Bei Notebooks entscheidet in erster Linie die Kapazität des Akkus über die stromnetzunabhängige Laufzeit. Zusätzlich hängt sie von den verbauten Komponenten und deren Powermanagement ab.
Im normalen Arbeitsbetrieb gehört der LCD-Bildschirm eines Notebooks zu den Top-Verbrauchern - er benötigt über 30 Prozent der Akku-Gesamtleistung. Erst dann folgen mit zirka zehn Prozent der Prozessor und der Chipsatz. Bei rechenintensiven Anwendungen verschieben sich die Anteile zu Ungunsten des Prozessors.
Die Hersteller mobiler Geräte versuchen, die Einsatzdauer im Akku-Betrieb durch verschiedene Maßnahmen ständig zu erhöhen. So entwickelt die Industrie Mobile-Prozessoren mit speziellen Energiesparmechanismen. Auch die LCD-Displays von Notebooks unterscheiden sich durch reduzierten Stromverbrauch von den netzabhängigen Versionen. Darüber hinaus forschen die Hersteller auf dem Gebiet Strommindernder Technologien wie zum Beispiel ALS oder USB Suspend. Doch auch der Anwender kann durch sein Nutzungsverhalten die Betriebsdauer seines mobilen Helfers entscheidend beeinflussen. In unserem Artikel zeigen wir die wichtigsten Stromverbraucher in einem Notebook und deren Auswirkung auf die Akku-Laufdauer. Zusätzlich erläutern wir, wo und in welchem Umfang die Akku-Ressourcen bei der täglichen Arbeit mit dem Notebook geschont werden können.
Elektrische Leistungsverteilung in Notebooks
Messungen der elektrischen Leistung von Notebooks sind sehr komplex. Denn die ermittelten Werte variieren je nach eingesetzter Hard- und Software stark. Zusätzlich können in der Praxis bestimmte Komponenten wie CPU oder Grafikkarte nicht einzeln, sondern nur in Verbindung mit anderen Bauteilen gemessen werden. Im mobilen Einsatz übernimmt der Akku die Stromversorgung der elektrischen Komponenten eines Notebooks. Seine gespeicherte Energie bestimmt die Betriebsdauer des Geräts wie folgt:
Die Laufdauer eines Akkus in Stunden ergibt sich aus der Leistungskapazität des Akkus, gemessen in Watt-Stunden, dividiert durch die durchschnittliche Leistungsaufnahme des Geräts, ermittelt in Watt. Ein Blick auf die Verteilung der elektrischen Leistung eines Notebooks verdeutlicht, wo in puncto Leistungseinsparung noch Entwicklungspotenzial besteht.
Ein Drittel der Akku-Kapazität beansprucht im "Normalbetrieb" das Display. Erst dann folgen mit deutlichem Abstand die CPU und die Stromversorgung. Letztere ist eine rein thermische Verlustleistung der Spannungsregler. Denn die Regelelektronik muss aus einer hohen Akku-Spannung viele unterschiedliche kleine Spannungen für die einzelnen Notebook-Komponenten erzeugen. Diese Regelkreise haben einen bestimmten Wirkungsgrad, der sich wie folgt berechnet: Eingangsleistung dividiert durch Ausgangsleistung. Je höher der Wirkungsgrad (Effizienz), desto weniger "nutzlose" thermische Leistung erzeugt ein elektrisches Gerät.
Fazit: Durch geringere Akku-Spannungen erhöht sich der Wirkungsgrad der Stromversorgung, gleichzeitig sinken die thermischen Verluste, und die Akku-Laufzeit steigt.
Extended Battery Life Workgroup (EBL WG)
Um die Akku-Laufzeit von mobilen Geräten zu verlängern, formierten sich im Oktober 2002 auf dem Intel Developer Forum in San Jose unter der Führung von Intel namhafte Hersteller wie Dell, Fujitsu, IBM, Microsoft, NEC, Samsung und Toshiba zu der Extended Battery Life Working Group (Link: www.eblwg.org/index.asp). Die Mitglieder beschlossen eine industrieweite Kooperation. Als Hauptziel setzte sich das EBL-Konsortium, die Leistungsaufnahme bestimmter Gerätekomponenten zu untersuchen und gegebenenfalls durch geeignete Technologien zu reduzieren. Die folgende Tabelle zeigt die mittlere Leistungsaufnahme verschiedener Funktionsgruppen in einem Notebook und die von der EBL Working Group erwartete Entwicklung im Jahr 2004.
Nach dem Willen der EBL-Workgroup soll durch den Einsatz verschiedener EBL-Technologien der Gesamtverbrauch der elektrischen Leistung eines Notebooks um zusätzlich ein Watt reduziert werden. Die folgende Auflistung gibt detailliert wieder, wie viel Energie bestimmte Funktionsgruppen durch elektrische Optimierungen mittels entsprechender EBL-Techniken einsparen.
Energieverbraucher Nummer eins - das Display
Eine kleine Revolution auf dem Gebiet der LCD-Displays gab es mit der Einführung der Low-Temperature-Poly-Silicon-TFTs (LTPS-TFT) Ende 2001. Im Vergleich zu herkömmlichen TFT-Displays basiert die LTPS-Technologie auf einen modifizierten Fertigungsprozess. Ein speziell entwickeltes Glassubstrat ermöglicht eine hohe Beweglichkeit der Elektronen im Material. Zusätzlich sind, bedingt durch die geringe Temperatur während der Fertigung, die Treiberbausteine für die TFT-Matrix direkt im Glassubstrat integriert. Die Poly-Silicon-Technologie zeichnet sich besonders durch hohe Auflösung und Helligkeit sowie eine um bis zu 40 Prozent geringere Stromaufnahme aus.
Die Diagrammkurven zeigen deutlich, dass die Leistungsaufnahme der Hintergrundbeleuchtung inklusive Treiberbausteinen bei den aktuellen LCD-Displays nicht optimal aufeinander abgestimmt ist. Im typischen Bereich der Helligkeit eines Notebook-Displays bei 60 cd/m2 erreicht das optisch-elektrische System eine Effizienz von nur 55 Prozent. Hier besteht für die Hersteller Handlungsbedarf, indem sie die Leistungsaufnahme der Matrixtreiber-ICs reduzieren und somit die Effizienz des Systems erhöhen.
Ein weiterer Schritt, um den Leistungshunger zukünftiger LCD-Displays zu zügeln, ist der Einsatz der so genannten Ambient Light Sensor Technology (ALS). Der Anwender kann mittels eines User-Interface die gewünschte Helligkeit eines Displays einstellen.
Ein ALS-Treiber gibt die Anwender-Informationen an die ACPI-Schnittstelle weiter. Diese regelt über eine Elektronik die Helligkeit des LCD-Panels. Gleichzeitig erhält das ACPI-Interface von der Steuerelektronik eines Lichtsensors aktuelle Informationen über die Umgebungshelligkeit und passt die Hintergrundbeleuchtung entsprechend der vorgegebenen und ermittelten Daten automatisch an.
Die hier vorgestellten Maßnahmen haben ein gemeinsames Ziel: Die Leistungsaufnahme der zukünftigen Displays in Standard-Notebooks soll von den derzeit gängigen 4,2 Watt auf unter 3 Watt sinken.
Strom sparen an der USB-Schnittstelle
Mittlerweile gehören bei Notebooks mehrere USB-Schnittstellen zur Standardausstattung: Der Universal Serial Bus bietet eine schnelle und einfache Verbindungsart zwischen den mobilen Helfern und externen Geräten. Zusätzlich liefert er eine Stromstärke von bis zu 500 mA pro Port. Das erspart oft lästige Netzteile für die Geräte.
Für Notebooks stellt diese "Bus-Powered-Schnittstelle" einen gravierenden Nachteil dar, denn der Betrieb der Geräte verschlingt Akku-Energie und verkürzt somit die Betriebsdauer des Notebooks spürbar. In der nachfolgenden Tabelle finden Sie einige USB-Geräte und deren Leistungsaufnahme sowie die rechnerische Auswirkung auf die Laufzeit eines Notebooks.
Das Betreiben von USB-Geräten an Notebooks und deren Energieverbrauch ist weitaus vielschichtiger, als Intel auf dem Frühjahrs-IDF 2003 erläuterte. So erreicht man durch das effektive Einsetzen des so genannten "USB Selective Suspend" eine Erhöhung der Akku-Laufzeit von fünf bis zehn Prozent - vorausgesetzt das Betriebssystem wie Windows XP oder Linux und die angeschlossene USB-Hardware unterstützen diesen Betriebsmodus.
Der USB Selective Suspend arbeitet wie folgt: Windows XP mit aktiviertem ACPI ist in der Lage, einen mobilen Prozessor in den definierten C3/C4-Stromsparmodus zu versetzen. Im C3/4-Zustand wird nicht nur die Spannung herabgesetzt beziehungsweise für bestimmte Funktionseinheiten ausgeschaltet, sondern zusätzlich wird die Taktfrequenz einzelner Funktionsgruppen reduziert. In diesem Modus arbeitet der Prozessor sehr eingeschränkt, allerdings nur so lange, wie keine Bus-Master-I/O-Anfragen von den USB-Host-Controllern oder anderen Devices kommen.
Bisher erfolgen bei angeschlossenem USB-Gerät periodisch (UHCI: 1 ms, EHCI: 125?s) Busmaster-Zugriffe auf den Prozessor, sodass dieser nicht in den C3/C4-Stromsparmodus übergehen kann. Mithilfe von USB Selective Suspend erfolgen nur Busmaster-Operationen, wenn das USB-Gerät benutzt wird. In der übrigen Zeit belästigt der USB-Host-Controller den Prozessor nicht; er kann in den Schlafmodus (C3/C4) übergehen.
Strom sparen durch intelligentes Powermanagement
Anhand der Powermanagement-Funktionen des Notebooks Toshiba Tecra Si mit Centrino-Technologie erläutern wir exemplarisch die Stromsparfunktionen und die Auswirkung auf die Akku-Laufzeit. Zu Beginn unserer Messreihe ermitteln wir die maximale Akku-Laufzeit des Notebooks unter Ausnutzung der Powermanagement-Funktionen: CPU im SpeedStepModus, minimale Display-Helligkeit und Festplatte nach drei Minuten aus (alle zehn Minuten erfolgt Script-gesteuert ein Zugriff).
Bei diesen Einstellungen messen wir mit dem Multimeter Voltcraft M-4660M eine durchschnittliche Leistungsaufnahme des Notebooks von 11,66 Watt. Um ein praxisnahes Ergebnis zu bekommen, betätigt unser tecSimulator-Automat jede Sekunde eine Taste. Mit diesen Testvorgaben erreicht das Toshiba Tecra S1 eine Laufdauer von 5,97 Stunden.
Die Ergebnisse für die Leistungsaufnahme und die Laufzeit dienen als Grundlage für weitere Berechnungen. Sie beziehen sich auf die einzelnen Stromspar-Funktionen unseres Testkandidaten Toshiba Tecra S1. So kann der Anwender per Schieberegler die Taktfrequenz und die Monitorhelligkeit in vom Hersteller festgelegten Stufen ändern. Die Funktionen "Monitor/Festplatte ausschalten" sowie der System-Standby erwarten bestimmte Zeitvorgaben. In der folgenden Tabelle haben wir den Einfluss der verschiedenen Energiespar-Funktionen auf die Akku-Laufzeit aufgelistet.
Die Tabelle zeigt, welche Funktion wie viel Einsparpotenzial in Bezug auf die Laufzeit des Notebooks bietet. Benötigt der Anwender zum Beispiel bei Office-Anwendungen nicht die volle Prozessorleistung, ist es vorteilhaft, die Taktfrequenz auf ein Minimum zu reduzieren. Diese Maßnahme verlängert die Laufzeit des mobilen Geräts um bis zu 69 Minuten.
Wenn es die Lichtverhältnisse zulassen, spart eine reduzierte Display-Helligkeit zusätzlich Akku-Ressourcen. Die Differenz der Akku-Laufzeit zwischen der maximalen und der minimalen eingestellten Leuchtstärke beträgt bei unserem Testkandidaten 54 Minuten. Besonders Energie sparend arbeitet der Standby-Modus. Er schaltet nahezu alle Funktionsgruppen (außer Speicher oder bestimmte Funktionen des Chipsatzes) bei Nichtbenutzung des Notebooks ab, bietet aber bei Reaktivierung eine schnelle Systemverfügbarkeit. Im Standby-Modus reicht die Akku-Kapazität bei unserem Probanden für 125 Stunden. Neben den Powermanagement-Funktionen beeinflusst im Wesentlichen der praxisnahe Umgang mit verschiedenen Anwendungen die Akku-Laufzeit. Ein häufiger Arbeitsvorgang auf Notebooks ist das Lesen, Speichern und Kopieren von Dateien auf der Festplatte. Auch das DVD-Laufwerk wird oft als Abspielgerät benutzt. Diese beiden Anwendungen kosten im ungünstigsten Fall jeweils bis zu 25 Prozent der Akku-Gesamtlaufzeit. Allerdings sind die einzelnen Komponenten nicht alleine für den enormen Leistungshunger verantwortlich. Sie benötigen Unterstützung vom Chipsatz, Prozessor und Systemspeicher. In der folgenden Tabelle finden Sie eine Auflistung einiger Anwendungen auf einem Notebook und deren Einfluss auf die Akku-Laufzeit.
Auch Office-Anwendungen und 3D-Applikationen wirken sich auf die Betriebsdauer eines Notebooks negativ aus. So reduziert das Benchmark-Programm SYSmark 2002, das wir stellvertretend für das Arbeiten mit Office-Programmen verwendeten, die Akku-Laufzeit nur um 6,4 Prozent. Komplexe 3D-Programme simulieren wir mit 3DMark 2001 SE. Die Messergebnisse zeigen, dass sie die Akku-Laufzeit um bis zu 39 Prozent reduzieren.
Strom sparen mit WLAN und LAN
Einflüsse auf die Akku-Laufzeit haben auch Komponenten wie LAN-PC-Karten oder integrierte beziehungsweise externe Wireless-LAN-Adapter in Notebooks. Eine voll funktionsfähige externe Wireless-LAN-PC-Karte kostet nahezu 10 Prozent der Akku-Gesamtlaufzeit. Ein internes Gerät nimmt zirka 7,5 Prozent in Anspruch. Um diesen Wert für die internen WLAN-Adapter zu reduzieren, bieten die Notebook-Hersteller die Möglichkeit an, die Antennenfunktion zu deaktivieren. Das spart zusätzlich etwa 3,5 Prozent an Laufzeit, wenn sie nicht benötigt wird. Zu empfehlen wäre allerdings, das Gerät gleich völlig abzuschalten.
Fazit
Die Hersteller mobiler Geräte unternehmen hohe Anstrengungen, um die Akku-Laufzeit entscheidend zu verlängern. Ihr wesentlicher Fokus richtet sich auf die Reduzierung der Stromentnahme der eingesetzten Komponenten wie Display, CPU oder USB-Schnittstelle. So sollen neue Technologien wie Ambient Light Sensor Technology (ALS) oder USB SelectiveSuspend die Akku-Laufzeit von Notebooks steigern. Zusätzlichoptimieren die Entwickler die Elektronik der internen Notebook-Stromversorgung, um die"nutzlose" Verlustleistung zu reduzieren.
Doch nicht nur die Hardware ist gefordert, sondern auch das Betriebssystem muss in der Lage sein, die Hardware entsprechend anzusteuern.
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