má na starosti úpravu a vylepšování snímků podle typu snímaného objektu. Tato neurální síť ale zatím dokáže rozlišit pouze několik kategorií objektů, jako jsou květiny, jídlo nebo zvířata. Jak bude vypadat budoucnost procesorů pro chytré telefony, ukazuje společnost ARM. Ta založila projekt Trillium, který pro heterogenní prostředí SoC čipů této architektury nabízí AI procesor, vzory pro rozpoznávání objektů i vlastní NN (Neural Network) rozhraní. Projekt si klade za cíl zvýšit výpočetní výkon procesorů pro práci s umělou inteligencí tak, aby uměla rozpoznat větší množství kategorií objektů. Kromě typu zaznamenávaného objektu dokáže tento projekt například pomocí mobilního telefonu rozpoznat podle držení těla i emoce fotografovaných lidí. Umělá inteligence bude také v blízké budoucnosti schopná sledovat výstupy různých senzorů integrovaných do smartphonu a zavčas tak například odhalit přehřívání baterie.

Baterie s vyšší kapacitou a rychlejším nabíjením

Baterie totiž mohou hořet, jak se o tom nemile přesvědčil v roce 2016 Samsung po uvedení špičkového modelu Note 7. Minulý rok Samsung oznámil, že pracuje na vývoji baterií, ve kterých nahradí tekutý elektrolyt pevným a nehořlavým materiálem. Vývoj takové baterie ale stále probíhá a vypadá to, že se jí v nejbližší době nedočkáme.
Pro příští léta tedy očekáváme spíše zvyšování absorpční kapacity akumulátorů. Hlavní problém představuje anoda, která se při reakci iontů lithia a křemíku několikanásobně zvětšuje. Pro rychlejší dobíjení a zvýšení kapacity akumulátoru je tedy nutné najít materiál, který se se zvětšováním vyrovná lépe než v současné době používaný grafit. Samsung vyvinul grafénovou izolační vrstvu, která se dokáže perfektně přizpůsobit zvětšování křemíku. Ještě lepší než grafén by ale byla anoda vyrobená z čistého křemíku, kterou vyvinuli v Institutu vývoje materiálů na univerzitě v Kielu. Taková baterie dokáže uchovat desetkrát více energie než běžně používané akumulátory s grafitovou anodou, obsahující pouze 10 procent křemíku. Při dobíjení se nová anoda vyrobená z mikrovodičů dokáže zvětšit až čtyřikrát.

Dokonalý displej s microLED

Spokojenost zákazníků závisí nejen na dlouhé výdrži baterie, ale také na co nejkvalitnějším displeji smartphonu. Z tohoto důvodu používají výrobci u svých vlajkových telefonů drahé OLED (AMOLED) displeje. Kromě zářivých barev ale tato technologie přináší i jeden zásadní problém, kterým je postupná degradace použitého organického materiálu a jistá náchylnost k vypalování statických vzorů. Ideální alternativu k OLED displejům by mohly přinést panely osazené miniaturními svíticími microLED diodami. MicroLED diody se totiž obejdou bez organického materiálu, mají dlouhou životnost a jsou imunní vůči vypalování. Dokážou zobrazit excelentní černou, stejně jako zářivé barvy a dosahují ještě vyššího kontrastního poměru než OLED panely.

Vývoj microLED diod ještě není v takovém stadiu, které by umožňovalo jejich sériovou produkci. Podobně jako procesory se microLED diody vyrábí a vyřezávají z křemíkových waferů a poté se přenesou na substrát zobrazovacího panelu. Právě při fázi přenosu ale dochází k častému poškození microLED vrstvy. Určitou naději přináší výzkum společnosti Plessey Semiconductors, při kterém se podařilo vyrobit microLED diody přímo na substrátu zobrazovacího panelu. Firma Plessey má začít sériovou výrobu těchto displejů ještě letos a zároveň zveřejnila licenční podmínky, za kterých budou moci tuto technologii používat i největší světoví výrobci displejů.

Samočisticí smartphony

Chytrý telefon dnes používáme snad častěji než cokoliv jiného, což znamená, že jeho šasi a displej musí vydržet otřesy, nárazy, vlhkost i rychlé teplotní změny. Slušnou ochranu proti tomu nabízí dnes tak populární ochranné obaly, ovšem s tou nevýhodou, že z tenkého, lehkého a elegantního přístroje udělají jen nevzhlednou černou krabičku. Bylo by mnohem praktičtější, kdyby jako ochranný kryt dokázalo fungovat už šasi telefonu. V Německém Technologickém institutu v Karlsruhe vyvinuli vědci průhledný materiál, který odporuje vodu a je odolný vůči poškrábání. Dopadne-li na materiál zvaný Fluoropor voda nebo olej, jednoduše po něm steče jako kapka po listu. Podle autorů tohoto vynálezu je možné Fluoropor bez problémů nanést na záda smartphonu a v současné době probíhají jednání s několika výrobci mobilních telefonů. Prozatím ještě probíhají testy, zda je tento materiál možné použít i na čelní stranu telefonu. Teoreticky to možné je, ale musel by být nanesen v extrémně tenké vrstvě, která by neovlivňovala dotykové vlastnosti displeje. Prozatím probíhají testy, které mají za úkol zjistit, jak se bude tak tenká vrstva chovat při dlouhodobém používání.

V síti příští generace

Vodu a špínu odpuzující smartphone s dokonalým displejem a baterií, která vydrží na několik dní provozu a dobije se během chvilky, bude v roce 2020 připojen do nové generace mobilní sítě. 5G síť budou operátoři pozvolna spouštět už od příštího roku a během následujících deseti let bude hlavním prostředníkem pro rychlé datové přenosy. Chytré telefony budou jen jedním z mnoha typů zařízení připojených do této sítě. Kromě nich se o propustnost 5G podělí i samořiditelné automobily, internet věcí a možná i televizní vysílání, o jehož implementaci do 5G se dnes vážně uvažuje. To vše ale bude od smartphonů vyžadovat vysoký výpočetní výkon.

A zde přichází opět do hry již zmiňovaný Snapdragon 855, který by se měl poprvé objevit příští rok v telefonu Samsung Galaxy S10. Uniklá prezentace Softbank ukazuje, že Qualcomm umístil do příští generace svého SoC ne jeden, ale hned dva modemy s označením X24 a X50.

Ještě rychlejší LTE

Modem X24 přináší upgrade na ještě rychlejší připojení do sítě LTE. Jako první zařízení svého druhu podporuje LTE Cat. 20 a dosahuje maximální propustnosti 2 Gb/s při stahování a 316 Mb/s při odesílání dat. Tyto údaje jsou samozřejmě teoretické a při zapojení do běžné sítě jich uživatelé nedosahují. Mnohem důležitější je podpora až pěti kanálů nebo frekvenčních rozsahů a osazení technologií vícenásobných antén 4x4 MIMO. Díky tomu bude možné snadněji dosahovat co nejvyšších přenosových rychlostí.

Přechod na větší množství frekvenčních rozsahů bude také znamenat postupné vypínání starších sítí typu GSM nebo UMTS. V současnosti se uvažuje o vypnutí UMTS sítě někdy na konci roku 2020, ale uživatelé v místech s horším pokrytím LTE se nemusí obávat, že přijdou o signál. Ten bude pravděpodobně přenášen po frekvencích, na kterých v současnosti dobíhá vysílání DVB-T.

Přechod z 4G na 5G

Modem X50 je v procesoru Snapdragon 855 určen pouze pro komunikaci se sítí 5G. První sítě typu 5G by měly být zprovozněny příští rok, ale kompletní přechod na 5G zabere značnou část příštího desetiletí. Restrukturalizace sítí začne s technologií 5G NSA (5G Non-Standalone), jejíž výhoda spočívá v tom, že pro začátek není třeba stavět kompletní 5G síť, ale komunikace bude probíhat i po stávající infrastruktuře LTE (viz vpravo). Operátoři plánují v této síti využívat frekvenční bloky o šířce 100 MHz v rozsahu od 3,4 do 3,8 GHz. Frekvence se budou dražit v rámci aukce ČTU příští rok a s komerčním provozem první 5G sítě Vodafone počítá v druhé polovině příštího roku. První veřejnou ukázku sítě 5G předvedl Vodafone na začátku července během karlovarského filmového festivalu. Na frekvenci 3,5 GHz dosahovala průměrná propustnost při stahování hranice 1,8 Gb/s.

Kompletní „čisté“ 5G sítě, postavené pouze na komponentách nové generace, by se měly začít spouštět okolo roku 2021. Jejich prostředí umožní provoz celé řady služeb, od komunikace prvků internetu věcí až po broadbandové přenosy, po kterých bude možné přenášet i televizní vysílání v UHD kvalitě.

***

LTE Cat. 20: Další zrychlení

Modem X24 bude součástí příští rok uvedeného SoC Snapdragon 855. Podporuje LTE přenosy kategorie 20 s vyšší propustností stahování i odesílání dat.

X24 X20 X16
Uvedeno 2019 2018 2017
SoC Qualcomm Snapdragon 855 Snapdragon 845 Snapdragon 835
Použit v telefonu Samsung Galaxy S10* Sony Xperia XZ2 Samsung Galaxy S8
Počet kanálů pro stahování 7 x 20 MHz 5 x 20 MHz 4 x 20 MHz
Max. rychlost stahování 2 000 Mb/s 1 200 Mb/s 600 Mb/s
Technologie antén 4 x 4 MIMO po 5 kanálech 4 x 4 MIMO po 3 kanálech 4 x 4 MIMO po 2 kanálech
Počet kanálů pro odesílání 3 x 20 MHz 2 x 20 MHz 2 x 20 MHz
Max. rychlost odesílání 316 Mb/s 150 Mb/s 150 Mb/s
* Podle očekávání

***

5G funguje již dnes

Test provedený společností Qualcomm ukázal, že i v první fázi implemetace nabízí síť typu 5G o poznání kratší přístupovou dobu.

Doba odezvy (v ms)
5G NSA 8
LTE Cat. 20 15
LTE Cat. 18 20
LTE Cat. 16 21

Foto popis| Umělá inteligence jako součást systému Google integroval do Androidu 8.1 rozhraní Neural Networks API, které umožní komunikaci systému s různými typy umělých inteligencí a bude schopné k výpočtům využívat AI čipů různých výrobců.
Foto popis| Neurální sítě nemusí pracovat na samostatném AI čipu 1 . Lze využít i jiné komponenty SoC jednotky, jako jsou digitální signálový procesor 2 nebo grafická jednotka 3 .
Foto popis| AI pozná snímaný objekt Společnost Huawei využívá už dnes ve svých špičkových modelech smartphonů AI čip, který automaticky rozpozná fotografované objekty a podle nich optimalizuje nastavení snímku.
Foto popis| Umělá inteligence rozpozná situaci Britský výrobce procesorů ARM spustil projekt Trillium, který se zaměřuje na víceúrovňové využití AI. Jeden čip dokáže rozpoznávat objekty, druhý analyzuje jejich chování.
Foto popis| Nehořlavé pevné akumulátory Současné Li-Ion baterie využívají k přenosu iontů lithia tekutý elektrolyt. Pevné neboli tzv. Solid-State baterie se obejdou bez tekutých složek a jsou nehořlavé.
Foto popis| Grafénový kryt zvyšuje kapacitu baterie Samsung vyvinul grafénový obal lithiové baterie. Tento materiál dokáže uskladnit víc lithia než současný grafit, protože dokáže zvětšovat objem spolu s lithiem.
Foto popis| Křemíková anoda Anoda vyvinutá na univerzitě v Kielu se skládá z křemíkových vodičů a pro ukládání energie je vhodnější než grafén.
Foto popis| Lepší než OLED Drobné microLED diody, skládající se z červených, zelených a modrých pixelů, se nezávisle na sobě aktivují elektrickým proudem a dokážou složit vynikající černou.
Foto popis| Materiál Fluoropor dokáže ochránit kryt smartphonu před průnikem kapaliny a prachem. Navíc se nikdy neušpiní.
Foto popis| 5G: Sítě nové generace budou mít dvě podoby V první fázi budou sítě typu 5G využívat pro zrychlení i stávající infrastrukturu sítí LTE. Plné nasazení čisté 5G sítě se očekává až po roce 2020.

O autorovi| MARKUS MANDAU, MICHAL BAREŠ, autor@chip.cz