Энергосберегающие технологии

Энергопотребление в настоящее время является одним из наиболее критичных моментов в сфере мобильных телекоммуникаций. Современные мобильные телефоны отличаются, мягко говоря, небольшим временем автономной работы по сравнению со своими предшественниками. Это и понятно, ведь практически каждый аппарат, представленный на рынке, обладает ярким цветным экраном, встроенной камерой, более мощным процессором. Чем более высокотехнологично устройство, тем меньшее время работы стоит от него ожидать.

Именно высокое энергопотребление отдельных моделей служит камнем преткновения определенного числа потенциальных покупателей, многие не могут мириться с таким временем службы устройства, от зарядки до зарядки проходит в среднем лишь пара дней.

В этом материале мы постараемся рассмотреть основные технологии, используемые компаниями для сокращения потребления энергии, их плюсы и, может быть, минусы.

Аккумуляторы пришли к логическому концу – топливные элементы практически умерли до своего выхода, других альтернатив нет. Наиболее часто встречающееся время работы среднестатистического смартфона – 1-2 дня. Мы здесь не рассматриваем приятные исключения типа Nokia E61 или N92, которые, в силу специфического позиционирования (просмотр телевизионных передач де-факто требует долгого времени работы устройства) и/или размеров самого смартфона, обладают большой емкостью батареи в 1500 мАч. Реальная же емкость батарей при прочих равных будет порядка 900-1200 мАч для серийных массовых моделей, большего ожидать не стоит.

В ряде последних моделей мы наблюдали появление датчика освещенности, регулирующего подсветку клавиатуры, экрана. По идее, это должно сократить энергопотребление мобильных аппаратов, но кардинальных результатов на данный момент производителям добиться не удалось. Регулирование подсветки клавиатуры – лишь малая часть общего потребления энергии, гораздо более важным параметром является освещенность экрана, этот параметр становится важным для больших диагоналей, но на текущее время производители не добились больших успехов. Хотя такой датчик применяется в большинстве смартфонов, таких, как Nokia 6630, 6680, N70, N73 и т.д., а также телефонов, например, SonyEricsson W810i. Чем больше размер экрана и его разрешение, тем более значимым является решение регулирования подсветки экрана, и более или менее конкретные шаги к реализации данной функции мы увидим в 2007 году, с появлением массовых устройств с высоким (большим, чем QVGA) разрешением.

Часто добавление инородного модуля камеры, Bluetooth-чипа и чего-то подобного ведет к ухудшению времени работы устройства. Хотя практически во всех аппаратах мы видим использование камер сторонних производителей, видимо, эта проблема несоизмерима с затратами на производство собственных модулей, и ее решение может состоять лишь в более плотной интеграции компонентов, софтовой поддержке на должном уровне, применяя некие определенные энергосберегающие алгоритмы.

Одним из наиболее действенных способов сокращения энергопотребления является параметр DTX (Discontinuous transmission). Это энергосберегающая функция, при наличии которой телефон не работает на передачу во время пауз в разговоре и тем самым уменьшает расход энергии батареи. Качество звука при включении этой функции ухудшается. Выражаясь более простыми словами, прерываемая передача представляет из себя метод, который основывается на том факте, что за все время разговора человек говорит менее 40% времени. Система DTX обеспечивает включение передатчика только при наличии речевого сигнала и отключение передатчика в паузах и в конце разговора. В качестве речепреобразующего устройства выбран речевой кодек с регулярным импульсным возбуждением, долговременным предсказанием и линейным предикативным кодированием с предсказанием (RPE/LTR-LTP-кодек). Общая скорость преобразования речевого сигнала – 13 кбит/с.

Таким образом, наиболее важной компонентой DTX является Детектор Активности Голоса (Voice Activity Detector). Он должен отличать собственно голос от фонового шума (весьма нетривиальная задача). Если голосовой сигнал будет интерпретирован как шум, то принимающая сторона будет вынуждена выслушивать очень надоедливые "вырезки" (chipping) из разговора. С другой стороны, фоновый шум очень часто интерпретируется как голос. Это приводит к снижению эффективности DTX. Другой фактор, о котором не следует забывать, это необходимость генерации комфортного шума для принимающей стороны во время отключения передатчика передающей. Комфортный шум создается на основе некоторого набора характеристик фонового шума передающей стороны.

Для экономии расходуемой мобильной станцией энергии также используется метод прерываемого радиоприема (Discontinuous reception). Пейджинговый канал, используемый базовой станцией для оповещения о входящем вызове, структурируется в подканалы. Каждой мобильной станции нужно слушать только свой собственный подканал, т.е. определяется период времени общения с базовой станцией. В оставшиеся периоды времени мобильная станция входит в режим "спячки", когда энергия не расходуется вообще.

В качестве примера рассмотрим телефоны Motorola: пункт меню «Настройки телефона – Режим экономии батареи» активирует режим DTX, при этом при разговоре, если вы молчите, передается 2 пакета в секунду, если же вы разговариваете, то все 217 пакетов.

Проверить это можно во время разговора, в инженерном меню – пункт DTX в системных параметрах. Инициатива использования DTX может исходить от базовой станции, и тогда, независимо от того, будет включен либо выключен параметр DTX на вашем телефоне, передатчик будет включаться только во время того, когда вы будете говорить. Но не всегда базовая станция включает этот параметр по умолчанию, и тогда при разговоре можно заметить разницу в качестве звука с использованием прерывистой передачи и без ее включения соответственно.

Одновременно с этим параметром большое значение имеет покрытие сотовой сети. В Европе, для примера, мобильные телефоны работают на ~60% дольше, это связано именно с том, что плотность покрытия сетей в Европе возрастает ежегодно. Не секрет, что довольно-таки большое количество энергии телефон тратит в зонах с неустойчивым приемом, где приходится часто регистрироваться в сотовой сети оператора. Особенно это касается 3G-аппаратов, которые, помимо всего прочего, находятся в поиске сетей третьего поколения. Например, в аппарате Nokia 6630, первом 3G-смартфоне, продающемся в России, поиск этих сетей приходилось отключать дополнительно при помощи специальной программы, аппарат при этом работал в среднем на полдня дольше. В последующих 3G-моделях подобная опция входила уже в стандартную комплектацию, однако далеко не каждый владелец знал, что отключение поиска сетей третьего поколения может значительно сократить энергопотребление.

Следующим пунктом понижения энергопотребления является разделение интерфейса и радиочасти. Это так называемая двухпроцессорная архитектура (CPU + коммуникационный процессор), которая применяется, например, в смартфонах Nokia сегодня довольно часто. Т.е. основной процессор просыпается только при действиях пользователя или некоем событии. В то же время процессор с меньшей тактовой частотой не спит почти всегда. Один из центральных процессоров используется для функций связи, а второй – для исполнения приложений. Этот пример можно рассмотреть на Nokia N93: характеристики процессора данной модели, TI OMAP 2420, достаточно внушительны, еще более внушительными они выглядели во время разработки модели, что пришлось на 2004 год. OMAP 2420 включает в себя все преимущества архитектуры OMAP 2. Модель использует архитектуру ARM11, в отличие от ARM9-предшественников, построенных на OMAP 1710. Улучшения в сфере мультимедиа описываются добавлением ускорителя формирования изображения и видео, поддержкой мультимегапиксельных (4+) камер, вывода композитного сигнала на экран ТВ, записи и воспроизведения видео в формате MPEG4, VGA-разрешении со скоростью 30 кадров в секунду. В основе процессора два ядра – ARM1136JS-F, функционирующее при тактовой частоте до 330 МГц, и TMS320C55x (220 МГц). Они дополнены средствами ускорения трехмерной графики на базе разработок PowerVR МВХ. Кроме того, появилась дополнительная микросхема управления питанием, TWL92230, благодаря чему TI ликвидировала некоторое отставание по сравнению с XScale. Схема процессора OMAP 2420 приведена ниже:

Модели на OMAP 1510, 1710 и пр. также отличаются двухпроцессорной архитектурой. ОМАР1710 – первый процессор TI, выпускаемый по 90 нм технологическому процессу. Переход на более совершенную технологию позволил снизить энергопотребление и площадь кристалла почти на 50%. На базе OMAP 1710 построены такие устройства, как Nokia 6630 и все последующие аппараты компании, кроме N93 и N95. Относительная (в сравнении с некоторыми конкурентами) маломощность таких микросхем, как OMAP 1710, которая еще не исчерпал все ресурсы и будет применяться в ряде аппаратов Nokia Nseries, компенсируется эффективностью Symbian OS. Фактически на достаточно скромных аппаратных средствах эта ОС обеспечивает на большинстве задач примерно ту же субъективную производительность, что и Windows Mobile, функционирующая на значительно более мощных ресурсах.

В стане Windows-смартфонов, таких, как Qtek 8100, довольно распространен процессор ОМАР730, в который интегрировано ядро прикладного ЦП (ARM926) и модуль обработки сигнала, в котором имеются DSP TMS320C54x и ядро ARM7TDMI. Процессор компактен, размер кристалла – 12x12 мм (MicroStar BGA).

Изначально ОМАР создавалась как платформа, позволяющая сочетать такие требования мобильного рынка, как необходимость в высокой вычислительной мощности и минимальное энергопотребление. С этой задачей удалось справиться благодаря созданию комплекса решений, охватывающих высокопроизводительный ЦП (на базе архитектуры ARM), ряд разработок TI в области цифровой обработки сигнала (конкретно DSP серии TI TMS320), и интеграции модулей разделяемой памяти. При этом все компоненты размещены на одном кристалле.

Преимущества системы, в которой интегрирован отдельный процессор обработки сигнала, очевидны: в конце концов, именно к обработке сигнала сводятся практически все функции, требующие сколько-нибудь значительной вычислительной работы в современном КПК. Для большинства стандартных программ излишни ресурсы производительности даже самых маломощных современных ЦП (некоторое исключение составляет мобильное 3D, но это тема отдельного обсуждения). Использование отдельного ЦП позволяет резко повысить вычислительную мощность устройства, сохранив на приемлемом уровне его энергопотребление (также стоит помнить, что требования к питанию DSP в перерасчете на удельные единицы значительно ниже, чем у сопоставимого RISC-процессора). Это важно сейчас и будет еще важнее завтра, когда терминалам сотовой связи третьего поколения придется обеспечивать еще и высококачественное видео и аудио, причем все это параллельно (скажем, владелец не захочет прерывать онлайновую игру при поступлении входящего вызова).

Также интересным способом снижения энергопотребления является изменение тактовой частоты процессора в зависимости от выполняемых задач. Рассмотрим пример XScale PXA27x, одного из наиболее совершенных процессоров серии XScale, находящихся в массовом производстве (кодовое название Bulverde) и применяемых в смартфонах и коммуникаторах.

Процессорное ядро имеет семиступенчатый конвейер, 32 Кбайт кэш инструкций и данных, 2 Кбайт мини-кэш. Также предусмотрено 256 Кбайт внутренней памяти SRAM, которая используется, в частности, для хранения и обработки данных в режимах с пониженным энергопотреблением. Тактовая частота ЦП может изменяться в диапазоне 104-624 МГц, напряжение питания ядра – 0,85-1,55 В. Предусматривается возможность работы с четырьмя банками SDRAM (до 512 Мбит, до 104 МГц).

Говоря о процессорах, нельзя не упомянуть решения, позволяющие снизить энергопотребление на 15-20 процентов. Это так называемые одночиповые системы (System-On-Chip). Одночиповой системой является и описанный ранее OMAP730. Интеграция компонентов – естественный путь развития электронных устройств. Часто встречаются упоминания об интеграции нескольких электронных компонентов для сотового телефона в рамках одного чипа. Объединяют на одном кристалле процессоры и память, усилители и приемо-передатчики. Так, компания TTPCom объединила на одном кристалле вычислительное ядро и цифровой сигнальный процессор (DSP), позволив реализовать модем для сотового телефона на одном чипе. Это не только позволит разрабатывать устройства сотовой связи в более короткие сроки, но и разгрузить вычислительное ядро сотовых телефонов от расчетов, связанных со стеком протоколов и обработкой поступающих и передающихся данных. Еще одним примером служит лицензирование Texas Instruments (TI) графического ускорителя у компании Imagination Technologies. Во всех чипсетах OMAP применялись графические технологии компании Imagination Technologies – "System-on-Chip Intellectual Property" (SoCIP).

Компания Philips также получила лицензию ARM и PowerVR Technology на использование технологии 3D PowerVR MBX в новых чипсетах, предназначенных для мобильных телефонов. Они базируются на ядре MBX R-S (для 3D) и ARM926EJ-S. Ядро MBX R-S, выполненное по технологии 0.18 микрон, работает на частоте 80 МГц и потребляет 1.5mW/MHz. Компания планирует также выпустить версию 0.13 микрон с частотой выше 120МГц (потребление 0.7 mW/MHz). Ядро поддерживает скорость заполнения 250 мегапикселей в секунду, изображение QCIF (176x144) и QVGA (320x240).
ARM926EJ-S – это ядро 32/16-bit RISC, специально разработанное для мобильных телефонов и PDA. Оно поддерживает Symbian OS, Windows CE и Linux и доступно в двух версиях – 0.18 микрон (180 - 200 МГц) и 0.13 микрон (220 - 250 МГц).

На выставке WiMAX World, 11.10.2006 Intel объявила о создании однокристального адаптера SoC Intel® WiMAX Connection 2250 следующего поколения, который впервые обеспечивает поддержку как фиксированных, так и мобильных сетей.
Этот однокристальный адаптер – первая в отрасли двухрежимная микросхема, которую в 2007 году мы уже можем увидеть в продукции компании Motorola.

Таким образом, широкое применение одночиповых систем в мобильных телефонах позволит существенно сократить энергопотребление, это один из наиболее интересных способов увеличения времени работы устройств в 2007 году.

Вообще аппаратные вещи также во многом зависят от софта. Т.е., например, энергопотребление в каждом конкретном случае может зависеть исключительно от стабильности программного обеспечения аппарата и особенностей его реализации. Для примера можно привести ряд продуктов от TCL на референсной платформе – одни работали сутками, другие садились на первый же день.

Несколько похожая ситуация наблюдается со многими аппаратами, находящимися в состоянии прототипов. Ко времени релиза зачастую время работы увеличивается в силу задействования определенных решений, как-то установление более низкого уровня яркости экрана без возможности ее регулирования, как это случилось с Nokia 7390, обладающей тем же экраном, что и Nokia 6131, но при этом с заниженной яркостью, за счет чего было получено некоторое преимущество во времени работы (экономия процентов 10-15).

В качестве еще одного интересного примера тенденций развития технологий энергосбережения можно привести скорость интерфейса. У обычных аппаратов она приемлема в большинстве случаев, это ARM9 от 104 МГц до 224 МГц.

JUIX Motorola KRZR K1 обеспечивается частотой в 39 МГц, при этом скорость интерфейса практически такая же (нет 3D Java и некоторых прочих функций, но в качестве примера очень показательно). Впрочем, здесь можно ознакомиться с результатами тестов:

JBenchmark 1
Model name	Moto K1
Firmware version

Jbenchmark 1	1.1.1

Version

Total Score:	1652

Details:
Text	418
2D Shapes	452
3D Shapes	212
Fill Rate	86
Animation	484

Screen Width	176
Screen Height	179
Color Screen	true
Number of Colors	65536
Double Buffer	true
Total Memory	841688
Free Memory	531928

MicroEdition Configuration	CLDC-1.1
MicroEdition Profiles:	MIDP-2.0
Microedition Platform:	j2me
Microedition Encoding:	ISO-8859-1
Microedition Locale	en

Jbenchmark 2

Version	2.1.1

Total Score:	36

Details:
Image Manipulation	39
Text	98
Sprites	76
3D Transform	5
User Interface	39

Screen (canvas) Width	176
Screen (canvas) Height	179
Color Screen	true
Number of Colors	65536
JPEG Support	true
Transparency (Alpha Level)	4
Double Buffer	true
Total Memory	841136
Free Memory	553952

MicroEdition Configuration	CLDC-1.1
MicroEdition Profiles:	MIDP 2.0
Microedition Platform:	j2me
Microedition Encoding:	ISO-8859-1
Microedition Locale	en

Частота процессора KRZR K1 минимальна среди всех продуктов. Важно отметить, что скорость процессора – вещь в себе, некоторые продукты, имеющие процессоры с частотой 224 МГц, работают, вследствие плохо написанного ПО, значительно медленнее. Тут нет такой проблемы, но процессор накладывает ограничение на дополнительные функции, к примеру, поддержки трехмерной Java нет.

Кэширование данных активно используется во всех аппаратах, это очевидно. При кэшировании количество прямых обращений к памяти (flash-память, жесткие диски) значительно сокращается, что опять же позволяет сократить потребление энергии, а также повысить производительность, позволяя одному из ядер процессора использовать всю кэш-память при бездействии другого ядра.

Особенно эта проблема возникает в аппаратах типа Samsung i300, Nokia N91, ведь жесткий диск – достаточно энергоемкое устройство.

Кэш – это, как правило, часть обычной флэш-памяти. При ее заполнении и возникают проблемы (очень хорошо этот процесс описан в обзоре Nokia N80, на сороковой же платформе (Nokia series 40 изначально выделена небольшая закрытая область)).

При забивании файлового кэша то или иное приложение без предупреждения закрывается, а то и приводит к перезагрузке устройства. Эта так называемая многозадачность, конечно, является довольно неприятной проблемой сегодня. На обычных же аппаратах без реальной многозадачности дополнительные примочки в фоне сажают аккумулятор очень сильно, в качестве примера можно привести проверку по расписанию электронной почты.

Также довольно сильно влияет на расход батареи поиск беспроводных сетей WLAN в аппаратах N91, N80 и прочих и, соответственно, индикация на дисплее их доступности. Сканирование происходит (по выбору) каждые 2-10 минут. Благо существует возможность отключить эту опцию тем, кто не нуждается в постоянной информации о нахождении в зоне покрытия WLAN.

В качестве экзотики можно упомянуть о любопытном способе, применимом в некоторых раскладных телефонах, например, Sharp GX30: предусмотрено полное отключение внешнего экрана, в этом режиме телефон более экономно расходует энергию, что понятно.

Все же основное энергопотребление мобильного телефона обеспечивают экран(ы). Существует такая простая формула, предложенная давно компанией Siemens – «одна минута работы экрана = час работы в режиме ожидания». Что символично, это примерно выполнимо и сегодня. На ЖК-дисплей приходится около 30% общего энергопотребления устройства. Модуль состоит из двух основных частей: ЖК-панели и ламп подсветки, расположенных позади нее, причем, чем меньшее количество ламп подсветки используется, тем меньше потребление энергии. В большинстве мобильных телефонов используется одна лампа, в силу размеров экрана она равномерно его освещает, нет такой проблемы, как на ряде ноутбуков.

Большое число примеров описывает снижение энергопотребления всевозможными отражающими свет пленками, то есть экран излучает меньше, но за счет отражения внешнего света выглядит ярко. Сюда относится зеркальная подложка, применяемая, например, в модели SonyEricsson K800i:

Данная модель является одной из первых с QVGA-разрешением и выполненных по TFT-технологии, обеспечивающей беспрепятственное чтение информации под прямыми солнечными лучами.

Кроме регулирования подсветки экрана, большое влияние оказывает технология, размер экрана и его разрешение. Вспомним OLED-дисплеи (organic light-emitting diode), отличающиеся пониженным энергопотреблением.

Софтовая поддержка экранов – также немаловажный пункт в сокращении энергопотребления. То есть, например, выигрышным будет способ адаптации дисплея для низкого энергопотребления при работе определенных приложений, как-то SMS-клиент или работа с электронной почтой, приложения электронной почты, где не нужны, в принципе, яркие цвета, для различных потребностей и нагрузок возможно различное поведение экрана мобильного устройства.

Выражаясь общими словами, необходимо определить тот уровень качества отображения информации на экране, который будет соответствовать основным требованиям рынка, но в то же время будет минимальным. Подсистемы отображения, в свою очередь, должны обладать пониженным энергопотреблением на аппаратном уровне, плюс на софтовом уровне регулировать расход энергии описанными ранее способами.

Одной из наиболее сильно востребованных функций мобильного устройства является передача данных. Как технология беспроводной передачи данных Bluetooth потребляет небольшое количество энергии, по сравнению с некоторыми другими, например, Wi-Fi. Технология Bluetooth 0.18 микрон (питание – 1.5 вольт) использовалась в телефонах Nokia в 2001 году, в настоящее же время это 0.13 микрон, обеспечивающая минимальное энергопотребление в режиме ожидания.

В ноябре 2004 года Bluetooth SIG выпустила спецификацию Bluetooth 2.0+EDR (Enhanced Data Rate). Возросшая скорость передачи данных в Bluetooth 2.0 привела к росту потребляемой устройствами мощности. Стоит заметить, что потребление энергии выросло не так сильно, поэтому суммарно мы можем говорить о сокращении энергопотребления, т.е., оперируя конкретными данными, можно проследить снижение последнего более чем на 50 процентов.

Более умная организация работы с данными также повлияла на энергопотребление в сторону его сокращения. Так, например, использование одновременной передачи данных нескольким устройствам заметно экономнее, чем передача этих данных каждому устройству отдельно.

Вполне закономерно, что конкурирующие стандарты, как теснящие Bluetooth в новых для него областях, так и ожидающиеся в типичной для него области персональных сетей, заставляют разработчиков продолжать совершенствовать наиболее сильную сторону стандарта – низкое потребление энергии.

Рассмотренные технологии – основные на данный момент и ближайшее будущее, именно в этом направлении ведутся исследования, происходит внедрение и интеграция. Как уже говорилось, ожидать революции не стоит в любом случае, в настоящее время невозможно резко увеличить время работы устройств, но работы в этом направлении ведутся. Сейчас 1-2 дня – это критический рубеж, ниже которого опускаться бессмысленно, подобный вариант не будет воспринят рынком положительно. Вопрос в том, насколько (пока что в теории) может увеличиться время работы смартфонов, ведь этот параметр крайне важен для большинства пользователей. Многие готовы мириться с небольшим временем работы основной массы устройств, испытывая необходимость в определенных функциях и возможностях, но еще больший процент покупателей был бы привлечен при приближении энергопотребления к некоему стандартному значению, в общем случае это хотя бы 3 дня работы смартфона при средних нагрузках.

2007 год будет ознаменован большим количеством высокотехнологичных новинок от каждого производителя, посмотрим, как будет решаться проблема энергопотребления внутри различных компаний и применительно к конкретным аппаратам.

Спиридонов Антон ([email protected])
Опубликовано — 01 ноября 2006 г.

Есть, что добавить?! Пишите... [email protected]

Новости:

13.05.2021 MediaTek представила предфлагманский чипсет Dimensity 900 5G