Vì sao smartphone của bạn nhanh hết pin?

Pin lithium ion đã gần đạt đến giới hạn dung lượng điện năng có thể có được, trong khi các thiết bị di động ngày càng yêu cầu điện năng nhiều hơn.

Nếu bạn hy vọng chiếc smartphone mới tuyệt vời của bạn dùng được hơn một ngày sau mỗi lần sạc, thì nó sẽ cần nhiều hơn mức điện năng mà một pin lithium ion thông thường có thể cung cấp.

Trước đây, bạn có thể để quên sạc điện thoạiở nhàtrong kỳnghỉ cuối tuần dài ngày, và nếu bạn không dùng điện thoại lâu vài giờ để chơi game, thì pin điện thoại của bạn vẫn còn đủ để gọi taxi về nhà.

Nhưng ngày nay, ai cũng phải mang theo sạc bên mình khi đi đâu đó, và thường thấy mọi người cắm sạc điện thoại tại sân bay hay quán cà phê. Vấn đề này càng trầm trọng hơn khi chuyển sang mạng 4G tốc độ cực nhanh - tính năng mà nhiều loại smartphone sẽ được trang bị trong năm 2011. Các báo cáo cho thấy các thiết bị 4G có khuynh hướng "ngốn" pin tới mứcthời gian sử dụng pin không đáng kể. Thật ra, yêu cầu điện năng của công nghệ dùng trong các thiết bị di động đang tăng nhanh gấp đôi mức độ tăng dung lượng pin, theo một viên chức điều hành của hãng Verizon.

Nhưng ngành công nghiệp pin không thể nhanh chóng hay dễ dàng theo kịp yêu cầu điện năng di dộng, và khó khăn tiếp tục xảy ra có thể sẽ làm công chúng khó chấp nhận các thiết bị 4G mới. Tiếc là vấn đề không phải chỉ là do ngành nghiên cứu và phát triển pin di động bị lạc hậu. Nó còn do loại hóa chất của pin, cách sử dụng vốn cho việc nghiên cứu và phát triển trên thị trường công nghệ di động toàn cầu, và nhiều yêu cầu khác nhau mà người dùng muốn có trong điện thoại và máy tính bảng.

Hạn chế về mặt hóa học

Công nghệ pin và công nghệ smartphone đang ở trong 2 giai đoạn rất khác nhau trong lịch sử phát triển của chúng. Theo Keith Nowak của hãng sản xuất điện thoại và máy tính bảng HTC, công nghệ pin, không giống smartphone, đã phát triển hơn một thế kỷ, và biểu đồ phát triển đang giảm nhiều, điều đó có nghĩa là các cải tiến trong ngành công nghiệp pin, dù ổn định nhưng không còn xảy ra ở tốc độ chóng mặt như ngành công nghệ smartphone non trẻ hơn.

Pin smartphone có hiệu quả cao hơn so với pin cách đây 10 năm, nhưng hiện đã đến mức giới hạn.

Ngoài vài cải tiến gia tăng nhỏ về hiệu suất chất điện giải dạng rắn, pin lithium ion polymer dùng cho sản phẩm công nghệ thiết bị cầm tay vẫn không thay đổi nhiều trong hơn 15 năm nay. Hầu hết các loại pin dùng trong smartphone và máy tính bảng ngày nay đều là các loại pin lithium ion polymer ở các dạng khác nhau – trong đó cực dương (anode) và cực âm (cathode) nằm trong một môi trường điện giải (chất làm pin dẫn điện được) đặc quánh, dạng rắn. Thiết kế chất điện giải dạng rắn này được phát triển thương mại vào năm 1996 khi các hãng sản xuất cố tìm ra một loại pin bền hơn cho các sản phẩm công nghệ di động. Trước đó, điện thoại cầm tay đã dùng pin lithium ion có chất điện giải dạng lỏng, cồng kềnh và tương đối không ổn định.

Ngày nay, các nhà nghiên cứu về pin vẫn tiếp tục tăng dung lượng của pin lithium ion polymer. Vì điện năng của pin đạt được từ chuyển đổi các điện tử (electron) mang điện tích giữa cực dương và cực âm, các nhà nghiên cứu về pin tập trung chủ yếu vào việc tối ưu số lần chuyển đổi nhỏ (mini-transfer). Theo Irving Echavarria của Gold Peak Industries, một công ty sản xuất tất cả các loại pin tiêu dùng, trong đó có pin lithium ion, có nhiều phản ứng hóa học có thể có thời gian sống riêng của nó, và các nhà khoa học nghiên cứu pin cố gắng kiểm soát thời gian sống của pin. Ông Echavarria ước chừng là 80% các quy trình trong pin có thể kiểm tra chính xác. Và cơ hội để pin có phản ứng hóa học sai càng ít, thì pin sẽ cung cấp điện năng càng hiệu quả hơn. Các hãng pin tiếp tục cố tăng thêm dung lượng bằng cách tiếp cận giới hạn 80% hiệu quả đó.

Nhưng những tiến bộ gia tăng về hiệu quả vẫn không theo kịp với nhu cầu điện năng ngày càng tăng của smartphone và các thiết bị di động khác. Muốn có thời gian sử dụng pin smartphone lâu hơn, các nhà phát triển hoặc phải thêm các vật liệu hoạt tính vào pin bằng cách làm các phần không hoạt động của pin nhỏ hơn (một kỹ thuật cũng đã đến mức giới hạn của chính nó), hoặc là chuyển từ lithium ion polymer sang dùng một chất khác nhưng hiện vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ.

Nhà nghiên cứu công nghệ pin Venkat Srinivasan của Lawrence Berkeley National Laboratory ở Berkeley, California (Mỹ), ghi nhận rằng các đặc tính vật lý chi phối sự phát triển trong pin khác với các đặc tính vật lý chi phối phát triển trong smartphone. Dường như là pin sẽ còn bị lạc hậu cho đến một lúc nào đó người ta khám phá ra một chất liệu tốt hơn.

Ý tưởng mới đến chậm

Người ta nhận thấy có vài dấu hiệu về sáng kiến phát triển tuổi thọ của pin. Nhưng chưa biết chừng nào mới hé lộ những sáng kiến này, và không biết công nghệ này có thể được mở rộng để phục vụ toàn thế giới di động hay không.

Công cuộc nghiên cứu về pin lithium ion vẫn tiếp tục trong các phòng thí nghiệm R&D của nhiều hãng pin tiêu dùng. Và các phòng thí nghiệm của các trường đại học khắp nước Mỹ đã công bố nhiều tài liệu về khả năng của lá graphite, cực mỏng và có tiềm năng trữ và truyền năng lượng (nhưng còn lâu mới có thể được sử dụng cho pin tiêu dùng). Nhưng chính phủ Mỹ (cũng như nhiều chính phủ các nước khác) hầu như chưa tài trợ cho nghiên cứu pin tiêu dùng, thay vì chi tiền cho việc nghiên cứu pin cho xe cộ và pin sử dụng trong quân đội.

Không phải chỉ là pin

Thiết kế một thiết bị di động không chỉ là hoàn thiện khả năng điện toán, kiểu dáng và giao diện người dùng, mà còn cần thực hiện tất cả các việc này với rất ít điện năng. Sẽ có lúc người tiêu dùng không còn muốn các chương trình dùng dữ liệu nhanh và tính năng đa nhiệm mạnh mẽ nữa, mà họ chỉ cần một thiết bị có thể tiếp tục hoạt động cho ít nhất cả ngày công tác.

Màn hình smartphone ngày càng lớn hơn và hỗ trợ độ phân giải cao hơn, cả 2 điều này làm tốn pin kinh khủng. Giảm độ sáng màn hình sẽ giúp kéo dài thời gian sử dụng pin thêm được vài phút, nhưng Apple, HTC, Motorola và các hãng điện thoại lớn khác không chắc sẽ chuyển sang màn hình nhỏ hơn hay tối hơn trong thời gian tới. Tuy nhiên, vài hãng (gồm cả Samsung và LG Electronics) đang tập trung sản xuất loại màn hình hiển thị mới không tối hơn nhưng sử dụng ít điện năng hơn.

Một lý do khác làm thiết bị mau hết pin là ứng dụng ngày càng phức tạp, đòi hỏi khả năng xử lý gắt gao hơn. Hầu hết smartphone đều có Bluetooth, WiFi, và chức năng định vị vệ tinh (GPS) bên trong, và có nhiều trường hợp các tính năng này hoạt động cùng một lúc. Đặc biệt là sóng GPS rất hao pin. Bạn có thể nhận thấy vạch báo pin xuống nhanh hơn khi bạn chạy ứng dụng dẫn đường. Các điện thoại mới hơn có thêm chipset sóng 4G, sẽ cần nhiều khả năng xử lý hơn để giải mã nhiều dữ liệu hơn được mã hóa trong phổ không dây LTE. Quan trọng nhất là, các điện thoại 4G mới đều có 2 bộ chip khác nhau, để nối với phổ 4G và với mạng 3G cũ hơn của các hãng cung cấp mạng. Kết quả là, nếu bạn may mắn thì pin điện thoại của bạn chỉ có thể hoạt động được 1 ngày mà thôi.

Việc tiêu thụ điện năng nhanh đưa đến kết quả là các hãng sản xuất BXL di động buộc phải sản xuất các loại chip hiệu quả hơn cho điện thoại.

James Bruce, một viên chức điều hành của ARM, hãng phát triển và cấp phép sử dụng BXL cho hầu hết tất cả các thiết bị di động trên thế giới, giải thích rằng phần cứng điện thoại ngày nay đạt hiệu quả về pin nhiều hơn so với trước đây khi điện thoại sử dụng được lâu hơn, nhưng sự khác biệt giữa một điện thoại Nokia thông thường và một smartphone ngày nay là chưa đủ để người ta có thể sử dụng điện thoại suốt ngày.

Dùng 2 nhân sẽ có lợi

Các BXL 2 nhân (do ARM sản xuất) đã được sử dụng trong vài smartphone trong năm 2011 (như HTC Droid Bionic và Motorola Atrix 4G) có thể cho ta vài hy vọng. Theo ông James Bruce, điện thoại “2 nhân” có thể giao các tác vụ đơn giản cho một nhân, trong khi hướng các tác vụ phức tạp hơn (và tốn pin hơn) cho nhân kia. Như ông đã giải thích, nếu điện thoại chỉ thực hiện các tác vụ đơn giản như gửi tin nhắn hay tính toán trên một nhân, nhân còn lại có thể ngắt nguồn điện, và do đó tiết kiệm được pin.

Ý tưởng thêm nhiều nhân có thể là bí quyết để sử dụng ít điện năng của pin hơn. Điều này có thể hơi ngược với trực giác, nhưng ARM không phải là hãng duy nhất đang cố giải quyết vấn đề tốn pin bằng cách này.

Hồi đầu tháng 5/2011, một công ty có tên là Adapteva đã công bố bộ vi xử lý Epiphany mới, mà họ hy vọng sẽ dùng trong smartphone và máy tính bảng cùng với BXL 2 nhân của ARM.

BXL mới của Adapteva có thể chứa đến 64 nhân trên một chip smartphone. Trong khi việc đưa một chip 64 nhân vào smartphone nghe có vẻ ngược với biện pháp tiết kiệm điện năng, thì theo Andreas Olofsson, CEO và là nhà sáng lập công ty này cho biết, hầu hết smartphone ngày nay đều dùng một phiên bản BXL máy tính thu nhỏ, tốn pin để kết nốt Internet, chơi game và nghe nhạc.

Ngược lại, BXL Epiphany là một chip đã được tối ưu hóa để thực hiện các phần cụ thể của lệnh chung, tiếp sức cho CPU của điện thoại (CPU này thực hiện tất cả quy trình xử lý chung của điện thoại). BXL này có thể hợp lý hóa các nhiệm vụ ngoại tuyến của điện thoại, thí dụ như để giúp nhận dạng cử chỉ và khuôn mặt nhanh hơn. Ông Olofsson cho biết, thiết kế này có thể “đem điện năng của laptop vào smartphone ngày nay.”

Chính là ứng dụng

Ứng dụng smartphone là thủ phạm cuối cùng trong danh sách đen các thủ phạm làm tốn pin smartphone (cùng với hạn chế vật lý của pin được xếp hạng đầu tiên trong danh sách). Mức tiêu thụ điện năng của một ứng dụng là một trong những điều mà Apple đã xét đến khi quyết định chấp thuận bán ứng dụng hay không ở cửa hàng App Store. Apple sẽ không cho phép bạn chủ ý làm tổn hại tuổi thọ của pin. Chẳng hạn, nếu bạn chạy một game mà không cần GPS, hãng sẽ bác bỏ ứng dụng game này nếu nó phát tín hiệu GPS mỗi 10 giây, theo Cameron Vanga, nhà phát triển của hãng sản xuất ứng dụng 9magnets cho iPhone.

Dù chợ ứng dụng Android có nhiều ứng dụng có thể ngốn pin, các nhà phát triển có uy tín thường cố gắng không dùng nhiều pin hơn họ cần để làm ứng dụng hoạt động tốt, vì sợ đánh giá thấp hay sợ ứng dụng bị người dùng gỡ bỏ. Theo ông Vanga, ngoài các ứng dụng GPS, hầu hết người dùng đều có khả năng nhận ra các ứng dụng nào sẽ làm tốn pin.

Hầu hết người dùng smartphone đều cảm thấy ổn với việc đem điện thoại sử dụng vào ban ngày để rồi cắm sạc điện thoại mỗi đêm, nhưng các hãng pin sẽ phải sớm nhanh chóng giải quyết vấn đề tốn pin của các thiết bị nhỏ bé này, để mọi người có thể tin dùng nhiều hơn mỗi ngày. Nếu công nghệ pin không tăng tốc cải tiến lên một chút, thì tốc độ chóng mặt của quá trình cải tiến công nghệ di động sẽ có thể bị ngừng lại do bị hạn chế tính khả dụng.