Le numérique sous contrainte énergétique

• 07/10/2022
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Du fait de la miniaturisation des équipements, de l’invisibilité des infrastructures, de l’image et le vocabulaire des services du « cloud », l’empreinte environnementale du numérique est très largement sous-estimée par ses utilisateurs. Pourtant, dans l'ensemble du secteur - y compris les datacenters qui stockent et traitent les données, les réseaux de transmission qui transfèrent les données via des réseaux fixes ou mobiles, et les terminaux connectés tels que les ordinateurs et les smartphones qui échangent des informations – le numérique représente environ 5 % de la consommation mondiale d'électricité ( en hausse de 9% par an) et 3 % des émissions mondiales de carbone. Comme tous les secteurs, les Technologies de l’Information et de la Communication (TIC) doivent relever des défis dans leurs efforts de décarbonisation.

On observe aujourd’hui des tendances lourdes :

• Une croissance continue du trafic de données et de la puissance de calcul
• Des investissements croissants dans les applications énergivores
• L’apparition de barrières physiques à l’efficacité énergétique
• La production croissante d’équipements connectés et irréversibilités structurantes
• La réduction de la durée des cycles de vie des équipements

Empreinte globale des TIC

L'empreinte carbone mondiale des TIC est plus importante que celle de l'industrie aéronautique.

Impact environnemental du numérique mondial :

• 5% de la consommation énergétique mondiale
• 3% des émissions mondiales (1400 millions de tonnes de GES) ou 1/3 des émissions totales de l’UE
• 7.8 millions de m3 d’eau douce
• 700 minerais différents (dont certains rares et toxiques comme l’Antimoine ou le mercure)

D’après une étude du WWF de 2018-2019 (24 entreprises du CAC40) a révélé que pour un salarié, l’empreinte numérique annuelle est :

• 800 kg de GES
• 14 000 L d’eau
• 3kg de déchets électronique (soit 1 smartphone/10 jours)

Sur une journée au bureau (200 jours ouvrés) , c’est l’équivalent de :

• 2 radiateurs 600 W allumés pendant 8h
• Equivalent énergétique de 29 km en voiture (6380 km/an)
• 7 pack d’eau de 9L (56L) soit une douche par jour

Le calcul des émissions doit tenir compte de l'ensemble du cycle de vie et de la chaîne d'approvisionnement des produits et des infrastructures des TIC, notamment : l'énergie dépensée pour la fabrication des produits et des équipements ; le coût du carbone associé à tous leurs composants et l'empreinte carbone opérationnelle des entreprises qui les fabriquent ; l'énergie consommée lors de l'utilisation des équipements ; et leur élimination une fois qu'ils ont rempli leur fonction.

Il s’avère que c’est la première phase du cycle de vie du numérique, à savoir la fabrication des équipements, qui a le plus d’impact environnemental avec :

• 30% du bilan énergétique global
• 39% des émissions de GES
• 74% de la consommation d’eau
• 76% de la contribution à l’épuisement des ressources abiotiques

Prenons la cas d’un Iphone : on estime que pendant sa phase de production, un Iphone fait 300 fois le tour de la planète, quand on tient compte du transport de chacun de ses composants.
Or aujourd’hui dans le monde, il y a 40 à 60 milliards d’équipements numériques, 4 à 5 milliards d’utilisateurs, 6 à 8 équipements/habitant de la Terre. 4.5 millions de smartphones sont fabriqués par jour, soit 1.7 milliards par an !

L’indicateur MIPS (Material Intensity Per unit of Service) ou sac à dos écologique mesure l’intensité en ressources de la fabrication d’un objet. Par exemple, il faut 500 fois le poids d’un smartphone en matières premières pour le fabriquer. Pour une voiture c’est 54 fois.
Si on ajoute les impacts associés à la production de l’électricité qu’ils consomment, les équipements utilisateurs (hors Box DSL/Fibre) totalisent 29% à 84% des impacts.

L’explosion du trafic des données est également inquiétant.

Aujourd’hui le trafic de données s’élève à 380 milliards de gigabytes/mois, avec une augmentation constante de 25% par an. Le transport d’une donnée coûte entre et 300 et 500 fois plus d’énergie que le stock de la données. C’est la vidéo qui pèse le plus dans le trafic de données, environ 4/5 de notre consommation énergétique mondiale. La pornographie tient une part de près de 30% des usages de la vidéo en ligne soit l’équivalent de 15 à 20 centrales nucléaires utilisées en permanence pour cet usage. Les Data Centers quant à eux, pèsent pour près de 20 % de la dépense énergétique mondiale (Digital Energy Consumption 2017, source [Lean ICT Materials ] Forecast Model )

Depuis 5 à 6 ans, le numérique n’améliore plus sa performance énergétique (plafond lié à la miniaturisation extrême des processeurs et l’utilisation d’énergie primaire carbonée).

Les déchets numériques (DEEE : Déchets d’Equipements Electriques et Electroniques sont un enjeu planétaire majeur) .

Ils représentent la 3ème source de pollution humaine après le CO2 et le plastique, avec 1.8 millions de tonnes par an. C’est d’autant plus colossal, que seuls 30% sont collectés (70% part illégalement en Afrique et Asie, moins de 20% sont recyclés ). Au Ghana se trouve l’endroit le plus pollué au monde : une décharge illégale de 100 km² de déchets électroniques, provenant de la France notamment.
L’obsolescence programmée, qu’elle soit technique ou logicielle, y est pour beaucoup dans cette inflation insoutenable des déchets électroniques.

Consommations de l’IA, blockchain, Web3

L’Intelligence Artificielle (IA) présente un grand potentiel d'impact sur les émissions des centres de données du fait de la complexité des phases d’entrainement et d'inférence sur des quantités de données immenses, et en particulier pour l'apprentissage dit profond. Des chercheurs ont estimé que 284 019 kg de CO2e sont émis lors de l'apprentissage d'un seul algorithme d'apprentissage automatique pour le traitement du langage naturel, ce qui représente cinq fois les émissions d'une voiture sur toute sa durée de vie . Bien qu’il s’agisse d’un exemple extrême (un cas plus typique d'apprentissage de modèle peut ne produire qu'environ 4,5 kg de CO2), l'empreinte carbone de l'apprentissage de modèle est toujours reconnue comme un problème potentiel à l'avenir étant donné les tendances à la croissance des calculs pour l'IA : Les calculs d'apprentissage de l'IA ont augmenté de 300 000 fois entre 2012 et 2018 (une augmentation exponentielle doublant tous les 3,4 mois).

De plus, il faut rappeler que ces phases d'apprentissage font appel à de nombreux processeurs dédiés (grilles de calcul, fermes de calcul), ainsi qu'à des centres de données qui stockent les bases d'apprentissage, et à des infrastructures de réseau qui permettent d'acheminer les données vers les centres de calcul. Ces travaux s'appuient donc sur des équipements dont la fabrication et la quantité ont également un impact environnemental très élevé. Il y a très peu d’information sur la fabrication et la fin de vie des équipements dédiés à l’IA, mais les chercheurs estiment que cela représente près de 40% de l’impact.

La consommation d’énergie excessive de certaines technologies blockchains

publiques comme le Bitcoin ou Ethereum doit également interpeller. Cette consommation de l’ordre de celle d’un petit pays européen vient de l’algorithme de consensus utilisé : la preuve de travail. Depuis l’apparition du Bitcoin en 2008, de nouveaux algorithmes de consensus ont été proposés qui offrent un autre compromis entre la sécurité, la décentralisation et la consommation d’énergie. C’est le cas de la migration en cours d’Ethereum vers la preuve d’enjeu, moins énergivore.
Cette évolution vers une Blockchain plus durable est d’autant plus urgente, que le Web3 qui vise théoriquement à décentraliser le web en s’appuyant sur les technologies Blockchain, commence à émerger.

La 5G

La 5G consiste en un standard de téléphonie mobile international élaboré par le 3rd Generation Partnership Project (3GPP). L’objectif n’est plus seulement de toucher les opérateurs mobiles grand public, mais de connecter pratiquement tout le monde et tout ce qui existe, y compris les machines, les objets et les appareils.

Selon l’ARCEP, « la 5G doit permettre un saut de performance en termes de débit (qui doit être multiplié par 10), de délai de transmission (qui doit être divisé par 10) et de fiabilité de la communication. Elle devrait être un véritable " facilitateur " de la numérisation de la société, en autorisant le développement de nouveaux usages : réalité virtuelle, véhicule autonome et connecté, ville intelligente (contrôle du trafic routier, optimisation énergétique), industrie du futur (pilotage à distance des outils industriels, connectivité des machines)... »

Toutefois, les caractéristiques techniques de la 5G la rendent plus énergivore que la 4G. En effet, d’une part le réseau 5G nécessite des antennes comportant un grand nombre de « sous-antennes » (massive MIMO, multiple input multiple output). Pour les stations de base (BS), il y a 128 antennes physiques, 256 antennes virtuelles si l’on exploite les deux polarisations des ondes électromagnétiques (en comparaison, la 4G n’utilisait que 2 sous-antennes). Le débit est ainsi théoriquement multiplié par 256. D’autre part la 5G utilise des bandes de fréquences élevées, raréfaction du spectre disponible oblige, ce qui rend le traitement du signal plus énergivore et la portée bien plus faible (de l’ordre de celle du WIFI). Il faut donc densifier le réseau (2 à 3 fois plus que la 4G) en particulier dans les zones urbaines, où les obstacles physiques à la propagation des ondes radio sont plus nombreux et l’occupation du spectre plus grande.

En définitive, la consommation énergétique absolue des réseaux 5G est en moyenne 3 fois plus grande que celle de la 4G, bien que le débit moyen par utilisateur soit meilleur.

Des pistes sont avancées pour limiter la hausse des émissions carbone et réduire la consommation énergétique du réseau, notamment grâce à l’Intelligence Artificielle, mais les consommations d’usage restent le plus gros point noir, puisque la 5G a de très fortes chances de s’accompagner d’un effet rebond massif avec une production et des consommations de données accrues notamment de contenus vidéos.

La sobriété numérique c'est maintenant !

Alors que le secteur prévoit d'améliorer considérablement l'efficacité énergétique de ses produits et services, l'influence la plus importante des TIC sera de permettre des économies d'énergie dans d'autres secteurs, plus importantes que les émissions totales de l'ensemble du secteur des TIC d’ici 2030.

A ce jour malheureusement, les données historiques prouvent le contraire. Au fil des ans, l'efficacité des TIC s'est accrue et leur empreinte a pris une part plus importante dans les émissions mondiales. En outre, les TIC ont permis d'améliorer considérablement l'efficacité et la productivité, mais les émissions mondiales de gaz à effet de serre ont augmenté inexorablement malgré tout. Cela pourrait être dû en partie à ce que l'on appelle les "effets de rebond", lorsque les gains d'efficacité entraînent une augmentation de la demande.

Selon le professeur Mike Berners-Lee de Small World Consulting: "Nous savons que les TIC jouent un rôle sans cesse croissant dans la société et qu'elles apportent des gains d'efficacité dans presque tous les domaines de l'économie mondiale. Mais leur relation avec la réduction des émissions de carbone n'est peut-être pas aussi simple que beaucoup le pensent »