スマートフォンは私たちの日常生活においてかけがえのない商品となっています。仕事であれ私生活であれ、あらゆるタスクは何らかの形でこれらのデバイスに関連しています。私たちの依存度の高まりに応えるため、スマートフォンは日々高性能になっています。強力なプロセッサ、大容量のストレージ、改良されたカメラは、すべての購入者が求める機能です。
消費者は、オペレーティング システム以外にも、デバイスとは異なる センサー や処理能力を使用するさまざまなアプリケーションも使用します。これらすべてのプロセスを実行するには電源が必要であり、モバイル デバイスの場合はバッテリーが電源となります。プロセスを継続して実行し続けるには、これらのバッテリーを定期的に充電する必要があります。したがって、バッテリー寿命が長いこともスマートフォンを選択する際の重要な基準となります。バッテリー寿命の最適化に関連する技術は、スマートフォン業界の他の分野と同じペースで発展していません。
スマートフォンのバッテリー寿命を延ばすには、ハードウェアとソフトウェアの両方の技術を利用できます。ハードウェアに変更を加えると、より大きなバッテリーを搭載することになる可能性もありますが、そうなるとスマートフォンのサイズが大きくなることになります。効率的な電力管理ユニットと電力効率の高い集積回路 (IC) を設計することが実現可能な解決策です。 さらに、バッテリーを大量に消費するアプリケーションを管理し、利用可能なバッテリーを賢く使用するためのオペレーティング システムのソフトウェアの改善も、この問題の潜在的な解決策の1つと考えられています。この記事では、スマートフォンのバッテリー寿命を最適化するソフトウェアとハードウェアのテクニックについて説明します。
ソフトウェア電源管理技術
より高い処理能力とより高速なインターネット接続を備えた現代のスマートフォンの絶大な人気により、AndroidとiOSの両方でデータとハードウェアを集中的に使用するアプリケーションの数も増加しています。WhatsApp、Instagram、Skypeなどのアプリケーションは、CPUリソースを必要とするだけでなく、常時のインターネット接続も必要とします。調査によると、アイドル状態の電力消費の約62% はインターネットの使用によるものであることが明らかになっています。さらに、小さなサイズのデータパケットが頻繁に交換される場合、3G/4GはWi-Fiに比べてバッテリーを多く消費します。
データ圧縮、パケット集約、バッチ スケジューリングなどのいくつかのソフトウェア技術を使用して、バッテリー寿命を最適化できます。スマートフォン上のさまざまなアプリケーションによるランダムなデータ転送はバッテリーを多く消費するため、バッチ スケジューリング メカニズムを使用して、アプリケーションによるデータの再転送によるスリープ時間を最大化し、ウェイクアップの頻度を最小限に抑えることができます。
データ転送に関しては3G/4Gに比べてWi-Fiの方が効率的であるため、3G/4GからWi-Fiへのデータ オフロードは、バッテリー寿命を延ばすもう1つの効果的な方法です。もう1つのソフトウェア技術は、CPUを集中的に使用するソフトウェアなどの高度な計算タスクを、計算のために クラウド にオフロードすることです。この戦略は、Office 365やMATLABなどのソフトウェアをモバイル デバイスで操作するために使用できますが、クラウドとデバイス間の通信に追加のコストがかかります。アプリケーション ステート プロキシ (ASP) は、CPUリソースだけでなくインターネット データも使用するバックグラウンド アプリケーションを抑制して別のデバイスに転送し、要求された場合にのみデバイスに起動する別の手法です。
ハードウェア電源管理技術
さまざまな組み込みシステム、チップ、プロセッサ、センサーが統合され、同期して動作することで、これらのモバイル デバイスがスマートになります。各ハードウェア デバイスは動作時に電力を消費します。これらの電子モジュールのうち、トランシーバー モジュールは、着信パケットを受信するために長時間アクティブな状態を維持するため、最も多くの電力を消費します。これらのパケットのデータ転送を最適化するために、さまざまなソフトウェア技術が議論されてきました。デジタル信号プロセッサ (DSP) は、マルチメディア使用のために大量のデータを処理するためのこれらのトランシーバー モジュールの重要なコンポーネントです。これらのDSPへの供給電圧を下げることは、消費電力を削減する直接的な方法です。
バッテリー寿命を延ばすために、スマートフォンのDSPには、通話期間中は低電力で高スループットの乗算累算 (MAC) と、待機期間中は低電力の断続的な動作が必要です。1Vマルチしきい値CMOS回路は、シンプルな並列アーキテクチャと、電源制御に適した修正されたDFFと一緒に使用される組み込みプロセッサを使用した電源管理技術により、これらの要件を満たします。
画像提供: Electronics Maker
プロセッサとトランシーバーの他に、画面もバッテリー電力を多く消費します。バックライトを必要とするLEDスクリーンは消費電力が大きいため、消費電力が少ないOLEDなどの電力効率の高いディスプレイに置き換えることができます。OLEDはLEDやLCDディスプレイとは異なり、バックライトを必要とせず、 有機EL 独自の色と光の光源を備えています。したがって、OLED上の黒い画像は完全に黒になりますが、LEDやLCDの場合は同じではありません。
研究によると、バッテリー寿命が時間とともに低下する原因は、バッテリー内のグラファイト陽極の剥離を防ぐために使用される結合剤であるポリフッ化ビニリデン (PVDF) によるものである可能性もあることがわかっています。PVDFは非導電性であり、接着率が低いため電解液に溶解します。新しいn型共役共重合体であるビス-イミノ-アセナフテンキノン-パラフェニレン (BP) バインダーも提案されており、従来のPVDFベースのバインダーよりも性能が優れ、バッテリー寿命が延び、バッテリーの経年劣化を防止します。
研究者らは、スマートフォン上でさまざまなアプリケーションを実行しているときに、プロセッサと入出力デバイスのさまざまなパラメータに関する情報を収集する動的電力管理ユニット (PMU) も提案しています。PMUは収集された情報に基づいて、予測的な電力認識管理スキームを提案します。
スマートフォンの電源管理の展望
スマートフォン業界が処理能力やその他の機能の面で進歩するペースは、バッテリーのそれよりもはるかに速いです。研究者は現在、利用可能なバッテリーエネルギーを効率的に管理するために、ソフトウェアとハードウェアによる電力管理技術に注目しています。この記事で説明されているさまざまな技術は本質的に有望であり、スマートフォンのバッテリー寿命を何倍も延ばすために使用されています。