Архивы: по дате | по разделам | по авторам

Часовой механизм: аккумуляторы в современных ноутбуках

АрхивMobilis
автор : Илья Хрупалов   26.11.2004

Какова реальная продолжительность работы ноутбука от стандартной батареи? Почему аккумулятор со временем приходится заряжать все чаще? Как продлить жизнь батарее? О настоящем и будущем аккумуляторов читайте в этой статье.

Энергонезависимость ноутбуков, в отличие от цифровых камер и карманных компьютеров, воспринимается нами преимущественно в часах. В силу решаемых задач, это не эпизодические серии снимков или спорадические пометки и заглядывания в адресную книгу, а именно непрерывные отрезки времени, в течение которых мы как минимум принимаем почту у беспроводной точки доступа в кафе и как максимум — развлекаемся просмотром DVD-фильмов в неполосатом авиарейсе.

До весны 2003 года производители, обозреватели и тем более владельцы о времени автономной работы ноутбуков говорили стыдливо, понизив голос — ну... типа... эээ... не то два с половиной, не то полтора часа. Иными словами, гордиться было нечем. С выходом технологии Intel Centrino впервые отчетливо прозвучало, что непрерывная работа может длиться пять часов. Снижение уровня энергопотребления процессора Pentium M на ядре Banias и чипсета i855 как основы для построения новых систем действительно было заметным, однако по большей части желаемое все-таки выдавалось за действительное: пять часов до сих преодолеваются большинством ноутбуков с трудом. Тем более что аккумуляторные батареи ноутбуков за последние три года почти не претерпели изменений как в плане электрохимии и емкости, так и со стороны управляющей электроники.

Если вам будет предложено что-либо изменить в управлении процессором через BIOS Setup, смело выбирайте атоматические режимы и установки (даже в частоколе настроек ноутбуков IBM ThinkPad) — все остальные варианты, как правило, не лучше, а выбор вариантов а-ля «MaxBattery» и «Max Battery Performance» может обернуться нежданной потерей производительности."

Время автономной работы ноутбука, как и любого другого потребителя энергии постоянного тока, определяется очень простой формулой, понятной даже старшекласснику — это частное от деления емкости батареи в ватт-часах на среднюю потребляемую мощность в ваттах. Формула проста, но до сих пор малоупотребима. На прямой вопрос в компьютерном салоне, сколько ноутбук работает от батарей, можно получить любой полет фантазии, от трех часов, честно, но очень мелким шрифтом указанных производителем, до десяти, красующихся в рекламных материалах. Показательно, что и то, и другое может быть правдой в отношении одного ноутбука (например, трехмерная компьютерная игра против раздумий над страницами мемуаров в текстовом редакторе).

Яркий пример неочевидной оценки времени жизни двух похожих ноутбуков — ASUS S5N и Samsung Q20/Q25. Оба одношпиндельные, с 12-дюймовыми дисплеями, с процессорами Pentium M, например, 1,1-1,2 ГГц на интегрированных чипсетах, то есть в общих чертах примерно равны по энергопотреблению. Из надписей на их батареях можно ошибочно сделать вывод, что Q20 имеет запас энергии почти вдвое больше (3800 против 2200 мАч), однако если учесть используемые напряжения (7,4 и 11,1 В соответственно) и перемножить, получится всего лишь 28,12 против 24,42 Втч.

Давайте прежде всего разберемся с числителем дроби. Не устану повторять, что измерять емкость любых аккумуляторов, будь то цифровые гаджеты или автомобили, корректно не в ампер-часах, а в ватт-часах. По ампер-часовой емкости можно лишь относительно сравнивать батареи с одинаковым напряжением и время жизни на них устройств, у которых точно известны потребляемые токи, — однако в технике у потребителей энергии главным образом указывают мощность. Я не видел ни одного аккумулятора, на котором не были бы приведены ампер-часовая емкость и напряжение (надеюсь, понятно, почему не указывают сразу энергию в ватт-часах? — при проектировании обязательно знать напряжение) — не ленитесь, перемножьте их, и вы уже сможете в первом приближении сравнить два похожих по стандартному оснащению ноутбука. Маркировка батарей, как правило, укрыта внутрь корпуса, однако вынуть батарею из компьютера не составляет никакого труда, она не опечатана пломбами. Имейте также в виду, что в спецификациях ноутбуков такие производители, как ASUSTeK, Fujitsu-Siemens, IBM, Rover Computers, давно указывают емкость аккумуляторных батарей в ватт-часах.

 
Типичный график истощения емкости ионно-литиевого аккумулятора: через год она падает до 80 процентов от начальной, причем вне особой зависимости от числа циклов.

Прежде чем перейти к знаменателю и калькуляции времени, остается добавить, что типичная емкость штатной батареи бескомпромиссного двухшпиндельного Centrino-ноутбука весом до 2,2 кг с дисплеем до 14 дюймов (как примеры — IBM ThinkPad T41/42, Fujitsu-Siemens Lifebook S7010/P7010, Panasonic Toshiba Tecra M2) составляет 43-48 Втч. Тонкие одношпиндельные ноутбуки редко имеют штатные батареи емкостью свыше 28 Втч, а компромиссные 15-15,4-дюймовые двухшпиндельные весом до 3 кг (примеров масса, назовем только ASUS M6N), наоборот, снабжаются довольно емкими источниками от 50 до 65 Втч.

 
 
Рапорты утилиты IBM Battery MaxiMiser о расчетных значениях и падении емкости через шесть и двадцать полных циклов.

Производители обещают нам пять часов, не так ли? Давайте-ка к потребляемой мощности зайдем с другой стороны, прикинем, какой она должна быть для трех упомянутых выше классов машин, чтобы те могли продержаться триста минут. Арифметика простая: тонкие ноутбуки должны потреблять не больше шести ватт, легкие двухшпиндельные — не больше десяти, а тяжелым, стало быть, позволено тратить до тринадцати ватт. И это самые оптимистические оценки, без учета износа батареи и часто встречающихся особо стильных моделей с базовой батареей емкостью ниже среднего.

Кто ел из моей чашки?

Итак, трем классам ноутбуков (машины на мобильных процессорах Pentium 4 и Athlon XP-M/64 рассматривать не будем, потому что там мощность, к сожалению, не ложками едят, а глушат стаканами) предложено по чашке от шести до тринадцати ватт мощности. Хватит ли тут Машеньке, не говоря уже о медведях?

Бытует мнение, что «ярчайший» потребитель энергии в ноутбуке — активноматричный дисплей. Обвиняют его небезосновательно: в прошлом, когда закон Мура только набирал силу, дисплеи вкупе с высоковольтными преобразователями, необходимыми для питания флуоресцентных ламп подсветки, поедали до десяти ватт мощности. Однако с тех пор процессоры, растолстев на чистом кремнии, стали как минимум не холоднее, а вот дисплеи подтянули пояса до трех-четырех ватт при максимальной яркости (при минимально комфортной — не хуже 2 Вт, хотя встречаются неприятные исключения, и на больших диагоналях уровень потребления ощутимо выше). 10-13-дюймовые матрицы на низкотемпературном поликристаллическом кремнии, используемые в легких ноутбуках ASUSTeK и Toshiba, и того скромнее.

 
 
Редко, но можно встретить средства экономии энергопотребления аудиоконтроллеров.

Очень часто незаслуженно обвиняются в чрезмерном аппетите мобильные жесткие диски. Каюсь, истории их развития не помню, но параметры современных моделей нисколько не должны бросать тени на эти незаменимые устройства хранения. Нарастив «мышечную массу» под сотню гигабайт и 5400 оборотов в минутут, современные 2,5-дюймовые винчестеры потребляют в пике всего 2-2,5 ватт. На скрости 7200 — чуть выше, на скорости 4200 — чуть ниже. Рекордсмены-скромняги — 1,8-дюймовые накопители от Toshiba для субноутов — могут вовсе обходиться только хлебом и водой. Не стоит также забывать, что винчестер может быть легко отключен системой по простейшему тайм-ауту бездействия.

Кого действительно стоило бы пожурить за крупный калибр черпающего столового прибора, — так это оптические накопители. По самым оптимистическим оценкам, внутренние устройства при простом воспроизведении DVD (загрузка любого процессора Pentium M — 30-40% на автоматически выбираемой частоте 600 МГц) тратят 3-4 ватта, а внешние, питаемые через интерфейс, и того больше (по-видимому, из-за несовершенства преобразователей). Пишущие приводы, как вы, наверное, заметили, производители настоятельно рекомендуют использовать для записи при постоянном подключении к стационарной электросети. Одно радует — когда к оптическим дисководам не обращаются, они есть не просят вовсе.

Нелишне вспомнить и про внешние устройства, которые могут питаться от энергетических ресурсов ноутбука. Думаю, нет нужды говорить, что с CIS-сканером на шее система протянет очень недолго. Современные PCMCIA-устройства, несмотря на предусмотренные в их драйверах средства снижения энергопотребления в режиме бездействия, тоже почему-то остаются весьма прожорливыми — до 3-4 Вт в случае модемов и WiFi-адаптеров. Не менее расточительны и аналогичные USB-адаптеры. Большой базы данных по ним у нас нет, поэтому просто будьте внимательны в выборе таких устройств для мобильной работы.

Прежде чем окончательно подсчитать калории, помянем добрым словом сетевой (Ethernet) и прочие интерфейсные контроллеры (в том числе ИК-порт), а также аудиоподсистему, которые только в крайнем случае суммарно заглатывают 1,5-2 ватта, — в подавляющем же большинстве грамотно спроектированных ноутбуков все они автоматически отключаются для экономии. Не будем принимать в расчет и беспроводные адаптеры — в режиме непрерывной передачи они потягивают через тоненькую полосатую трубочку не больше двух ватт и всячески подавляют выделение слюны при бездействии (речь идет о встроенных решениях на базе карт mini-PCI, причем не важно, от какого производителя — распространенные изделия AMD, Atheros, Broadcom, Intel по этим показателям примерно равны).

 
 
Управление состоянием мобильных процессоров в Windows XP в зависимости от выбранных настроек энергосбережения в окне Power Options.

Оставшегося в тарелке — хотя уже лишь по стенкам размазано — должно хватить на процессор, чипсет и, возможно, видеоускоритель. Сразу оговоримся, что интегрированный чипсет i855GM/GME необычайно экономичен и может столоваться, что называется, за один присест, не требуя добавки для графики. Все другие комбинации теоретически заведомо прожорливее, особенно когда дело доходит до ресурсоемких игр. Поскольку мы рассматриваем случай предельной экономии, будем считать что внешний видеоускоритель, если он установлен, переведен в режим максимальной экономии технологиями PowerPlay (ATI) или PowerMiser (nVidia) и практически не задействован, то есть машина нагружена какой угодно задачей, но не графической. При таком допущении можно считать, что видеосистема тратит считанные ватты, — тогда как в играх она вполне может раскочегариться до десятка ватт (если быть точным, весь ноутбук начинает тратить 25–38 Вт — прикиньте к емкости батарей). За оперативной памятью не замечено большого аппетита — системы с 256 и 512 Мбайт почти неотличимы, и даже гигабайт вряд ли будет претендовать на лишний ватт энергии при типичной офисной нагрузке.

Считаем: для минимально комфортной работы (например, подготовки презентации в офисных и графичеcких пакетах), а не ее ожидания (!) работают дисплей плюс винчестер — пять ватт, остальное — на чипсет, процессор, память и прочее. Выходит, что реально пять часов может протянуть только ноутбук с батареей не меньше чем на 55 Втч, потому что святым духом главные вычислители сыты не будут. В режиме полного бездействия, с минимальной яркостью дисплея, отключив по тайм-ауту жесткий диск, то есть, грубо говоря, работая в режиме настольных электронных часов за две тысячи долларов, ноутбуки могут снижать свои потребности до 6-7 ватт. И тут, разумеется, десять часов — не вымысел.

В час по чайной ложке

Емкость батареи конструктивно положена нам производителем выбранного ноутбука, только единицы приобретают дополнительные источники. Стало быть, надо знать, как экономить то, что есть. Давайте посмотрим, на сколько делений можно затянуть пояс.

Как уже было сказано выше, на таких компонентах, как винчестер и дисплей, можно экономить, отключая их по тайм-аутам бездействия, пользуясь простейшим и самым надежным средством самой операционной системы (Windows 98/2000/XP) — первым окном пункта Power Options в контрольной панели. Некоторые ноутбуки позволяют делать то же самое с аудиосиcтемой — через фирменные драйверы. Перевод ноутбука в состояние standby и глубокое засыпание на жестком диске (hybernation) как средство экономии рассматривать не будем — потому что время в таких режимах можно смело вычеркнуть из рабочего. Поскольку вклад жесткого диска и дисплея по мощности асболютен почти вне зависимости от типа ноутбука и емкости батареи, во времени он будет выражаться в соответствующей доле от возможного максимума. Иными словами, сброс яркости на ноутбуке с 65-Втч батареей может дать дополнительно свыше тридцати минут жизни, а на тонкой машине с источником на 28 Втч — не больше четверти часа. Автоматический сброс яркости на 30-50 процентов при переходе на питание от батарей, выставляемый в BIOS Setup некоторых ноутбуков, обычно имеет ту же эффективность, как если бы вы сделали это вручную.

 

Современные мобильные процессоры — из ныне живущих это AMD Athlon XP-M/64, Intel Pentium M и Transmeta Crusoe — способны динамически подстраивать свою частоту (точнее — рабочие точки «частота — напряжение») в соответствии с выбранным режимом энергосбережения. На далеком от широких масс языке производителей процессоров эти технологии называются AMD PowerNow! и Intel Enhanced SpeedStep. Главная же беда в том, что они далеко не всегда включаются в работу сами по себе и не в любой операционной системе. Гарантированно автоматическое (адаптивное) управление частотой и напряжением, если даже производитель ноутбука предусмотрел собственные оригинальные механизмы (см. ниже), поддерживается в Windows XP только при умолчальной установке ее на Pentium M. Технология PowerNow! до сих пор требует драйверного вмешательства, обеспечиваемого производителем ноутбука, — иначе бесполезна. В общем случае поведение процессора определяется режимом Power Scheme в первой закладке Power Options и типом питания (см. таблицу слева). «Авто» — означает, что процессор по возможности держится холодным на минимальной частоте, и только при высокой вычислительной нагрузке разгонятеся до более высоких значений (для Pentium M и мобильных «Атлонов» это пять-шесть рабочих точек).

Фирменные утилиты управления энергосбережением, такие как ASUS Power4Gear, IBM Battery MaxiMiser, LG BatteryMiser, Toshiba PowerSaver, как правило, реализуют очень похожие схемы. Они более гибки для выставления тайм-аутов (например, средствами Windows нельзя отключить винчестер быстрее чем через три минуты, в то время как в ноутбуках LG можно задать и полминуты плюс по тайм-ауту не гасить дисплей, а плавно сбрасывать яркость), но в отношении управления процессором — не святее Папы Римского. Чтобы не забивать себе голову, используйте автоматическое управление, то есть все, что подается под вывесками «Portable/Laptop», «Normal», «Automatic» и тому подобным (то же самое рекомендую делать в BIOS Setup, если вдруг аналогичные настройки вам встретятся). Как показали многочисленные прогоны, при адаптивном управлении частотой производительность лишь незначительно ниже, чем обеспечивает процессор, находящийся на максимуме, в состоянии постоянной готовности. Принудительная фиксация частоты в нижнем положении, по определению, против адаптивного изменения дает эффект в продлении времени автономной работы только тогда, когда вы готовы жертвовать производительностью в решении некоторых спонтанных задач. Если же вы неторопливо однозадачно листаете почту или даже смотрите DVD, выигрыш будет гомеопатическим.

Не перпетуум мобиле

В этом разделе закрепим пройденное по ионно-литиевым (другие уже попросту не используются, а редко встречающиеся ионно-литиевые полимерные на самом деле всего лишь разновидность) аккумуляторам ноутбуков. Итак, помимо того, что аккумулятор не вечен в принципе, емкость его начинает падать с первых же циклов перезарядки. В этом никто не виноват, гарантия на аккумулятор, если вы вчитаетесь в паспорт ноутбука, всегда короче, чем на сам компьютер, и составляет не больше года.

 
Если вы желаете узнать больше о своей батарее и энергопотреблении ноутбука, очень рекомендуем программу BatteryMonitor, текущая версия 1.3, компании PassMark (www.passmark.com). Для большинства грамотно спроектированных батарей можно узнать массу интересной информации и даже отследить в динамике с записью лог-файла уровень потребляемой мощности в зависимости от решаемых задач и режимов. Для сравнения рядом приведено информационное окно могущественной утилиты IBM Battery MaxiMiser — показания с BatteryMonitor, как правило, совпадают.

Еще два-три года назад в документации на некоторые ноутбуки можно было встретить пожелание при работе от сети вынимать батарею, если она полностью заряжена — дескать, длительная работа от сети при установленном аккумуляторе может ему повредить. Ныне все эти предрассудки в прошлом: ионно-литиевые батареи можно не вынимать из ноутбука вовсе (чуткая электронная схема не допустит перезаряда). Однако держать их постоянно максимально заряженными тоже не стоит. По данным сайтов www.batteryuniversity.com и www.buchmann.ca, поддерживаемых компанией Cadex Electronics (www.cadex.com), оптимальный уровень заряда для долгосрочного хранения ионно-литиевых батарей составляет 40% от максимума, и чем ниже температура (но желательно не ниже 0 °C), тем лучше. Открытые батарейные отсеки, таким образом, по определению лучше закрытых, в которых даже бездействующая батарея может излишне нагреваться от других компонентов ноутбука. Прочие полезные советы вынесены во врезку.

Форсированная зарядка ионно-литиевых аккумуляторов, в отличие от никель-металлогидридных пальчиковых, практически невозможна, поэтому приходится мириться с тем, что предусмотрел производитель ноутбука.

 
 
В одних конструкциях дополнительная батарея может устанавливаться только вместо основной, в других (что предпочтительно) — параллельно, снаружи или вместо оптического привода.
 
В заключение хочу вернуться к тому, с чего началась тема и эта статья. На осенней серии форумов для разработчиков Intel выдвинула инициативу продления жизни ноутбуков до восьми часов, то есть автономии на полный часовой рабочий день (два года назад на интеловских форумах популярным был лозунг «даешь трехваттные дисплеи»). Снижать энергопотребление своих процессоров корпорация не стремится (а между прочим 90-нм ядро Dothan процессора Pentium вышло горячее 0,13-мкм ядра Banias на одной и той же частоте), зато активно инвестирует средства в разработку перспективных типов аккумуляторов. По мнению Intel, есть как минимум две технологии, которые позволят поднять емкость аккумуляторных батарей (ныне состоящих, как правило, из шести или девяти стандартынх цилиндрических ячеек калибра 18650 и имеющих полный объем блока от 132 куб. см) до 75-100 Втч, что позволит решить проблему восьмичасовой автономии. Первая — усовершенствованные ионно-литиевые полимерные элементы компании Pionics, ноу-хау которой заключается в новых материалах для анодов и катодов. Вторая — цинковые щелочные элементы, о высокой удельной емкости которых известно давно (свыше 160 Втч/кг и 600 Втч/л), но до сих пор не удавалось приспособить их к многократной перезарядке. Загадочная компания Zink Matrix Power якобы решила проблему роста дендритов, и вскоре мы можем увидеть коммерческие продукты. Впрочем, «вскоре» — это не раньше 2007 года, а надо заметить, что обычная ионно-литиевая технология тоже не стоит на месте и набирает 5-10 процентов удельной емкости в год, и даже сейчас появляются на редкость емкие и компактные образцы — например, 49-ватт-часные стандартные батареи для ноутбуков Panasonic CF-T2 и CF-W2, с которыми вес машин не превышает полутора килограмм. 
 
Некоторые неочевидные советы и факты для владельцев ноутбуков
 
  • В пунктах досмотра, например, аэропортов, никогда не проносите ноутбук и другие электронные гаджеты, особенно внешние винчестеры, через металлоискатель — только через интроскоп. Во избежание проблем, всегда имейте батарею заряженной настолько, чтобы можно было продемонстрировать, что это действительно ноутбук.
  • Если батарея интенсивно разряжалась в особо жарких условиях, ее температура может достигнуть такого значения, при котором контрольная цепь не позволит тут же начать ее зарядку — пока батарея не остынет.
  • Рассчитывая степень своей мобильности, имейте в виду, что масса среднего блока питания (до 60 Вт) не превышает 400 грамм.
  • В некоторых странах за несоответствующую утилизацию батарей можно запросто попасть под административную оветственность. Будьте внимательны при выборе мусорного ведра.
  • Время заряда батареи в работающем ноутбуке заметно выше, чем в выключенном. Причина — более жесткий температурный режим и высокая нагрузка на адаптер.
  • Неработающие ионно-литиевые батареи и всеь ноутбук целиком легко переносят заморозку до –40 °C. Главное — не допускать образования конденсата при последующем перемещении в теплое влажное помещение.
  • - по материалам журнала "Компьютерра"

    © ООО "Компьютерра-Онлайн", 1997-2019
    При цитировании и использовании любых материалов ссылка на "Компьютерру" обязательна.