Smartphones Feel the Heat(2)

Test 1 — 4k video
As indicated earlier, capturing and encoding 4k video can place high demands on the image sensor, the SoC and the flash memory of a smartphone. To accomplish the test, a spinning color wheel was used to provide a consistent and changing image for each of the 

smartphones and a thermal image was taken at the five minute mark. Note that each phone had different settings on how much video can be captured according to its memory capacity. Five minutes was the lowest 4k video time limitation of the phones tested.

Notice that each phone demonstrated different image patterns based on the location of key components, particularly the image sensor and the SoC. The image sensor is visible by the small square or rectangular box located on each image and the SoC by the larger area 

displaying the most heat. In the case of the Samsung and Xiaomi devices, the image sensor and SoC are located in the same approximate area. Once noticeable result was that the 

thinner smartphones, the Samsung and the Xiaomi, exhibited the highest skin temperatures and thermal images.

While all the smartphones exhibited similar hot spots, the skin temperature between devices varied by just over 8°C on the front and 4°C on the back. In addition, all of the devices 

operated well within normal operating limits without generating enough heat to make using 

the smartphones uncomfortable. However, those hot spots could lead to component fatigue and failure over time.

Test 2 — Gaming

In this test, the SoC is more defined in the thermal images and stands out as the primary 

culprit of the heat generation. Note, however, that other components can also generate heat as exhibited by the heat island in the lower edge (top to the picture) of the Xiaomi device. 

This could have been a result of the USB connection but it is not clear without cracking open the device, which was beyond the scope of our test.

Also visible is the drastically different heat generated by the HTC, ZTE, and Xiaomi devices (The lower set of images) despite using the same SoC. This highlights the difference in 

design and likely the software settings.

Test 3 — Browser benchmark

Thermal images and sensor data from graphics test (GfxBench T-Rex benchmark) 

With the frame rate nominalized at 45 frames per second (FPS), the devices once again 

displayed significantly different thermal images and skin temperatures.

Additional tests were run using other system-level benchmarks include Geekbench 3 and AndEBench Pro, but none of the devices 

demonstrated thermal issues with those tests. This further indicates the impact of the 

applications software on thermal issues in smartphones.

Test results
As seen by the result, the thermal images and temperature measurements vary by 

smartphone even when using the same SoC and version of the OS. Once again, the factors that can impact this include: the components, the device design, the case thickness and 

materials, and the firmware settings. In real-world applications, however, even the version of the operating system and the applications 

could change the thermal characteristics of the smartphone. Often, a handset may heat up 

because of multiple applications running or an applications running in the background. While the device is protected from entering a thermal runaway state, the device can become 

warm to the user if they are talking on it, holding it, or even have it close to them in their 

clothing.

On the morning of the test, I upgraded Android on my Samsung Galaxy S5. During the 

upgrade, the S5 became warm to the touch, but cooled quickly once the upgrade was 

complete. This demonstrates the challenges smartphone OEMs have in designing and 

programming for situations that may even be beyond their control.

And in all of the test cases, none of the phones reached a point of overheating past the 

OEM or silicon vendor recommendations, or to a point that would make using any of them 

uncomfortable.

Benchmarking drawbacks
While these tests did not simulate the exact situation, which was to put a system benchmark into a loop to run it over and over again, that caused the HTC One M9 or LG G Flex 2 to 

overheat during the initial benchmark tests of the devices, none of the devices came close 

to overheating during these tests. This begs the question: Why did those devices overheat 

during the initial benchmarking? The answer could lie in the newness of the devices or the 

benchmarking process itself.

On one hand, OEMs often provide preproduction units to reviewers before they are 

completely qualified for release. As a result, not all the software and settings may have been fully tested for potential issues. On the other hand, benchmarking is about achieving the 

best scores. Maybe, the OEMs disabled some of the thermal protection features by 

adjusting the thermal settings to a higher level or by adjusting other system operating settings to higher levels to achieve a higher benchmark score. Logic would tend to lead toward the latter reasoning, but without any official claim from the OEMs, any or all of those conditions may have led to the resulting situation. However, there are no reports of higher than normal return rates on any of the smartphones using the Snapdragon 810 chipset.

Takeaways
Just as PC vendors faced a thermal barrier when using the dreaded Intel Pentium 4 processor over a decade ago, smartphone OEMs face similar challenges with smartphone designs 

today and the SoC is just one factor to consider. While the two silicon solutions are 

drastically different in operation, the smartphone SoCs are much more complex with over 

30x the number of transistors in roughly a 15% smaller die on average. Unfortunately, other mobile and small form factor solutions face similar design challenges going forward, 

especially as performance requirements increase, package requirements shrink, and the 

power-saving benefits of Moore’s Law wane.