「雲端節能」技術讓手機、平板更省電

中央研究院資訊科技創新研究中心助研究員修丕承

3年前，在Android手機甫開始流行，智慧手機浪潮襲捲全球之際，中央研究院資訊科技創新研究中心助理研究員修丕承便展開了一項計畫，希望透過雲端技術，開發出讓使用者只需要下載、安裝，便能讓手機和平板電腦更加省電的創新技術。

修丕承表示：「3年前，我買了1支HTC Magic，大多數時候這支手機都不是用來打電話，我也開始發現手機的驚人耗電量，當然，也包括平板在內。今天的電池佔iPad三分之二的面積，未來更大的顯示器和更大的記憶體都需要更多電力，所以我們開始思考，作為嵌入式設計人員，能夠幫上什麼忙，有什麼方法能讓它們運作得更久？。」

這正是修丕承和他的研究團隊提出「雲端節能」構想的契機。在他們的設想中，當使用者向他們的ISP公司如中華電信申請這項服務後，其行動終端如平板和手機就可以透過下載的應用程式達到省電目標。使用者不必瞭解背後的運作機制，只要申請服務，就能讓設備更省電。

修丕承的研究項目包括如何利用雲端資源，讓行動裝置在做顯示、通訊和運算時能更加省電，延長設備的使用時間。

從最大耗電源頭下手：降低背光耗電量

修丕承指出，相信用過iPad 2的人都能明顯感受到它的電池續航力遠超過第一代iPad，為了瞭解為什麼能達到這種成果，他的團隊拆解了iPad 2，發現它多加了1顆電池，所以iPad 2總共用了3顆電池。而受限於體積的iPhone 5則是加長了手機尺寸。「過去3年來，我們一直在開發原型，來證明我們的雲端節能構想是可行的。目前我們佈建了3個服務，其中2個已經完成，1個仍在開發中。」

第一項服務，是讓行動使用者在看Youtube等串流時能減少螢幕背光耗電。這個計畫源於3年前，當時我們在想第一個應該提供何種服務？當時的市場調查都指出，未來的每年的行動視訊串流都將呈倍數成長，2016年視訊串流將佔整體行動流量的70％左右。因此，我們一開始選擇在HTC Designer上播放Youtube影片，去計算每個元件的耗電量，發現背光佔30％左右耗電；接下來我們在螢幕更大的iPad做了同樣的試驗，發現背光耗電比例更高。所以，我們決定首先研究如何透過雲端服務降低終端裝置的背光耗電量。

修丕承以麻省理工學院進行的一項實驗為例，來說明人眼對畫面亮度普遍存在的誤差。該實驗展示了同一張圖中乍看之下亮度有所差異的兩個區域，一般人都會認為其中一個區較亮，另一個區域較暗，但實際上兩個區域亮度相同，誤差是由於圖中的黑白色彩和距離所造成的。

修丕承指出，人眼非常複雜，因此，我們可以透過動態背光調節來自動為每一個訊框調節背光亮度來降低耗電量。這種技術的原理就在於一部影片中，每一幅訊框都有它的特性，我們可以針對各個訊框做亮度調節，這種方法可以大幅降低耗電量。但以目前顯示器30f？s的頻率來看，不可能為每個訊框做微調，否則使用者會感到閃爍，且畫面也會失真。因此，重點就在於當影片播放時，動態背光調節必須在使用者無法覺察的情況下為特定訊框調節高度。

他的團隊開發了一個框架，能在使用者感覺和電力消耗之間做出最佳折衷，該技術能對每一部影片做最好的調節，目前這套演算法已授權給中華電信，在中華電信的平台上佈建軟體演算法，希望未來能讓使用者在手機或iPad等裝置上以最省電的方法觀看MOD。

修丕承表示，在二部相同手機上進行連續影片播放測試後，未安裝其軟體的手機連續播放時間為6小時，而安裝軟體的手機則長達9.5個小時。整體而言，只要減少背光源的耗電量，整體耗電情況就能獲得長足改善。在修丕承的實驗中，其軟體可讓HTC Desire在觀看Youtube時節省10％~20％的耗電，而螢幕更大的iPad耗電量則可節省30％~40％。

針對LBS應用的節能服務：改善定位資料收發

修丕承的團隊開發的第二項雲端節能技術，是針對Location-based應用的節能服務。

修丕承指出：「如果你想促進LBS技術的發展，就必須克服行動終端在收發資料時的耗電情況。目前服務供應商大多運用3G和Wi-Fi在覆蓋面和低耗電方面的互補特性，在兩種無線技術間快速切換以達到節能效果。因而讓我們想到，是否有更智慧的方法能協助終端裝置降低在定位和收發資料時的耗電情況。」

行動裝置在收發資料時的耗電主要來自兩大應用情境，首先是接收資料，在訊號強和弱的地方接收資料，耗電量差異可達到8倍以上，也就是說，使用者必須在訊號強的地方接收資料才有省電效果。其次是3G本身的技術侷限，即尾跡能量（Tail energy）──3G在高速通訊後並不會立即切換到低功率狀態，而是會有2次time out──總共會耗掉6焦耳的電力。他表示，正是這些特性，讓他們瞭解到必須減少接收次數才能達到耗電效果。

因此，「我們開始思考是否能藉由在訊號強的地方接收資枓才能省電的資訊，來開發節能技術。」設備接收的資料通常和訊號強度呈反比關係，而關鍵問題在於如何證明這個概念的可行性。所以，修丕承的團隊開發了一個虛擬系統來驗證，這個系統最重要的地方在於我們要決定在哪些地方、何種訊號強度之下去接收資料，才不會影響使用LBS服務的順暢性。另一個重點在於目前還不可能100％精準測量訊號強度，必然會有誤差，而且即使在同一地點，隨著時間變化訊號強度也必然會漂移。因此也必須分析當訊號強度漂移時其效能和正確性。

目前，修丕承的團隊同樣在Hicloud上建置該系統的關鍵技術。測試顯示，HTC EVO 3D在採用該技術後，接收資料的耗電量可節省達30％~70％。另外，他們也透過專門收集全球訊號強度的OpenSignalMaps組織取得台灣訊號強度資料，OpenSignalMaps的精準度可達100公尺以內，在將這些資料併入其資料庫之後，將可提供準確度更高的服務。

擁有資料中心運算能力的行動裝置：Virtual Cloud Cores技術

第三項服務，是希望行動裝置能擁有資料中心的運算能力，但卻保持原來的耗電量。這是一個非常大的挑戰。當時的發想是來自於觀察伺服器的處理器核心數量，從雙核心、四核心、八核心甚至六十四核心；但手持裝置的處理器卻無法循相同路徑發展。今天有部份手機廠商宣稱打算採用八核心處理器，但若還要進展到十六甚至三十二核心，耗電問題便是無法跨越的瓶頸。所以，今天所有的應用程式開發者都必須體認到行動裝置電力不足的問題，不能開發太複雜的程式。

就是因為這些使用上的瓶頸，促使修丕承去思考能不能實現擁有資料中心運算能力、但耗電量卻維持一般行動裝置的產品。他表示，「我們因而提出了Virtual Cloud Cores 的概念，這個概念是讓作業系統以為底下有兩顆核心，1顆對應到原來的CPU，另1顆對應到不斷擴充的資料中心；它可以將一些延伸的運算工作丟給雲端核心。

當初我們希望這項技術可以完全轉移給程式設計師，讓程式設計師在開發時不再需要有Client server的概念。這有點像早期還沒有虛擬記憶體時所有設計師開發軟體之際，都必須再三考慮記憶體容量。未來，Virtual Cloud Cores甚至可以為產業帶來軟體CPU的概念，即經由雲端下載某些應用或服務來拓展終端裝置的運算能力。

修丕承表示，這項技術目前仍在開發中，目前的挑戰在於釐清哪些處理程序適合丟到Cloud core上、哪些適合留在原來的CPU上。他希望能盡快開發出原型，讓Virtual Cloud Cores協助軟體設計人員打破行動裝置運算能力不足的思維。