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环球科学 2021-12-02

搜索一次网页的能耗,能烧开几十壶水?

我们早已习惯了信息时代的便利,但电子设备的能耗也逐渐变得不可忽视。不过,详细统计这种数字化行为所带来的能耗颇为困难,因为根据不同的评估原则,同一行为的能耗可能会出现几个数量级的差距。这对制定合理的策略提出了挑战。因此,科学家不仅需要找到降低能耗的方式,还需要更准确地评估能耗现状。

在这篇节选自《环球科学》12 月新刊的文章中,安妮 - 塞西尔 · 奥格里和劳伦特 · 莱弗尔将带领我们深入评估数字化技术对气候造成的影响。

撰文|安妮 - 塞西尔 · 奥格里(Anne-Cécile Orgerie) 劳伦特 · 莱弗尔(Laurent Lefèvre)

翻译|郭众

由于新冠疫情,许多公司选择了居家办公的工作方式。居家办公不仅明显减少了通勤,还省下了办公室的暖气和电力费用。但是,居家办公,以及随之而来的对互联网的大量使用真的对环境有益吗?要回答这个问题,我们必须了解数字技术对生态有哪些影响,以及如何降低这些影响。但遗憾的是,面对复杂网络化系统,深入的研究和评估会变得极为复杂

互联网介入大众生活已有大约 30 年。到目前为止,它已经成为约 46 亿用户不可或缺的工具。这项成就推动了万维网的快速发展。日常生活中越来越多的领域正在向线上发展,包括电子邮件、即时通讯工具、搜索引擎、社交网络、云存储、流媒体服务等。然而,一个许多用户忽视的事实是:与互联网相关的数字技术也消耗了大量的能源和资源。

互联网是一个由许多子网络组成的巨大网络,它连接了数百万个独立单元传输数据,每个用户基本上都可以平等地搜索信息。

有关数字技术的发展对气候的影响,目前几乎还没有任何研究可供参考。只有少数研究表明,无论是在能源、原材料的消耗还是在碳足迹方面,相关的现状都令人担忧。然而,我们很难用一个确定、具体的数字来描述数字技术的能耗,因为不同研究得出的结果存在较大的差异。

在 2014 年发表的一篇论文中,葡萄牙里斯本技术大学的弗拉德 · 科罗阿默(Vlad Coroam )和瑞士苏黎世大学的洛伦茨 · 希尔蒂(LorenzHilty)开展了一项综合研究,分析了过去 10 年间所有关于互联网能耗的文章。他们在研究中发现,不同结果间的差异可以达到 4 个数量级。有几个原因造成了这种结果:测量的准确性、模型中使用的近似值以及研究的范围。这就是为什么我们很难确定居家办公对气候的影响,换个方式来说:我们很难确定使用一次搜索引擎的能耗,到底相当于电热水壶工作 10 分钟还是 3 小时的能耗?

近年来,科学家开始频繁地讨论这个复杂的话题。为此,我们分别分析了构成互联网的联网系统和相关技术设备。我们的目标是详细分析出每个独立模块的能耗,并找到尽可能降低能耗的方法。在我们能成功做到这一点之前,还有大量的工作需要推进。但目前我们已经在这方面取得了一些进展。

2015 年,国际研究组织 GreenTouch 发表了一篇文章,设想可以建立一个全球性的互联网设施。在这套设施的基础上,即使数据流按现有的程度持续增长,2020 年的能源消耗也会比 2010 年减少 98%。然而,实施这项举措需要更改大量的基础设施结构,变革大量的技术。

互联网是由什么组成的?

对于这样的评估,我们首先要了解网络涉及哪些硬件和软件系统,它们的使用方式以及需要多少电力和其他原材料。例如,如果我们在搜索引擎上搜索一个术语,这一动作会同时调动物理(硬件)结构和虚拟(软件)结构。前者包括进行查询的设备(例如 PC、智能手机或平板电脑)、用于传输数据的多个网络以及处理搜索请求的位于数据中心的服务器。

使用一次搜索引擎需要消耗大量能源。

相比于搜索,如果我们研究在线视频背后的运行机制,事情就会变得更加复杂。根据一家致力于发展无碳经济途径的法国协会的数据,视频流在 2019 年占全球数据流量的 80%。

通过电视观看视频时,单个信号发射器是同时向多个接收器传输数据的,数据流量仅取决于信号中包含了多少个频道。在线视频则不同:每个观看者都拥有自己的数据流,这意味着观看在线视频时,数据流量与用户数量会成比例增加。

而且,网飞等平台需要让服务器尽可能在地理上接近消费者。因此,流媒体供应商会调用分布在多个数据中心的大量服务器。2018 年,英国伦敦玛丽皇后大学的蒂姆 · 博特格(TimmBöttger)和同事研究推测,为了投递视频内容,网飞至少在 600 多个数据中心使用了 8500 台服务器。这些数据中心并不属于网飞,而是属于相应的网络运营商。

在线视频流媒体平台不使用客户端 - 服务器架构(左,中央服务器为多个用户提供数据),相反,它们使用的架构是将信息内容分发到世界各地的服务器上,以此使服务器更接近用户(右)。

已有研究清楚地表明,网络数据的传输会途经许多设备。互联网的物理组成分为三个部分:有线或无线网络、装有服务器的数据中心以及用户的终端设备。

为了估算通信网络的能源消耗,我们需要以技术标准来分类评估。例如,有基于铜线、光纤或无线的传输方式分类。此外,网络依赖于路由器、交换机和天线等设备,这些设备的使用寿命有限且会对环境产生压力。

网络运营商现在提供多种蜂窝标准服务:2G、3G、4G 和 5G。但是,当出现新技术时,为了确保所有终端设备的正常使用,运营商并不会停止旧技术的服务。对于消费者来说,为了能够使用最新技术,通常必须购买新的设备,不得不替换掉原本还可以使用的手机。新的网络技术还会增加每个用户的可用带宽,这实际上增加了数据流量。

数据中心的影响

除了电信网络,数据中心也会给环境带来压力。数据中心有大量的服务器,同时需要配套冷却系统和其他的冗余系统,以此保证运行的可靠性。与此同时,一些运营商正在测试各种热回收机制,希望减少电力的消耗。

数字基础设施的主要问题在于它们的使用状态一直处于变化中。2015 年,正常运行时间协会(Uptime Institute)估计:在美国,有 30% 的服务器在没有任何工作负载的情况下保持开机状态。虽然设备几乎没有工作任务,但功耗并不会趋向于零,而是趋向于最大功率的一半。虽然服务器的工作强度很低,它仍然会消耗很多能量,路由器等其他设备效率甚至更低。

因此,我们研究了如何尽可能经济地运营数据中心。2018 年,我与同事伊萨姆 · 拉伊斯(Issam Raïs) 共同研究的结果表明,如果服务器已经有 3 分钟未使用,就应将其关闭。为了达到这个目的,还需要可靠的模型来预测服务器的使用高峰,以便提前重启设备。目前已经有算法可以计算这样的开启和关闭周期了。其他建议包括集中服务器、控制处理器的频率和电压,所有这些方法都可以减少信息技术基础设施对环境的影响。

除了数据中心和通信网络,用户的终端设备也会对环境产生影响。2018 年,全球约有 90 亿台终端设备,其中包括 20 亿部智能手机和 10 亿部电脑,其余的是近年来越来越流行的其他智能设备。

这些智能终端的生态足迹促使我们不得不审视自己的消费习惯:产品所宣传的功能只是噱头还是真的能让我们的生活更轻松?对此,我们很难找到一个客观标准来评估,但可以确定它们对环境的影响。

2019 年,苹果公司评估了配备 16 英寸屏幕、512GB 存储空间和 2.6GHz 处理器的 MacBook Pro 在 4 年使用寿命内的平均温室气体排放量。结果显示,这种笔记本电脑的碳足迹约为 394 千克二氧化碳。其中仅生产制造阶段就占了 75%,运输阶段占比 5%,使用阶段占比 19%,处理阶段不到 1%。按照这组数据,设备的使用年限必须要达到原来的 4 倍(大约 16 年)才能让使用阶段的碳足迹接近制造阶段的碳足迹

使用寿命为 5 年的 24 英寸显示器的碳足迹平均为 655 千克二氧化碳。

其他产品也有类似问题。据制造商称,自动调节房屋供暖的 Google Nest 恒温器的碳足迹为 30 千克二氧化碳(假设使用寿命为 10 年)。其中生产阶段的碳足迹占 82%,使用阶段占 15%。这些设备必须运行大约 55 年才能平衡两个阶段的排放比例,但电池寿命往往达不到 50 年。

云与终端设备:哪个消耗更多的资源?

2019 年,我们与博士生洛伊克 · 盖根(Loïc Guegan)开发了一个模型,计算网络系统的能耗。我们研究了谷歌的一款产品。从我们的研究结果看,如果云端只管理几个恒温器,那么云端的能耗大于设备节省的能耗,一旦恒温器数量超过 20,恒温器节省的能耗就会超过云端能耗。

云端技术是其余联网技术中能耗最高的一项。网络摄像头将拍摄到的内容通过 WiFi 传输到云端进行图像识别,网络摄像头本身的功率是云端的一半。如果是通过靠近用户的几个小型数据中心处理信息,那么摄像头所消耗的能量甚至只有云端的三分之一。

通过我们的模型,我们还分析了智能电网等技术。它可以根据用户的行为来调节供电,合理控制能源供应,从而减少消耗。但是计算调整方式的成本是多少?我们可以继续优化么?

到目前为止,关于智能电网碳足迹的研究很少。我们可以对已有交通流量进行建模并计算它对电网的影响,在电动汽车发展的背景下,我们通过模拟开发了一种优化基础设施软硬件的方法,通过给用电高峰加以缓冲措施限制电网的超负载运行。

许多科学家和公司目前正在研究使数字化发展更加环保的方案。一些方案避免不必要的能源消耗,开发更加环保的软硬件,提高能源的使用效率。也有方案旨在延长设备的使用寿命和制定能够反映实际环境影响的有效指标。

2015 年制定的《巴黎协定》呼吁世人减少自己的碳足迹,人们通常将数字化视为解决方案的一部分,而忽略了数字化本身带来的问题。不过,我们每个人都可以通过合理地使用当前的信息技术,为减少信息化带来的碳足迹做出贡献,比如关闭不必要的浏览器标签页、使用下载音乐而不是在线流媒体听歌等。

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