「云端节能」技术让手机、平板更省电

中央研究院信息科技创新研究中心助研究员修丕承

3年前，在Android手机甫开始流行，智能手机浪潮袭卷全球之际，中央研究院信息科技创新研究中心助理研究员修丕承便展开了一项计划，希望透过云端技术，开发出让使用者只需要下载、安装，便能让手机和平板电脑更加省电的创新技术。

修丕承表示：「3年前，我买了1支HTC Magic，大多数时候这支手机都不是用来打电话，我也开始发现手机的惊人耗电量，当然，也包括平板在内。今天的电池占iPad三分之二的面积，未来更大的显示器和更大的存储器都需要更多电力，所以我们开始思考，作为嵌入式设计人员，能够帮上什麽忙，有什麽方法能让它们运作得更久？。」

这正是修丕承和他的研究团队提出「云端节能」构想的契机。在他们的设想中，当使用者向他们的ISP公司如中华电信申请这项服务后，其移动终端如平板和手机就可以透过下载的应用程序达到省电目标。使用者不必了解背后的运作机制，只要申请服务，就能让设备更省电。

修丕承的研究项目包括如何利用云端资源，让移动设备在做显示、通讯和运算时能更加省电，延长设备的使用时间。

从最大耗电源头下手：降低背光耗电量

修丕承指出，相信用过iPad 2的人都能明显感受到它的电池续航力远超过第一代iPad，为了了解为什麽能达到这种成果，他的团队拆解了iPad 2，发现它多加了1颗电池，所以iPad 2总共享了3颗电池。而受限于体积的iPhone 5则是加长了手机尺寸。「过去3年来，我们一直在开发原型，来证明我们的云端节能构想是可行的。目前我们布建了3个服务，其中2个已经完成，1个仍在开发中。」

第一项服务，是让移动使用者在看Youtube等串流时能减少屏幕背光耗电。这个计划源于3年前，当时我们在想第一个应该提供何种服务？当时的市场调查都指出，未来的每年的移动视讯串流都将呈倍数成长，2016年视讯串流将占整体移动流量的70％左右。因此，我们一开始选择在HTC Designer上播放Youtube影片，去计算每个元件的耗电量，发现背光占30％左右耗电；接下来我们在屏幕更大的iPad做了同样的试验，发现背光耗电比例更高。所以，我们决定首先研究如何透过云端服务降低终端装置的背光耗电量。

修丕承以麻省理工学院进行的一项实验为例，来说明人眼对画面亮度普遍存在的误差。该实验展示了同一张图中乍看之下亮度有所差异的两个区域，一般人都会认为其中一个区较亮，另一个区域较暗，但实际上两个区域亮度相同，误差是由于图中的黑白色彩和距离所造成的。

修丕承指出，人眼非常复杂，因此，我们可以透过动态背光调节来自动为每一个讯框调节背光亮度来降低耗电量。这种技术的原理就在于一部影片中，每一幅讯框都有它的特性，我们可以针对各个讯框做亮度调节，这种方法可以大幅降低耗电量。但以目前显示器30f？s的频率来看，不可能为每个讯框做微调，否则使用者会感到闪烁，且画面也会失真。因此，重点就在于当影片播放时，动态背光调节必须在使用者无法觉察的情况下为特定讯框调节高度。

他的团队开发了一个框架，能在使用者感觉和电力消耗之间做出最佳折衷，该技术能对每一部影片做最好的调节，目前这套演算法已授权给中华电信，在中华电信的平台上布建软件演算法，希望未来能让使用者在手机或iPad等装置上以最省电的方法观看MOD。

修丕承表示，在二部相同手机上进行连续影片播放测试后，未安装其软件的手机连续播放时间为6小时，而安装软件的手机则长达9.5个小时。整体而言，只要减少背光源的耗电量，整体耗电情况就能获得长足改善。在修丕承的实验中，其软件可让HTC Desire在观看Youtube时节省10％~20％的耗电，而屏幕更大的iPad耗电量则可节省30％~40％。

针对LBS应用的节能服务：改善定位数据收发

修丕承的团队开发的第二项云端节能技术，是针对Location-based应用的节能服务。

修丕承指出：「如果你想促进LBS技术的发展，就必须克服移动终端在收发数据时的耗电情况。目前服务供应商大多运用3G和Wi-Fi在覆盖面和低耗电方面的互补特性，在两种无线技术间快速切换以达到节能效果。因而让我们想到，是否有更智能的方法能协助终端装置降低在定位和收发数据时的耗电情况。」

移动设备在收发数据时的耗电主要来自两大应用情境，首先是接收数据，在信号强和弱的地方接收数据，耗电量差异可达到8倍以上，也就是说，使用者必须在信号强的地方接收数据才有省电效果。其次是3G本身的技术局限，即尾迹能量（Tail energy）──3G在高速通讯后并不会立即切换到低功率状态，而是会有2次time out──总共会耗掉6焦耳的电力。他表示，正是这些特性，让他们了解到必须减少接收次数才能达到耗电效果。

因此，「我们开始思考是否能藉由在信号强的地方接收资枓才能省电的信息，来开发节能技术。」设备接收的数据通常和信号强度呈反比关系，而关键问题在于如何证明这个概念的可行性。所以，修丕承的团队开发了一个虚拟系统来验证，这个系统最重要的地方在于我们要决定在哪些地方、何种信号强度之下去接收数据，才不会影响使用LBS服务的顺畅性。另一个重点在于目前还不可能100％精准测量信号强度，必然会有误差，而且即使在同一地点，随着时间变化信号强度也必然会漂移。因此也必须分析当信号强度漂移时其效能和正确性。

目前，修丕承的团队同样在Hicloud上建置该系统的关键技术。测试显示，HTC EVO 3D在采用该技术后，接收数据的耗电量可节省达30％~70％。另外，他们也透过专门收集全球信号强度的OpenSignalMaps组织取得台湾信号强度数据，OpenSignalMaps的精准度可达100米以内，在将这些数据并入其数据库之后，将可提供准确度更高的服务。

拥有数据中心运算能力的移动设备：Virtual Cloud Cores技术

第三项服务，是希望移动设备能拥有数据中心的运算能力，但却保持原来的耗电量。这是一个非常大的挑战。当时的发想是来自于观察服务器的处理器核心数量，从双核心、四核心、八核心甚至六十四核心；但手持装置的处理器却无法循相同路径发展。今天有部份手机厂商宣称打算采用八核心处理器，但若还要进展到十六甚至三十二核心，耗电问题便是无法跨越的瓶颈。所以，今天所有的应用程序开发者都必须体认到移动设备电力不足的问题，不能开发太复杂的程序。

就是因为这些使用上的瓶颈，促使修丕承去思考能不能实现拥有数据中心运算能力、但耗电量却维持一般移动设备的产品。他表示，「我们因而提出了Virtual Cloud Cores 的概念，这个概念是让操作系统以为底下有两颗核心，1颗对应到原来的CPU，另1颗对应到不断扩充的数据中心；它可以将一些延伸的运算工作丢给云端核心。

当初我们希望这项技术可以完全转移给程序设计师，让程序设计师在开发时不再需要有Client server的概念。这有点像早期还没有虚拟存储器时所有设计师开发软件之际，都必须再三考虑存储器容量。未来，Virtual Cloud Cores甚至可以为产业带来软件CPU的概念，即经由云端下载某些应用或服务来拓展终端装置的运算能力。

修丕承表示，这项技术目前仍在开发中，目前的挑战在于厘清哪些处理程序适合丢到Cloud core上、哪些适合留在原来的CPU上。他希望能尽快开发出原型，让Virtual Cloud Cores协助软件设计人员打破移动设备运算能力不足的思维。