Les smartphones sont devenus des accessoires irremplaçables dans notre vie quotidienne. Qu'il s'agisse de notre vie professionnelle ou personnelle, chacune de nos tâches est liée d'une façon ou d'une autre à ces appareils. Pour répondre à notre dépendance croissante, ces smartphones deviennent chaque jour plus puissants. Les utilisateurs recherchent en effet des processeurs performants, un stockage plus volumineux et de meilleures caméras.
En dehors du système d'exploitation, ils utilisent aussi toute une série d'applications qui reposent sur les différents capteurs de l'appareil et sur sa puissance de traitement. Tous ces processus nécessitent une source d'énergie pour fonctionner. Dans le cas des appareils mobiles, c'est une batterie. Ces batteries doivent être chargées de temps à autre pour que les processus puissent continuer à fonctionner. Leur durée de vie est donc un autre critère important lorsqu'il s'agit de choisir un smartphone. Les technologies d'optimisation de cette durée de vie n'ont pas progressé au même rythme que d'autres filières de l'industrie du smartphone.
Pour prolonger la durée de vie d'un smartphone, des technologies à la fois matérielles et logicielles peuvent intervenir. Côté matériel, il est possible d'installer une plus grande batterie, mais cela oblige à augmenter la taille du smartphone. Une solution réaliste consiste à concevoir des unités efficaces de gestion de la puissance et des circuits intégrés (CI) économes en énergie. Parallèlement, il est aussi possible d'apporter des améliorations logicielles au système d'exploitation afin qu'il gère au mieux les applications gourmandes en énergie et fasse un usage judicieux de la batterie disponible. Dans cet article, nous traiterons des techniques logicielles et matérielles visant à optimiser la durée de vie des batteries de smartphones.
Techniques logicielles de gestion de la puissance
L'extraordinaire popularité des smartphones modernes, avec leur puissance de traitement accrue et leurs connexions Internet plus rapides, a également augmenté le nombre d'applications fortes consommatrices de données et de composants matériels, que ce soit sous Android ou sous iOS. Des applications comme WhatsApp, Instagram, Skype, etc., exigent non seulement des ressources processeur, mais également une connexion Internet permanente. Des études ont montré que l'utilisation d'Internet constituait environ 62 % de la consommation électrique en veille. De plus, la technologie 3G/4G use davantage la batterie que le Wi-Fi lors des échanges fréquents de petits paquets de données.
Plusieurs techniques logicielles, comme la compression de données, l'agrégation de paquets et la programmation par lots, peuvent aider à optimiser l'autonomie. Sur un smartphone, la transmission aléatoire de données par différentes applications vide davantage la batterie. Un mécanisme de planification par lots peut donc être utilisé pour optimiser le temps de veille et limiter la fréquence des réveils dus au transfert récurrent de données par les applications.
Le déchargement de données de la 3G/4G vers le Wi-Fi est également un bon moyen d'améliorer l'autonomie, puisque celui-ci transfère les données plus efficacement que la 3G/4G. Au niveau logiciel, il est également possible de décharger le processeur des tâches de calcul les plus lourdes, comme celle des logiciels gros consommateurs de puissance de traitement, en confiant celles-ci au cloud. Cette stratégie peut fonctionner pour des logiciels comme Office 365 et MATLAB sur les appareils mobiles, mais elle entraîne un coût de communication supplémentaire entre le cloud et l'appareil. L'ASP (Application State Proxy) est une autre technique par laquelle les applications en tâche de fond, qui mobilisent des ressources processeur mais utilisent aussi des données Internet, sont supprimées et transférées sur un autre appareil pour n'être rappelées sur l'appareil d'origine qu'en cas de besoin.
Techniques matérielles de gestion de la puissance
Divers éléments embarqués (systèmes, puces, processeurs et capteurs) sont intégrés pour travailler de façon synchrone et rendre ces appareils mobiles intelligents. Chacun de ces composants matériels, lorsqu'il est actif, consomme de l'énergie. De tous ces modules électroniques, c'est le transmetteur qui consomme le plus car il reste longtemps actif pour recevoir les paquets entrants. Diverses techniques logicielles ont été envisagées pour optimiser le transfert de ces paquets de données. Les processeurs de signal numérique (DSP) sont des composants essentiels de ces modules transmetteurs qui traitent de grandes quantités de données pour des usages multimédias. Diminuer la tension d'alimentation de ces DSP permet de réduire directement la consommation électrique.
Pour prolonger l'autonomie, le DSP d'un smartphone nécessite un dispositif multiplicateur-accumulateur (MAC) de faible consommation et haut débit pendant les périodes de conversation, qui passe en mode intermittent et faible consommation pendant les périodes d'attente. Un circuit CMOS multi-seuil de 1 V répond à ces exigences à l'aide d'une simple architecture parallèle et d'une technique de gestion de la puissance. Celle-ci utilise un processeur embarqué aux côtés d'une DFF modifiée qui permet de contrôler l'alimentation.
Crédit image : Electronics Maker
En dehors des processeurs et des transmetteurs, l'écran est lui aussi un gros consommateur d'énergie pour la batterie. Les écrans LED qui nécessitent un rétroéclairage consomment davantage et peuvent donc être remplacés par des écrans plus économes, comme les modèles OLED. Contrairement aux écrans LED et LCD, l'OLED n'a pas besoin de rétroéclairage et chaque pixel dispose de sa propre source de couleur et de lumière autonome. Sur un écran OLED, les images noires sont donc totalement noires, ce qui n'est pas le cas des écrans LED et LCD.
Les études ont montré que la dégradation de l'autonomie de la batterie au fil du temps pouvait également être imputée au polyfluorure de vinylidène (PVDF), un liant utilisé pour éviter l'exfoliation de l'anode en graphite des batteries. Le PVDF n'est pas conducteur et se dissout dans l'électrolyte à cause de sa faible capacité d'adhérence. Un nouveau de polymère conjugué de type n, le bis-imino-acénaphthène quinone-paraphénylène (BP), a aussi été proposé comme liant. Il s'est montré plus performant que les liants classiques à base de PVDF, a prolongé la durée de vie de la batterie et empêché sa dégradation à mesure quelle vieillissait.
Les chercheurs ont également proposé une unité de gestion de la puissance (PMU) capable de recueillir des informations sur divers paramètres du processeur et sur les dispositifs d'entrée/sortie lors de l'exécution de diverses applications sur le smartphone. Cette PMU pourrait proposer des modèles de gestion prédictifs sensibles à la puissance en fonction des informations recueillies.
Perspectives de la gestion de la puissance pour les smartphones
Le rythme auquel l'industrie des smartphones progresse dans le domaine de la puissance de calcul et d'autres paramètres est nettement plus rapide que pour les batteries. Les chercheurs concentrent maintenant leurs efforts sur des techniques de gestion de la puissance aussi bien logicielles que matérielles pour gérer efficacement l'énergie disponible dans les batteries. Les diverses techniques évoquées dans cet article sont prometteuses et servent à augmenter l'autonomie des smartphones de plusieurs ordres de grandeur.