Gli smartphone sono diventati un bene insostituibile nella nostra vita quotidiana. Che si tratti di vita professionale o personale, ogni attività, in un modo o nell'altro, è legata a questi dispositivi. Per soddisfare la nostra crescente dipendenza, questi smartphone migliorano ogni giorno di più. Processori potenti, più spazio di archiviazione e una fotocamera migliorata sono le caratteristiche che cercano gli acquirenti.
Oltre al sistema operativo, i consumatori utilizzano una serie di applicazioni che sfruttano diversi sensori e la potenza di elaborazione del dispositivo. Per funzionare, tutti questi processi richiedono una fonte di energia che, nel caso dei dispositivi mobili, è una batteria. Queste batterie devono essere caricate di tanto in tanto per mantenere i processi attivi e funzionanti. La durata della batteria è quindi un altro criterio importante per la scelta di uno smartphone. La tecnologia relativa all'ottimizzazione della durata della batteria non si è sviluppata allo stesso ritmo di altri settori verticali dell'industria degli smartphone.
L'aumento della durata della batteria di uno smartphone può essere ottenuto sia con tecniche hardware che software. Modificare l'hardware potrebbe anche significare installare una batteria più grande, ma ciò comporterebbe un aumento delle dimensioni dello smartphone. La progettazione di unità di gestione dell'energia e di circuiti integrati (IC) efficienti dal punto di vista energetico è una soluzione praticabile. Inoltre, un'altra potenziale soluzione al problema è rappresentata dai miglioramenti del software del sistema operativo per gestire le applicazioni che consumano molta batteria e utilizzare in modo oculato la batteria disponibile. In questo articolo verranno discusse le tecniche software e hardware per ottimizzare la durata della batteria degli smartphone.
Tecniche di gestione della potenza del software
L'enorme popolarità degli smartphone moderni, dotati di maggiore potenza di elaborazione e di connessione a Internet più veloce, ha anche aumentato il numero di applicazioni ad alta intensità di dati e hardware sia in Android che in iOS. Applicazioni come WhatsApp, Instagram, Skype e così via non solo richiedono risorse per la CPU, ma anche una connessione permanente a Internet. Alcuni studi hanno rivelato che l'utilizzo di Internet costituisce circa il 62% del consumo energetico in stato di inattività. Inoltre, il 3G/4G consuma più batteria rispetto al Wi-Fi, quando vengono scambiati frequentemente pacchetti di dati di piccole dimensioni.
Per ottimizzare la durata della batteria è possibile utilizzare diverse tecniche software come la compressione dei dati, l'aggregazione dei pacchetti e la programmazione dei batch. La trasmissione casuale di dati da parte di diverse applicazioni su uno smartphone consuma più batteria, pertanto è possibile utilizzare un meccanismo di programmazione batch per massimizzare il tempo di inattività e ridurre al minimo la frequenza di riattivazione a causa del trasferimento ricorrente di dati da parte delle applicazioni.
L'offloading dei dati dal 3G/4G al Wi-Fi è un altro modo efficace per migliorare la durata della batteria, poiché il Wi-Fi è più efficiente rispetto al 3G/4G per il trasferimento dei dati. Un'altra tecnica software è quella di scaricare le attività di calcolo più impegnative, come il software ad alta intensità di CPU, sul cloud per i calcoli. Questa strategia può essere adottata per utilizzare software come Office 365 e MATLAB su dispositivi mobili, ma comporta un costo aggiuntivo di comunicazione tra il cloud e il dispositivo. Application State Proxy (ASP) è un'altra tecnica in cui le applicazioni in background, che non solo utilizzano le risorse della CPU ma anche i dati Internet, vengono soppresse e trasferite su un altro dispositivo, per poi essere richiamate sul dispositivo solo quando richiesto.
Tecniche di gestione della potenza dell'hardware
Diversi sistemi integrati, chip, processori e sensori sono integrati per lavorare in sincronia e rendere questi dispositivi mobili intelligenti. Ogni dispositivo hardware consuma corrente durante il funzionamento. Di tutti questi moduli elettronici, il modulo ricetrasmettitore è quello che consuma più corrente, poiché rimane attivo a lungo per ricevere i pacchetti in arrivo. Sono state discusse varie tecniche software per ottimizzare il trasferimento dei dati di questi pacchetti. I processori di segnale digitale (DSP) sono componenti chiave di questi moduli ricetrasmittenti, che elaborano una grande quantità di dati per l'uso multimediale. La riduzione della tensione di alimentazione di questi DSP è un metodo diretto per ridurre il consumo di corrente.
Per prolungare la durata della batteria, il DSP di uno smartphone richiede un accumulo di moltiplicazione (MAC) a basso consumo e ad alto rendimento durante il periodo di conversazione e un funzionamento intermittente a basso consumo durante il periodo di attesa. Un circuito CMOS multisoglia da 1 V soddisfa questi requisiti con una semplice architettura parallela e una tecnica di gestione dell'alimentazione che utilizza un processore incorporato e un DFF modificato adatto al controllo dell'alimentazione.
Accreditamento dell'immagine: Electronics Maker
Oltre ai processori e ai ricetrasmettitori, lo schermo è un altro dei principali fattori di consumo energetico della batteria. Gli schermi a LED che richiedono retroilluminazione consumano più energia, pertanto possono essere sostituiti da schermi più efficienti come gli OLED, che consumano meno energia. L'OLED, a differenza dei display LED e LCD, non necessita di retroilluminazione e ogni pixel dell'OLED ha una propria fonte autonoma di colore e luce. Le immagini nere su OLED quindi saranno completamente nere, ma lo stesso non vale per i LED e gli LCD.
La ricerca ha dimostrato che la riduzione della durata delle batterie nel tempo può essere dovuto anche al fluoruro di polivinilidene (PVDF), un legante utilizzato per prevenire l'esfoliazione dell'anodo di grafite nelle batterie. Il PVDF non è conduttivo e si dissolve nell'elettrolita a causa della scarsa aderenza. È stato inoltre proposto un nuovo copolimero coniugato di tipo n, il legante bis-imino-acenafenacinone-parafenilene (BP), che ha superato i leganti convenzionali a base di PVDF, ha aumentato la durata della batteria e prevenendone il degrado con l'invecchiamento.
I ricercatori hanno anche proposto un'unità di gestione dinamica dell'energia (PMU) che raccoglie informazioni su diversi parametri del processore e dei dispositivi di input/output durante l'esecuzione di diverse applicazioni sullo smartphone. La PMU proporrà quindi schemi di gestione predittivi basati sulle informazioni raccolte.
Prospettive della gestione della potenza degli smartphone
Il ritmo con cui l'industria degli smartphone progredisce in termini di potenza di elaborazione e altre caratteristiche è molto più veloce di quello delle batterie. I ricercatori si stanno ora concentrando sulle tecniche di gestione della potenza tramite software e hardware per gestire in modo efficiente l'energia disponibile della batteria. Le diverse tecniche discusse nell'articolo sono promettenti e vengono utilizzate per aumentare notevolmente la durata della batteria degli smartphone.