Frugalité Numérique : Réseaux (Quatrième partie)

 

Thème de ce quatrième billet sur la Frugalité Numérique : les réseaux.

Liens vers les trois billets précédents :

Premier billet : présentation générale de la thématique Frugalité Numérique.

Deuxième billet : les centres de calcul.

Troisième billet : les objets d’accès.

Trouver des informations claires et fiables sur les dimensions énergies pour les réseaux a été beaucoup plus complexe que je pouvais le penser en commençant cette étude.

Des chiffres alarmistes ont été publiés sur les consommations d’énergies liées aux usages des réseaux, et en particulier de la vidéo.

L’exemple des annonces de Greenpeace, résumé dans le graphique ci-dessous, est emblématique.

De son côté, le « Shift project », qui réalise des études intéressantes sur les usages numériques, à publié en 2019 un rapport au titre alarmiste : “L’insoutenable usage de la vidéo en ligne”. J’y reviendrai à la fin de ce billet.

Attention : les résultats de mes analyses vont en surprendre plus d’un.

Je m’attends à des réactions fortes des “puristes” de l’écologie qui ne vont pas aimer du tout ce que j’écris et démontre dans ce billet.

 

Hypothèse : les réseaux numériques sont indispensables

Les réseaux de transport de données sont indispensables pour des usages numériques, pour les entreprises et le grand public. C’est la quatrième infrastructure clef, après l’eau, l’électricité et les réseaux de transport physique.

Comme pour toute technologie numérique, il faut clairement différencier les dimensions infrastructures et usages des réseaux. Ce billet n’analyse que la dimension infrastructures des réseaux, un billet entier sera consacré aux usages.

Les infrastructures réseaux, comme les voies ferrées pour la SNCF, représentent des investissements à long terme très élevés. Leur consommation d’énergie est peu impactée par les usages. Une fibre optique, une borne WiFi, qu’elles soient au repos ou qu’elles transportent des vidéos, consomment à peu près autant d’énergie.

Dans le domaine des réseaux haut débit sans fil 4G et 5G, tous les opérateurs travaillent sur des méthodes d’optimisation de ces réseaux pour que le coût énergétique du bit transmis soit le plus faible possible et optimisé en fonction de la charge.

De très nombreux articles scientifiques sont publiés en ce moment sur ces sujets et proposent des méthodes d’optimisation à fort potentiel.

Voici quelques liens vers ces études, souvent très techniques et à fort contenu mathématique :

• GSMA (Association des opérateurs télécoms)  : optimisation de l’énergie dans les réseaux (32 pages). Selon leurs estimations, l’énergie représente environ 25% du coût de fonctionnement (OPEX) d’un réseau sans fil 4G et 5G. Les opérateurs ont un intérêt majeur à diminuer cette consommation pour réduire leurs coûts !
• Réseaux plus verts, efficients en énergie.
• Comparaison performances énergétiques WiFi et LTE pour streaming de vidéos.

Les entreprises utilisatrices de ces réseaux n’ont pas vraiment leur mot à dire sur ces sujets ; elles peuvent simplement espérer que les opérateurs feront de leur mieux pour continuer à améliorer la performance énergétique des réseaux qu’ils proposent.

 

Réseaux : infrastructures

Pour la majorité de leurs composants, les infrastructures réseau ne sont pas déployées par les entreprises ou les particuliers, mais par des acteurs industriels, opérateurs télécoms en priorité.

Ce schéma de base présente les grands composants d’une architecture de réseaux numériques.

Les réseaux vont chercher les données dans des centres de calcul d’entreprises et des clouds publics. J’ai traité ce sujet dans la deuxième partie de ces billets.

Le transport longue distance (WAN, Wide Area Network) et moyenne distance (MAN, Metropolitan Area Network) est réalisé par des fibres optiques, très peu consommatrices d’énergie. Les fibres modernes nécessitent un répéteur d’amplification du signal tous les 100 km. Le nouveau câble sous-marin entre les Etats-Unis et la France, Dunant, financé à 100% par Google, opérationnel en 2020 aura une capacité de 250 Terabit/s, permettant le transport simultané de plus de 100 millions de vidéos haute définition.

Pour la distribution de proximité (dernier km ou “last mile”) les deux principales options sont la fibre optique et les réseaux haut débit sans fil, 4G et bientôt 5G.

Dans ses locaux, l’entreprise est responsable de l’installation des réseaux numériques. En 2020, le sans-fil est dominant : WiFi, souvent complété par des petites antennes (FemtoCell ou PicoCell) qui sont des relais 4G et 5G pour assurer une meilleure couverture.

Les contenus numériques sont “consommés” par des objets d’accès, que j’ai étudié dans la troisième partie de ces billets.

 

Réseaux sans-fil dans les entreprises : quelle consommation d’énergie

Dans ce domaine des réseaux LAN (Local Area Network), les chiffres sont raisonnablement bien connus, pour le WiFi et les réseaux 4G et 5G.

Les réseaux WiFi utilisent deux bandes de fréquences, 2,4 GHz et 5 GHz. En France la puissance maximale d’émission est limitée à :

• 100 mW dans la bande 2,4 GHz, en intérieur et en extérieur.
• 200 mW dans la bande 5 GHz, en intérieur. L’expression “PIRE” utilisée dans le tableau ci-dessous signifie : “Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente”. Ils auraient pu choisir un acronyme plus sympathique !

Selon leur puissance et leurs performances, les bornes WiFi consomment entre 5 et 20 watts ; je vais utiliser comme valeur moyenne 10 watts, l’équivalent d’une ampoule basse consommation. En faisant l’hypothèse qu’une borne WiFi dans une entreprise permet à une dizaine de personnes de se connecter, on arrive à 1 watt/h par personne de puissance électrique pour permettre des communications à très haut débit.

Les chiffres sont similaires pour les FemtoCell ou PicoCell : elles consomment entre 7 et 15 watts, 10 watts en moyenne.

En résumé : une entreprise peut fournir un double accès très haut débit, WiFi et 4G/5G par FemtoCell, à chaque collaborateur pour une consommation d’énergie de 2 watts par heure. Ceci représente la consommation fixe permanente, indépendamment du fait que le réseau soit utilisé ou pas.

 

Impacts positifs de l’amélioration des performances techniques : WiFi et 5G

Le WiFi est une technologie jeune, du début des années 2000. La première version, WiFi 1, avait une vitesse maximale de 11 Mb/s. En 2020, les bornes WiFi 6, disponibles depuis plus d’un an, permettent une vitesse maximale de 20 Gb/s.

Cette amélioration d’un rapport 2 000 dans la vitesse de transmission, donc dans la capacité de transporter plus de bits, c’est faite à… consommation énergétique stable, la puissance nécessaire pour alimenter une borne WiFi restant de l’ordre de 10 watts. La puissance d’émission est toujours limitée à 100 ou 200 mW.

Ceci à une conséquence majeure, positive, et trop souvent oubliée par les organisations et personnes qui se plaignent de l’augmentation de la demande de bande passante liée à une meilleure qualité des images, photos et vidéos.

En 20 ans, le coût énergétique de transmission en WiFi d’un bit

a été divisé par 2 000 !

Oui, le volume de données transmises augmente vite. Une étude de Cisco montre que le volume de données à transmettre sera multiplié par 3 entre 2017 et 2022. 70% de ces données seront transmises en sans fil, dont 51% en WiFi. C’est beaucoup, oui, mais c’est moins que l’amélioration des performances des réseaux WiFi !

On retrouve aussi cette croissance exponentielle des débits dans les réseaux mobiles. En 2020, la 5G a une vitesse théorique de 10 Gb/s en débit descendant, 10 000 fois plus que le débit théorique de 1 Mb/s de la 3G des années 2005.

Résumons :

• Réseaux WiFi : débit multiplié par 2 000 en 20 ans.
• Réseaux sans fil : débit multiplié par 10 000 en 15 ans.
• Augmentation de la demande de bande passante : 3 fois plus en 5 ans.

Les performances des fibres optiques sont elles aussi en croissance exponentielle. La nouvelle fibre Equinao, qui relie le Portugal à l’Afrique du Sud, financée par Google, a une capacité… 20 fois supérieure à celle de toutes les fibres existantes sur ce même parcours ! Dans les réseaux WAN et MAN, les performances vont aussi augmenter plus vite que la demande.

Ces améliorations exponentielles des vitesses de tous les réseaux, LAN, MAN et WAN vont continuer pendant longtemps. C’est une très bonne nouvelle pour la planète :

La capacité des réseaux va augmenter plus vite que la demande

et le coût énergétique des réseaux va rester stable =

 plus de données transmises à énergie constante.

Pour compléter cette analyse avec d’autres bonnes nouvelles, j’ai choisi de comparer l’usage d’une borne WiFi et d’un four à micro-ondes, qui fonctionnent tous les deux sur la même fréquence de 2,4 GHz. Les résultats sont “intéressants”.

• En fonctionnement, un micro-ondes consomme environ 1 000 W, une borne WiFi, 100 mW, soit 10 000 fois moins : 1 minute de micro-ondes = 166 heures de WiFi.
• En organisant 2 heures de vidéoconférences par jour, 200 jours par an, l’énergie utilisée est équivalente à 2,5 minutes de micro-onde… par an !
• En mode veille, un micro-ondes consomme 26 kW par an, une borne WiFi 88 kW.

Ces chiffres montrent que les coûts énergétiques des réseaux sans fil pour des usages numériques dans les entreprises sont très bas, comparés à toutes les autres consommations d’énergie liées à l’éclairage, au chauffage ou à la climatisation.

In Memoriam : réseaux filaires en entreprise

Je n’ai pas évoqué les réseaux filaires historiques, téléphoniques ou Ethernet, qui ont été très longtemps dominants dans les entreprises. De plus en plus d’entreprises, telles que Veolia ou Sanofi, profitent d’un déménagement pour les supprimer. C’est une excellente démarche pour réduire les consommations d’énergie qui étaient liées aux téléphones IP et aux centraux téléphoniques.

 

Coûts énergétiques des réseaux de transport CDN, MAN et WAN

Quel est le coût de transport des données entre les centres de calcul où elles sont stockées et les bornes WiFi des entreprises, la partie “CDN” du schéma présenté au début de ce billet ?

Les données générales sur ce sujet sont difficiles à obtenir et c’est compréhensible, au vu de la variété et du nombre d’acteurs.

J’ai choisi d’utiliser le cas de l’un des plus grands transporteurs de contenus numériques au monde, Netflix. Pourquoi ? Les données publiées par Netflix permettent de faire des calculs précis et sérieux.

 

Exemple chiffré : Netflix

Netflix publie tous les ans des chiffres détaillés sur ses abonnés et sur ses consommations d’énergie électrique.
N’oublions pas que Netflix est considéré par beaucoup d’organisations militantes pour le climat comme un “grand méchant” pollueur, à l’origine d’usages immodérés des réseaux.

Le document de référence que je vais utiliser pour ces calculs est leur “Environmental Social Governance Report” pour 2019.

Netflix, un bon élève pour la Frugalité Numérique !

Netflix utilise des algorithmes propriétaires de compression des flux vidéos qui réduisent dans un rapport trois les volumes de données transmis. Quand on sait que Netflix représente environ 15% des flux vidéos mondiaux, c’est une économie majeure. Bravo, Netflix.

Netflix a été l’une des premières grandes entreprises d’Internet à basculer sur le cloud d’Amazon, AWS : en 2012, 95% de ses usages étaient déjà sur AWS. Aujourd’hui, Netflix utilise AWS et GCP de Google pour 100% de ses usages numériques. Dans mon billet qui analyse les centres de calcul, j’ai montré que Google et Amazon étaient les meilleurs élèves de la classe et géraient mieux que quiconque leurs centres de calcul. En 2019, Google était à 100% en énergies renouvelables et AWS à environ 50%.

Netflix évalue à 357 000 MWh sa consommation d’énergie pour ses infrastructures externalisées et la compense à 100% avec des certificats régionaux d’énergies renouvelables. Si je comprends bien, Netflix compense à 100% des énergies qui sont déjà 100% renouvelables. Concrètement, plus on utilise Netflix qui compense à près de 200%, meilleur c’est pour le climat !

Bravo, Netflix pour ces choix d’infrastructures, bons pour la planète.

Netflix utilise ses propres infrastructures pour le transport des flux, dans la partie CDN, Content Distribution Network. La consommation d’énergie de Netflix pour ses usages internes et pour ses CDN a été de 94 000 MWh en 2019. Netflix compense aussi à 100% en crédits d’énergies renouvelables ses dépenses énergétiques CDN. Bravo, Netflix.

Dans mes calculs, je fait l’hypothèse que 100% de cette consommation d’énergie est liée à ses activités CDN, et donc la majorer, ne connaissant pas la part relative à leurs usages internes tels que gestion de leurs bureaux.

Les chiffres pour 2018 sont de 194 000 MWh pour les centres de calcul et de 51 000 MWh pour la partie CDN.

Une étude, réalisée pour l’année 2018 par un organisme d’analyse des consommations de vidéos par les personnes, donne les chiffres suivants, pour Netflix :

• Nombre d’abonnés dans le monde : 140 millions.
• Temps moyen d’utilisation de Netflix : 71 minutes par jour.
• Nombre d’heures Netflix visionnées par jour : 165 millions.

Tous ces chiffres me permettent de calculer le coût énergétique CDN d’une heure de vidéo Netflix, résumé dans le tableau ci-dessous, en utilisant les chiffres de 2018.

J’ai refait plusieurs fois les calculs, tant les résultats m’ont surpris : 1 heure de vidéo transportée par Netflix consomme 0,84 Wh. Pour simplifier, je vais arrondir à 1 Wh.

1 heure de vidéo Netflix transportée par Internet = 1 Wh

Permettez-moi maintenant de revenir sur les chiffres de Greenpeace que j’avais cités au début de ce billet. On y trouve la phrase suivante :

“Il faut plus d’énergie pour diffuser une vidéo HD en streaming depuis le Cloud que pour fabriquer et expédier un DVD”

J’ai cherché, sans succès, leurs sources ; je vous ai donné les miennes. Mes calculs correspondent exactement à ce qu’ils nomment le “streaming depuis le Cloud”.

Qui croire ?

Je ne connais pas le coût énergétique complet de fabrication d’un DVD, de l’extraction des matériaux nécessaires à sa fabrication, des matériaux nécessaires à son emballage, de son transport depuis un pays asiatique, de sa mise à disposition dans un point de vente en France, de son transport chez le client final et de l’énergie consommée par le lecteur de DVD pour transmettre les données sur une télévision, un PC ou un smartphone. Je suis par contre certain que c’est… sensiblement plus élevé que le 1 Wh de son streaming depuis le Cloud !

En prenant comme hypothèse très basse que toutes ces actions consomment au minimum 1 kWh, on arrive à la conclusion “intéressante” suivante :

Visualiser une heure de vidéo depuis Internet est

1 000 fois moins consommateur d’énergie que d’acheter un DVD !

 

Retour sur le document vidéo en ligne du Shift Project

Dans l’introduction de ce billet, j’ai cité le document du Shift project de 2019 qui alertait sur les risques que faisait peser sur la planète la croissance des flux vidéos.

Ce long document de 38 pages contient beaucoup d’informations intéressantes :

• Oui, la vidéo représente près de 80% des flux de données.
• Oui, sa répartition par familles d’usages pose des questions de société, par exemple le volume important des flux pornographiques.
• Oui, il insiste sur les usages et leurs dimensions sociales, humaines et politiques.

Par contre, certaines recommandations de ce rapport me semblent peu pertinentes, car elles mélangent les dimensions usages, dominantes, et infrastructures, pas assez étudiées à mon avis.

Ce document ne prend pas en compte la croissance exponentielle des performances des réseaux, plus rapide que les volumes des données à transmettre.

Exemple de recommandation peu pertinente : demander aux utilisateurs de visualiser une vidéo avec une définition minimale n’a aucun impact sur la consommation d’énergie, comme je l’ai montré dans mon analyse. Sur une borne WiFi qui n’est pratiquement jamais saturée, diffuser en basse définition ou en 4K n’a aucun impact sur la consommation d’énergie de cette borne.

Tenir des discours alarmistes, faire du “numérique bashing”, ce sont de très mauvaises idées qui rendent un mauvais service à la planète. Si l’on souhaite que les dirigeants, les DSI et les collaborateurs des entreprises prennent des décisions efficaces pour améliorer la Frugalité Numérique de leur entreprise, il est essentiel de tenir un discours rationnel et factuel, pour leur permettre de déclencher des actions qui auront des impacts concrets et rapides.

 

Synthèse sur les consommations énergétiques des infrastructures réseau

J’ai passé beaucoup de temps à chercher des données fiables, à faire des calculs clairs correspondant à l’ensemble des étapes du transport de données par des réseaux numériques, depuis les centres de calcul jusqu’à leur arrivée sur les objets d’accès.

• Les dépenses énergétiques LAN et MAN/WAN sont identiques, 1Wh.
• Sur le réseau LAN, on utilise l’une des deux technologies, WiFi et 4G/5G.

En résumé :

1 heure de vidéo transmise d’un centre de calcul

à un objet d’accès consomme 2 Wh.

J’ai été surpris par ces résultats ! L’important est qu’ils sont très encourageants pour l’avenir du numérique dans les entreprises.

Ils sont résumés en enrichissant l’un des premiers schémas de ce billet.

Je vous propose de terminer ce billet par un message fort et positif :

Un usage numérique qui apporte de la valeur à une entreprise

ne doit jamais être freiné par l’idée que la consommation de réseaux

qu’il induit est mauvaise pour la planète.

 

Comments

[Rédigé par : Jean-Pierre Corniou]

Excellent document, merci !!

[Rédigé par : Louis Nauges]

Merci, Jean-Pierre,

Le sujet de l'énergie dans le monde est capital pour notre planète et j'essaie, modestement, de contribuer positivement à ce débat en prenant une approche rationnelle.

J'avais commencé par une hypothèse forte : plus de numérique est bon pour la planète.

Plus j'avance dans mes analyses, plus cette hypothèse se confirme, et tant mieux !

Il me reste trois billets à écrire, sur le stockage, l'impression et surtout les usages pour terminer cette longue série.

Je pourrais alors aider rapidement et efficacement les entreprises qui sont sérieusement motivées par l'impact de leur Transformation Numérique sur la planète à prendre et mettre en œuvre des décisions fortes et rapides.

[Rédigé par : Sylvain]

Toujours intéressant.
J'avais moi même fait des calculs dans un autre domaine, le transport par bateau. Et si on rapporte à un objet, pareil, on obtient pour venir de Chine quelque chose de dérisoire. Et pareil, si on augmente la taille du bateau, on va encore réduire la part de consommation à attribuer à un objet.
Mais je ne suis pas sûr que la consommation due au transport maritime finisse par baisser. Ni que la consommation de charbon en Chine ne baisse fortement.
Il y a une autre chose qui me gène c'est l'idée que les centres de calculs consomment 100% de renouvelables. Les seules énergies bas carbone qui peuvent les faire tourner sont l'hydraulique et le nucléaire. Si on veut avoir le taux de service qu'ils proposent mettons en solaire, cela veut dire qu'ils doivent installer une surface équivalente pour qu'une journée d'hiver ils puissent satisfaire la consommation de la journée et charger des batteries pour la nuit. Et que deviendrait l'excédent le reste de l'année ? Ou alors avoir des datacenter tout autour du monde et en lancer un au fur et à mesure de l'arrivée du soleil. Ou ce qui est plus probable bénéficier la nuit du réseau.
Si le datacenter est relié au réseau, on devrait dire AWS (par exemple) a une activité de datacenter à laquelle on applique le mix électrique du pays. Et une activité de production d'électricité qui certes participe à décarboner la production d'électricité du pays mais qui doit être comptée à part.
Cela permet d'éviter de dire que plus on consomme et moins on pollue.
Par exemple un datacenter même en Finlande va consommer deux fois plus d'énergie fossile qu'en France (bon ça va s'équilibrer puisqu'ils vont finir par ouvrir leur EPR pendant que nous on ferme nos centrales actuelles).
Pour les références du shiftproject, vous avez des tableaux de calcul ici :
https://theshiftproject.org/article/climat-insoutenable-usage-video/
Il y a une question peu abordée, c'est l'aval : si on remplace un appareil (réseau ou d'accès) par un plus efficace, est-ce qu'on est sûr que le premier va être recyclé ?

[Rédigé par : Oupsman]

Je reste surpris par les chiffres que vous annoncez sur le réseau local d'un particulier : j'ai installé une prise Watt mètre sur mon modem, et il est plutôt à 10W qu'à 100mW ...

Mais globalement, ça ne change rien au résultat : on est à 11Wh pour 1h de visionnage sur Netflix, c'est que dalle.

[Rédigé par : Louis Nauges]

@Oupsman

J'ai bien précisé dans mon texte qu'un routeur WiFi consomme 10W, et vous confirmez mon chiffre, merci.
Par contre, la puissance d'émission est bien de 100 mW, puissance maximale autorisée par les états.

Le calcul que j'ai fait est orienté entreprises, d'où mon hypothèse de 10 personnes actives par borne WiFi, et la valeur de 1 W par personne.

Dans un environnement personnel, tout dépend du nombre de personnes utilisant la borne.
- Une seule personne : il faut lui affecter les 10 W.
- Plusieurs personnes : diviser les 10 W par le nombre de personnes. Si 4 personnes utilisent en même temps le réseau WiFi, cela correspond à 2,5 W par personne.

J'espère que cela répond à votre question.

[Rédigé par : Louis Nauges]

@Oupsman

Il est important de noter la différence entre un routeur WiFi allumé, qui consomme 10 W que l'on transmette des données ou pas et ses émissions quand il est actif.

Dans un foyer, un routeur WiFi allumé 24h/24h, 7j/7j, consomme en moyenne 88kW, ce qui est significatif.
Eteindre son routeur pendant les périodes de non usages, nuit, vacances, WE, a un impact positif fort, et peut diviser par 2 cette consommation.

Par contre, l'utiliser pour transmettre des données, vidéos ou autres, n'a qu'un impact minimal sur sa consommation totale.