Thời gian mà một chiếc máy tính laptop hay điện thoại có thể còn hoạt động được sẽ tùy thuộc vào chính pin của thiết bị, đồng thời cũng bị ảnh hưởng bởi số lượng và loại ứng dụng mà thiết bị sử dụng tại một thời điểm nào đó. Các dịch vụ có dùng chức năng định vị như mạng xã hội hay bản đồ được cho là những ứng dụng “ngốn” pin nhất.
Vấn đề thời gian sử dụng pin này từ trước đến giờ đã khiến các hãng sản xuất chip và cung cấp thiết bị phải cố gắng giải quyết để có thể cạnh tranh với nhau và đã phần nào thành công. Trong khi đó, các nhà xây dựng hệ điều hành và phát triển ứng dụng đã thực hiện những cải tiến để cải thiện trải nghiệm di động trong nhiều khía cạnh khác. Họ đã giải quyết được các vấn đề như số ứng dụng có thể dùng được, mức độ hữu ích của thiết bị, kích thước và chất lượng của màn hình. Các yếu tố khác như tốc độ bộ xử lí và trọng lượng thiết bị cũng đã được cải thiện.
Trong khi người dùng ngày càng bị phụ thuộc vào thiết bị của họ nhiều hơn, vài nhà quan sát cho rằng chỉ khi nào dung lượng và hiệu suất pin được cải thiện thì thiết bị di động mới có thể là trung tâm điều khiển đời sống người tiêu dùng.
Theo Iqbal Arshad, Phó chủ tịch cấp cao bộ phận Phát triển sản phẩm toàn cầu của Motorola Mobility, khi các thiết bị cá nhân như smartphone ngày càng mạnh mẽ hơn, sự tiến bộ về công nghệ pin không theo kịp mức tiêu thụ năng lượng. Smartphone ngày càng được sử dụng ít hơn với chức năng nghe gọi như một chiếc điện thoại thông thường, nhưng lại được sử dụng nhiều hơn để giúp mọi người giao tiếp với thế giới trực tuyến. Khuynh hướng màn hình lớn hơn, độ phân giải cao hơn càng làm cho gánh nặng trên hệ thống cung cấp điện năng càng tăng thêm.
Các hãng sản xuất thiết bị di động và pin, các nhà phát triển ứng dụng và nghiên cứu đang thi nhau tạo ra nhiều phương pháp hóa học mới, đánh giá lại cách pin sạc và xả, tìm hiểu cách các thành phần như bộ lưu trữ dùng pin như thế nào cũng như tìm hiểu phương pháp thu thập năng lượng mới – giống như cách hoạt động của chiếc máy tính điện tử cầm tay dùng năng lượng mặt trời – có thể ảnh hưởng đối với thời gian sử dụng pin.
Theo Ranveer Chandra, nhà nghiên cứu chính của Microsoft Research, trong khi tất cả mọi người đang hi vọng có một bước đột phá đáng kể trong công nghệ pin thì bất kì một cải tiến nào về dung lượng và thời gian sử dụng pin đều được hoan nghênh. Nếu chỉ tăng thêm 5% dung lượng pin cho thiết bị di động thì cũng có thể xem là đã cải thiện một bước rồi.
Iqbal Arshad của Motorola cho biết hãng vẫn tiếp tục nghiên cứu về cấu trúc tiêu thụ điện năng thấp cho các loại smartphone, smartwatch và khảo sát các công nghệ mới. Motorola đang bắt tay với một số công ty khởi nghiệp và phòng thí nghiệm của các trường đại học để tìm kiếm cơ hội đầu tư cũng như thúc đẩy các công nghệ về pin, xử lí tín hiệu và chuyển đổi năng lượng.
Còn về phía Microsoft Research, ông Chandra cho biết họ đã bắt tay với các học viện, làm việc chặt chẽ với các trường đại học qua những chương trình thực tập sinh và trợ cấp nghiên cứu để tìm ra cách khắc phục những vấn đề trong công nghệ pin hiện tại.
Các nhà nghiên cứu cho rằng sẽ có nhiều cách để nâng cao thời gian sử dụng và hiệu năng của pinthiết bị di động. Dưới đây là 5 phương pháp chủ yếu mà các nhà nghiên cứu đã tìm ra và hi vọng sẽ sớm được hiện thực hóa.
Thay đổi thành phần hóa học
Nhóm nghiên cứu của trường đại học University of California (Mỹ) đã tái bố trí thành phần hóa học của loại pin lithium-ion thường dùng để có thêm cát (hay còn có tên gọi khác là silic đioxit). Bằng cách thay thế than chì (graphit) trong các loại pin hiện giờ bằng cát, họ đã đạt được mức mật độ điện năng nhiều gấp 3-4 lần so với mật độ hiện có trong khuôn thiết kế tương tự.
Theo Cengiz Ozkan, một chuyên gia về công trình cơ khí và khoa học vật liệu, các loại vật liệu thường được dùng để sản xuất pin đã giới hạn tổng số lần sạc, mà kết quả là “giới hạn mật độ năng lượng”. Ông cho biết, một cách để giải quyết vấn đề này là dùng các loại vật liệu mới để bổ sung thêm mức lưu trữ năng lượng và tăng tốc mức lưu trữ năng lượng này.
Mihrimah Ozkan, chuyên viên công trình điện, cho biết người dùng có khuynh hướng tránh dùng smartphone hay tablet cho những công việc nặng cho bộ xử lí như xử lí dữ liệu bằng số sẽ thấy rằng tăng được 300% mật độ năng lượng là một đột phá. Với cách thiết kế mới, pin sẽ cần phải sạc ít hơn 3 lần, nên bạn không sợ bị hết pin.
Trường đại học trên đã xin cấp bản quyền cho phương pháp dùng cát và công nghệ này đã được cấp phép sử dụng cho hãng Temiz Energy Technologies. Từng thử nghiệm thành công lí thuyết dùng cát của họ với các loại pin có kích thước bằng đồng xu, nhóm nghiên cứu này hiện có kế hoạch chuyển sang thử nghiệm các loại pin cỡ lớn hơn, vốn là loại đang được dùng trong hầu hết smartphone hiện nay.
Quấn ruy băng
Scott Elrod, Phó chủ tịch Phòng thí nghiệm hệ thống phần cứng Hardware Systems Lab của công ty nghiên cứu PARC (một công ty con của Xerox), cho rằng chỉ khi nào pin của thiết bị di động được thay đổi triệt để thì mới có thể bảo đảm chúng làm việc được liên tục. Để đạt được mục đích này, các nhà nghiên cứu tại PARC đang tập trung cải thiện quy trình sản xuất các loại pin lithium-ion và họ tìm cảm hứng trong những ống kem đánh răng.
Trong công nghệ pin hiện giờ, các ion lithium được hoán đổi qua lại giữa điện cực âm và điện cực dương bằng cách dùng các lớp vật liệu phẳng. Elrod cho biết, do các lớp vật liệu có dạng phẳng và độ dày của điện cực bị hạn chế, các ion lithium không thể xâm nhập đủ sâu để giữ điện tích tốt hơn. Ông cho đó là “phí phạm” trong khi mọi lượng nhỏ điện tích của pin là rất cần thiết.
Các nhà nghiên cứu đã dùng một quy trình gọi là “đồng ép trồi” (co-extrusion) để sửa đổi các lớp vật liệu của âm cực và dương cực bằng mô hình ruy băng giống như loại kem đánh răng có sọc. Theo bản miêu tả khái quát thiết kế của PARC, bằng cách cấu tạo một điện cực có những vùng có tính dẫn điện xen kẽ với những vùng lưu điện, đường dẫn dòng điện có thể được thu ngắn lại mà không ảnh hưởng đến dung lượng.
Theo Elrod, thay đổi quy trình tương tác này sẽ mang đến kết quả là cải thiện được 20-30% thời gian sử dụng pin. Công ty PARC lúc đầu đã dùng quy trình đồng ép trồi trên các loại pin dùng năng lượng mặt trời và thấy quy trình này cũng thích hợp với các loại pin khác.
Ông Elrod cho biết, quy trình này đang được thử nghiệm về phẩm chất và độ tin cậy. Các nhà sản xuất có thể sẽ dùng được công nghệ mới này trong vòng 3 năm nữa. Sẽ tốn thêm một thời gian để các hãng sản xuất áp dụng công nghệ mới này vào trong quy trình sản xuất của họ.
Cải tiến các thành phần khác ngoài pin
Trong khi các nhà khoa học khác tập trung vào thiết kế của pin thì Ranveer Chandra của Microsoft cho rằng các nhà phát triển hệ điều hành và ứng dụng sẽ gánh thêm trách nhiệm mở rộng thời gian sử dụng pin. Theo ông, nhiều người cho rằng trước sau gì cũng sẽ có được thành phần hóa học phù hợp cho pin và ngành công nghiệp cần phải ngưng thực hiện việc đó. Thay vì vậy, hãy cân nhắc áp dụng những phát minh mới diễn ra ngoài cấu trúc của pin.
Chẳng hạn, Microsoft Research đã hợp tác với các nhà nghiên cứu của trường University of California San Diego (Mỹ) để nghiên cứu ảnh hưởng của các thiết bị lưu trữ và phần mềm quản lí lưu trữ đối với pin thiết bị di động. Trong số những khám phá của họ là một công cụ giúp các nhà phát triển đánh giá cách các ứng dụng của họ sử dùng bộ lưu trữ và vì vậy sẽ tiêu thụ pin của thiết bị như thế nào.
Qua thí nghiệm trên nhiều nền tảng di động khác nhau, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng phần mềm lưu trữ sử dụng năng lượng nhiều gấp 200 lần so với phần cứng lưu trữ. Ông Chandra cho biết, riêng với phần cứng thì khá hiệu quả, tuy nhiên phần mềm thì lại tiêu thụ khá nhiều điện năng.
Trong số các yếu tố quan trọng trong bộ lưu trữ có những yêu cầu về bảo mật và tính riêng tư của các ứng dụng di động. Các nhà nghiên cứu đã khám phá ra rằng tổng hao phí năng lượng dùng để kích hoạt mã hóa là từ 2.6x để đọc ngẫu nhiên đến 5.9x để viết ngẫu nhiên.
Chạy các ứng dụng có dùng các ngôn ngữ được quản lí, như Java trên Android, cũng sẽ làm mau cạn pin. Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng, trên Windows RT, tổng hao phí năng lượng cho các hệ thống lưu trữ là từ 12,6 - 18,3% nếu chạy các ứng dụng trong một môi trường có quản lí.
Các nhà nghiên cứu cho biết, họ tin rằng hầu hết các nhà phát triển thiết kế ứng dụng của họ với giả định là các hệ thống lưu trữ trên các nền tảng di động không “háu điện”. Tuy nhiên, kết quả thí nghiệm lại cho thấy ngược lại.
Với bộ mô phỏng EMOS (Energy Modeling for Storage) của Microsoft, các nhà phát triển có thể nhập vào một chuỗi yêu cầu ổ đĩa có nhãn thời gian và kích thước tổng cộng của bộ nhớ đệm hệ thống tập tin để biết được thông tin chi tiết về mức tiêu thụ điện năng. Mỗi kiểu I/O (như đọc/viết, kích thước hay bộ nhớ đệm) đều được tính toán và ấn định một giá trị năng lượng. Các nhà nghiên cứu cho biết, các dự báo EMOS có độ chính xác là khoảng 80%.
Theo Chandra, dù công việc định hình, tìm hiểu, lập mô hình chưa đem đến một thay đổi lớn về thời gian sử dụng pin, thì cũng cần tìm hiểu mức điện năng mỗi loại thiết bị di động tiêu thụ.
Điều này quan trọng vì 2 lí do sau. Một là, nó sẽ giúp các nhà nghiên cứu nhận dạng và sau cùng là chỉnh sửa các trường hợp bất thường cùng các lỗi về năng lượng, như khi nào một thành phần nào đó đang tiêu thụ mức điện năng bất ngờ. Hai là, các mô hình giúp các nhà nghiên cứu suy ra các giải thuật tiết kiệm điện năng.
Mô hình và giải thuật EMOS được trình bày trong một bài nghiên cứu (dạng PDF), gồm thông tin chi tiết giúp các nhà nghiên cứu nào muốn thử áp dụng công nghệ này.
Microsoft đã phát hành một công cụ có tên WattsOn, được xây dựng bằng cách dùng môi trường phát triển tích hợp Visual Studio, cho phép các nhà phát triển ước lượng mức điện năng mà ứng dụng trên smartphone hay tablet tiêu thụ, đồng thời nêu rõ những phần nào của bộ mã tiêu thụ năng lượng nhiều hơn. Nhà phát triển sau đó có thể dùng biện pháp để giảm thiểu khuôn năng lượng của ứng dụng.
Cải thiện truyền phát tín hiệu
Giám đốc công nghệ Joel Dawson của hãng bán dẫn Eta Devices, người từng là giáo sư ngành công trình điện tại Viện công nghệ MIT (Massachusetts Institute of Technology) của Mỹ gần 10 năm, cho rằng các bộ phát sóng radio không hiệu quả hiện nay cũng có thể ảnh hưởng đến thời gian sử pin thiết bị di động.
Để giải quyết vấn đề này, Dawson và nhóm nghiên cứu của mình đã điều chỉnh cách các thiết bị di động trao đổi tín hiệu với trạm cơ sở. Dawson và nhà đồng sáng lập hãng Eta là David Perreault, hiện vẫn còn là giáo sư tại MIT, nhận thấy rằng các bộ khuếch đại điện năng (power amplifier) hiện có trong các thiết bị cầm tay và trạm cơ sở đã bị rò rỉ một lượng năng lượng rất lớn vì chúng được xây dựng bằng các công nghệ tương tự lỗi thời.
Eta đã chế tạo một loại bộ dẫn động kĩ thuật số tự động hóa, gọi là ETAdvanced, để thay thế cho bộ khuếch đại điện năng trong thiết bị di động và trạm cơ sở. Bộ dẫn động này ấn định lượng điện năng thích hợp cần cho quá trình giao tiếp, do đó giảm thiểu được tình trạng hao phí điện năng.
Eta khẳng định rằng bộ ETAdvanced sẽ giúp đạt hiệu năng hiệu quả cao cho các chuẩn kết nối không dây mới như LTE Advanced và 802.11ac Wi-Fi. Theo ông Dawson, bộ dẫn động ETAdvanced có thể cải thiện đến 50% thời gian sử dụng pin cho thiết bị di động.
Tận dụng tiếng động xung quanh
Các nhà nghiên cứu của trường đại học Queen Mary University (Anh) đang hợp tác với Microsoft và tuyên bố rằng họ có thể “thu hoạch” tiếng ồn trong môi trường và tạo đủ năng lượng để sạc đầy cho điện thoại di động. Nói cách khác, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng có thể sạc thiết bị di động với âm thanh chẳng hạn như âm thanh nhạc rock hay tiếng cổ vũ tại một trận đá bóng.
Trường đại học này cho biết nhóm nghiên cứu đã dùng thuộc tính chủ yếu của ôxít kẽm, một loại vật liệu mà khi bị nén lại hay kéo căng ra sẽ tạo nên một điện áp bằng cách chuyển đổi năng lượng từ chuyển động thành điện năng, dưới dạng thanh nano. Các thanh nano này (vốn là các tinh thể nano bán dẫn dạng sợi) lúc đó sẽ được dùng để tạo ra một điện áp cao.
Phương pháp thu thập năng lượng thực ra không phải là mới mẻ gì. Hãy liên tưởng đến chiếc máy tính điện tử cầm tay dùng năng lượng mặt trời, tuy nhiên cách này khó có thể thu thập đủ năng lượng để sạc đầy dung lượng cho pin smartphone hay tablet.
Ông Scott Elrod của PARC chưa tin tưởng vào phương pháp thu thập năng lượng trong tình trạng hiện nay vì smartphone và tablet cần rất nhiều năng lượng. Để dùng được năng lượng mặt trời, điện thoại phải được để ngoài nắng. Các phương pháp thu thập năng lượng khác bằng nước, nhiệt hay tiếng ồn vẫn còn phải được hoàn thiện trước khi áp dụng để cung cấp nhiều điện năng nhằm sạc đầy điện thoại hay máy tính bảng.
Trong khi đó, Ranveer Chandra của Microsoft đồng ý và tin rằng hiện nay phương pháp sạc bằng cách cộng hưởng từ, như cách dùng trạm sạc của WiTricity, là phương pháp thích hợp nhất mà ngành công nghiệp sẽ áp dụng để thu thập điện năng. Công ty WiTricity cho biết người dùng có thể đặt một trạm sạc trung tâm (một tấm đệm lớn) ở một nơi trong phòng và đặt thiết bị của họ trong một bao đựng đặc biệt. Khi người dùng đến gần tấm sạc, thiết bị của họ sẽ tự động sạc lại. Tuy nhiên, cá nhân người dùng hiện chưa thể mua trạm sạc của WiTricity vì công nghệ này chỉ bán cho các đối tác nào sẽ đưa công nghệ này vào các sản phẩm tương lai.
Trong khi nhiều nhà phát minh đang tìm cách tăng thời gian sử dụng pin cho thiết bị di động thì ngành công nghệ pin vẫn còn vài năm nữa mới đạt được các cải tiến đáng kể. Các chuyên gia cho biết, đến khi các công nghệ này được đưa ra thị trường thì các hãng sản xuất thiết bị cùng với các nhà phát triển nền tảng và ứng dụng vẫn còn có trách nhiệm công bố rõ về mức tiêu thụ điện năng pin thiết bị của họ, đồng thời giúp người dùng điều chỉnh thiết lập để tăng thời gian sử dụng pin cho thiết bị.
Theo PC World VN.
Bình luận