Енергозберігаючі технології

Енергоспоживання в даний час є одним з найбільш критичних моментів у сфері мобільних телекомунікацій. Сучасні мобільні телефони відрізняються, м'яко кажучи, невеликим часом автономної роботи в порівнянні зі своїми попередниками. Це й зрозуміло, адже практично кожен апарат, представлений на ринку, має яскравим екраном, вбудованою камерою, більш потужним процесором. Чим більше високотехнологічно пристрій, тим менший час роботи варто від нього очікувати.

Саме високе енергоспоживання окремих моделей служить каменем спотикання певного числа потенційних покупців, багато хто не може миритися з таким часом служби пристрою, від зарядки до зарядки проходить в середньому лише пара днів.

У цьому матеріалі ми постараємося розглянути основні технології, що використовуються компаніями для скорочення споживання енергії, їх плюси і, можливо, мінуси.

Акумулятори прийшли до логічного кінця - паливні елементи практично померли до свого виходу, інших альтернатив немає. Найбільш часто зустрічається час роботи середньостатистичного смартфона - 1-2 дні. Ми тут не розглядаємо приємні винятки типу Nokia E61 або N92, які, в силу специфічного позиціонування (перегляд телевізійних передач де-факто вимагає довгого часу роботи пристрою) та / або розмірів самого смартфона, володіють великою ємністю батареї в 1500 мАг. Реальна ж ємність батарей при інших рівних буде порядку 900-1200 мАч для серійних масових моделей, більшого чекати не варто.

У ряді останніх моделей ми спостерігали появу датчика освітленості, що регулює підсвічування клавіатури, екрана. По ідеї, це має скоротити енергоспоживання мобільних апаратів, але кардинальних результатів на даний момент виробникам добитися не вдалося. Регулювання підсвічування клавіатури - лише мала частина загального споживання енергії, набагато більш важливим параметром є освітленість екрана, цей параметр стає важливим для великих діагоналей, але на поточний час виробники не домоглися великих успіхів. Хоча такий датчик застосовується в більшості смартфонів, таких, як Nokia 6630, 6680, N70, N73 і т.д., а також телефонів, наприклад, SonyEricsson W810i. Чим більше розмір екрану і його дозвіл, тим більш значущим є рішення регулювання підсвічування екрану, і більш-менш конкретні кроки до реалізації даної функції ми побачимо в 2007 році, з появою масових пристроїв з високим (більшим, ніж QVGA) дозволом.

Часто додавання стороннього модуля камери, Bluetooth-чіпа і чогось подібного веде до погіршення часу роботи пристрою. Хоча практично у всіх апаратах ми бачимо використання камер сторонніх виробників, мабуть, ця проблема непорівнянна з витратами на виробництво власних модулів, і її рішення може полягати лише в більш щільної інтеграції компонентів, софтової підтримки на належному рівні, застосовуючи якісь певні енергозберігаючі алгоритми.

Одним з найбільш дієвих способів скорочення енергоспоживання є параметр DTX (Discontinuous transmission). Це енергозберігаюча функція, за наявності якої телефон не працює на передачу під час пауз у розмові і тим самим зменшує витрату енергії батареї. Якість звуку при включенні цієї функції погіршується. Висловлюючись більш простими словами, що переривалася передача представляє з себе метод, який грунтується на тому факті, що за весь час розмови людина говорить менше 40% часу. Система DTX забезпечує включення передавача тільки при наявності мовного сигналу і відключення передавача в паузах і наприкінці розмови. Як речепреобразующего пристрою обраний мовний кодек з регулярним імпульсним збудженням, довготривалим прогнозом і лінійним предикативним кодуванням з прогнозом (RPE / LTR-LTP-кодек). Загальна швидкість перетворення мовного сигналу - 13 кбіт / с.

Таким чином, найбільш важливою компонентою DTX є Детектор Активності Голоси (Voice Activity Detector). Він повинен відрізняти власне голос від фонового шуму (вельми нетривіальна задача). Якщо голосовий сигнал буде інтерпретований як шум, то приймаюча сторона буде змушена вислуховувати дуже докучливі "вирізки" (chipping) з розмови. З іншого боку, фоновий шум дуже часто інтерпретується як голос. Це призводить до зниження ефективності DTX. Інший фактор, про який не слід забувати, це необхідність генерації комфортного шуму для приймаючої сторони під час відключення передавача передавальної. Комфортний шум створюється на основі деякого набору характеристик фонового шуму передавальної сторони.

Для економії витрачається мобільною станцією енергії також використовується метод переривається радіоприйому (Discontinuous reception). Пейджинговий канал, який використовується базовою станцією для оповіщення про вхідний виклик, структурується в підканалів. Кожній мобільної станції потрібно слухати лише свій власний подканал, тобто визначається період часу спілкування з базовою станцією. В останні періоди часу мобільна станція входить в режим "сплячки", коли енергія не витрачається взагалі.

Як приклад розглянемо телефони Motorola: пункт меню «Установки телефону - Режим економії батареї» активує режим DTX, при цьому при розмові, якщо ви мовчите, передається 2 пакети в секунду, якщо ж ви розмовляєте, то все 217 пакетів.

Перевірити це можна під час розмови, в інженерному меню - пункт DTX в системних параметрах. Ініціатива використання DTX може виходити від базової станції, і тоді, незалежно від того, буде включений або вимкнений параметр DTX на вашому телефоні, передавач буде включатися тільки під час того, коли ви будете говорити. Але не завжди базова станція включає цей параметр за замовчуванням, і тоді при розмові можна помітити різницю в якості звуку з використанням переривчастої передачі і без її включення відповідно.

Одночасно з цим параметром велике значення має покриття мережі. У Європі, для прикладу, мобільні телефони працюють на ~ 60% довше, це пов'язано саме з те, що щільність покриття мереж в Європі зростає щорічно. Не секрет, що досить-таки велика кількість енергії телефон витрачає в зонах з нестійким прийомом, де доводиться часто реєструватися в мережі оператора. Особливо це стосується 3G-апаратів, які, крім усього іншого, знаходяться в пошуку мереж третього покоління. Наприклад, в апараті Nokia 6630, першому 3G-смартфоні, що продається в Росії, пошук цих мереж доводилося відключати додатково за допомогою спеціальної програми, апарат при цьому працював в середньому на півдня довше. У наступних 3G-моделях подібна опція входила вже в стандартну комплектацію, проте далеко не кожен власник знав, що відключення пошуку мереж третього покоління може значно скоротити енергоспоживання.

Наступним пунктом зниження енергоспоживання є поділ інтерфейсу і родючості. Це так звана двухпроцессорная архітектура (CPU + комунікаційний процесор), яка застосовується, наприклад, в смартфонах Nokia сьогодні досить часто. Тобто основний процесор прокидається тільки при діях користувача або якомусь подію. У той же час процесор з меншою тактовою частотою не спить майже завжди. Один з центральних процесорів використовується для функцій зв'язку, а другий - для виконання додатків. Цей приклад можна розглянути на Nokia N93: характеристики процесора даної моделі, TI OMAP 2420, досить значні, ще більш значними вони виглядали під час розробки моделі, що довелося на 2004 рік. OMAP 2420 включає в себе всі переваги архітектури OMAP 2. Модель використовує архітектуру ARM11, на відміну від ARM9-попередників, побудованих на OMAP 1710. Покращення в сфері мультимедіа описуються додаванням прискорювача формування зображення та відео, підтримкою мультімегапіксельних (4 +) камер, виведення композитного сигналу на екран ТБ, запису та відтворення відео в форматі MPEG4, VGA-дозволі із швидкістю 30 кадрів в секунду. В основі процесора два ядра - ARM1136JS-F, що функціонує при тактовій частоті до 330 МГц, і TMS320C55x (220 МГц). Вони доповнені засобами прискорення тривимірної графіки на базі розробок PowerVR Мвх. Крім того, з'явилася додаткова мікросхема живлення, TWL92230, завдяки чому TI ліквідувала деяке відставання в порівнянні з XScale. Схема процесора OMAP 2420 наведена нижче:

Моделі на OMAP 1510, 1710 і ін також відрізняються двухпроцессорной архітектурою. ОМАР1710 - перший процесор TI, що випускається по 90 нм технологічному процесу. Перехід на більш досконалу технологію дозволив знизити енергоспоживання і площа кристала майже на 50%. На базі OMAP 1710 побудовані такі пристрої, як Nokia 6630 і всі наступні апарати компанії, крім N93 і N95. Відносна (у порівнянні з деякими конкурентами) маломощность таких мікросхем, як OMAP 1710, яка ще не вичерпав всі ресурси і буде застосовуватися в ряді апаратів Nokia Nseries, компенсується ефективністю Symbian OS. Фактично на досить скромних апаратних засобах ця ОС забезпечує на більшості завдань приблизно ту ж суб'єктивну продуктивність, що і Windows Mobile, що функціонує на значно більш потужних ресурсах.

У стані Windows-смартфонів, таких, як Qtek 8100, досить поширений процесор ОМАР730, в який інтегровано ядро прикладного ЦП (ARM926) і модуль обробки сигналу, в якому є DSP TMS320C54x і ядро ARM7TDMI. Процесор компактний, розмір кристала - 12x12 мм (MicroStar BGA).

Спочатку ОМАР створювалася як платформа, що дозволяє поєднувати такі вимоги мобільного ринку, як необхідність у високій обчислювальної потужності та мінімальне енергоспоживання. З цим завданням вдалося впоратися завдяки створенню комплексу рішень, що охоплюють високопродуктивний ЦП (на базі архітектури ARM), ряд розробок TI в області цифрової обробки сигналу (DSP конкретно серії TI TMS320), і інтеграції модулів пам'яті, що розділяється. При цьому всі компоненти розміщені на одному кристалі.

Переваги системи, в якій інтегровано окремий процесор обробки сигналу, очевидні: врешті-решт, саме до обробки сигналу зводяться практично всі функції, що вимагають скільки-небудь значної обчислювальної роботи в сучасному КПК. Для більшості стандартних програм зайві ресурси продуктивності навіть самих малопотужних сучасних ЦП (деякий виняток становить мобільний 3D, але це тема окремого обговорення). Використання окремого ЦП дозволяє різко підвищити обчислювальну потужність пристрою, зберігши на прийнятному рівні його енергоспоживання (також варто пам'ятати, що вимоги до харчування DSP в перерахунку на удільні одиниці значно нижче, ніж у порівнянного RISC-процесора). Це важливо зараз і буде ще важливіше завтра, коли терміналам стільникового зв'язку третього покоління доведеться забезпечувати ще і високоякісне відео та аудіо, причому все це паралельно (скажімо, власник не захоче переривати гру онлайнову вхідного дзвінка).

Також цікавим способом зниження енергоспоживання є зміна тактової частоти процесора залежно від виконуваних завдань. Розглянемо приклад XScale PXA27x, одного з найбільш досконалих процесорів серії XScale, що знаходяться в масовому виробництві (кодова назва Bulverde) і застосовуються в смартфонах і комунікаторах.

Процесорний ядро має семиступінчастий конвеєр, 32 Кбайт кеш інструкцій і даних, 2 Кбайт міні-кеш. Також передбачено 256 Кбайт внутрішньої пам'яті SRAM, яка використовується, зокрема, для зберігання та обробки даних в режимах зі зниженим енергоспоживанням. Тактова частота ЦП може змінюватися в діапазоні 104-624 МГц, напруга живлення ядра - 0,85-1,55 В. Передбачається можливість роботи з чотирма банками SDRAM (до 512 Мбіт, до 104 МГц).

Говорячи про процесори, не можна не згадати рішення, що дозволяють знизити енергоспоживання на 15-20 відсотків. Це так звані одночиповие системи (System-On-Chip). Одночіповою системою є і описаний раніше OMAP730. Інтеграція компонентів - природний шлях розвитку електронних пристроїв. Часто зустрічаються згадки про інтеграцію кількох електронних компонентів для стільникового телефону в рамках одного чіпа. Об'єднують на одному кристалі процесори і пам'ять, підсилювачі і приймально-передавачі. Так, компанія TTPCom об'єднала на одному кристалі обчислювальне ядро і цифровий сигнальний процесор (DSP), дозволивши реалізувати модем для стільникового телефону на одному чіпі. Це не тільки дозволить розробляти пристрої стільникового зв'язку в більш короткі терміни, але і розвантажити обчислювальне ядро стільникових телефонів від розрахунків, пов'язаних зі стеком протоколів і обробкою вступників та передаються даних. Ще одним прикладом служить ліцензування Texas Instruments (TI) графічного прискорювача у компанії Imagination Technologies. У всіх чіпсетах OMAP застосовувалися графічні технології компанії Imagination Technologies - "System-on-Chip Intellectual Property" (SoCIP).

Компанія Philips також отримала ліцензію ARM і PowerVR Technology на використання технології 3D PowerVR MBX в нових чіпсетах, призначених для мобільних телефонів. Вони базуються на ядрі MBX RS (для 3D) і ARM926EJ-S. Ядро MBX RS, виконане за технологією 0.18 мікрон, працює на частоті 80 МГц і споживає 1.5mW/MHz. Компанія планує також випустити версію 0.13 мікрон з частотою вище 120МГц (споживання 0.7 mW / MHz). Ядро підтримує швидкість заповнення 250 мегапікселів у секунду, зображення QCIF (176x144) і QVGA (320x240).
ARM926EJ-S - це ядро 32/16-bit RISC, спеціально розроблене для мобільних телефонів і PDA. Воно підтримує Symbian OS, Windows CE і Linux і доступний у двох версіях - 0.18 мікрон (180 - 200 МГц) і 0.13 мікрон (220 - 250 МГц).

На виставці WiMAX World, 11.10.2006 Intel оголосила про створення однокристального адаптера SoC Intel ® WiMAX Connection 2250 наступного покоління, який вперше забезпечує підтримку як фіксованих, так і мобільних мереж.
Цей однокристальний адаптер - перша в галузі дворежимна мікросхема, яку в 2007 році ми вже можемо побачити в продукції компанії Motorola.

Таким чином, широке застосування одночіпових систем в мобільних телефонах дозволить суттєво скоротити енергоспоживання, це один з найбільш цікавих способів збільшення часу роботи пристроїв в 2007 році.

Взагалі апаратні речі також багато в чому залежать від софта. Тобто, наприклад, енергоспоживання в кожному конкретному випадку може залежати виключно від стабільності програмного забезпечення апарату та особливостей його реалізації. Для прикладу можна привести ряд продуктів від TCL на референсної платформі - одні працювали цілодобово, інші сідали на перший 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. Важливо відзначити, що швидкість процесора - річ в собі, деякі продукти, що мають процесори з частотою 224 МГц, працюють, внаслідок погано написаного ПО, значно повільніше. Тут немає такої проблеми, але процесор накладає обмеження на додаткові функції, наприклад, підтримки тривимірної Java немає.

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:

Дана модель є однією з перших з QVGA-дозволом і виконані по TFT-технології, що забезпечує безперешкодне читання інформації під прямими сонячними променями.

Окрім регулювання підсвічування екрану, великий вплив має технологія, розмір екрану і його дозвіл. Згадаймо OLED-дисплеї (organic light-emitting diode), що відрізняються зниженим енергоспоживанням.

Софтова підтримка екранів - також важливий пункт у скороченні енергоспоживання. Тобто, наприклад, виграшним буде спосіб адаптації дисплея для низького енергоспоживання при роботі певних програм, як-то SMS-клієнт або робота з електронною поштою, програми електронної пошти, де не потрібні, в принципі, яскраві кольори, для різних потреб і навантажень можливо різну поведінку екрану мобільного пристрою.

Висловлюючись загальними словами, необхідно визначити той рівень якості відображення інформації на екрані, який буде відповідати основним вимогам ринку, але в той же час буде мінімальним. Підсистеми відображення, в свою чергу, повинні володіти зниженим енергоспоживанням на апаратному рівні, плюс на софтовом рівні регулювати витрату енергії описаними раніше способами.

Однією з найбільш сильно затребуваних функцій мобільного пристрою є передача даних. Як технологія бездротової передачі даних Bluetooth споживає невелику кількість енергії, порівняно з деякими іншими, наприклад, Wi-Fi. Технологія Bluetooth 0.18 мікрон (харчування - 1.5 вольт) використовувалася в телефонах Nokia в 2001 році, нині ж це 0.13 мікрон, що забезпечує мінімальне енергоспоживання в режимі очікування.

У листопаді 2004 року Bluetooth SIG випустила специфікацію Bluetooth 2.0 + EDR (Enhanced Data Rate). Зросла швидкість передачі даних в Bluetooth 2.0 привела до зростання споживаної пристроями потужності. Варто зауважити, що споживання енергії зросло не так сильно, тому сумарно ми можемо говорити про скорочення енергоспоживання, тобто, оперуючи конкретними даними, можна простежити зниження останнього більш ніж на 50 відсотків.

Більше розумна організація роботи з даними також вплинула на енергоспоживання у бік його скорочення. Так, наприклад, використання одночасної передачі даних декільком пристроям помітно економніше, ніж передача цих даних кожному пристрою окремо.

Цілком закономірно, що конкуруючі стандарти, як тісняться Bluetooth в нових для нього областях, так і очікуються в типовій для нього області персональних мереж, змушують розробників продовжувати удосконалювати найбільш сильну сторону стандарту - низьке споживання енергії.

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 ( nl_pd@hotmail.com )
Опубликовано — 01 ноября 2006 г.

Є, що додати?! Пишіть ... eldar@ua-mobile.com

Новини:

23:00, 01 грудня: Власники Android смартфонів LG отримають 50 Гб хмарного простору

19:51, 01 грудня: Роздрібна мережа МТС оголошує про старт продажів iPhone 4s

19:23, 01 грудня: Samsung представляє молодіжний телефон C3300 Hello Kitty

17:46, 01 грудня: «М. Відео» починає продаж смартфонів Nokia Lumia на Windows Phone 7.5

12:54, 01 грудня: Nokia X2-02: черговий музичний апарат від фінської компанії з підтримкою двох SIM карт