Reportage: Drömmobilen

Det är inte sällan som mobiler och andra prylar marknadsförs med adjektiv som ”ultimat” eller ”kompromisslös”. Utveckling av mobiler innebär dock alltid kluriga avväganden – vilka egenskaper går att förena och vilka finesser är kunderna intresserade av att betala lite extra för? Låg vikt eller extra lång batteritid? Snyggt metallskal eller bättre mottagning? Senaste kamerasensorn eller några kronor lägre prislapp? Tekniska landvinningar gör dock att ekvationer som var omöjliga igår nu enkelt ryms i specifikationerna.

– Vi ser en fortsatt stark utveckling av mobilelektronik, berättar Björn Ekelund, chef för strategi och industrifrågor på Ericssons affärsenhet för mobilmodem.

Tekniken förklarad: Mobilens skärm (artikel från 2014)

– Hastighet och strömförbrukning fortsätter att blir bättre, Moores lag klingar inte av än på ett tag. Möjligen med undantag för kostnaden – kostnaden för tillverkningsutrustning för de nya halvledarprocesserna med 16, 14 och 10 nanometers linjebredd ökar nästan exponentiellt.



Prestanda och datamängder fortsätter uppåt
Moores lag – uppkallad efter Intel-grundaren Gordon E. Moore – säger att antalet transistorer som går att bygga in i en integrerad krets fördubblas vartannat år. Kretsar med mycket kraft på liten yta är avgörande för många komponenter i mobilen – från applikationsprocessorn till kamerasensorer och flashminnen.

De snabbaste mobilerna just nu använder ofta en applikationsprocessor – även kallad System-on-chip eller SOC – från Qualcomm, Samsung eller Apple. Mobilens SOC innehåller tunga funktioner som huvudprocessor, grafikprocessor och arbetsminne. Huvudprocessorn (Central Processing Unit, förkortat CPU) har två egenskaper som mobiltillverkarna ofta lyfter fram – antalet kärnor och klockfrekvensen. En mobil kan till exempel ha fyra kärnor på 1,5 GHz. Varje kärna utgör i princip en komplett CPU och tillsammans kan de dela på arbetsuppgifterna och öka mobilens prestanda. Men sambandet mellan klockfrekvens, kärnantal och prestanda är inte så starkt som reklamen antyder.

– Processorkraft är centralt för en smart telefon, men GHz som prestandamått har nog spelat ut sin roll. Precis som med PC handlar det idag om andra faktorer. Minnen och arkitekturiell innovation avgör prestandan – inte enbart hur snabbt man klockar processorn, säger Björn Ekelund.

Varje extra processorkärna innebär att mobilen klarar att lösa fler uppgifter samtidigt och ökningen från 32 till 64 bitar gör det möjligt att bygga mobiler med mer än 3 gigabyte i arbetsminne. Men för att dra nytta av hårdvaran krävs att operativsystemen och apparna hänger med i utvecklingen. Ökningen från en till två kärnor var ett lyft, men en ytterligare fördubbling till fyra kärnor ger inte lika stor avkastning i prestanda. Ios för Iphone 5S liksom det kommande Android L är 64-bitarssystem, men de riktiga prestandavinsterna kommer först när apparna har behov av – och skrivs för – att utnyttja mer arbetsminne.

Kraftfulla processorer i mobilen höjer strömförbrukningen medan delar som modem och sensorer drar mindre och mindre, men även här spelar mjukvaran en stor roll.

– Mellanklassmobiler, där man inte töjer på gränserna på samma sätt som i flaggskeppsmodellerna, har fått dramatiskt bättre drifttid de senaste åren. OS-utvecklarna lägger stor vikt vid resurseffektivitet. Ett exempel är att många Androidtelefoner nästan fick ett nytt liv med Androids ”Jelly Bean”-uppdatering och att Ios 5 konsumerade betydligt mindre av ditt dataabonnemang än Ios 4, menar Björn Ekelund.

Vid sidan av processorkraft är snabb dataöverföring ett måste för flaggskeppsmobilerna – och inget tyder på att den utvecklingen mattas av. 

Just nu pågår utvecklingen av 5G-tekniken. Björn Ekelund berättar att Ericsson visat prototyper på både terminaler och basstationer för 5G och produkter för marknaden väntas omkring 2020. Ambitionen är att vanliga användare ska få tillgång till hastigheter på 1 Gbit/s. 

– Datahungern hos slutkonsumenterna är nästan omättlig. Varje ny generation av kommunikationsteknologi utnyttjar luften mer effektivt. Antal megabyte per användare och kvadratkilometer blir högre och varje generation har resulterat i ungefär 10 gånger högre hastighet. Från några tiotal kbit/s med de första digitala mobilerna till flera hundra Mbit/s med 4G, säger Björn Ekelund.

När det gäller uppkopplingen mot mobilnätet och andra trådlösa nät är inte bara mängden data – utan också antalet enheter – en utmaning. Inom datorvärlden talas det om att antalet IP-adresser håller på att ta slut och det påverkar även mobilerna. I mjukvaran behövs stöd för ett större antal adresser – det som kallas IPv6 – medan hårdvaran behöver klara fler radiotekniker för att hantera olika typer av kommunikation så effektivt som möjligt. Vid sidan av mobilnät och wifi finns bluetooth, NFC och olika standarder för exempelvis Ibeacon och trådlösa sportsensorer.

Kommande trådlös teknik kan ge både snabb dataöverföring och nya typer av sensorer. En möjlig utveckling är Ultra Wideband (UWB) – en radioteknik som använder ett väldigt brett frekvensområde. UWB kan arbeta över frekvensband som är 10 gånger större än ett helt 3G-band och ge väldigt höga hastigheter i förhållande till effekten – till exempel för att ersätta USB- eller HDMI-kablar. Som sensor kan UWB ge bättre positionering inomhus. GPS, ryska Glonass och det nya Galileo-systemet fungerar väl utomhus, men signalerna blockeras eller dämpas kraftigt av de flesta byggmaterial. Med UWB skulle mobiler kunna fortsätta navigera inomhus genom att studsa radiopulser mot omgivningen och skapa en radarbild.

En mobil som klarar att navigera inomhus är pusselbiten som saknas för många typer av tjänster – vägvisning genom flygplatser och tunnelbanesystem, förstärkt verklighet (augmented reality) på museer eller kartläggning av hur kunder beter sig i köpcentra. En ubåt klarar att navigera utan satellitkontakt med hjälp av accelerometrar och gyroskop – så kallad tröghetsnavigering. Mobilens rörelsesensorer kan mäta samma saker, men även små mätfel fortplantar sig snabbt och precisionen räcker inte för att ge en användbar position. Dagens inomhusnavigation bygger istället på att mobilen fångar upp radiosändare med känd position – till exempel basstationer, trådlösa nätverk eller bluetoothenheter. Precisionen begränsas av hur många sändare som finns och av hur väl de är kartlagda. Databaserna är ofta skapade av användardata som är väldigt svåra att kvalitetssäkra eftersom trådlösa nätverk kan byta plats eller egenskaper utan förvarning. För att lösa uppgiften måste mobilerna klara att kombinera referenspunkter i radiomiljön med data från rörelsesensorerna – och kommande teknik som UWB – för att räkna bort felkällorna så att de kan hålla koll på positionen även inomhus.

Mobilens sensorer används inte bara för positionering. I nästan varje modellgeneration introduceras någon ny form av sensorteknik. För några år sedan var kompass och barometer exotiska finesser – nu introduceras avståndsmätning med laser eller ultraljud, luftfuktighetsmätare och nya typer av sport- och hälsosensorer. Mobilen har ögon, öron och väl utvecklade balans- och lokalsinnen, men saknar näsa. Det är ett område där vi kommer att få se nyheter i form av hårdvara och mobilappar under de närmaste åren. Företag som Senseair, Sensirion och Texas Instruments ligger i startgroparna för att släppa sensorer för olika typer av gaser och partiklar med mått och strömförbrukning som klarar mobilens krav. En mobil med ”näsa” skulle kunna lösa uppgifter som att testa om livsmedel är färska eller härskna, utföra alkotest eller avgöra om ett rum har tillräckligt bra ventilation.

Formfaktorn
Internetuppkoppling och multimediafunktioner har placerat skärmen i centrum vilket i sin tur har format dagens mobiler. Så sent som för fem år sedan vad det inte självklart att välja en platt och fyrkantig pekskärmsmobil – det fanns vridbart, vikbart och skjutbart kombinerat med tangentbord med eller utan bokstäver. Idag är likriktningen total och skärmar på mindre än fyra tum hittar vi bara i seniorsegmentet. För att kunna bygga mobiler med mindre yttermått eller nya former utan att förlora den obligatoriska pekskärmen krävs nya material. Pekskärmens sensor är uppbyggd av genomskinliga elektriska ledare av indium-tenn-oxid (ITO) – ett bräckligt material som sätter stopp för tillverkningen av riktigt flexibla skärmar som går att vika eller rulla. De alternativ som finns på marknaden idag – till exempel elektriskt ledande plaster eller andra typer av oxider, har alla mer eller mindre allvarliga brister. Vissa material är väldigt dyra, andra är giftiga eller har sämre prestanda. Ett material som kan öppna för nya typer av mobiler är grafen – tvådimensionellt kol som bara är 2–3 atomer tjockt. Grafen har alla de åtråvärda egenskaperna – det leder ström, det är genomskinligt och det går att böja. Samsung och Sony har redan visat upp prototyper, men mycket återstår innan man kan tillverka det tillräckligt billigt och i tillräckligt stora kvantiteter för mobiler i miljonupplaga.

Grafen och andra nanomaterial nämns också som nyckeln till förbättrade batterier. Stora skärmar och snabba processorer ger strömkrävande mobiler, men batteriernas kapacitet har inte alls utvecklats i samma takt. Sedan litium-polymer-batterierna dök upp för ungefär 15 år sedan har kapaciteten förbättrats med ungefär 10 procent per år, men i teorin går det att få in minst 10 gånger mer energi i ett litiumbaserat batteri. Antingen genom nya kemiska reaktioner eller genom att förbättra gränsytorna mellan olika material i batteriet med nanoteknik.

Nya material behövs inte bara för skärm och batteri – utan också för själva mobilen. Vi vill ha mobiler som är hållbara och känns lyxiga, men känslan ger inte alltid en rättvisande bild av materialets egenskaper. En mobil med tjocka ytor i glas känns till exempel väldigt gedigen, men spricker lätt av stötar och slag. Lättmetaller som aluminium och magnesium är också populära, men ett metallskal gör det svårare att bygga effektiva antenner för mobilens olika radiodelar och mobilens insida kan ta mer stryk om man råkar tappa luren eftersom metall inte absorberar stötar på samma sätt som plast eller andra mer elastiska material. Begreppet ”plast” rymmer egentligen ganska många olika material med skilda egenskaper och samma plast kan ge olika känsla beroende på tjocklek och vilken struktur man ger ytan med lack eller mönster i gjutningen. Som exempel är både Nokia Lumia 1020 och Samsung Galaxy S5 tillverkade i polykarbonat, men skillnaden i godstjocklek och konstruktion ger väldigt olika känsla.

Material som kan segla upp som alternativ till plast och metall är kompositer och keramer. HTC har använt keramiska lacker och LG Nexus 5 har knappar i keramer istället för plast. Emalj, porslin och tegel är keramer som vi är bekanta med, men materialgruppen utvecklas snabbt och får egenskaper som tidigare varit omöjliga – ytor som är reptåliga men samtidigt går att böja, eller material som leder bort värme som metall men är lika genomskinliga för radiovågor som plast. Det andra alternativet till plast och metall är kompositer – kombinationer av material som får bättre egenskaper än beståndsdelarna har var för sig. Kompositer kan vara allt från betong till glasfiberskrov i båtar eller papier-maché, men det kompositmaterial som är mest intressant för mobiler är kolfiberarmerad plast. Materialet används idag i många prylar där låg vikt kombinerat med tålighet spelar större roll än prislappen – till exempel tävlingscyklar, professionella fotostativ eller skaft till golfklubbor. Kompositen tillverkas genom att man gjuter in ett eller flera lager av kolfiberväv i plast. Ofta väljer man en genomskinlig plast för att det karakteristiska mönstret i kolfiberväven ska synas – materialet blir alltså inte bara lättare och starkare än vanlig plast, man kan också se att det är en mer påkostad produkt. Jämfört med att gjuta ett plastskal är dock tillverkningen komplicerad med många steg vilket driver upp kostnaden. För att få tillräckligt många kunder att betala priset för en kolfibermobil krävs ännu fler fördelar. En sådan kan vara att låta kolfiberskalet fungera som batteri. Tesla och Volvo har experimenterat med att bygga karossdelar för elbilar i ett kolfibermaterial som klarar att lagra ström – en möjlighet som borde tilltala även mobiltillverkare.



Ljudet tar ett kliv framåt
Vanliga röstsamtal är fortfarande en funktion som rankas högt av användarna och vi ringer mer och mer. Enligt Post- och telestyrelsens statistik ökade samtalen med fyra procent från 2012 till 2013 och landade på 25,5 miljarder minuter – två hela dygn i luren per år och person i genomsnitt. Trots det har utvecklingen av ljudkvaliteten varit blygsam jämfört med andra egenskaper hos mobilen. Bandbredden – alltså skillnaden mellan de lägsta och högsta ljudfrekvenserna – har legat fast på 3 kHz sedan de första telefonistandarderna spikades i början av 1900-talet. Fokus har istället legat på att förmedla den 3 kHz breda kanalen så effektivt som möjligt. Samtidigt som ljudkvaliteten har legat i princip stilla har nätens datakapacitet ökat enormt. Så varför kan inte ett röstsamtal låta lika bra som Spotify eller webbradio? Det tekniska hindret för samtal i cd-kvalitet är känsligheten för fördröjningar. Appar för strömmande musik eller video kan bygga upp en databuffert på flera sekunder som gör att uppspelningen fortsätter även om hastigheten skulle gå ner tillfälligt. Det fungerar inte för röstsamtal – redan fördröjningar på så lite som 0,2 sekunder upplevs som störande. Samtalens ljudkvalitet måste därför anpassas till vad nätet klarar när det är som sämst. 3G-näten har under lång tid varit tillräckligt bra för att klara röstsamtal med större bandbredd, men det var först 2009 som en mobiloperatör aktiverade ”HD Voice”, som funktionen kallas.

HD Voice ger ungefär dubbelt så stor bandbredd som vanliga röstsamtal och använder en kodningsteknik som heter Adaptive Multi-Rate Wideband (AMR-WB). När datauppkopplingen hänger med låter appar som Skype eller Facetime minst lika bra, men HD Voice är helt integrerat i den vanliga samtalstjänsten vilket kan ge stabilare funktion eftersom operatören kan prioritera röstsamtalen högre än dataöverföring i nätet. Steget från 3 till 7 kHz ger en påtaglig förbättring av ljudkvaliteten, men 4G-näten har potential för mer redan med dagens teknik – till exempel ännu större frekvensomfång eller surroundljud för konferenssamtal.

Mobilutvecklingen fortsätter framåt. Snabbare processorer och bättre datahastighet levereras ständigt och nanotekniken ser ut att kunna ge helt nya funktioner och egenskaper under de närmaste åren. Lyckas man dessutom ersätta de sällsynta jordartsmetaller som används för många delar av dagens mobiler skulle även miljön bli en vinnare.

– För en hållbar framtid måste även mobiltekniken vara energi- och resurseffektiv. Ett mobilabonnemang med nät och telefon har idag ungefär samma koldioxidavtryck per år som en timmas bilkörning. Det kommer att sjunka när 4G, och senare 5G, breder ut sig, säger Björn Ekelund.