Optymalizacja czasu pracy notebooków

Pojemność akumulatora to podstawowy czynnik decydujący o czasie pracy notebooka bez zasilania sieciowego. W drugiej kolejności decyduje rodzaj zastosowanych komponentów i skuteczność ich mechanizmów efektywnego zarządzania energią.

Diagram przedstawia zużycie energii przez podzespoły notebooka podczas zwykłej pracy. (źródło - Intel)Podczas zwykłej pracy jednym z największych pożeraczy energii jest wyświetlacz - pochłania do 30 procent zasobów akumulatora. Procesor i chipset zużywają po około 10 procent energii. Aplikacje wymagające intensywnych obliczeń zmieniają nieco te proporcje na niekorzyść procesora.

Producenci urządzeń przenośnych za pomocą różnych środków starają się wydłużyć czas pracy na bateriach. Producenci procesorów opracowują wersje mobilne, wyposażone w specjalne mechanizmy oszczędzania energii. Także wyświetlacze notebooków inaczej gospodarują energią niż ich stacjonarni, zasilani z sieci kuzyni.

Niezależnie od tego trwają badania nad różnymi technologiami oszczędzania energii, np. ALS czy USB Suspend. Nie od rzeczy będzie również wspomnieć, że w końcu sam użytkownik może oszczędniej gospodarować energią.

Opiszemy podzespoły, które zużywają w notebooku najwięcej energii, oraz ich wpływ na żywotność akumulatora. Dodatkowo wyjaśnimy, w jaki sposób i w jakim zakresie można przedłużyć czas pracy bez zasilania sieciowego.

Rozkład obciążeń elektrycznych notebooka

Przy wyższym napięciu akumulatora (Vdc) spada sprawność układów zasilania notebooka. (źródło - Intel)Pomiary obciążeń elektrycznych notebooka są bardzo skomplikowane. Wszystkie wartości podlegają dużym zmianom, zależnie od zastosowanego sprzętu i oprogramowania. Ponadto nie da się zmierzyć poboru mocy niektórych komponentów, takich jak procesor czy karta graficzna, w izolacji od innych. Można jednak sformułować pewne ogólne zasady.

Czas pracy akumulatora w godzinach wynika z jego pojemności, wyrażonej w watogodzinach, podzielonej przez średni pobór mocy, wyrażony w watach. Zapotrzebowanie na moc poszczególnych komponentów daje obraz tego, gdzie tkwią jeszcze rezerwy.

Podczas zwykłej pracy jedna trzecia poboru mocy przypada na wyświetlacz, a dopiero w dalszej kolejności na procesor i układ zasilania. W tym ostatnim przypadku chodzi o zwykłe straty cieplne regulatorów napięcia. Rzecz w tym, że akumulator dostarcza jednego napięcia o określonej wartości, a układ zasilania musi wygenerować z niego wiele różnych napięć do zasilania różnych podzespołów notebooka. Ma określoną sprawność, którą oblicza się w następujący sposób: moc wejściowa dzielona przez moc wyjściową. Im wyższa sprawność, tym mniej niepotrzebnej mocy cieplnej tworzy układ.

Wniosek: im niższe napięcie akumulatora, tym wyższa sprawność wewnętrznych układów zasilania i niższe straty cieplne. W rezultacie wydłuża się czas pracy urządzenia.

Extended Battery Life Workgroup (EBL WG)

W październiku 2002 roku, podczas Intel Developer Forum w San Jose, powstała Extended Battery Life Workgroup (www.eblwg.org). W skład grupy wchodzą między innymi Dell, Fujitsu, IBM, Microsoft, NEC, Samsung i Toshiba, a całością prac kieruje Intel. Celem grupy jest ustalenie zużycia energii przez poszczególne podzespoły i jego zmniejszenie w wyniku zastosowania odpowiednich technologii. Tabela przedstawia średni pobór mocy różnych grup funkcjonalnych standardowego notebooka i przewidywany zakres zmian w rezultacie zastosowania modyfikacji w roku 2004.

Jak twierdzi grupa EBL, dzięki zastosowaniu jej różnorodnych technologii całkowity pobór mocy notebooka zostanie zmniejszony o dodatkowy wat. W poniższej tabeli podajemy szczegółowy wpływ optymalizacji różnych podzespołów notebooka za pomocą technologii EBL na zużycie przez nie energii.

Główny pożeracz energii - wyświetlacz

Mała rewolucja w dziedzinie wyświetlaczy LCD odbyła się pod koniec 2001 roku, kiedy to wprowadzono modele Low Temperature Poly Silicon TFT (LTPS-TFT). W porównaniu z tradycyjną TFT nowa technologia opiera się na odmiennym procesie produkcyjnym.

Specjalnie opracowany substrat szkła zapewnia wysoką ruchliwość elektronów w materiale. Ponadto dzięki zachowaniu niskiej temperatury podczas produkcji układy sterujące matrycy TFT są zintegrowane bezpośrednio w substracie. Technologia LTPS charakteryzuje się wysoką rozdzielczością i jasnością, a także o blisko 40 procent mniejszym zużyciem energii.

Krzywe w diagramie pokazują wyraźnie, że pobór mocy przez układ podświetlania i układ sterowania nie są w obecnych wyświetlaczach wzajemnie dopasowane. W typowym przedziale jasności wyświetlacza notebooka, 60 cd/m2, układ optyczno-elektryczny uzyskuje sprawność w zaledwie 55 procentach. To pole do działania dla producentów - pilnie trzeba zmniejszyć zużycie energii przez układy sterowania matrycy LCD, a tym samym zwiększyć skuteczność całego systemu.

Automatyczne sterowanie podświetleniem w układzie Ambient Light Sensor (ALS).Kolejny krok w kierunku zmniejszenia zapotrzebowania na energię przyszłych wyświetlaczy LCD to zastosowanie technologii o nazwie Ambient Light Sensor (ALS). Użytkownik może za pomocą odpowiedniego interfejsu ustawić pożądany stopień jasności wyświetlacza. Sterownik ALS przesyła dane użytkownika do złącza ACPI, ono zaś steruje za pomocą układów elektronicznych jasnością wyświetlacza. Jednocześnie złącze ACPI otrzymuje z fotokomórki dodatkowe informacje o oświetleniu otoczenia i automatycznie dopasowuje wielkość podświetlenia do panujących warunków, porównując warunki zadane i rzeczywiste.

Opisane tu środki techniczne mają jeden wspólny cel - zmniejszenie poboru mocy standardowego wyświetlacza LCD w przyszłych notebookach z obecnych 4,2 W do poniżej 3 W.

Oszczędność energii na złączu USB

Jasność poniżej 60 cd/m² ma negatywny wpływ na sprawność podzespołów optycznych (podświetlenie) i elektrycznych (układy sterowania matrycy) wyświetlacza LCD. (źródło - Intel)Od jakiegoś czasu standardowym wyposażeniem notebooków jest kilka gniazd USB. Universal Serial Bus to prosty i szybki sposób dołączania do notebooka różnych urządzeń zewnętrznych. Dodatkowo złącze USB dostarcza też zasilania o maksymalnej wartości 500 mA na port. Eliminuje to często kłopotliwą konieczność stosowania oddzielnych zasilaczy.

Złącze, będące jednocześnie źródłem zasilania urządzeń zewnętrznych, to z punktu widzenia notebooka niekorzystne rozwiązanie, gdyż urządzenia te pochłaniają energię jego akumulatora, skracając czas pracy. Zestawiliśmy zużycie energii przez niektóre urządzenia USB w tabeli, przedstawiając jednocześnie ich (szacunkowy) wpływ na czas pracy notebooka.

Eksploatacja urządzeń USB w notebookach i ich pobór energii jest dużo bardziej złożony, niż przedstawił to Intel podczas wiosennego IDF 2003. Można na przykład uzyskać wydłużenie czasu pracy akumulatora o pięć do dziesięciu procent poprzez skuteczne zastosowanie technologii o nazwie "USB Selective Suspens". Warunkiem powodzenia jest obsługa tego trybu pracy przez system operacyjny i same urządzenia USB.

Sposób działania USB Selective Suspend jest następujący. Windows XP z aktywnym ACPI może wymusić przejście procesora w zdefiniowany tryb oszczędzania energii C3/C4.

W trybie C3/C4 obniżane jest napięcie, a niektóre bloki funkcjonalne są wręcz wyłączane. Dodatkowo redukowana jest krokowo częstotliwość taktowania wewnętrznych bloków funkcjonalnych. W tym trybie pracy aktywność procesora jest bardzo ograniczona, jednakże tylko do czasu, gdy nadejdzie zapytanie z magistrali I/O kontrolera hosta USB lub innego urządzenia.

Dotychczas stosowane urządzenia USB wysyłają okresowo zapytania do procesora (UHCI: 1 ms, EHCI: 125 µs), dlatego nie może on przejść w tryb C3/C4. Funkcja USB Selective Suspend sprawia, że odwołania BusMaster mają miejsce tylko wówczas, gdy urządzenie USB jest używane. W pozostałych okresach czasu kontroler hosta USB nie kontaktuje się z procesorem, dzięki czemu może on spokojnie przejść w tryb oszczędzania energii C3/C4.