Trong thời đại mọi thứ đang chuyển qua nền tảng không dây như điện thoại, nhà thông minh hay xe tự hành thì vấn đề hiệu quả năng lượng đang trở thành yếu tố vô cùng quan trọng trong các thiết kế phần cứng. Trong đó, mạng 5G với yêu cầu tốc độ cao, độ trễ thấp và khả năng đáp ứng tức thời lại càng làm nổi bật bài toán tiêu thụ điện năng đặc biệt ở các thành phần lõi như modem, mạch RF và ăng-ten. Hiện nay, các kỹ sư buộc phải tích hợp những giải pháp phần cứng và phần mềm tiết kiệm năng lượng ngay từ bước thiết kế ban đầu để đáp ứng hiệu suất kết nối mà vẫn tiết kiệm năng lượng.

Tối ưu hóa hiệu suất và năng lượng trong modem 5G

Modem 5G hiện đại là những bộ xử lý tín hiệu cực kỳ phức tạp nhằm thực hiện nhiệm vụ giải mã, mã hóa, điều chế, điều khiển truy cập sóng mang và quản lý kết nối mạng. Với các công nghệ hiện nay như mmWave, beamforming và MIMO đa luồng thì các modem này sẽ cần hoạt động ở công suất và tần số cao hơn nhiều so với 4G. Hiện nay, các hãng sản xuất thường áp dụng các kỹ thuật như hạ điện áp khi không tải, đưa vi mạch vào chế độ ngủ sâu, sử dụng nén dữ liệu và xử lý động theo độ chính xác cần thiết để giảm điện năng tiêu thụ của modem. Ngoài ra, một số modem tiên tiến như Snapdragon X75 hay MediaTek T830 cũng được tích hợp AI để học hành vi người dùng, từ đó tự điều chỉnh mức tiêu thụ điện phù hợp theo thời gian thực. Ngoài ra, việc áp dụng công nghệ bán dẫn 4nm và 3nm cũng góp phần đáng kể vào việc tiết kiệm năng lượng mà không làm giảm hiệu suất.

Cầu nối hiệu suất cao giữa tín hiệu và không gian thông qua mạch RF

Mạch RF là một thành phần trung gian giữa modem và không gian truyền sóng. Trong công nghệ 5G, RF phải hoạt động ở nhiều băng tần khác nhau với các yêu cầu cao về độ chính xác và công suất. Do đó, bộ khuếch đại công suất vốn là thành phần tiêu tốn năng lượng nhất nàylại trở thành một đối tượng tối ưu hóa. Bên cạnh đó, một số kỹ thuật như Doherty Amplifier hay Envelope Tracking đã được áp dụng để tăng hiệu suất khuếch đại ở các mức tải khác nhau. Ngoài ra, một số các vật liệu bán dẫn mới như Gallium Nitride (GaN) hay Silicon Germanium (SiGe) cũng được nghiên cứu để cải thiện hiệu suất truyền dẫn và giảm tổn hao năng lượng.

Ăng-ten

Hiện nay, ăng-ten không còn là phần tử hoạt động một cách thụ động đơn giản như trước. Với hai kỹ thuật beamforming và MIMO thì ăng-ten hiện nay có thể điều khiển chùm sóng và tối ưu hướng phát một cách chủ động. Tuy vậy, điều này cần yêu cầu một hệ thống điều khiển thông minh và nó cũng đồng nghĩa với việc phải gia tăng tiêu thụ điện năng. Để hạn chế điều này thì một số thiết kế ăng-ten lai giữa analog và digital đang được ưu tiên nhằm giảm thiểu năng lượng tiêu thụ trong khi vẫn duy trì hiệu suất truyền dẫn. Cùng với đó, việc sử dụng các vật liệu nhẹ hơn, tích hợp đa lớp và tối ưu thiết kế vật lý cũng đang giúp giảm đáng kể tổn hao năng lượng trong hệ thống ăng-ten.

Vai trò của phần mềm và chuẩn giao tiếp mới

Bên cạnh phần cứng thì phần mềm và firmware trong thiết bị cũng đóng vai trò rất lớn trong việc tiết kiệm năng lượng. Một số các chuẩn như 3GPP Release 17 và Release 18 đã được đưa vào các chế độ ngủ kéo dài, quản lý kết nối hiệu quả cho IoT từ đó tối ưu hóa điện năng tiêu thụ khi thiết bị không hoạt động. Một số hệ điều hành và phần mềm hiện nay tích hợp AI để dự đoán thói quen người dùng, từ đó quyết định thời điểm nào nên đưa modem và các thành phần RF vào trạng thái ngủ sâu, giúp giảm lượng điện năng tiêu tốn mà vẫn duy trì kết nối ổn định.

Tương lai của công nghệ 6G

Tính đến thời điểm hiện tại, nếu như 5G đã tạo ra cuộc cách mạng kết nối hàng triệu thiết bị thì công nghệ 6G hứa hẹn sẽ kết nối được hàng tỷ thiết bị cùng lúc. Trong bối cảnh đó thì việc tiết kiệm chỉ một vài miliwatt mỗi thiết bị cũng sẽ tạo ra khác biệt lớn ở quy mô toàn cầu. Do đó, một số các giải pháp như thu năng lượng từ môi trường hoặc tích hợp nguồn năng lượng siêu nhỏ bên trong thiết bị đang được triển khai nghiên cứu. Đồng thời, việc tích hợp các khối phần cứng lại thành một khối duy nhất nhờ công nghệ packaging 3D và System-in-Package giúp rút ngắn khoảng cách truyền tín hiệu, đồng thời giảm tiêu thụ điện năng.

Tác động của công nghệ 5G đến thiết bị di động và IoT trong đời sống hàng ngày

Hiện nay, khi những cải tiến về thiết kế tiêu thụ điện năng thấp đã được áp dụng vào modem thì đối với RF và ăng-ten các lợi ích sẽ không chỉ dừng lại ở khía cạnh kỹ thuật mà còn lan tỏa mạnh mẽ đến trải nghiệm của người dùng cuối. Đối với điện thoại di động, điều này thể hiện rõ qua thời lượng pin lâu hơn, máy mát hơn khi sử dụng mạng tốc độ cao và không còn hiện tượng sụt pin nhanh khi dùng 5G như ở các thế hệ đầu tiên. Nhờ đó, người dùng có thể xem được các video 4K, chơi game hoặc họp trực tuyến qua mạng 5G suốt nhiều giờ mà không phải lo lắng về sạc pin giữa chừng. Bên cạnh đó, một số thiết bị IoT đã được triển khai ở những nơi khó tiếp cận, ví dụ như đồng hồ đo điện, cảm biến môi trường, thiết bị theo dõi sức khỏe hay máy nông nghiệp tự động thì việc kéo dài thời gian hoạt động mà không cần sạc hay thay pin là yếu tố vô cùng quan trọng. Trong đó, một cảm biến môi trường dùng mạng 5G, nếu được thiết kế tối ưu về năng lượng, có thể hoạt động liên tục 5–10 năm chỉ với một viên pin nhỏ. Điều này có thể giảm đáng kể chi phí bảo trì, kéo dài vòng đời thiết bị và tăng độ tin cậy cho các ứng dụng trong thành phố thông minh.

Ngoài ra, việc thiết kế tiết kiệm điện cũng góp phần bảo vệ môi trường thông qua việc giảm phát thải carbon trong toàn bộ vòng đời thiết bị. Trong khi hàng tỷ thiết bị có thể hoạt động hiệu quả mà tiêu tốn ít năng lượng hơn thì tổng lượng điện tiêu thụ toàn cầu cho hạ tầng mạng và thiết bị đầu cuối cũng sẽ giảm xuống đáng kể. Đây được xem như một bước tiến quan trọng hướng đến các mục tiêu phát triển bền vững của Liên Hợp Quốc.