Dank der immer kleiner werdenden Abmessungen von Elektronikkomponenten können leistungsstärkere Geräte mit kleineren Gehäusen konstruiert werden. Dies zeigt sich am deutlichsten in modernen Computing-Systemen. Die ersten Computer nahmen ganze Etagen von Gebäuden, ähnlich den Supercomputing-Systemen von heute. Und während die Größe dieser Supercomputer unverändert geblieben ist, sind die Datenmengen, die von ihnen verarbeitet werden können, exponenziell gewachsen. Durch die Reduzierung der Abmessungen von Elektronikkomponenten werden elektronische Geräte jedoch nicht nur leistungsstärker, sondern auch kleiner.
Kleinere Geräte sind aus Sicht der Verbraucher praktischer. Ein gutes Beispiel hierfür sind Kopfhörer. Die ersten Kopfhörer waren groß und sperrig. Daher konnten sie nicht unterwegs getragen werden. Mit zunehmender Verbesserung der Technologie wurden Kopfhörer jedoch immer kleiner, bis sie problemlos ins Ohr gesteckt werden konnten. Mittlerweile wurde die Technologie so gut, dass Ohrstecker auch kabellos sein können.
Kleiner werdende Elektronikkomponenten bedeuten nicht nur, dass Geräte kleiner werden. Auch die Abmessungen der Energiequellen für diese Geräte müssen reduziert werden. Dies führt zu einer Herausforderung, was Energiequellen betrifft: Wenn die Größe einer Energiequelle reduziert wird, nimmt auch die Menge der Energie ab, die gespeichert werden kann. Daher spielen die Entwickler von Elektronikgeräten häufig Katz und Maus mit moderner Elektronik: Da sie die Größe der Energiequelle reduzieren müssen, müssen sie den Energieverbrauch der Geräte senken, um die gleiche Akkulaufzeit wie zuvor zu erzielen.
Worauf sollten sich Entwickler also für die Zukunft einstellen, wenn es um die Entwicklung immer kleinerer Geräte geht, und was können Entwickler jetzt tun, während diese Technologien entwickelt werden?
Akkutechnologien
Designern steht eine Vielzahl von Akkutechnologien zur Verfügung. Es gibt jedoch nur eine Technologie, die für kleine, tragbare Geräte nach wie vor sinnvoll ist: die Lithium-Ionen-Technologie (Li-ion). Die aktuelle Lithium-Ionen-Technologie ermöglicht Akkus mit einer hohen Energiedichte, die schnell aufgeladen werden können. Daher können Lithium-Ionen-Akkus entwickelt werden, die wesentlich geringere Abmessungen als Akkus aufweisen, die andere Technologien verwenden (z. B. Alkali- und Bleiakkus). Dies hat jedoch seinen Preis.
Lithium-Ionen
Bei Lithium-Ionen-Akkus müssen mehrere Sicherheitssysteme vorhanden sein, da sie leicht beschädigt werden können. Wenn dies passiert, kann es zu extrem heftigen Reaktion kommen. Wenn Lithium-Ionen-Akkus durchstoßen oder beschädigt werden, entsteht beinahe immer ein interner Kurzschluss zwischen ihren Elektroden. Dieser Kurzschluss ist sehr massiv. Es kommt zur Bildung von Wasserstoffgas und Hitze. Schließlich schwillt der Akku an, entlässt das Wasserstoffgas und fängt Feuer. Dieses Feuer kann Objekte in der Nähe beschädigen und weitere Brände in anderen Akkus verursachen.
Festkörper
Festkörperakkus stellen eine neue Technologie dar, die sich zurzeit in Entwicklung befindet. Sie könnten die aktuellen Lithium-Ionen-Akkus (die einen flüssigen Elektrolyten verwenden) ersetzen. Wie der Name bereits sagt, bestehen Festkörperakkus vollständig aus festen Materialien. Damit sind sie wesentlich widerstandsfähiger gegen Beschädigungen und interne Kurzschlüsse. Darüber hinaus gehen Forscher davon aus, dass Festkörperakkus sicherer sind und mehr Energie speichern können. Damit wären noch kleinere Akkus möglich.
Festkörperakkus besitzen jedoch auch Nachteile. Ein wesentlicher Nachteil besteht in der Bildung interner Dendriten. Lithiumbasierte Festkörperakkus tendieren dazu, kleine Kristalle auf ihren Anoden zu bilden, die in Richtung der Kathode wachsen. Diese Kristalle werden als Dendriten bezeichnet. Wenn diese Kristalle in Kontakt mit der Kathode kommen, kommt es zu einem Kurzschluss und die Zelle funktioniert nicht mehr.
Superkondensatoren
Superkondensatoren stellen eine weitere Option dar, mit der die Geräte der Zukunft mit Energie versorgt werden könnten, da sie bei niedriger Spannung große Mengen von Energie speichern können. Darüber hinaus können Superkondensatoren extrem schnell aufgeladen und entladen werden. Damit sind sie ideal für Systeme geeignet, die schnell aufgeladen werden müssen oder plötzlich große Mengen von Energie speichern müssen (z. B. regenerative Bremssysteme).
Das Problem mit Superkondensatoren ist jedoch, dass diese Technologie Energie nicht im selben Umfang wie die meisten anderen Akkutechnologien speichern kann. Daher sind Superkondensatoren möglicherweise nicht als langfristige Energiespeicher für Geräte mit hohem Energiebedarf geeignet. Da sie schnell entladen werden können, bestehen darüber hinaus Sicherheitsbedenken in Bezug auf Funkenbildungen durch Kurzschlüsse.
Alternative Energiequellen
Akkus speichern Energie. Die bedarfsbasierte Generierung von Energie kann jedoch sehr viel vorteilhafter sein, da die Bediener die Geräte nicht aufladen müssen. Die Technologie kann außerdem remote und entfernt von anderen Energiequellen installiert werden und bietet mehr Sicherheit.
Solar
Kleine Solarzellen sind häufig in Taschenrechner integriert, die problemlos im Außenbereich bei Tageslicht als auch im Innenbereich bei künstlichem Licht betrieben werden können. Sie können zwar nicht genügend Energie für intelligente Geräte oder Laptops generieren, jedoch problemlos für kleinere Geräte wie IoT-Sensoren und am Handgelenk getragene Sportuhren verwendet werden können. Langfristig betrachtet können Solartechnologien jedoch keine Geräte mit Energie versorgen, die mit mehr als 1 W betrieben werden müssen.
Druckwasserstoff
Bei Druckwasserstoff könnte es sich um eine weitere zukünftige Lösung für die Speicherung von Energie handeln. Wenn Wasserstoff und Sauerstoff durch eine spezielle Ionenaustauschmembran geleitet werden, können sie direkt Elektrizität erzeugen. Dies ist ein hoch effizienter Prozess, der die hohe Energiedichte von Wasserstoff nutzt. Die Speicherung von Druckwasserstoff führt jedoch zu Sicherheitsbedenken, auch bei kleinen tragbaren Geräten, ähnlich wie im Fall von Lithium-Ionen-Akkus. Darüber hinaus ist es schwierig, die Größe dieser Brennstoffzellen zu minimieren. Aus diesen Gründen stellt diese Technologie in den nächsten Jahrzehnten möglicherweise keine tragfähige Energiequelle dar.
Thermisch
Thermische Energie kann durch die Nutzung des Peltier-Effekts direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. Forscher konnten Energiequellen entwickeln, die wie ein Ring am Finger getragen werden können. Der Unterschied zwischen der Temperatur der Luft und des Körpers reicht aus, um Elektrizität zu erzeugen. Peltier-Generatoren sind jedoch bekanntermaßen ineffizient. Geräte, die nach diesem Prinzip mit Energie versorgt werden, können nur bei einem großen Temperaturunterschied (ungefähr 80 C) effizient betrieben werden.
Strahlung
Eine weitere zukünftige Energiequelle ist Strahlung. Forscher haben Diamantakkus entwickelt, die radioaktive Abfälle direkt in Elektrizität umwandeln. Ein Akku mit dieser Technologie könnte klein sein und vielen Generationen Energie bereitstellen, ohne jemals wieder aufgeladen werden zu müssen. Diese Energiequellen würden jedoch äußerst kleine Mengen von Energie (im Nanowattbereich) erzeugen. Sie sind darüber hinaus möglicherweise gefährlich für die Umwelt.
Techniken zur Reduzierung des Energieverbrauchs
Designer, die heute kleinere Geräte entwickeln möchten, können lediglich bereits bekannte und bewährte Akkutechnologien verwenden. In den meisten Fällen bedeutet dies die Verwendung von Lithium-Ionen-Akkus. Dies muss jedoch keinen Nachteil darstellen, da diese Akkus in sehr kleinen Größen erhältlich sind. Das Geheimnis besteht darin, den Energieverbrauch eines Geräts so weit wie möglich zu reduzieren, um die Betriebszeit des Akkus zu verlängern.
Energie ist Energie und vollständig unabhängig von Zeit
Designer müssen zunächst verstehen, dass Energie nichts mit Zeit zu tun hat. Ein Gerät kann für einen kurzen Zeitraum sehr viel Energie oder über einen langen Zeitraum sehr wenig Energie verbrauchen. Insgesamt würde das Gerät exakt dieselbe Menge Energie verbrauchen.
Dieses Konzept kann dazu verwendet werden, um den Energieverbrauch von Geräten erheblich zu reduzieren, indem das Gerät erkennt, wann es in Betrieb sein muss und wann nicht. Beispielsweise könnte ein akkubetriebenes IoT-Gerät mit WLAN-Verbindung nur alle 10 Sekunden Daten senden müssen. Wenn dies der Fall ist, kann das Gerät 9,9 Sekunden der Zeit in einem Tiefschlafmodus verbringen, während dem der Energieverbrauch minimiert wird. Damit wird ein Durchschnitt zwischen dem hohen Energieverbrauch während Übertragungen und dem minimalen Energieverbrauch im Tiefschlafmodus gebildet, was den Energieverbrauch deutlich reduzieren kann.
Taktratenreduzierung
Zahlreiche Designer, die mit Mikrocontrollern und Mikroprozessoren arbeiten, tendieren dazu, auch das letzte Megahertz herauszupressen, das möglich ist. Während dies für datenintensive Anwendungen praktisch sein kann, ist es für tragbare Geräte alles andere als ideal. Die Reduzierung der Taktrate kann daher zu erheblichen Energieeinsparungen führen.
Die Funktionsweise der CMOS-Logik ist der Grund, warum die Reduzierung von Taktraten, die auf CMOS-Logik basieren, zur Senkung des Energieverbrauchs beiträgt. In der Logik 1 oder 0 verbraucht CMOS so gut wie keine Energie, da ein Kondensator den Eingang zu CMOS-Gattern bildet und die CMOS-Transistorpaare (P und N) komplementär sind. Das bedeutet, dass es im Zustand 1 oder 0 keinen Pfad zwischen Stromversorgung und Erdung gibt (und daher keine Energie verbraucht wird). Bei einer Änderung des logischen Zustands gibt es jedoch für kurze Zeit einen Pfad zwischen Stromversorgung und Erdung (da der Transistor durch einen linearen Bereich verläuft). Damit kommt es zu einer Verbindung zwischen Stromversorgung und Erdung. Dies ist der Zeitraum, in dem Energie verbraucht wird. Je länger ein Transistor in diesem Bereich bleibt, desto mehr Energie wird verbraucht.
Daher kann die Reduzierung der Taktrate eines Systems zur Senkung des Energieverbrauchs beitragen. Eine Reduzierung der Taktrate bedeutet jedoch auch, dass pro Sekunde weniger Anweisungen ausgeführt werden. Daher kann die Ausführung derselben Aufgabe länger dauern. Dies führt zum bereits beschriebenen Problem des Energieverbrauchs zurück: Möglicherweise wird weniger Energie verbraucht, aber für die Ausführung einer Aufgabe wird trotzdem die gleiche Menge an Energie benötigt.
Könnten angepasste Chips die Lösung sein?
Angepasste Chips und Chiplets könnten Technologien sein, die zukünftigen Geräten Optionen für erhebliche Energieeinsparungen bieten. Der größte Nachteil von Standardelektronikkomponenten ist die häufig große Menge an nicht genutzten Peripheriekomponenten auf den Chips, die daher unnötigerweise Energie verbrauchen. Zu diesen können gehören: nicht benötigte Anweisungen, Peripheriekomponenten, die nicht genutzte Bus-Anschlüsse unterstützen, und generische Schaltkreise, die für das endgültige Design nicht benötigt werden.
Viele Hersteller bieten zwar die Möglichkeit an, diese Bereiche zu deaktivieren, um den Energieverbrauch zu reduzieren. Dennoch wird weiter wertvoller Platz auf dem Chip von nicht benötigter Hardware belegt, was die Effizienz des Designs beeinträchtigt. Angepasste Chips ermöglichen Designern jedoch die Auswahl genau der Hardware, die sie für ihr Design benötigen. Auf diese Weise können sie entweder die Größe ihrer Chips deutlich reduzieren oder den Platz auf dem Chip vollständig nutzen.
Angepasste Designs können auch verschiedene Arten entwickelt werden. Zu diesen gehören die Entwicklung des Chips selbst (ASIC) und die Auswahl vorgefertigter Chipkomponenten und ihre Kombination zu einem einzelnen Paket. Die Anwendung vorgefertigter Chipkomponenten ist eher wahrscheinlich, da sie einfacher hergestellt und zusammengefügt werden können. Außerdem ist dieses Verfahren wirtschaftlicher.
Fazit
Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, wie tragbare Geräte mit Energie versorgt werden können. Nur wenige stellen jedoch tragfähige Optionen dar. Mit zunehmend kleiner werdenden Elektronikkomponenten sinkt auch der Energiebedarf (kleinere Transistoren verbrauchen weniger Energie). Die höhere Zahl von Transistoren bedeutet jedoch auch einen insgesamt höheren Energieverbrauch.
Daher nutzen Designer möglicherweise eher energiesparende Techniken wie die Senkung der Taktrate und die Entfernung nicht benötigter Hardware. Darüber hinaus könnte der Trend der Zukunft hin zu angepassten Geräten verlaufen und ganze Schaltkreise könnten in einem einzelnen Paket enthalten sein, ohne dass externe Komponenten oder Teile benötigt werden. Solche Geräte könnten wie Leiterplatten bestellt werden.
