Оптимизация на уровне железа
В основе энергоэффективности практически любого устройства лежит архитектура процессора. В смартфонах используются системы, где центральный и графический адаптеры объединены в одном корпусе и имеют жесткое ограничение по тепловой мощности. Например, для ноутбуков нормальным считается энергопотребление в 15–75 Вт, а из-за отсутствия активного охлаждения устойчивая мощность смартфонных чипов редко превышает 3–7 Вт.
Также для экономии энергии производители используют гетерогенную структуру ядер, когда задачи распределяются между двумя типами вычислительных блоков:
- производительные — включаются только при запуске тяжелых игр или ресурсоемких приложений;
- энергоэффективные — берут на себя фоновые процессы и простые задачи, потребляя минимум заряда.
Важную роль играет и технологический прогресс. Переход на более тонкие техпроцессы, например с 5-нм на 3-нм, позволяет чипам выполнять тот же объем работы с меньшими затратами энергии.
Динамическое управление ресурсами
Гаджеты не работают на максимальной мощности постоянно, а оперативно увеличивают потребление энергии при возрастании нагрузки. Например, в режиме чтения с экрана или при использовании калькулятора частоты процессора могут падать до минимальных 0,8 ГГц, зато при запуске 3D-графики мгновенно разгоняться до 4 ГГц и более.
Если система охлаждения перестает справляться с задачей, включается принудительное снижение частот, которое предотвращает перегрев, защищает компоненты и ограничивает пиковое энергопотребление. Более того, аппаратные блоки для обработки ИИ или декодирования видео справляются со своими задачами гораздо быстрее и экономичнее, чем универсальные ядра процессора.
Режимы сна и гибернации
Благодаря архитектуре ARM (англ. Advanced RISC Machines — передовые машины с сокращенным набором команд) смартфоны «спят» гораздо эффективнее настольных ПК, так как при выключении экрана видеоядро полностью обесточивается, а за сетевые события и датчики отвечает отдельный микроконтроллер с очень низким энергопотреблением. При этом оперативная память остается под напряжением, что позволяет устройству мгновенно вернуться к работе, когда это необходимо.
Ноутбуки используют многоуровневую систему состояний, находя баланс между глубиной сна и скоростью пробуждения. Наибольшая экономия энергии при этом достигается, когда дисплей отключен, а процессор перешел в режим гибернации — содержимое его оперативной памяти временно сохраняется на жесткий диск. Однако уже появляются более современные лэптопы на базе ARM-архитектуры.
Экран и передача данных
Дисплей — это компонент гаджета, который тратит больше всего энергии. Чтобы снизить расходы, применяются три основные технологии:
- Адаптивная яркость — датчик освещенности снижает интенсивность подсветки в темноте.
- Переменная частота обновления — падает при просмотре статичного изображения и возрастает при прокрутке страниц, чтобы сделать ее плавнее.
- Темная тема — черные пиксели отключаются и не расходуют заряд, тогда как белый цвет заставляет светодиоды работать на полную мощность. Актуально только для OLED-матриц (англ. Organic Light Emitting Diod — органический светодиод) и не снижает потребление на IPS-панелях (англ. In-Plane Switching — параллельное переключение).
В прерывистом режиме работают и сетевые модемы, которые передают данные пакетами, переходя в спящий режим в коротких промежутках между ними. Система группирует такие мелкие запросы от разных приложений, чтобы реже активировать передатчик.
Программный контроль
Операционные системы устройств, особенно мобильных, ограничивают активность фоновых приложений. Они могут отзывать разрешения у программ, которые давно не открывались, или выгружать из оперативной памяти неиспользуемые вкладки браузера. На ноутбуках пользователю доступен ручной выбор профиля электропитания, например, с отключением анимации окон, который ограничивает частоту процессора для получения нескольких лишних часов работы.
Реализация перечисленных методов позволяет увеличить автономность современных устройств. В будущем ожидается еще больший прирост автономности гаджетов благодаря новым типам аккумуляторов, например, с кремний-углеродным анодом, которые вмещают больше энергии при тех же габаритах.