Энергопотребление

ЦОД Тушино коммерческий розничный полумегаваттный дата-центр для всех и для всего. Клиент может не только арендовать уже установленное оборудование, но и разместить там собственное, включая нестандартные устройства типа серверов в обычных корпусах для настольных ПК, майнинг-ферм или систем искусственного интеллекта. Проще говоря, это самые различные популярные задачи, наиболее востребованные отечественным бизнесом различной степени величины. Этим он и интересен. В этом посте вы не найдёте эксклюзивных технических решений и полёта инженерной мысли. Речь пойдёт о стандартных проблемах и решениях. То есть, о том, чем у 90% специалистов занято 90% рабочего времени.

Tier чем больше, тем лучше?

Отказоустойчивость ЦОД Тушино соответствует уровню Tier II. По сути это означает, что дата-центр расположен в нормальном подготовленном помещении, используются резервные источники питания и имеются избыточные системные ресурсы.

Однако, вопреки распространённому заблуждению, уровни Tier характеризуют вовсе не крутизну ЦОДа, а степень его соответствия актуальным бизнес-задачам. А среди них есть множество таких, для которых высокая отказоустойчивость либо несущественна, либо не настолько важна, чтобы за неё переплачивать 20-25 тыс. рублей в год, что в условиях кризиса может оказаться весьма болезненным для заказчика.

Откуда взялась такая сумма? Именно она составляет разницу между ценами на размещение информации в дата-центрах уровней Tier II и Tier III в пересчёте на один сервер. Чем больше данных, тем заметней потенциальная экономия.

Какие задачи имеются в виду? Например, хранение резервных копий или майнинг криптовалюты. В этих случаях простой сервера, допускаемый Tier II, обойдётся дешевле, чем Tier III.

Практика показывает, что в большинстве случаев экономия важнее повышенной отказоустойчивости. В Москве работает всего пять ЦОДов, сертифицированных по Tier III. А полностью сертифицированных по Tier IV нет вообще.

Как устроена система электропитания ЦОД Тушино?

Требования к системе электроснабжения ЦОДа Тушино соответствует условиям уровня Tier II. Это резервирование линий электропитания по схеме N+1, резервирование источников бесперебойного питания по схеме N+1 и резервирование дизель-генераторной установки по схеме N. N+1 в данном случае означает cхему с одним резервным элементом, который остаётся незадействованным, пока в системе не произойдёт сбой одного из основных элементов, а N схему без резервирования, при которой сбой в работе любого элемента приводит к прекращению работы всей системы

Множество связанных с энергоснабжением проблем решается правильным выбором места для ЦОДа. Дата-центр Тушино располагается на территории предприятия, куда уже приходят две линии по 110 кВ от разных городских электростанций. На оборудовании самого завода высокое напряжение преобразуется в среднее, и на вход ЦОДа поступают две независимых линии по 10 кВ.

Трансформаторная подстанция внутри здания дата-центра преобразует среднее напряжение в потребительские 240-400 В. Все линии ведутся параллельно, поэтому оборудование ЦОДа получают питание от двух независимых внешних источников.

Низкое напряжение с трансформаторных подстанций заведено на автоматы ввода резерва, которые обеспечивают переключение между городскими сетями. Установленным на АВР моторным приводам на эту операцию требуется 1,2 секунды. Всё это время нагрузка ложится на источники бесперебойного питания.

Отдельный АВР отвечает за автоматическое включение дизель-генератора в случае, если питание пропадёт на обеих линиях. Старт дизель-генератора процесс небыстрый и требует уже примерно 40 секунд, в течение которых электроснабжение полностью ложится на аккумуляторы ИБП.

На полной заправке дизель-генератор обеспечивает работу ЦОДа в течение 8 часов. С учётом этого дата-центр заключил два договора с независимыми друг от друга поставщиками дизельного топлива, которые обязались подвозить новую порцию горючего в течении 4 часов после вызова. Вероятность того, что сразу у обоих случатся какие-то форс-мажорные обстоятельства крайне низка. Таким образом, автономность может продолжаться столько, сколько необходимо ремонтным бригадам для восстановления питания хотя бы от одной из городских сетей.

Как нетрудно заметить, никаких инженерных изысков тут нет. Обусловлено это в том числе и тем, что при построении инженерной инфраструктуры применялись готовые модули, производители которых ориентируются на некоего среднего потребителя.

Безусловно, любой ИТ-специалист скажет, что усреднение это ни рыба, ни мясо и предложит разработать уникальный набор компонентов для конкретной системы. Однако желающие оплачивать им это удовольствие явно не выстраиваются в очередь. Поэтому надо быть реалистом. На практике всё будет обстоять именно так: закупка готового оборудования и сборка системы, которая будет решать актуальные для бизнеса задачи. Несогласных с таким подходом быстро вернёт с небес на землю главный финансовый директор предприятия.

Распределительные щиты

В данный момент девять распределительных щитов обеспечивают работу вводно-распределительных устройств и четыре РЩ применяется непосредственно для подключения нагрузки. Никаких серьёзных ограничений по месту не было, однако его никогда не бывает много, поэтому один интересный инженерный момент всё-таки присутствовал.

Как нетрудно заметить, число вводных и нагрузочных щитов не совпадает вторых почти в два раза меньше. Это стало возможным потому, что проектировщики инфраструктуры ЦОДа решили использовать большие щиты, чтобы завести туда три и более входящих линий. На каждый входной автомат приходится примерно 36 отводных линий, защищённых отдельными автоматами.

Таким образом, иногда использование более габаритных моделей позволяет сэкономить дефицитное место. Просто потому, что больших щитов потребуется меньше.

Источники бесперебойного питания

В качестве источника бесперебойного питания на ЦОД Тушино используется Eaton 93PM мощностью 120 кВА, работающий в режиме двойного преобразования.


ИБП Eaton 93PM выпускаются в разных исполнениях. Фото: Eaton

Основные причины выбора именно этого устройства заключаются в следующих его характеристиках.

Во-первых, КПД этого ИБП в режиме двойного преобразования достигает 97%, а в режиме сохранения энергии 99%. Устройство занимает менее 1,5 кв. м и не отнимает пространство серверной у основного оборудования. В результате получаются низкие эксплуатационные расходы и та самая необходимая бизнесу экономия.

Во-вторых, благодаря встроенной системе терморегулирования ИБП Eaton 93PM можно размещать где угодно. Даже впритык к стене. Даже если это не нужно сразу, то может потребоваться потом. Например, чтобы высвободить немного места, которого не хватает для дополнительной стойки.

В-третьих, простота эксплуатации. В том числе ПО Intelligent Power, применяемое для мониторинга и управления. Отдающиеся по SNMP метрики позволяют контролировать потребление и какие-то глобальные сбои, что даёт возможность оперативно реагировать на аварийные ситуации.

В-четвёртых, модульность и масштабируемость. Это, пожалуй, самое главное качество, благодаря которому в системе резервирования ЦОД Тушино используется всего один модульный ИБП. Он включает в себя два рабочих модуля и один резервный. Так и обеспечивается схема N+1, требуемая для уровня Tier II.

Это значительно проще и надёжней, чем конфигурация из трёх ИБП. Поэтому выбор устройства, в котором изначально предусмотрена возможность параллельной работы ход вполне логичный.

Но почему проектировщики не выбрали ДРИБП вместо отдельных ИБП и дизель-генератора? Основные причины и тут кроются не в инженерии, а в финансах.

Модульная структура априори заточена под апгрейд по мере роста нагрузки в инженерную инфраструктуру добавляются источники и генераторы. Старые при этом как работали, так и работают. С ДРИБП ситуация кардинально другая: покупать такое устройство надо с большим запасом мощности. К тому же, маленьких комбайнов мало, да и стоят они очень прилично несопоставимо дороже отдельных дизель-генератора и ИБП. Ещё ДРИБП очень капризны в транспортировке и монтаже. Это, в свою очередь, тоже влияет на стоимость всей системы.

Существующая же конфигурация свои задачи решает вполне успешно. ИБП Eaton 93PM может поддерживать работу основного оборудования ЦОД в течение 15 минут, то есть, с более чем 15-кратным запасом.

Опять же, чистая синусоида, которую выдаёт ИБП в режиме online, избавляет владельца дата-центра от необходимости покупки отдельных стабилизаторов. И тут получается экономия.

Несмотря на декларируемую простоту ИБП Eaton 93PM устройство достаточно сложное. Поэтому его техническим обслуживанием в ЦОД Тушино занимается сторонняя компания, имеющая в своём штате высококвалифицированных специалистов. Держать в собственном штате обученного сотрудника для этой цели удовольствие дорогое.

Результаты и перспективы

Вот так был создан ЦОД, позволяющий оказывать качественные услуги потребителям, задачи которых не требуют высокого уровня резервирования и не предполагают больших экономических затрат. Подобный сервис всегда будет востребован.
При уже планируемом строительстве второй очереди для создания системы резервного энергоснабжения будет использоваться уже приобретённый ИБП Eaton. Благодаря модульной конструкции его модернизация сведётся к покупке дополнительного модуля, что удобней и дешевле полной замены устройства. Такой подход одобрят и инженер, и финансист.

Когда-то день начинался с чашечки кофе и утренней газеты. В наши дни любовь к кофе по утрам не утратила свою релевантность, а вот бумажные новостные издания были вытеснены смартфонами, планшетами и прочими гаджетами, подключенными к интернету. И в этом нет ничего плохого, ведь всемирная паутина позволяет нам получать информацию и общаться с людьми из разных уголков мира. С каждым днем объем данных, генерируемых в мире, неустанно увеличивается. Каждая статья, фото и даже твит из двух слов все это является частью огромного и вечно растущего информационного поля Земли. Но эти данные не эфирны, они не витают в облаках, а где-то хранятся. Местом хранения данных служат и наши гаджеты, и специализированные учреждения дата-центры. Здания, наполненные под завязку серверами, ожидаемо потребляют уйму энергии. Логично, что с увеличением мирового объема данных будет увеличиваться и объем потребляемой энергии. Сегодня мы с вами познакомимся с исследованием, в котором ученые из Майнцского университета (Германия) разработали новую методику записи данных на сервера, которая в теории может уменьшить энергопотребление в два раза. Какие физические и химические процессы задействованы в разработке, что показали эксперименты, и настолько ли велик потенциал данного труда, как о том говорят его авторы? Об этом мы узнаем из доклада ученых. Поехали.

Основа исследования

Корнем всего исследования является спинтроника наука, изучающая спиновый токоперенос. Спин в свою очередь это собственный момент импульса элементарной частицы. За последние годы интерес к спинтронике сильно возрос, что позволило открыть немало нового, в том числе и переключение тока с помощью спин-орбитальных моментов (SOT от spin-orbit torque) в магниторезистивных запоминающих устройств с произвольным доступом (MRAM).

Одной из важнейших составляющих MRAM являются спиновые вентили. Эти устройства состоят из двух или более проводящих магнитных материалов, электрическое сопротивление которых может меняться между двумя значениями в зависимости от относительного выравнивания намагниченности в слоях.

SOT-индуцированное переключение реализуется в бислоях ферромагнетик-тяжелый металл (FM-HM), где существует значительное демпфирование (подавление колебаний), обусловленные протеканием электрического тока вдоль направления x. SOT возникают из-за спинового эффекта Холла в объеме HM материала и из-за обратного спин-гальванического эффекта на интерфейсе FM-HM.

Ранее проведенные исследования показали, что значение демпфированого SOT может быть достаточно большим, чтобы переключать направление намагничивания при низких плотностях тока (до 10⁷10⁸ А/см²).

Параметры образца (например, состав и толщина слоя гетероструктуры FM-HM) можно регулировать для определения величины и знака SOT. Но, как заявляют ученые, куда более важно получить динамический контроль в реальном времени над самими SOT.

Одним из энергоэффективных инструментов для получения этого контроля является механическое напряжение, вызванное электрическим полем. Ученые напоминают, что избегая необходимости в электрическом токе и, таким образом, устраняя связанные с этим потери, деформация эффективно настраивает магнитные свойства (например, магнитную анизотропию) и, следовательно, магнитную доменную структуру и динамику тонких пленок в плоскости. Более того, поскольку деформация может применяться локально, она предоставляет площадку для разработки и реализации сложных концепций коммутации в устройствах с упрощенной архитектурой.

Ранее уже были предприняты попытки исследовать влияние деформации на переключение за счет SOT, в первую очередь изучалось влияние деформации на анизотропию и возникающее в результате влияние на переключение. Кроме того, предыдущие исследования были сосредоточены исключительно на системах с плоской магнитной осью, а экспериментальные исследования в перпендикулярно намагниченных многослойных материалах не проводились.

Однако, по мнению авторов сего труда, именно в перпендикулярно намагниченных многослойных материалах кроется большой потенциал. В частности, перспективность использования систем с перпендикулярной магнитной анизотропией (PMA от perpendicular magnetic anisotropy) обусловлена повышенной термостабильностью, более высокими плотностями упаковки и улучшенным масштабированием.

В рассматриваемом нами сегодня исследовании ученые продемонстрировали электрически индуцированный контроль напряжения (механического) SOT в перпендикулярно намагниченных мультислоях W=CoFeB=MgO, выращенных на пьезоэлектрической подложке. SOT оцениваются методом вторичного квантования и магнито-транспортным методом при плоском напряжении разного характера и величины.

Результаты исследования

Было установлено, что деформация, модулируемая электрическим полем, приложенным к пьезоэлектрической подложке, приводит к отчетливым откликам спинов.


Изображение 1

На изображении 1а показана схема датчика Холла* крестового типа, используемого для измерений демпфирующих (DL) и полевых (FL) SOT полей в мультислое Вт (5 нм) / CoFeB (0.6 нм) / MgO (2 нм) / Ta (3 нм). Мультислой был выращен на подложке [Pb(Mg_0.33Nb_0.66O₃)]_0.68 (011) (сокращенно PMN-PT), которая использовалась для электрической генерации механических напряжений. На 1b показан снимок устройства, сделанный оптическим микроскопом.

Эффект Холла* возникновение поперечной разности потенциалов при размещении проводника с постоянным током в магнитное поле.

Устройства Холла бывают трех типов: а датчик Холла крестового типа; b разделитель тока; с датчик магнетосопротивления.

Одноосная деформация в плоскости была получена путем приложения вне-плоскостного электрического поля постоянного тока к пьезоэлектрической PMN-PT(011) подложке.

Обычно реакция пьезоэлектрической деформации на приложенное электрическое поле имеет гистерезисный характер. Однако электрические поля, которые превышают коэрцитивное* поле, характерное для материала, полюсует подложку и приводят к режиму, в котором генерируемая деформация характеризуется линейным откликом.

Коэрцитивная сила* значение напряженности магнитного поля, необходимого для полного размагничивания вещества.

Линейный режим поддерживается до тех пор, пока подложка не будет сдвинута в другом направлении путем приложения электрических полей, больших, чем противоположное коэрцитивное поле. Поэтому перед первыми измерениями, но после процесса структурирования, к PMN-PT подложке было применено полюсование посредством электрического поля +400 кВм^-1.

Далее использовали именно электрические поля постоянного тока, позволяющие изменять деформацию в режиме линейного отклика, поскольку это обеспечивает надежный электрический контроль над индуцированной деформацией.

Стоит также отметить, что пересечение Холла было изготовлено таким образом, чтобы его плечи были ориентированы вдоль направлений [011] и [100] подложки PMN-PT (011), которые соответствуют направлениям растяжения и сжатия соответственно.

Для начала была проведена характеризация магнитного гистерезиса системы при нулевом электрическом поле постоянного тока.

На изображении 1b показана аномальная линия напряжения Холла с вне-плоскостным магнитным полем (0 Гц), измеренная для W=CoFeB=MgO=Ta при 0 кВм^-1 (красная линия), демонстрирующая переключение легкой оси (оси легкого намагничивания), характерное для множеств тонких мультислоев CoFeB.

Цикл вне-плоскостного намагничивания, измеренный при 400 кВм^-1 (черная линия), накладывается поверх напряжения Холла (красная линия) и не показывает значительных изменений из-за генерируемой деформации. Это говорит о том, что система всегда имеет доминирующую перпендикулярную магнитную анизотропию.


Изображение 2

Графики выше показывают типичные внутри-плоскостные зависимости полей первой (V₁) и второй (V₂) гармоник напряжения Холла, когда к текущей линии был применен переменный ток с плотностью j_с = 3.8 х 10¹⁰ А/м².

Напряжение постоянного тока было установлено на 0, поэтому на кресте Холла не создавалось никакого напряжения. Графики продольного (2a) и поперечного (2b) полей демонстрируют ожидаемые симметрии: для продольного поля наклоны V₂ и наклоны поля одинаковы для обоих направлений намагниченности вдоль +z (+M_z) или -z (-M_z), тогда как для поперечного поля их знак становится противоположным.

Далее ученые провели анализ поперечной (₀H_T) и продольной (₀H_L) компоненты поля SOT для обоих направлений намагниченности M_z и определили среднее значение этих компонент как функции приложенной плотности тока j_c (2c).


Изображение 3

Графики выше показывают результаты зависимости от электрического поля. Было определено, что полевой (FL) SOT существенно не меняется при растягивающих и сжимающих деформациях (3а и 3с). Напротив, на 3b видно, что растягивающая деформация увеличивает демпфирующий (DL) SOT в 2 раза при приложении 400 кВм^-1 (0.03% напряжение).

С другой стороны, когда ток течет вдоль направления деформации сжатия, величина DL момента уменьшается с увеличением деформации.

Из этого следует, что величина DL момента увеличивается при приложении электрически индуцированной растягивающей деформации и уменьшается при сжимающей деформации.

Чтобы понять микроскопическое происхождение экспериментально наблюдаемой деформационной зависимости FL и DL SOT, были проведены функциональные расчеты по методике теории функционала плотности электронной структуры Fe_1-xCo_x/W(001), состоящей из перпендикулярно намагниченного монослоя и немагнитных подложек.


Изображение 4

Как показано на 4а, во время расчетов кристаллическая структура намеренно расширялась или сужалась, сохраняя постоянную площадь в плоскости элементарной ячейки, чтобы учесть эффект одноосной деформации. Эта деформация может быть определена количественно по соотношению = (a_j a_j)/a_j, где a_j и a_j обозначают постоянную решетки вдоль j-направления в плоскости в расслабленном и искаженном состоянии соответственно. Как следствие, любая конечная деформация уменьшает исходную симметрию кристалла с C_4v до C_2v.

Основываясь на расчетах электронной структуры, была получена зависимость SOT от (4b), которая проявляет те же качественные характеристики, что и в фактическом эксперименте.

Поскольку FL и DL SOT происходят из разных электронных состояний, они обычно следуют различным зависимостям от структурных особенностей. Было установлено, что величина DL момента линейно возрастает по отношению к растягивающей деформации и линейно уменьшается по отношению к сжимающей. Например, расширение решетки на 1% вдоль направления электрического поля значительно увеличивает проводимость DL моментов (примерно на 35%).

Чтобы более точно оценить это наблюдение, было проведено сравнение (4с) распределений в пространстве микроскопических вкладов в DL SOT для релаксированных и деформированных пленок. В отличие от занятых состояний вокруг точки М, которые являются едва важными, электронные состояния вблизи точек высокой симметрии , X и Y составляют основной источник проводимости DL. В частности, растягивающая деформация способствует сильным отрицательным вкладам вокруг X и Y, что приводит к общему увеличению проводимости.

Чтобы связать полученные данные с имеющейся электронной структурой, ученые обратили внимание на орбитальную поляризацию состояний в магнитном слое, где преобладающей силой являются d электроны.

В то время как d_xy, d_{x² y²} и d_z² не зависят от знака приложенной деформации , состояния d_yz и d_zxявно изменяются относительно деформации растяжения или сжатия. Примечательно, что эти орбитали также опосредуют гибридизацию с подложкой из тяжелого металла. Из этого следует, что их зависимость от структурных особенностей дает дополнительное понимание SOT в исследуемых тонких пленках.

В качестве примера ученые предлагаю рассмотреть деформационное изменение плотности состояний d_yz в магнитном слое по сравнению со случаем с четырехкратной вращательной симметрией (4d).

В то время как плотность состояний * на уровне Ферми практически не зависит от деформации растяжения, состояния явно перераспределяются. Как показывает орбитальная поляризация на 4e, этот эффект обусловлен выраженными -управляемыми изменениями поляризации d_yz вокруг точки X, что коррелирует с изменениями проводимости DL (4с).

Спиновый канал* одно из направления ориентации спина (вверх или вниз).

Индекс s = , обозначает спиновое состояние электронов в ферромагнетиках: спиновую подзону большинства электронов, спиновую подзону меньшинства электронов. Кроме того, индекс s =, обозначает спиновое состояние электрона в спиновых каналах проводимости.

Используя данные, полученные из расчетов электронной структуры, ученые обнаружили, что различная природа наблюдаемых экспериментально особенностей FL и DL моментов происходит из уникальных изменений орбитальной поляризации электронных состояний из-за искажений решетки.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Как заявляют авторы труда, помимо раскрытия ключевой роли гибридизированных состояний на интерфейсе FM-HM, результаты исследования предлагают четкую схему для рукотворных спин-орбитальных явлений. Используя сложное взаимодействие спинового и орбитального магнетизма, спин-орбитальной связи и симметрии, можно адаптировать величину SOT в многослойных устройствах, создавая орбитальную поляризацию состояний вблизи энергии Ферми по отношению к деформации.

Стоит также отметить, что это исследование позволяет расширить возможности инженерии в области проектирования устройств с динамической настройкой SOT в перпендикулярно намагниченных многослойных системах с помощью электрически управляемого напряжения (механического).

Это громкое заявление обусловлено тем, что деформация может генерироваться локально и накладываться на выбранные части области переключения. Следовательно, можно настроить плотность тока таким образом, чтобы DL спин мог одновременно регулировать направление намагничивания в областях с напряжением, но не затрагивать области без напряжения. Затем выбранные области могут быть изменены по требованию за счет использования другой конфигурации электрических полей, что обеспечивает дополнительный уровень контроля.

Все это означает, что с помощью конкретных схем деформации областей переключения посредством электрических полей можно создать энергоэффективную многоуровневую ячейку памяти.

Приложение деформации к исследуемой структуре W=CoFeB=MgO во время опытов привело к отчетливо различным изменениям FL и DL спинов. Причем как отмечают ученые, DL спин может быть увеличен в 2 раза, если деформацию растяжения прикладывать параллельно течению тока.

Другими словами, можно получить прямой контроль над характеристиками процесса магнитного переключения посредством регулировки электрического поля, которое воздействует на пьезоэлектрический кристалл. Это приводит к значительному снижению энергопотребления, а также дает возможность создавать сложные архитектуры для хранения информации.

В дальнейшем ученые планируют продолжить как практические опыты, так и сопряженные с ними расчеты, чтобы выяснить, где и как возможно усовершенствовать этот сложный процесс. Однако, несмотря на сложность создания подобных систем, их потенциал крайне велик, ибо снижение энергопотребления приводит не только к экономии для провайдеров и потребителей услуг хранения информации, но и значительно снижает и без того сильное давление со стороны человечества на экологию.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Холодными зимними днями, когда муконазальный секрет превращается в сосульки, многие из нас мечтают, чтоб лето наступило быстрее. Но, когда лето неминуемо наступает, и жара раскаляет асфальт, машины и людей, наши желания меняются в противоположную сторону. Спасаться от жары можно разными методами: тень, чай, купание в водоеме, переезд на Северный полюс и т.д. Но самый распространенный и самый технологичный метод это кондиционеры. Проблема в том, что эти устройства потребляют немало энергии и сопутствуют выделению углекислого газа в атмосферу. Ученые из Калифорнийского университета (США) решили разработать новый метод охлаждения помещений, в котором нет нужды в кондиционерах, а всю работу выполняет определенная краска, нанесенная на внешние стены помещения. Какие физические законы эксплуатирует данная разработка, как именно она сопутствует охлаждению, и насколько эффективна охлаждающая краска? Об этом мы узнаем из доклада ученых. Поехали.

Основа исследования

Одним из самых широко известных физических явлений является способность разных материалов по-разному взаимодействовать с электромагнитными излучениями. Все мы знаем, что в солнечный день лучше одеть белую футболку, нежели черную, ибо белые поверхности лучше отражают солнечный свет, чем черные. За этим известным фактом стоит сразу несколько физических явлений (поглощение, отражательная способность и т.д.).

Эти процессы происходят и со зданиями. Большинство современных белых красок способны отражать до 85% солнечного излучения. Однако этот показатель можно улучшить, по словам ученых, реализовав достаточно простые модификации химического состава краски.

В рассматриваемом нами сегодня исследовании ученые предложили так называемый метод пассивного дневного радиационного (излучательного) охлаждения (PDRC от passive daytime radiative cooling), который включает в себя отражение солнечного света (длина волны l = 0.32.5 мм) и излучение длинноволнового инфракрасного (LWIR; l = 813 мм) тепла через соответствующие окна атмосферной передачи в космическое пространство (1А).


Изображение 1

Когда поверхность под открытым небом имеет достаточно высокий коэффициент отражения солнечного света (R_solar) и коэффициент излучения LWIR (_LWIR), солнечное нагревание перевешивается радиационными потерями тепла в космическое пространство, поэтому поверхность самопроизвольно охлаждается даже при сильном солнечном освещении. Если данные принципы реализовать в виде краски, которой будут покрыты наружные стены и крыши зданий, то эффективность охлаждения будет намного лучше, чем от классических кондиционеров (не говоря уже о снижении негативного воздействия на экологию).

Использование отражения света в качестве основы для охлаждения изучается уже достаточно давно. Еще в 1960-ых годах ученые рассматривали охлаждающие свойства полимеров, диэлектриков и полимерных композитов. Позднее интерес к такого рода исследованиям снизился, однако в последние годы, когда вопросы энергоэффективности и экологической безопасности стали одними из важнейших, исследования начались заново. В новых разработках большое внимание уделялось фотонным и полимерным охладителям.

Например, фотонные многослойные пленки, которые могут обеспечивать высокий R_solar и селективный LWIR, достигают температур ниже температуры окружающей среды, что делает их полезными для систем HVAC с водяным охлаждением, холодильников и термоэлектрических устройств. Однако, несмотря на хорошие показатели, данная методика не может стать массовой, ввиду своей сложности и дороговизны. Следовательно, применение определенных покрасочных материалов для охлаждения помещений является самым перспективным направлением в этой области. Тем не менее для полноценной реализации краски-охладителя необходимо учитывать несколько важных факторов и переменных.

Результаты исследования

С физической точки зрения требования к ограждающим конструкциям PDRC четко определены (1B): высокий R_solar для минимизации солнечного нагрева и высокий LWIR для максимизации радиационных потерь тепла в космос.

Авторы сего труда отмечают, что в литературе по радиационному охлаждению подчеркивается необходимость селективного излучения LWIR для максимизации охлаждения, однако это необходимо только для достижения оптимальных характеристик при температурах, существенно ниже температуры окружающей среды. В реальности же экстерьер зданий имеет температуру, близкую или превышающую температуру окружающей среды, из-за их контакта с воздухом и тепловыделения внутри помещений. Следовательно, широкополосный тепловой эмиттанс* (в диапазоне l 2.540 мм), составляющий длины волн LWIR, может быть столь же эффективным при охлаждении, что и селективный эмиттанс LWIR (1A и 2B).


Изображение 2

Тепловой эмиттанс* (тепловая испускательная способность) отношение излучаемого тепла конкретного объекта или поверхности к излучению стандартного черного тела.

Не стоит забывать и о том, что данная система охлаждения должна соответствовать определенным практическим нормам. Технология PDRC охлаждения должна быть:

• применима на поверхностях с различными формами, размерами и текстурами;
• устойчива к химическим веществам окружающей среды, солнечному излучению и погоде;
• экономична и доступна в различных социально-экономических условия.

Выходит, что технология PDRC должна быть универсальной, недорогой, долговечной, масштабируемой и, естественно, эффективной. Комбинация таких эпитетов желательна для любой технологии или устройства, вопрос можно ли этого достичь на практике. Ученые считают, что именно белая краска соответствует всем вышеперечисленным параметрам.

Морфологически краски представляют собой композиты, содержащие оптические рассеиватели, обычно диэлектрические пигменты, встроенные в полимер. Типичная белая краска содержит пигменты TiO₂, диспергированные в акриле или силиконе в массовом соотношении 1: 1, с дополнительными компонентами, такими как SiO₂ и CaCO₃. Эти изначально излучающие материалы придают краскам почти единичный, широкополосный 0.95.

Однако R_solar красок ниже, чем у конструкций PDRC на основе серебра (0.920.97), так как промышленность предпочла использовать именно рутиловый TiO₂ в качестве белого пигмента. Высокий показатель преломления наночастиц TiO₂ (n > 2.5) относительно показателя полимерных связующих (n = 1.5) позволяет им рассеивать солнечный свет более эффективно, чем такое же количество других белых пигментов, что делает TiO₂ экономически эффективным.

Тем не менее, благодаря ширине запрещенной зоны 3.0 эВ (l = 0.413 мм), TiO₂ по своей природе поглощает ультрафиолетовый (0.30.4 мм) и фиолетовый* (0.40.41 мм) свет, которые несут 7% солнечной энергии (2А).

Фиолетовый свет* находится на верхнем конце видимого спектра, с длиной волны ~ 380-450 нм. Свет с более короткой длиной волны, чем фиолетовый, но длиннее, чем рентгеновские и гамма-лучи, называется ультрафиолетовым.

Это ограничивает R_solar до < 0.95 (2B). Ранее проведенные исследования позволили оптимизировать размер частиц TiO₂ для улучшения рассеяния и приближения к этому пределу. Однако поглощение солнечного света в ближней инфракрасной области (NIR, l 0.72.5 мм) полимерными связующими (2А) и неоднородность отражения на других длинах волн означают, что даже при оптимизации R_solar имеет реалистичный предел в 0.92 и составляет < 0.86 для лучших на рынке красок на основе TiO₂ (2В).

Эти показатели описывают мировой стандарт охлаждающего покрытия для экстерьера зданий, и позволяют крышам и стенам с таким покрытием быть значительно холоднее, чем без покрытия. Но они не могут обеспечить охлаждение в условиях окружающей среды при сильном солнечном освещении (1С).

Повышение R_solar, однако, может превратить краски в радиационные охладители, которые непрерывно отдают тепло в атмосферу независимо от времени суток, и, следовательно, снижают охлаждающую нагрузку на здания (1C).

Повысить R_solar белых красок вполне реально за счет материальных изменений. Поскольку краски являются оптически неоднородными рассеивающими средами, удаление любых источников поглощения усиливает R_solar. Есть два способа достичь этого:

• заменить TiO₂ на УФ-неабсорбирующие пигменты;
• использовать полимерные связующие с низким показателем преломления с низкой УФ- и ИК-абсорбцией.

Первый способ может быть также реализован по-разному. Одной из возможностей является использование пигментов с большими оптическими запрещенными зонами, таких как Al₂O₃ (7.0 эВ, 0.177 мм) и BaSO₄ (6.0 эВ, 0.208 мм). Либо использовать полимерные пигменты, такие как частицы политетрафторэтена (ПТФЭ), которые имеют минимальное поглощение на длинах волн Солнца. В частности, пигменты Al₂O₃, BaSO₄ и PTFE имеют собственные оптические фононные резонансы или колебательные моды в инфракрасном диапазоне длин волн, что делает их пригодными для излучения тепла.

Более новым, недавно исследованным вариантом является использование микроскопических воздушных пустот в качестве пигментов для рассеивания солнечного света. В этом случае эмиттанс возникает исключительно от самого пористого полимера.

Второй способ может быть достигнут за счет использования фторполимеров, таких как P(VdF-HFP) или коммерчески доступных водных P(VdF) вариантов. По сравнению с акриловым или силиконовым, фторполимеры имеют меньше связей C-H или O-H, которые поглощают солнечный свет при l = 1.2, 1.4, 1.7 и 2.3 мм, и больше связей C-F, которые слабо поглощают свет при 2.1 мм. Кроме того, фторполимеры поглощают меньше ультрафиолета, чем акрил, еще больше усиливая R_solar.

Поглощающая способность может быть дополнительно снижена путем уменьшения количества полимера в краске. Наконец, поскольку фторполимеры имеют более низкие показатели преломления (1.381.43), чем акрилы (1.495), они усиливают рассеяние на пигментах и, следовательно, показатель R_solar.

На 2А и 2В показаны результаты, касающиеся коэффициентов отражения белых красок на основе TiO₂, стандарта отражения на основе сверхбелого ПТФЭ (Spectralon SRM-99) и посеребренных излучателей.

В отсутствие собственного поглощения УФ-излучения рассеяние на пигментах приводит к высокой отражательной способности УФ-синего. Снижение содержания полимера приводит к аналогичным результатам для длин волн NIR (в ближней инфракрасной области).

Для BaSO₄ и P(VdF-HFP) лакокрасочных покрытий R_solar достигает 0.98, а для покрытий на основе Al₂O₃ и PTFE более 0.94 (2C).

Как показали вышеописанные расчеты, слегка измененные краски действительно обладают большим потенциалом в области радиационного охлаждения экстерьера зданий, однако существует ряд проблем и сложностей.


Изображение 3

Ученые выделяют пять основных проблем, которые могут возникнуть в ходе полноценной разработки PDRC, а также предлагают методы их решения.

Проблема I: максимизация R_solar и WLWIR с минимальным использованием материала. Затраты остаются главной проблемой для любой технологии радиационного охлаждения, включая краски, где более высокие материальные затраты могут стать препятствием.

Решение проблемы достижения высоких значений LWIR кроется в использовании собственных эмиссионных пигментов с определенными размерами в микромасштабе или нанесения красок на излучающие субстраты. А вот высокий R_solar может быть достигнут путем включения воздушных пустот в краски для увеличения оптического рассеяния. Другой возможностью являются двухслойные системы, в которых реализуется более мелкое проникновение солнечных лучей при более коротких длинах волн. Тонкий слой УФ-отражающей краски (2А) может быть нанесен на пленку TiO₂ краски, обеспечивая высокую эффективность рассеяния пигментов TiO₂ при отражении ультрафиолетового света.

Проблема II: долговечность и устойчивость к загрязнению. Многие белые краски со временем испытывают падение отражательной способности солнечных лучей. Такие материалы, как фторполимерные связующие, могут увеличить срок службы отражательной способности и, следовательно, снизить среднегодовые затраты. Загрязнение также представляет собой проблему для всех технологий PDRC, так как снижает солнечную отражательную способность. Следовательно, системы, устойчивые к загрязнению, такие как гидрофобные, стойкие к биологическому обрастанию покрытия, которые могут выдерживать физическую очистку, могут поддерживать эффективность охлаждения и увеличивать срок службы.

Проблема III: блики. Хотя отражение от белых красок рассеянное и менее интенсивное, чем от серебристых, оно может негативно влиять на зрение и нагревать темные объекты, расположенные в области отражения света от белой краски. Решить эту проблему можно посредством ретрорефлекторных* сфер, однако предстоит изучить их влияние на показатели R_solar и _LWIR.

Ретрорефлектор* устройство для отражения лучей света обратно в сторону источника с минимальным рассеиванием.

Проблема IV: эстетика. Белые краски это хорошо, но вряд ли будет эстетично, если все здания в городе будут одного цвета. Чтобы сохранить необходимый уровень R_solar и _LWIR, при этом разнообразив палитру цветов, можно использовать флуоресцентные пигменты, которые преобразуют поглощенный свет в видимом диапазоне в излучение в ближней инфракрасной области.

Проблема V: экология. Полноценная PDRC система может снизить негативное воздействие на окружающую среду, однако использованные в системе краски должны быть экологически чистыми, что не всегда истинно. Следовательно, необходимо заменить те опасные составляющие на экологически безопасные (например, варианты на базе фторполимера на водной основе), что может дополнительно повысить долговечность краски.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Человеческая натура такова, что мы всегда рады сэкономить. Однако экономия порой приводит к определенным печальным последствиям, о которых мы часто и не задумываемся в нужный момент. С одной стороны использование кондиционеров это просто, быстро, эффективно и не так уж и дорого. С другой стороны это влияет на экологию, что в долгосрочной перспективе выльется в дополнительные расходы на разгребание последствий.

Предложенная в данном труде технология охлаждения учитывает как наше желание сэкономить, так и экологические ограничения. Реализация незначительных изменений состава лакокрасочных материалов позволяет увеличить их отражательную способность с 0.85 до 0.98. Поскольку солнечный свет не будет поглощаться поверхностью экстерьера зданий, они не будут так нагреваться, следовательно, использование кондиционеров (и других классических методов охлаждения) можно будет сократить. Во-первых, это выгодно, а во-вторых, это не так влияет на окружающую среду.

Конечно, остается ряд проблем, которые нуждаются в решении, о чем честно признаются сами авторы сего труда. Экономическая, экологическая и даже эстетическая составляющие будут рассматриваться более детально в последующих исследованиях. В данном же ученые высказали теорию и описали концепцию, которая, к слову, выглядит крайне привлекательно и перспективно, несмотря на ранний этап разработки.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Ваши пользователи жалуются на то, что приложение очень быстро сажает заряд телефона? Запущенный фоновый сервис внезапно останавливается? Сообщения от FCM не доходят до пользователя? Что связывает эти три серьезных вопроса? Ответ прост неверно выстроенная работа с энергопотреблением приложения.
Давайте разберемся в основных моментах, связанных с этой темой. Возможно, это позволит вам в будущем избежать ошибок, с которыми сталкивалось большинство разработчиков мобильных приложений.

В интернете огромное количество разрозненной информации, собрать которую в единое общее руководство было одной из основных целей этой статьи.

Общая информация

В Android есть следующие платформенные фичи для оптимизации энергопотребления:

• Doze and App Standby
• App Standby Buckets
• Background restrictions
• Power management restrictions
• Testing and troubleshooting

В Android 6 появились две фичи для сохранения заряда батареи за счет управления поведением приложений, когда устройство не на зарядке:

• Doze Mode.
• App Standby.

Doze Mode

Когда устройство находится в режиме Doze, доступ приложений к определенным ресурсам откладывается до появления окна обслуживания (maintenance window). Список конкретных ограничений.

Если пользователь оставляет на какое-то время устройство отключенным от зарядки и с выключенным экраном, то оно переходит в режим Doze. В этом режиме система пытается сохранить заряд батареи, ограничивая доступ приложений к сетевым и ресурсоемким службам, откладывает Jobs, синхронизацию и Alarms.

Периодически система выходит из режима Doze, чтобы приложения могли выполнить отложенные действия. Во время этого окна обслуживания (maintenance window) система запускает все отложенные синхронизации, Jobs, Alarms и позволяет приложениям получить доступ к сети.

Со временем система все реже и реже планирует maintenance windows, что помогает снизить расход энергии, когда устройство не на зарядке.

В режиме Doze к приложениям применяются следующие ограничения:

• Доступ в сеть приостановлен.
• Стандартные AlarmManager откладываются до следующего окна обслуживания.
• Система не сканирует Wi-Fi.
• Система не позволяет запускаться sync adapters.
• Система не позволяет запускаться JobScheduler.

Чеклист для приложения в режиме Doze:

• Использовать FCM для обмена сообщениями.
• Если пользователь должен сразу увидеть уведомление, то нужно использовать FCM с высоким приоритетом.
• Предоставлять достаточное количество информации в сообщении, чтобы избежать последующих запросов в сеть.
• Установить критически оповещения с setAndAllowWhileIdle() and setExactAndAllowWhileIdle().
• Протестировать приложение в режиме Doze.

App StandBy, App StandBy Buckets

App StandBy позволяет системе определить, что приложение простаивает, когда пользователь не пользуется им активно. App StandBy запускается, когда не выполняется ни одно из следующих условий:

• Пользователь явно запускает приложение.
• Приложение находится на переднем плане (явно или в качестве Foreground service, либо используется другой Activity).
• Приложение генерирует уведомления, которые пользователь видит на экране блокировки или в области уведомлений.
• Приложение является активным приложением администратора устройств.

Когда устройство подключается к зарядке, система выпускает приложения из режима Standby, что позволяет им выполнять любые задачи. Если устройство не используется в течение длительного периода времени, система предоставляет бездействующим приложениям доступ в сеть примерно раз в день.

Определение частоты использования отличается у разных производителей, особенно жестит Samsung.

В Android 9 появились новые фичи для управления питанием устройства. Они делятся на две категории:

• App standby buckets. Система ограничивает доступ приложения к ресурсам устройства в зависимости от модели поведения пользователя.
• Battery Saver Improvements. Когда включена функция экономии заряда батареи, система накладывает ограничения на все приложения.

Эти ограничения применяются ко всем приложениям независимо от их targetSdk.

App StandBy Buckets помогает системе приоритизировать запросы приложений к ресурсам на основании того, как давно и как часто использовалось приложение. На основе шаблонов использования приложение помещается в один из пяти сегментов. Система ограничивает ресурсы устройства, доступные для каждого приложения, в зависимости от того, в каком сегменте находится приложение.

Пять сегментов, назначаемые приложениям в зависимости от приоритета:

• Active. Приложение находится в активном сегменте, если пользователь в настоящий момент использует приложение. Т.е. если видна Activity, или запущен Foreground service, или есть synchronized adapter, связанный с приложением на переднем плане, или пользователь кликнул на уведомление. Если приложение в активном сегменте, то никакие ограничения на использование ресурсов устройства не накладываются.
• Working set. Приложение находится в этом сегменте, если часто запускается, но в данный момент не активно. Система накладывает умеренные ограничения на действия этого приложения.
• Frequent. Приложение находится в этом сегменте, если используется часто, но не каждый день. Система накладывает больше ограничений, также накладываются ограничения на количество сообщений FCM с высоким приоритетом.
• Rare. Приложение находится в этом сегменте, если оно редко используется. В этом случае система накладывает строгие ограничения и на получение сообщений FCM с высоким приоритетом. Система также ограничивает возможность приложения подключаться к интернету.
• Never. Это сегмент для приложений, которые были установлены, но никогда не запускались. Система накладывает жесткие ограничения.

Каждый производитель может установить свои критерии присвоения неактивных приложений к сегментам.

Для определения сегмента, в который система поместит приложение, используется машинное обучение. С его помощью прогнозируется поведение пользователя. Например, если приложение из сегмента Rare было только что использовано и перешло в Active, то это не означает, что после использования приложение поднимется в более приоритетный сегмент. Сегменты определяются на основе прогнозов будущих действий пользователя, а не на основе недавнего использования.

Полезная информация по работе с App StandBy Buckets:

• НЕ пытаться манипулировать тем, к какому сегменту система отнесет приложение.
• Создать Launcher Activity, если ее нет.
• Создавать обработчик нажатий на уведомления. Если с ними нельзя взаимодействовать, то приложение не сможет перейти в активный сегмент.
• Если приложение не показывает пользователю уведомление при получении high-priority FCM-уведомления, то пользователь не сможет взаимодействовать с приложением, и оно не перейдет в активный сегмент. Если многие сообщения будут помечены как high-priority, то приложение исчерпает свою квоту на такие сообщения, и все последующие будут иметь normal-priority.

Firebase Cloud Messaging с App StandBy и режимом Doze

Необходимо использовать FCM для взаимодействия с приложением во время простоя устройства. FCM оптимизирован для работы в режимах ожидания Doze и App StandBy с помощью высокоприоритетных FCM-сообщений. Высокоприоритетные сообщения позволяют разбудить приложение для доступа к сети, даже если устройство находится в режиме Doze или приложение в режиме App StandBy. В обоих режимах система доставляет сообщение и дает приложению временный доступ к сетевым сервисам, а затем возвращает устройство или приложение в режим ожидания.

Как протестировать приложение с различными ограничениями системы

Тестирование Doze Mode

• Получить доступ к ADB (android device bridge) в текущей сессии:

• Перевести систему в режим ожидания:

• Выйти из режима ожидания:

• Активировать устройство:

• Проверить поведение приложения.

Тестирование приложения с App StandBy для Android < 9

• Перевести приложение в App StandBy:

• Пробудить приложение:

• Проверить работу приложения. Убедиться, что восстанавливается корректно. Проверить, продолжают ли работать уведомления и фоновые процессы.

Тестирование App Standby Buckets

Можно вручную переместить приложение в определенный App StandBy bucket с помощью команды:

Команда проверки, в каком сегменте сейчас приложение:

Тестирование ограничений на фоновые процессы

• Вручную применить ограничения на выполнение фоновых задач:

• Убрать ограничения на выполнение фоновых процессов:

Тестирование режима Battery safety

• Отключить устройство от ПК:

• Проверить поведение устройства в условиях экономии энергии:

• Отменить ручную настройку:

Фоновые оптимизации.

Ограничения, начиная с Android 7:

• Не отправляются широковещательные сообщения `CONNECTIVITY_ACTION`, если receiver объявлен в манифесте. Если receiver зарегистрирован динамически, то сообщение будет получено.
• Приложения не могут получать или отправлять `ACTION_NEW_PICTURE` или `ACTION_NEW_VIDEO`.

Ограничения, начиная с Android 9:

Если система замечает, что приложение потребляет чрезмерное количество ресурсов, она уведомляет пользователя и дает ему возможность ограничить действия приложения. Это поведение включает в себя:

• Чрезмерные wake locks.
• Избыточное количество фоновых сервисов.

Точные ограничения определяются производителем устройства.

Battery Historian

Инструмент Battery Historian дает представление о расходе заряда батареи. Инструмент визуализирует связанные с энергопотреблением события и предоставляет разнообразные данные, которые могут помочь вам определить поведение приложения, разряжающего батарею.

Анализ приложения с помощью Battery Historian

Предварительно необходимо установить Docker.

• Получить доступ к ADB (android device bridge) в текущей сессии:

• Подключить устройство к ПК.
• Убить текущий ADB-сервер.

• Проверить доступные устройства:
  
  

• Сбросить данные о батарее:
  
  

• Отключить устройство и пройти по выбранному вами сценарию использования приложения.
• Подключить устройство.
• Проверить, что устройство подключено:

• Сделать дамп данных батареи:

• Создать отчет для данных:

• Запустить (порт можно указать любой):

• В браузере перейти по ссылке http://localhost:5554 и открыть ZIP файл.

• Вот так примерно будет выглядеть график BatteryHistorian:

На этом графике вы можете узнать, в какой момент запустился ваш сервис, установились wake locks, был запущен JobScheduler и другую информацию. Возможно, вы даже узнаете о своем приложении то, чего еще не знали и о чем не подозревали. Уделите этому инструменту пару-тройку свободных часов и гарантирую, вы не пожалеете.

Energy Profiler

Energy Profiler встроенный в Android Studio анализатор энергопотребления. Думаю, тут не стоит задерживаться. Этот инструмент довольно хорошо описан, и каждый может оценить его в действии.

BatteryStats + UI-тесты

В этой главе мы разберем, как можно использовать связку из BatteryStats и UI-тестирования.

• Перед запуском теста я написал bash-скрипт:

• Для начала нужно ввести расположение класса с тестом. Например, класс `com.myApp.MyTestEspressoTest`.
• Далее подключается ADB.
• Устройство отключается от ПК.
• Сбрасывается статистика BatteryStats.
• Запускается тест, подставляет класс, введенный нами ранее, и используемый фреймворк для тестирования.
• Выгружается информация об энергопотреблении и парсится в более читаемый формат с помощью .awk-файла. Далее этот файл сохраняется под именем BatteryTestsResultFull.txt в главной папке приложения (или в любой другой, которую вы выберете).
• Выводится сообщение с расположением файла с результатом.
• Сбрасывается статистика BatteryStats.
• Вы восхитительны!

Для парсинга файла, получившегося после теста, применяется .awk-файл. Сам файл я решил не прикладывать, т.к. он получился огромным, и не все будут использовать те же поля, что использовал я. В результате получаем текстовый BatteryTestsResult.txt такого содержания:

Результат более удобочитаемый, что стандартный файл BatteryStats. При желании вы можете добавить необходимые поля для анализа либо вместо .awk-файла использовать регулярные выражения.

P.S. Проблемы с Samsung

При написании статьи я наткнулся на полезный сайт https://dontkillmyapp.com, на котором можно узнать, какие ограничения накладывают различные производители на энергопотребление устройств. Самой частой проблемой, с которой я сталкивался, была жалоба пользователей Samsung на высокое энергопотребление различными приложениями. И на этом ресурсе я нашел ответ на свой вопрос.

Вместе с релизом Samsung S8 была представлена утилита для увеличения времени работы батареи под названием App Power Monitor. И чтобы приложения работали корректно, их нужно вносить в whitelist. Также Samsung рекордсмен по убийству приложений благодаря его Адаптивной батарее.

На сайте есть рекомендации для разработчиков по обходу ограничений, но в случае с данным производителем:

Чтобы до конца понять, как работает и от каких факторов зависит энергопотребление Android-приложения, одной статьи, конечно, недостаточно. Но надеюсь, что я выполнил свою главную цель заинтересовать вас этой темой, и вы сможете оптимизировать работу с энергопотреблением. На этом у меня все.

Давненько хотел сравнить аппараты на разной технологии.

Вкратце: в ассортименте Epson какое-то время назад появились первые лазерные проекторы для дома. Инсталляционные аппараты в каталоге уже не первый год, а вот первый компактный лазерный проектор Epson EF-100B/W появился только в 2019-м году, о чем я рассказывал в блоге ранее. Однако выяснилось, что планов отказываться от производства ламповых моделей у Epson нет. И вот тут мне стало интересно: раз появилась лазерная модель, то, вероятно, дни ламповых проекторов сочтены, так?

А вот и нет! Инженеры Epson считают иначе.

Поэтому я решил провести собственное сравнение проекторов на разных технологиях и разобраться, правы ли инженеры или это я самый умный и проницательный.

Для этого взял два аппарата: лазерный Epson EF-100W (бывает и в черном цвете) и ламповый Epson EH-TW5400.

Лазерный EF-100W (слева) и ламповый EH-TW5400 (справа)

В сравнении буду смотреть в первую очередь не на параметры конкретных моделей, а постараюсь экстраполировать характеристики и возможности с учетом их форм-фактора, типа источника света и возможных сценариев использования, в целом. Иначе говоря

Лазер против лампы. Поехали.

Источник света настоящего и будущего

Для начала краткие размышления о двух типах источников света, используемых в наших аппаратах.

Лампа

Схема работы 3LCD-проектора с источником света в виде лампы

Качественный (в плане излучаемого спектра) и мощный источник света должен не просто раскачать проекционную систему, он также должен быть достаточно компактным, обладать разумным для своего класса энергопотреблением, не прожаривать сам проектор, а также по возможности прослужить как можно дольше.

Технологии выпуска ламповых источников света подходящего спектра излучения существуют уже очень давно и отлично обкатаны. Как следствие доступные цены, как самого проектора, так и лампы на замену.

Однако даже многократно усовершенствованная лампа обладает высоким потреблением энергии, лишь часть которой затрачивается на излучение. Остальное уходит в тепло. Кроме того, лампа штука относительно инертная, процесс ее разогрева для выхода на номинальный уровень яркости может занимать какое-то время.

Лазерный диод

Схема работы 3LCD-проектора с блоком лазерных светодиодов

Другое дело полупроводниковый лазерный диод. Точнее, массив лазерных диодов (как разумный способ достижения необходимой суммарной мощности свечения), который позволяет обеспечить очень неплохой световой поток при высокой стабильности излучения и сравнительно невысоком тепловыделении.

С таким источником света лазерный проектор по определению должен быть мгновенно готов к работе сразу после включения и мгновенно выключаться, а также поддерживать плавную регулировку яркости источника света.

Долговечность источника света

Самая горячая тема, которая всегда поднимается при обсуждении двух технологий.

У рассматриваемого сегодня лазерного проектора Epson EF-100W ресурс работы лазерного источника света в стандартном режиме (2000 лм) до 12 тысяч часов, а в экономичном режиме (1000 лм) до 32 тысяч часов.

Это означает, что даже если намеренно попытаться посадить такой источник света, эксплуатируя его без выключения в режиме 24/7 (чего с домашними аппаратами делать не следует, ну да ладно), то для выхода за рамки гарантии придется потратить почти полтора года в стандартном режиме или более трех с половиной лет в эко-режиме. Если же говорить о вразумительной нагрузке скажем, три часа в день каждый день, то речь уже о более чем десяти и двадцати годах эксплуатации соответственно!


Ресурс лампового источника света на фоне лазера смотрится скромнее: для Epson EH-TW5400 он заявлен на уровне 4,5 тысяч часов в стандартном режиме, и до 7,5 тысяч часов в режиме экономии. Это, конечно, не 12/32 тысячи у лазерного EF-100, но с другой стороны, будем реалистами речь также о годах работы в штатном режиме.

Да и не забываем, что имеется возможность самостоятельной замены лампы на новую, которая продается по вполне демократичной цене. Я серьезно! У Epson на оригинальные лампы для самых ходовых моделей проекторов цены одни из самых низких среди всех крупных VI-брендов.

С другой стороны, побочным эффектом экономии расходов на ламповой модели также станут большие затраты на электричество

Матрицы и разрешение

В каждом 3LCD-проекторе устанавливаются три монохромные матрицы: R, G и B за дихроичными зеркалами. Результат работы системы сводится воедино в призме оптического блока.


Разница диагоналей ЖК-матриц рассматриваемых сегодня проекторов невелика это 0,61 дюйма у лампового EH-TW5400 и 0,59 дюйма у лазерного EF-100W. Совсем другое дело их разрешение. Оно составляет 3х1920x1080 (Full HD) и 3х1280x800 (WXGA) физических пикселей соответственно.

И тут мы натыкаемся на первое ключевое различие: проектор с большим разрешением (Full HD) обойдется практически на треть дешевле в ламповом варианте, чем с меньшим разрешением (WXGA)!

Почему?

Факторов влияющих на конечную цену, много, но ключевым становится именно тип используемого источника света. Блок качественных лазерных диодов + система рассеивания света от них для превращения его в белоснежно белый без примесей это куда сложнее и дороже, чем в случае одной лампы накаливания.

Бонус-инфа для всех, кто дочитал до этого места

Однако ситуация с дороговизной домашних лазерников вскоре изменится!

Каким образом? С выходом новых аппаратов серии Epson EpiqVision, разумеется. Ибо среди анонсированных моделей проекторов есть просто наивкуснейшая парочка Epson EF-11 и Epson EF-12.


Как вам такое сочетание характеристик?

• компактные лазерные проекторы Epson
• на базе 3LCD
• яркостью 1000 лм
• c разрешением full HD
• с AndroidTV в комплекте
• c проекционным отношением x1.0
• со встроенной крутой акустикой от Yamaha (у EF-12, который появится в продаже чуть позже, чем EF-11)

Я сам с нетерпением жду, когда они появятся в продаже, чтобы тут же купить себе такой аппарат и, наконец, заменить им свой старый проектор. Но обо всем этом в отдельном посте, над которым я сейчас работаю. Подписывайтесь на обновления в блоге, чтобы не пропустить новый пост!

Теперь вернемся обратно к теме разговора.

Практика: дизайн и юзабилити

Чтобы не загромождать текст второстепенными деталями, описания проекторов решил убрать под спойлеры.

Проекторы EF-100W (слева) и EH-TW5400 (справа)

Об Epson EF-100 я уже рассказывал в блоге, но там фигурировал проектор черного цвета. Сегодня у меня в руках белый аппарат.

К слову, эти два аппарата скоро уйдут в архив, а их место займут такие же, но Android TV Edition. То, что Epson наконец-то будет поставлять проекторы с Android-мозгами это отдельное событие. Как руки дойдут, обязательно расскажу об этом в блоге отдельно.


Более вальяжный проектор EH-TW5400 с большей претензией на стационарность оснащен механической шторкой для защиты объектива, а также большим набором механических кнопок и рычажков на верхней крышке.

Внешний вид: классика VS модерн

Если сейчас про теплый домашний ламповый дизайн не пошучу я обязательно пошутит кто-нибудь другой. Проектор EH-TW5400 ламповый во всех смыслах: традиционное оформление, множество кнопок и рычажков для настроек.

Лазерник EF-100W по сравнению с ним этакий стремительный шик-модерн с минималистическим оформлением в молочно-серебристых тонах, созданный для мобильной эпохи смартфонов.

Оба проектора представлены в сравнимой весовой категории: 2549 грамм весит лазерный и 3450 ламповый, хотя, могу себе представить, что для кого-то, кому необходимо часто изменение локации проектора, разница почти в килограмм, или почти в треть веса, будет весьма ощутимой.

Практика: качество картинки и проекции

Напоминание: с самого начала я предупредил, что не собираюсь проводить полноценное сравнение самих рассматриваемых аппаратов хотя бы в силу значительной разницы между их ключевыми проекционными характеристиками.

К примеру:

• фокусные расстояния значительно различаются: диапазон 16,9-20,28 мм (1-1,2х) у EH-TW5400 и фиксированное 13,53 мм (1х) у EF-100W;
• рекомендованная диагональ изображения на экране: 0,86-8,43 м у первого и 0,56-3,81 м у второго;
• Epson EF-100W также поддерживает цифровое масштабирование в пределах 1,0-1,35х в то время, как у EH-TW5400 настоящий оптический зум.

Поэтому поставим их рядом и проведем практическое сравнение по максимально общим критериям.

Цвета и яркость

Для начала я установил оба проектора на одинаковом расстоянии от плоскости проекции примерно в 1,2 м. Ожидаемо получились различные диагонали проекций (у лампового картинка меньше, т.к. он длиннофокуснее).

Далее выбрал режим Нейтральный на обоих проекторах и запустил показ тестовых изображений. В качестве экрана выступала свежевыкрашенная практически белая стена (00NN 83/000). Камера для съемки результатов (Sony NEX-F3) была переведена в ручной режим: ISO 200, 1/4, F3.5. Сама съемка велась днем в относительно темном зашторенном помещении.

Ламповый (слева) и лазерный (справа) в режиме Нейтральный, одинаковое расстояние до экрана

Логично, что при таких размерах изображения картинка у лампового проектора (слева) оказалась ярче. Поэтому дальнейшее сравнение шло уже с картинкой схожего размера, для чего ламповый аппарат пришлось отодвинуть от стены еще на ~25 см.

Ламповый (слева) и лазерный (справа) в режиме Нейтральный, схожий размер изображения

По яркости изображения выровнялись, но у лампового в целом цвета получаются чуть теплее. Честное слово, это не прикол и не попытка пошутить. Просто у источников света разная цветовая температура: у 100W она холоднее, т.е. точка белого у него ~7500K.

Короче говоря, белый цвет у лазерного 100W содержит в себе больше синей компоненты, чем у EH-TW5400. Однако при желании можно внести корректировку через меню, применив программный фильтр нужного оттенка ко всему изображению и утеплив картинку EF-100, что я и сделал.

Контрастность

Оценим контрастность. В характеристиках лазерной модели она указана на уровне 1:2 500 000, для ламповой на уровне 1:30 000.

Ламповый (слева) и лазерный (справа) в режиме Нейтральный, одинаковый размер изображения. Внизу при выводе инвертированной мишени для проверки уровня черного

Зрительно, светлые полутона даются лучше лазернику, а ламповый лучше отрабатывает темные переходы. Без нечестных приемов вроде динамической коррекции яркости в зависимости от картинки глубина черного у TW5400 оказывается выше, т.к. у него выше нативная (читай: честная) контрастность матриц.

Ламповый (слева) и лазерный (справа) в режимах Нейтральный (верхняя пара) и Яркое кино (нижняя пара), одинаковый размер изображения

Для дальнейшего сравнения я взял несколько роликов в Full HD и попутно переключал режимы на проекторах, где из четырех доступных особо приглянулся режим Яркое кино, задиравший яркость до 80%. Сравнение двух режимов видно на кадрах выше.

Любопытно, что при просмотре роликов с расстояния двух метров картинки зрительно кажутся практически одинаковыми даже в таком режиме.

Зернистость и разрешение картинки

Напомню, что у лампового стоят матрицы с разрешением 1920x1080 (Full HD), а у лазерника 1280x800 (WXGA). Формально разница невелика, но с расстояния ~1,2 метра до экрана у лазерника уже можно заметить сетку пикселей, в то время как у лампового картинка более сглаженная, а зерно становится различимо ~70 см.

Для сравнения я сделал два фото с расстояния вытянутой руки, где к стене дополнительно приложил листы белой бумаги (чтобы показать, что стена белая, а не серая).


Дико извиняюсь: промахнулся с фокусировкой на фото выше. Как будет возможность, переделаю фотку, чтобы не было таких аберраций по углам. Это ошибка фокусировки, а не косяк объектива!

Расстояние до экрана

В инструкции к проекторам указаны варианты установки:

• у лазерной модели с диагональю экрана до 150 дюймов (332x187 см), нативное соотношение сторон 16:10;
• у ламповой до 332 дюймов (735x413 см), нативное соотношение сторон 16:9.

Такие большие диагонали, признаюсь, я не опробовал, но чего-то порядка 100-120 дюймов в домашних условиях добиться вполне реально. Для этого потребуется отнести проектор на расстояние ~2,5-3,5 метра от стены. Тут оба проектора справляются со своей работой на отлично, вне зависимости от марки модели и используемого источника света. Фокусировка точная и удобная.

Яркости хватает, зернистости на белых участках изображения не видно.


В общем и целом, не считая различий в цветовой температуре точки белого и нативной контрастности, особой разницы между картинкой с аппаратов на разных технологиях не видно.

Это радует!

Время прогрева

Если лазерный проектор выходит в рабочий режим практически мгновенно, то традиционной лампе на это требуется определенное время. Я провел замер этого параметра с помощью фотодатчика смартфона, в итоге получилось, что для прогрева лампы и выхода EH-TW5400 в режим готовности необходимо примерно 55 секунд.


Выход лазерного проектора на рабочие характеристики. Для лампового такой картинки в динамике нет, потому как временная шкала приложения отображает лишь последние 10 секунд

Скажу честно: когда проектор мгновенно включается и выходит на максимальную паспортную яркость сразу после включения это круто.

Энергопотребление, шум и нагрев

Энергопотребление зависит от режима работы и, соответственно, текущей яркости.

Для лазерной модели EF-100W это 2000 лм в 100% и 1000 лм в 50% режиме яркости. Принципиальный момент: в случае лазерного проектора яркость можно плавно регулировать в пределах 50-100%.

А вот для лампового EH-TW5400 доступно лишь два режима работы: 2500 лм и 1650 лм, соответственно. Сравнимо, хотя и с большими оговорками.

Теперь с помощью ваттметра выясним, какой ценой обеспечивается такая яркость для каждой из технологий.

Лазерный проектор, световой поток до 2000 лм

• Режим Нейтральный (изначально 80% яркости) 112-115 Вт.
• Нейтральный с яркостью 100% 141 Вт.
• Динамический с яркостью 100% 141 Вт.
• Яркое кино 141 Вт.
• Кино 87 Вт.

141 Вт это максимальное значение, которое удалось зафиксировать для лазерной модели, хотя по характеристикам фигурирует значение в 172 Вт. Напоминает TDP в характеристиках микропроцессоров, т.к. в большинстве случаев его можно достичь, только разогнав по частоте выше паспортных значений. В общем, значение в характеристиках указано с большим запасом.

Энергопотребление лазерного (слева) и лампового (справа) проекторов

Корпус EF-100W в процессе работы слегка нагревается, становится теплым через 10-15 минут, но при этом на него спокойно можно положить руку. Вентилятор аппарата шелестит очень тихо, в экономичном режиме его практически не слышно. В общем, смотреть кино в тишине он не мешает совершенно, о чем я рассказывал в своем посте про эксперименты с проектором, поставленным на торец.

Ламповый, световой поток до 2500 лм

По характеристикам максимальное энергопотребление у EH-TW5400 составляет 296 Вт. А вот что получилось на практике в разных режимах.

• Нейтральный 200 Вт.
• Яркое кино 279 Вт.
• Кино 280 Вт.
• Кино с включенным режимом Эко 200 Вт.

В Нейтральном режиме отвод тепла от проектора осуществляется достаточно тихо, чтобы можно было находиться почти вплотную рядом с проектором. Для просмотра кино в затемненном помещении это идеальный вариант.

В режиме Яркого кино вентилятор системы охлаждения работает на более высоких оборотах, поэтому такой вариант подойдет при установке проектора не менее чем в метре-полутора от зрителя.

Тем не менее, даже с учетом более горячего источника света температура корпуса проектора все время остается в нормальных пределах. Ну еще бы: аппарат проектировался для регулярной эксплуатации в течение множества лет, поэтому в нем и лампа сменная.

Цены

Вот тут-то многое в итоге прояснилось. Для меня, по крайней мере.

Средняя цена Epson EF-100B/W на Яндекс.Маркете на момент написания поста составляет ~92 тыс. руб. Такова плата за компактность, мобильность и лазерный источник света.

И курс USDRUB, с которым нам с вами приходится жить.


В отличие от более дешевых светодиодных проекторов из Китая, коих сейчас пруд пруди, наш аппарат несет на борту блок всамделишных лазерных светодиодов в сочетании с тремя ЖК-матрицами 3LCD и имеет фирменную гарантию Epson на территории, где вы его купили.

Кроме того, цветовая яркость у китайских светодиодных проекторов на базе технологии DLP может уступать таковой у 3LCD-аппарата. То есть, все, скажем 700 заявленных люмен вы из китайского проектора не выжмете, не пожертвовав качеством его цветопередачи.

В дополнение, EF-100W мгновенно включается и выключается, готов к проецированию на потолок, поддерживает автоматическую коррекцию трапеции и функцию гибкой коррекции искажений Quick Corner.

Недешево, конечно, но вдруг ламповая full HD-модель дороже?

Не дороже...



Средняя цена EH-TW5400 на Яндекс.Маркет заметно ниже: на уровне 58 тыс. руб., при том, что аппарат обладает большим физическим разрешением (Full HD) и обеспечивает больший запас яркости (до 2 500 лм).

Скажем за это спасибо ламповому источнику света. Он подешевле, и за меньшие деньги позволил оснастить EH-TW5400 набором более современных технологий, включая 3D, а также до кучи полезными функциями и возможностями, включая автокоррекцию трапецеидальных искажений, Quick Corner, совместимость с VGA-источниками и многочисленные удобные настройки не только с пульта, но и непосредственно на корпусе. Ну и, конечно, полноценным оптическим зумом.

Обратная сторона ламповой медали это как минимум, втрое меньший гарантийный срок лампы, а также вдвое большее энергопотребление, следствием чего является больший выхлоп тепла и повышенный шум вентилятора в наиболее ярком режиме.

Выводы

Выводы будут привязаны не столько к рассматриваемым моделям, сколько к технологиям и общим впечатлениям, поставленных напротив ценников.

Качество изображения

Не беря в расчет тот факт, что у рассматриваемых проекторов разное разрешение и нативная контрастность, на деле картинка и с того, и с другого проектора одинаково хороша: нет проблем с фокусировкой, нет заметного виньетирования (затемнения) по углам, проекция равномерно ложится на экран. Т.е. тут паритет.

Вот где точно не паритет так это в нативном разрешении. Один full HD, другой нет. И ламповый Epson EH-TW5400 рисует в полтора раза более детализированную картинку с меньшей пиксельной сеткой, чем его лазерный оппонент.

Однако отмечу, что 100W заметно короткофокуснее EH-TW5400. Поэтому он лучше подходит в роли переносного, в то время как второй, у которого еще и оптический зум на борту, можно подвесить под потолком подальше от экрана. Вы можете сами прикинуть установку, воспользовавшись проекционным калькулятором.

Уровень шума

Как только мы выводим ламповый аппарат на полную мощность, например в режиме Яркого кино, шум вентилятора охлаждения у модели Epson EH-TW5400 становится более заметным. Просмотру кино он не помешает (и даже может создать эффект присутствия в кинотеатре), но он все же громче, чем у лазерника. Важное уточнение: в данном случае речь строго о модели EH-TW5400. У флагманов 7000 и 9000 серий систему охлаждения практически не слышно в любом режиме работы: она эффективнее за счет более просторного корпуса, предназначенного для стационарной установки. Это делает их идеальными в качестве проекторов для подготовленного домашнего кинотеатра, но значительно менее универсальными по сравнению с аппаратами 5000-й серии, к примеру.


Однако в экорежиме ни EH-TW5400, ни EF-100 не слышно даже в метре от проектора.

При этом источник света 100W можно раскручивать на все 100%, т.к. у него очень тихая СО.

Экономичность и экологичность

Ламповый проектор кушает вдвое больше (280 Вт против 140 у лазерника). Можно ли рассматривать это в качестве значительного преимущества? Тут всё неоднозначно

При ежедневном трехчасовом использовании проектора и цене кВт*ч, равного пяти рублям, за 10 лет эксплуатации получится переплата за электричество в районе ~7,5 тыс. руб. Все равно не перекроет разницу в первоначальной стоимости самих аппаратов.

Так что тут решать вам.

Габариты

Поскольку лазернику не требуется мощная система охлаждения, его можно сделать компактным и легким. А еще его можно поставить как угодно, в т.ч. на заднюю крышку, проецируя картинку на потолок.

Выводы

Начав готовить этот пост и впервые взглянув на показания ваттметра, я было подумал, что ламповому аппарату кранты и лазерник единственный логичный вариант развития проектора для дома.

Однако после проведенных тестов и глядя на разницу в стоимости я в этом уже не так уверен. И склоняюсь к тому, что инженеры Epson, в планах которых продолжить выпуск ламповых аппаратов, все же умнее меня.

Обидно.


Да, лазерный Epson EF-100W компактнее и мгновенно включается, но когда речь идет не о переносном проекторе, а аппарате для более-менее стационарной установки, на первый план выходят такие параметры, как контрастность, гибкость установки и стоимость. И по всем трем показателям оказывается, что ламповые модели:

• позволяют уместить оптику с переменным фокусным расстоянием (и даже сдвигом объектива) в более просторном корпусе;
• несут на борту ЖК-матрицы больших размеров и с более высокой нативной контрастностью;
• обладают заметно более низкой ценой (даже с учетом ресурса лампы!)

выигрывают у лазерной модели для дома.

Да и тот факт, что за меньшие деньги можно получить большее разрешение (1080p против 720p) тоже весьма немаловажен, а для кого-то может оказаться и вовсе решающим.

Итого

Если голосовать кошельком и при условии отсутствия необходимости возить проектор туда-сюда, я бы все же выбрал тот, что дешевле и с матрицей full HD, коим является ламповый Epson EH-TW5400.

А для тех, кому важнее габариты яркого аппарата, его мобильность или возможность проецирования в любом положении, а не только настольно-напольном, и создан Epson EF-100B/W.

Однако!

С выходом лазерных full HD-моделей Epson EF-11 и EF-12 домашние лазерники получат весьма значительное преимущество перед ламповыми аппаратами: они невероятно компактны, обладают вполне взрослой яркостью 1000 лм, а также сразу же из коробки будут поставляться с AndroidTV. Я упомянул ранее, что как только мне в руки попадет первый аппарат из данной серии, я тут же себе его прикуплю и подготовлю подробный пост с рассказом о впечатлениях.

А что вы думаете по данному поводу?