Stromverbrauch von Smartphones – Wie die künstliche Intelligenz das Smartphone effizienter macht

Welche Komponenten im Smartphone verbrauchen Strom?

Das Smartphone ist ein leistungsstarkes Elektronikgerät mit dem wir unser Alltag überwinden und sogar 3D-Spiele können wir mit unserem Smartphone genießen. Im Gegensatz zum Desktop-PC können wir uns nicht immer auf eine Steckdose in der Nähe verlassen, das Smartphone die benötigte Energie von der eingebauten Batterie. Diese Energiequelle ist nicht endlos und muss daher ständig aufgeladen werden, deswegen ist es besonders wichtig, dass solche Geräte besonders effizient mit den Ressourcen umgehen, damit wir als Nutzer nicht ständig am Stromkabel hängen müssen und warten bis das Smartphone wieder aufgeladen ist. Die Smartphone-Hersteller haben uns bereits sehr nützliche Einstellungsmöglichkeiten mitgegeben und zwar haben wir die Möglichkeit das Smartphone in den sogenannten Stromsparmodus oder Flugmodus zu versetzen.

Was ist der Stromsparmodus?

Sobald der Stromsparmodus aktiviert ist, werden bestimmte Dienste im Handy ausgeschaltet. Zum Beispiel ist es bei Android Smartphones im Stromsparmodus nicht möglich mit Google Maps zu navigieren. Erst wenn der Modus aufgehoben wird, ist die Nutzung von Google Maps wieder möglich. Zum einen werden Hintergrundaktivitäten eingeschränkt, das heißt das Apps im Hintergrund stark eingeschränkt Informationen aktualisieren können. Die Kommunikation mit den Servern wird fortgeführt, sobald die App geöffnet wird. Beispielsweise wird die E-Mail Applikation im Stromsparmodus keine Informationen abrufen können und du verpasst dadurch möglicherweise wichtige E-Mails. Im iOS-Betriebssystem werden folgende Funktionen eingeschränkt:

  • Email abrufen
  • “Hey Siri”
  • im Hintergrund laufende App werden eingeschränkt
  • visuelle Effekte
  • Auto-Sperre verkürzt auf 30 Sekunden
  • und die iCloud-Fotobibliothek wird pausiert.

All diese Funktionen machen die Nutzung des Smartphones komfortabler, allerdings zapfen sie im Hintergrund versteckt die Stromreserven an und summieren sich im Ganzen zu einer beachtlichen stromfressenden Quelle. Besonders wenn dir bewusst ist, dass du in den nächsten Stunden keine Steckdose oder Energiequelle zum aufladen des Smartphone haben wirst, dann kommt der Stromsparmodus wie gerufen, denn in diesem Modus geht dem Handy nicht so schnell der Saft aus und wir können es weiterhin für wichtige Aufgaben nutzen.

Akkuverbrauch durch interne Komponenten

Das Betriebssystem eines Smartphone führt sehr viele Aufgaben unbemerkt im Hintergrund durch, sodass sogar im Ruhestand, das Betriebssystem alleine eine beachtliche Menge an Leistung verbraucht. Folgende Komponenten zapfen Strom von der eingebauten Batterie an:

1 Sensoren – Moderne Smartphone sind heutzutage mit vielen Sensoren ausgestattet, wie zum Beispiel mit Sensoren zur Standortbestimmung oder zur Bestimmung von bestimmten Bewegungsmetriken. Letztere ist besonders für Apps relevant, die bestimmte Bewegungsmuster in ihre Apps integriert haben. Als Entwickler hat man die Möglichkeit auf die von Hardware generierten Informationen zuzugreifen. Die Android Plattform beispielsweise unterstützt folgende Sensortypen: Bewegungs-, Umgebungs- und Positionssensoren, die mit dem internen Framework verwendet werden können. Welche Sensoren im Smartphone eingebaut sind, ist vom Hersteller abhängig, kann allerdings vom Android Framework vorher abgefragt werden.

2 Betriebssystem – Das Betriebssystem steuert die Kommunikation zwischen Hardware und Software.

3 Basis-Applikationen – Dazu zählen Apps wie zum Beispiel Email, Tastatur, Datum- und Uhrzeitanzeige, Wecker, Kalender-Apps und Wallpaper. Solche Applikationen synchronisieren sich regelmäßig mit externen Servern, um beispielsweise Lizenzinformationen oder nach vorhandenen Updates nachzufragen.

4 Werbung in Apps – Es hört sich zunächst lächerlich an, aber angezeigte Werbung in kostenlosen Apps, verbraucht bis zu 30% des gesamten Energieverbrauchs einer Apps (Quelle: Android Power Management, Soumya Kanti Datta et al., 2012).

5 Kommunikationsprotokolle – Mobile Standards wie GPS, 3G, Wi-Fi und LTE gehören zu den Komponenten, die einen sehr hohen Akkuverbrauch verursachen.

 

Effiziente CPUs im Smartphone

Heutzutage werden die Smartphones immer leistungsfähiger und zugleich werden die Bildschirme immer größer und hochauslösender, was wiederum mehr Energie konsumiert. Die GPU muss zunehmend mehr Pixeleinheiten auf dem Bildschirm verarbeiten und das kostet Rechenleistung. Die GPU auf dem Qualcomm Snapdragon nutzt spezielle Rendering-Techniken um die Auslastung zu minimieren und um die Ressourcen optimal einzusetzen. Laut Qualcomm gibt es zwei verschiedene Methoden um 3D Bilder zu rendern. Die Adreno CPU setzt die beiden Techniken dynamisch ein und zwar handelt es sich um eine sogenannte verzögerte Render-Methode und das direkte Rendern von bestimmten Bildbereichen. Kleine Bildbereiche wiederzugegen verbraucht weniger Ressourcen und können zudem länger im GPU Speicher bleiben. Im Gegensatz dazu wird beim direkten Rendering, das komplette Bild berechnet und gezeichnet. Je nach Anforderungen wird zwischen den beiden Methoden gewechselt und das steigert die Effiezient des Grafikprozessors enorm. Im folgenden Video wird die Wärmeentwicklung des Snapdragon Prozessor veranschaulicht:

 

Künstliche Intelligenz im Smartphone Prozessor

Die Smartphone Prozessoren werden nicht nur leistungsfähiger, sondern auch immer intelligenter. Große Hersteller wie Apple , Qualcomm und Samsung haben in ihren neusten Chips, Komponenten eingebaut, die besonders für machinelles Lernen optimiert sind. Diese Komponenten sollen Features, wie z.B. die Gesichtserkennung in Bildern und die Bildverarbeitung unterstützen. Mittels Deep-Learning soll der AI-Prozessor Personen auf Bildern besser erkennen oder Bilder nach bestimmten Kategorien einordnen können. Insgesamt soll damit die Nutzererfahrung verbessert werden, aber auch aufgrund der verbesserten Gesichtserkennung, soll auch die Sicherheit verbessert werden. In Samsungs Exynos 9810 Prozessor ist ein solcher AI-Chip integriert und zugleich fungiert eine separate Sicherheitskomponente als Sicherheitseinheit, um sensible Daten wie Gesichts-, Finger und Iris-Informationen vor Missbrauch zu schützen (Quelle: Samsung).

Neben der Bildverarbeitung sollen auch andere Aufgaben optimiert werden. Stellt euch vor, euer Smartphone ist in der Lage in einen von euch zufällig geschossenen Bild, den Entstehungsort zu identifizieren oder der Chip lernt euer Nutzungsverhalten im Smartphone und kann folglich die favorisierten Apps schneller für euch laden. Das hört sich natürlich auch etwas gruselig an, allerdings müsst ihr bedenken, dass die AI-Chips darauf abzielt, machinelles Prozessieren und die Benutzerfreundlichkeit mit dem Smartphone-Interface zu verbessern.

Einige Vorteile hat der Einsatz von integrierten AI-Chips im Prozessor, die Informationen werden innerhalb das Smartphone verarbeitet und nicht irgendwie in einer Form von Cloud-Lösungen verarbeitet, das erhöht natürlich den Datenschutz und erschwert Hackern den Zugriff auf sensiblen Daten. Durch künstliche Intelligenz kann wahrscheinlich auch die Effizienz der Prozessoren gesteigert werden und repetitive Aufgaben werden intelligenter organisiert, aber auch die Stromeffizienz der CPUs könnte mit Hilfe von AI gesteigert werden. Der Chip lernt einfach euer tägliches Nutzungsverhalten und kann dadurch möglicherweise bestimmte Prozesse anpassen und andere die weniger genutzt werden, in den Hintergrund stellen oder sogar deaktivieren. Effizienzprofile könnten damit für jeden einzelnen Nutzer erstellt werden und die Batterielaufzeit würde geschont werden.

Folgende Prozessoren haben integrierte AI-Chips

  • Apple A11 Bionic
  • Huawai Kirin 970
  • Samsung Exynos 9 Serie 9810
  • Qualcomm Snapdragon 845

 

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