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          來源: 光明網-《光明日報》 作者: 發布時間: 2021-12-08

          電子設備越來越多,網絡速度越來越快,云端應用越來越方便,但它們帶來的能耗也越來越不可忽略。

          由于新冠肺炎疫情的影響,居家辦公對許多公司來說越來越重要。居家辦公使通勤明顯減少,也省下了辦公室的暖氣和電力費用。但是,居家辦公,以及隨之而來的對互聯網的大量使用真的對環境有益嗎?要回答這個問題,我們必須了解數字技術對生態有哪些影響,以及如何降低這些影響。但遺憾的是,當想要對復雜網絡化的系統進行深入研究時,評估就會變得極為復雜。

          1 為何要計算互聯網的能耗

          互聯網介入大眾生活已有大約30年。到目前為止,它已經成為約46億用戶不可或缺的工具。這項成就推動了萬維網的快速發展。日常生活中越來越多的領域正在向線上發展,包括電子郵件、即時通信工具、搜索引擎、社交網絡、云存儲、流媒體服務等。

          互聯網的結構也隨著時間的推移發生了變化,為了滿足用戶日益增進的需求,它需要變得越來越復雜。然而,一個許多用戶忽視的事實是:與此相關的技術也消耗了大量的能源和資源。

          在我們如今生活的時代,氣候變化的影響首次變得如此明顯。在工業國家,政府目前已經開始聯合科學家共同制定保護環境的措施。但到目前為止,幾乎沒有任何關于數字化發展后果的研究可供參考。只有少數研究表明,無論是在能源、原材料的消耗還是在碳足跡方面,相關的現狀都令人擔憂。然而,研究很難給出一個具體的數字,因為不同研究得出的結果也存在較大的差異。

          在2014年發表的一篇論文中,葡萄牙里斯本技術大學的弗拉德·科羅阿默和瑞士蘇黎世大學的洛倫茨·希爾蒂開展了一項綜合研究,分析了過去10年間所有關于互聯網能耗的文章。他們在研究中發現,不同結果間的差異可以達到4個數量級。有幾個原因造成了這種結果:測量中的準確性、模型中使用的近似值以及研究的范圍。例如,在面對終端設備帶來的影響時,考慮與不考慮這個因素就會造成巨大的差異。這就是為什么我們很難確定居家辦公是否對整體環境有益,換個方式來理解:我們很難確定使用一次搜索引擎的能耗,它到底相當于電熱水壺工作10分鐘還是3小時的能耗?

          近年來,科學家開始頻繁地討論這個復雜的話題。為此,我們分別分析了構成互聯網的聯網系統和相關技術設備。我們的目標是詳細分析出每個獨立模塊的能耗,并找到盡可能降低能耗的方法。在我們能成功做到這一點之前,還有大量的工作需要推進。但目前我們已經在這方面取得了一些進展。

          2015年,國際研究組織GreenTouch發表了一篇文章,設想可以建立一個全球性的互聯網設施。在這套設施的基礎上,即使數據流按現有的程度持續增長,2020年的能源消耗也會比2010年減少98%。如果這個建議在北美、歐洲和日本實施,節省的碳排放量將相當于580萬輛汽車的排放量。然而,實施這項舉措需要更改大量的基礎設施結構,變革大量的技術。

          2 互聯網是由什么組成的

          對于這樣的評估,我們首先要了解網絡涉及哪些硬件和軟件系統、它們的使用方式以及使用它們需要多少電力和其他原材料。例如,如果我們在搜索引擎上搜索一個術語,這一動作會同時調動物理(硬件)結構和虛擬(軟件)結構。前者包括進行查詢的設備(例如 PC、智能手機或平板電腦)、用于傳輸數據的多個網絡以及處理搜索請求的位于數據中心的服務器。

          服務器上可以安裝虛擬機。它可以模擬生成一個獨立于服務器操作系統的環境,在這個環境中用戶可以執行程序和應用。同時,在線服務大多基于云計算,這意味著數據處理所需的基礎設施位于云端。供應商根據使用性能指標和負載平衡來選擇合適的設備處理請求。這種操作占用的資源量取決于服務器所在的位置。因此,使用不同的處理方式來處理請求時,能耗結果會有很大差異。

          相比于搜索,如果我們研究在線視頻背后的運行機制,事情就會變得更加復雜。根據“The Shift Project”(一家致力于發展無碳經濟途徑的法國協會)的數據,視頻流在2019年占全球數據流量的80%。

          通過電視觀看視頻時,單個信號發射器是同時向多個接收器傳輸數據的。在線視頻則不同:每個觀看者都擁有自己的數據流,這意味著觀看在線視頻時,數據流量與用戶數量成比例增加。在通過電視觀看視頻時,數據流量僅取決于信號中包含了多少個頻道。

          這就是為什么像網飛這樣的平臺不能像普通網站那樣使用客戶端—服務器系統的原因。在普通網站中,中央服務器將數據分發給多個用戶。而網飛等平臺不同,它們需要通過內容分發網絡將數據復制到各地的服務器中,讓服務器盡可能在地理上接近消費者。

          這種強大的冗余結構可實現可靠的視頻傳輸并避免長距離數據傳輸。為確保數據完美地傳遞給客戶,視頻必須隨時能以不同格式出現在全球各地,并且重復使用。因此,流媒體供應商會調用分布在多個數據中心的大量服務器。2018年,來自英國倫敦瑪麗皇后大學的蒂姆·博特格和他的同事研究推測,為了投遞視頻內容,網飛至少在600多個數據中心使用了8500臺服務器。但是,這些數據中心并不屬于網飛,而是屬于相應的網絡運營商。

          已有研究清楚地表明,網絡數據的傳輸會途經許多設備?;ヂ摼W的物理組成分為三個部分:有線或無線網絡、裝有服務器的數據中心以及用戶的終端設備。這些設備和網絡都會對環境產生影響,而這正是我們的研究目標。

          為了估算通信網絡的能源消耗,我們需要以技術標準來分類評估。例如,有基于銅線、光纖或無線的傳輸方式分類。此外,網絡依賴于路由器、交換機和天線等設備,這些設備的使用壽命有限并且也會對環境產生壓力。

          網絡運營商現在提供多種蜂窩標準服務:2G、3G、4G和5G。但是,當出現新技術時,為了確保所有終端設備的正常使用,運營商并不會停止舊技術的服務。對于消費者來說,為了能夠使用最新技術,通常必須購買新的設備,這就讓希望使用最新技術的用戶不得不替換掉原本還可以使用的手機。

          每代網絡技術都會增加每個用戶的可用帶寬,這實際上是增加了數據流量。法國電子通信監管機構(Arcep)在2020年4月報告稱,2019年法國SIM卡的平均月消費量為7GB。但僅看4G SIM卡的平均月消費量時,流量卻達到了9.5GB。

          數據收發過程中還有不同的協議,它們規定了網絡中的數據是如何接收和發送的,并保障了通信過程的穩定性和通信性能。但在發展過程中,人們并沒有留心去減少它們對環境的影響。例如,與電信相關的設備(例如WLAN路由器)通常是永久開啟的,因此會白白浪費大量能源。

          3 數據中心的影響

          除了電信網絡,數據中心也會給環境帶來壓力。數據中心有大量的服務器,同時需要配套冷卻系統和其他的冗余系統,以此保證運行的可靠性。與此同時,一些運營商正在測試各種熱回收機制,希望減少電力的消耗。

          許多專家使用PUE(電源使用效率)來衡量數據中心的效率,這個指標量化了除服務器之外的能源成本(主要是由于冷卻)。運營商試圖將PUE的值推向最理想的情況。在這種情況下,與信息技術設施的能耗相比,制冷能耗可以忽略不計。但是僅僅關注這個數字是沒有意義的,因為它并不能評估信息技術設備的使用效率。

          一些大型數據中心使用它們自己生產或購買的可再生能源??墒?,這往往達不到自給自足的程度。按照蘋果公司的官方聲明,他們產生的再生能源與公司所消耗的一樣多。然而,發電裝置在白天和天氣好的時候才可以運行發電,而耗電裝置卻是連續運行的。所以蘋果公司會賣掉(白天好天氣時)生成的多余電力,并在夜間回購設備運行所需的部分電力。

          數字基礎設施的主要問題在于它們的使用狀態一直處于變化中。2015年,正常運行時間協會(Uptime Institute)估計:在美國,有30%的服務器在沒有任何工作負載的情況下保持開機狀態。雖然設備幾乎沒有工作任務,但功耗并不會趨向于零,而是趨向于最大功率的一半。雖然服務器的工作強度很低,它仍然會消耗很多能量,路由器等其他設備效率甚至更低。

          因此,我們研究了如何盡可能經濟地運營數據中心。2018年,我與同事伊薩姆·拉伊斯共同研究的結果表明,如果服務器已經有3分鐘未使用,就應將其關閉。為了達到這個目的,還需要可靠的模型來預測服務器的使用高峰,以便提前重啟設備。目前已經有算法可以計算這樣的開啟和關閉周期了。此外,我們還可以在不影響用戶使用體驗的情況下,將服務集中在一些服務器中。其他建議則包括控制處理器的頻率和電壓,這樣可以在設備負荷不滿的情況下降低功耗。所有這些方法都可以減少信息技術基礎設施對環境的影響。

          除了數據中心和通信網絡,用戶的終端設備也會對環境產生影響。2018年,全球約有90億臺終端設備,其中包括20億部智能手機和10億部電腦,其余的則由近年來越來越流行的智能設備構成。

          這些智能終端的生態足跡促使我們不得不審視自己的消費習慣:產品所宣傳的功能只是噱頭還是真的能讓我們的生活更輕松?從智能壓力鍋到糖尿病患者的血糖傳感器——很難找到一個客觀標準來評估。盡管如此,它們對環境的影響是可以確定的。

          蘋果公司在2019年進行了一項研究,評估配備16英寸屏幕、512GB存儲空間和2.6GHz處理器的MacBook Pro在4年的使用壽命內的平均溫室氣體排放量。結果顯示,這種筆記本電腦的碳足跡約為394千克二氧化碳。其中僅生產制造階段就占了75%,運輸階段占比5%,使用階段占比19%,處理階段不到1%。按照這組數據,設備的使用年限必須要達到原來的4倍(大約16年)才能讓使用階段的碳足跡接近制造階段的碳足跡??偟膩碚f,加強產品的可持續性一定是可取的。

          其他產品也有類似問題。據制造商稱,自動調節房屋供暖的Google Nest恒溫器的碳足跡為30千克二氧化碳(使用壽命按照10年來計算)。其中生產階段碳足跡占82%,使用階段占15%。這些設備必須運行大約55年才能平衡兩個階段的排放比例,但電池壽命往往達不到50年之長。

          4 云與終端設備:哪個消耗更多能源

          2019年,我們與博士生洛伊克·蓋根開發了一個模型,計算網絡系統的能耗。我們研究了谷歌的一款產品。從我們的研究結果看,如果云端只管理幾個恒溫器,那么云端的能耗大于設備節省的能耗,但恒溫器數量一超過20,恒溫器節省的能耗就會超過云端能耗。人們必須衡量兩者的收益。

          云端技術是其余聯網技術中能耗最高的一項。網絡攝像頭將拍攝到的內容通過WiFi傳輸到云端進行圖像識別,網絡攝像頭本身的功率是云端的一半。如果是通過靠近用戶的幾個小型數據中心處理信息,那么攝像頭所消耗的能量甚至只有云端的三分之一。這種情況越來越頻繁,尤其是在與5G網絡相關的情況下。

          通過我們的模型,我們還分析了智能電網等技術。它可以根據用戶的行為來調節供電,合理控制能源供應,從而減少消耗。但是計算調整方式的成本是多少?我們可以繼續優化嗎?

          到目前為止,關于智能電網碳足跡的研究很少。我們可以對已有交通流量進行建模并計算它對電網的影響,在電動汽車發展的背景下,我們通過模擬開發了一種優化基礎設施軟硬件的方法,通過對用電高峰加以緩沖措施限制電網的超負載運行。

          許多科學家和公司目前正在研究使數字化發展更加環保的方案。一些方案避免不必要的能源消耗,開發更加環保的軟硬件,提高能源的使用效率。也有方案旨在延長設備的使用壽命和制定能夠反映實際環境影響的有效指標。

          2015年制定的《巴黎協定》呼吁世人減少自己的碳足跡,人們通常將數字化視為解決方案的一部分,而忽略了數字化本身帶來的問題。分析評估數字化的影響、控制和減少它帶來的碳足跡非常重要。合理使用當前的信息技術,比如關閉不必要的瀏覽器標簽頁、使用下載音樂而不是在線流媒體聽歌等,我們每個人都可以為減少信息化帶來的碳足跡作出貢獻。

          鏈 接

          一次網絡搜索

          使用一次搜索引擎需要消耗大量能源。涉及的硬件包括智能手機、路由器和數據中心的設備,它們都會消耗電力。當搜索結果返回時,所有設備會被再次調用。此外,一次搜索還會調用所涉及的每個網絡中的應用程序和軟件協議。在數據中心中,多臺服務器會同時處理查找搜索結果以加快處理速度。對于某些搜索引擎,例如當您使用數據中心鍵盤輸入時,它們會提供關鍵字,這時許多設備就已經處于活動狀態。此外,許多網站還會使用個性化廣告、用戶身份驗證或實時信息顯示等服務。(見圖一、圖二)

          圖一

          數字化的能耗陷阱

          圖二

          互聯網

          互聯網是一個由許多子網絡組成的巨大網絡,它連接了數百萬個獨立單元傳輸數據,每個用戶基本上都可以平等地搜索信息。這一網絡中立原則是保證在不區分發送者接收者或內容的情況下平等地對待互聯網上的所有數據流。信息在各種網絡之間來回流動,直到到達目的地。

          互聯網的底層網絡包含一個核心區域,即人們所說的骨干網,它由高速光纜組成。在德國,骨干網共有74個節點,其中10個節點具有極快的傳輸速率(見圖三)。

          圖三

          節點連接到骨干網絡的不同部分,然后通過電視電話線將數據傳遞給用戶。德國最大的交換點位于萊茵河畔的法蘭克福。


          作者:安妮-塞西爾·奧格里,系法國雷恩計算機科學和隨機第三研究所的科學家,勞倫特·萊弗爾,系法國里昂高等師范學院并行計算實驗室的研究員 翻譯:郭眾(本版圖文由《環球科學》雜志社供稿)


          《光明日報》( 2021年12月08日 14版)


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