Smartphones sind in unserem Alltag unersetzlich geworden. Jede Aufgabe ist mehr oder weniger mit diesen Geräten verbunden, egal ob im Berufs- oder Privatleben. Um unserer zunehmenden Abhängigkeit gerecht zu werden, werden Smartphones Tag für Tag leistungsfähiger. Leistungsstarke Prozessoren, mehr Speicherkapazität und eine verbesserte Kamera sind die Eigenschaften, die jeder Käufer sucht.
Neben dem Betriebssystem können Konsumenten auch eine Vielzahl von Anwendungen verwenden, die unterschiedliche Sensoren und Rechenleistung unserer Geräte nutzen. Alle diese Prozesse benötigen für ihren Betrieb eine Stromquelle, die bei mobilen Geräten ein Akku ist. Diese Akkus müssen von Zeit zu Zeit geladen werden, damit die Prozesse störungsfrei ausgeführt werden können. Deshalb stellt eine längere Akkulebensdauer bei der Auswahl eines Smartphones ein wichtiges Kriterium dar. Die Technologie im Bereich Optimierung der Akkulebensdauer hat sich nicht in der gleichen Geschwindigkeit entwickelt wie andere Segmente in der Smartphone-Branche.
Eine Verlängerung der Akkulebensdauer eines Smartphones kann sowohl durch Hardware- als auch Software-Techniken erfolgen. Veränderungen in der Hardware vorzunehmen kann auch bedeuten, einen größeren Akku zu installieren, dadurch würde jedoch die Größe des Smartphones erhöht werden. Das Design effizienter Energiemanagement-Einheiten und energieeffizienter integrierter Schaltungen (Integrated Circuits, ICs) stellt eine praktikable Lösung dar. Darüber hinaus gelten Verbesserungen der Software im Betriebssystem für das Management akkuintensiver Anwendungen und eine vernünftige Nutzung der vorhandenen Akkuladung als eine weitere mögliche Lösung des Problems. In diesem Artikel wird auf Hardware- und Software-Techniken zur Optimierung der Lebensdauer von Smartphone-Akkus eingegangen.
Software-Techniken für das Energiemanagement
Die enorme Popularität moderner Smartphones mit höherer Rechenleistung und schnellerer Internetverbindung führte auch zu einem Anstieg der Zahl von daten- und Hardware-intensiven Anwendungen für Android und iOS. Anwendungen wie WhatsApp, Instagram, Skype usw. erfordern nicht nur CPU-Ressourcen, sondern auch eine ständige Verbindung zum Internet. Studien haben gezeigt, dass die Nutzung des Internets im Ruhezustand rund 62 % des Stromverbrauchs ausmacht. Außerdem wird im Vergleich zu WLAN durch 3G/4G mehr Akkuladung verbraucht, wenn regelmäßig kleine Datenpakete ausgetauscht werden.
Zur Optimierung der Akkulebensdauer können verschiedene Software-Techniken wie Datenkompression, Paket-Aggregation und Batch-Planung eingesetzt werden. Durch Übertragung beliebiger Daten durch unterschiedliche Anwendungen auf einem Smartphone wird mehr Akkuladung verbraucht, weshalb ein Batch-Planungsmechanismus verwendet werden kann, um die Sleep-Zeit zu maximieren und die Wake-Up-Frequenz durch den wiederkehrenden Datentransfer durch Anwendungen zu minimieren.
Data Offloading, d.h. die Auslagerung von Daten, von 3G/4G zu WLAN ist eine weitere effektive Methode zur Optimierung der Akkulebensdauer, da WLAN im Vergleich zu 3G/4G für den Datentransfer effizienter ist. Eine weitere Software-Technik ist das Auslagern bzw. Offloaden rechenintensiverer Aufgaben wie z.B. CPU-intensive Software für Berechnungen in die Cloud. Diese Strategie kann für den Betrieb von Software wie Office 365 und MATLAB auf Mobilgeräten eingesetzt werden, sie bringt aber zusätzliche Kommunikationskosten zwischen der Cloud und dem Gerät mit sich. Application State Proxy (ASP) ist eine andere Technik, bei der Hintergrund-Anwendungen, die nicht nur CPU-Ressourcen, sondern auch Internetdaten nutzen, unterdrückt und auf ein anderes Gerät transferiert werden und nur nach Anforderung auf das Gerät gebracht werden.
Hardware-Techniken für das Energiemanagement
Verschiedene eingebettete Systeme, Chips, Prozessoren und Sensoren werden integriert, um synchron miteinander zu arbeiten und die Mobilgeräte zu intelligenten Geräten zu machen. Jedes der Hardware-Geräte verbraucht Strom, wenn es betrieben wird. Von all diesen elektronischen Modulen verbraucht das Transceiver-Modul die größte Menge an Strom, da es für lange Zeit aktiv bleibt, um eingehende Pakete zu empfangen. Es wurden verschiedene Software-Techniken zur Optimierung des Datentransfers dieser Pakete erörtert. Digitale Signalprozessoren (DSPs) sind Schlüsselkomponenten dieser Transceiver-Module, die große Datenmengen für Multimedia-Anwendungen verarbeiten. Eine direkte Methode zur Reduzierung des Stromverbrauchs besteht in der Reduzierung der Versorgungsspannung für diese DSPs.
Zur Verlängerung der Akkulebensdauer erfordert ein DSP bei einem Smartphone während des Sprech-Zeitraums eine Multiply-Accumulation (kurz: MAC) mit geringem Stromverbrauch und hohem Durchsatz und einen stromsparenden intermittierenden Betrieb während des Warte-Zeitraums. Eine 1-V-Multi-Threshold-CMOS-Schaltung wird diesen Anforderungen gerecht. Sie verfügt über eine einfache Parallel-Architektur und eine Energiemanagement-Technik, bei der ein eingebetteter Prozessor verwendet wird, der zusammen mit einem modifizierten DFF verwendet wird, der zur Spannungsversorgungs-Steuerung geeignet ist.
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Neben Prozessoren und Transceivern verbraucht auch der Bildschirm große Mengen Akkustrom. LED-Bildschirme, die Hintergrundbeleuchtungen, sogenannte Backlights, verwenden, verbrauchen mehr Strom und können daher mit energieeffizienteren Anzeigen wie z.B. OLED ersetzt werden, die weniger Strom verbrauchen. OLED-Anzeigen benötigen im Gegensatz zu LED- und LCD-Anzeigen keine Hintergrundbeleuchtung, und jedes Pixel im OLED verfügt über seine eigene in sich geschlossene Farb- und Lichtquelle. Deshalb sind schwarze Bilder auf OLED-Anzeigen vollständig schwarz, was bei LED- und LCD-Anzeigen anders ist.
Die Forschung hat gezeigt, dass auch Polyvinylidenfluorid (PVDF) die Abnahme der Akkukapazität im Laufe der Zeit verursachen kann. Es handelt sich dabei um ein Bindemittel, das verwendet wird, um einer Exfolierung der Graphit-Anode in Akkus vorzubeugen. PVDF ist nichtleitend und löst sich aufgrund der schlechten Adhärenz-Rate im Elektrolyten auf. Als neues konjugiertes Copolymer des n-Typs wurde auch das Bindemittel Bis-Imino-Acenaphthenequinon-Paraphenylen (BP) vorgeschlagen. Es schnitt besser ab als herkömmliche PVDF-basierte Bindemittel, verlängerte die Akkulebensdauer und verhinderte die Abnahme der Kapazität mit steigendem Akku-Alter.
Die Forscher haben auch eine dynamische Energiemanagement-Einheit (Power Management Unit, PMU) vorgestellt, die Informationen über die verschiedenen Parameter des Prozessors und die Eingabe-/Ausgabe-Geräte sammelt, während sie verschiedene Anwendungen auf dem Smartphone ausführt. Die PMU schlägt dann basierend auf den gesammelten Informationen verschiedene „energiebewusste“ Managementpläne vor.
Perspektiven für das Energiemanagement von Smartphones
Die Geschwindigkeit, mit der sich die Smartphone-Branche in Bezug auf Rechenleistung und andere Funktionen weiterentwickelt, ist viel schneller als bei Batterien und Akkus. Forscher konzentrieren sich heute auf Techniken des Energiemanagements durch Software und Hardware, was bedeutet, die verfügbare Akkuenergie effizient zu verwalten. Die verschiedenen im Artikel erörterten Techniken sind vielversprechend und werden eingesetzt, um die Akkulebensdauer von Smartphones um ein Vielfaches zu verlängern.