作者：安妮-塞西尔·奥格里，系法国雷恩核算机科学和随机第三研讨所的科学家，劳伦特·莱弗尔，系法国里昂高级师范学院并行核算实验室的研讨员 翻译：郭众
由于新冠肺炎疫情的影响，居家作业对许多公司来说越来越重要。居家作业使通勤显着削减，也省下了作业室的暖气和电力费用。可是，居家作业，以及随之而来的对互联网的许多运用真的对环境有利吗？要回答这个问题，咱们有必要了解数字技能对生态有哪些影响，以及怎么下降这些影响。但惋惜的是，当想要对杂乱网络化的体系进行深入研讨时，评价就会变得极为杂乱。
互联网介入群众日子已有大约30年。到现在为止，它现已成为约46亿用户不可或缺的东西。这项成果推动了万维网的快速展开。日常日子中越来越多的范畴正在向线上展开，包括电子邮件、即时通讯东西、查找引擎、交际网络、云存储、流媒体服务等。
互联网的结构也跟着时刻的推移发生了改变，为了满意用户日益增进的需求，它需求变得越来越杂乱。可是，一个许多用户忽视的事实是：与此相关的技能也耗费了许多的动力和资源。
在咱们现在日子的年代，气候改变的影响初次变得如此显着。在工业国家，政府现在现已开端联合科学家一起拟定保护环境的办法。但到现在为止，几乎没有任何关于数字化展开成果的研讨可供参考。只要少量研讨标明，无论是在动力、原材料的耗费仍是在碳脚印方面，相关的现状都令人担忧。可是，研讨很难给出一个详细的数字，由于不同研讨得出的成果也存在较大的差异。
在2014年宣布的一篇论文中，葡萄牙里斯本技能大学的弗拉德·科罗阿默和瑞士苏黎世大学的洛伦茨·希尔蒂展开了一项归纳研讨，剖析了曩昔10年间一切关于互联网能耗的文章。他们在研讨中发现，不同成果间的差异可以抵达4个数量级。有几个原因形成了这种成果：丈量中的准确性、模型中运用的近似值以及研讨的规模。例如，在面临终端设备带来的影响时，考虑与不考虑这个要素就会形成巨大的差异。这便是为什么咱们很难确认居家作业是否对全体环境有利，换个办法来了解：咱们很难确认运用一次查找引擎的能耗，它究竟相当于电热水壶作业10分钟仍是3小时的能耗？
近年来，科学家开端频频地评论这个杂乱的论题。为此，咱们别离剖析了构成互联网的联网体系和相关技能设备。咱们的方针是详细剖析出每个独立模块的能耗，并找到尽可能下降能耗的办法。在咱们能成功做到这一点之前，还有许多的作业需求推动。但现在咱们现已在这方面取得了一些开展。
2015年，世界研讨安排GreenTouch宣布了一篇文章，想象可以树立一个全球性的互联网设备。在这套设备的基础上，即便数据流按现有的程度持续增长，2020年的动力耗费也会比2010年削减98%。假如这个主张在北美、欧洲和日本施行，节约的碳排放量将相当于580万辆轿车的排放量。可是，施行这项行动需求更改许多的基础设备结构，革新许多的技能。
关于这样的评价，咱们首先要了解网络触及哪些硬件和软件体系、它们的运用办法以及运用它们需求多少电力和其他原材料。例如，假如咱们在查找引擎上查找一个术语，这一动作会一起调动物理（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查找恳求的坐落数据中心的服务器。
服务器上可以设备虚拟机。它可以模仿生成一个独立于服务器操作体系的环境，在这个环境中用户可以履行程序和运用。一起，在线服务大多依据云核算，这意味着数据处理所需的基础设备坐落云端。供货商依据运用功用目标和负载平衡来挑选适宜的设备处理恳求。这种操作占用的资源量取决于服务器地点的方位。因而，运用不同的处理办法来处理恳求时，能耗成果会有很大差异。
比较于查找，假如咱们研讨在线视频背面的运转机制，作业就会变得愈加杂乱。依据“The Shift Project”（一家致力于展开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%。
经过电视观看视频时，单个信号发射器是一起向多个接纳器传输数据的。在线视频则不同：每个观看者都具有自己的数据流，这意味着观看在线视频时，数据流量与用户数量成份额添加。在经过电视观看视频时，数据流量仅取决于信号中包括了多少个频道。
这便是为什么像网飞这样的渠道不能像一般网站那样运用客户端—服务器体系的原因。在一般网站中，中心服务器将数据分发给多个用户。而网飞等渠道不同，它们需求经过内容分发网络将数据复制到各地的服务器中，让服务器尽可能在地舆上挨近顾客。
这种强壮的冗余结构可完成牢靠的视频传输并防止长距离数据传输。为确保数据完美地传递给客户，视频有必要随时能以不同格局呈现在全球各地，而且重复运用。因而，流媒体供货商会调用散布在多个数据中心的许多服务器。2018年，来自英国伦敦玛丽皇后大学的蒂姆·博特格和他的搭档研讨估测，为了投递视频内容，网飞至少在600多个数据中心运用了8500台服务器。可是，这些数据中心并不归于网飞，而是归于相应的网络运营商。
已有研讨清楚地标明，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。这些设备和网络都会对环境发生影响，而这正是咱们的研讨方针。
为了预算通讯网络的动力耗费，咱们需求以技能规范来分类评价。例如，有依据铜线、光纤或无线的传输办法分类。此外，网络依赖于路由器、交换机和天线等设备，这些设备的运用寿数有限而且也会对环境发生压力。
网络运营商现在供给多种蜂窝规范服务：2G、3G、4G和5G。可是，当呈现新技能时，为了确保一切终端设备的正常运用，运营商并不会中止旧技能的服务。关于顾客来说，为了可以运用最新技能，一般有必要购买新的设备，这就让期望运用最新技能的用户不得不替换掉本来还可以运用的手机。
每代网络技能都会添加每个用户的可用带宽，这实践上是添加了数据流量。法国电子通讯监管组织（Arcep）在2020年4月陈述称，2019年法国SIM卡的均匀月消费量为7GB。但仅看4G SIM卡的均匀月消费量时，流量却抵达了9.5GB。
数据收发进程中还有不同的协议，它们规则了网络中的数据是怎么接纳和发送的，并确保了通讯进程的稳定性和通讯功用。但在展开进程中，人们并没有留神去削减它们对环境的影响。例如，与电信相关的设备（例如WLAN路由器）一般是永久敞开的，因而会白白浪费许多动力。
除了电信网络，数据中心也会给环境带来压力。数据中心有许多的服务器，一起需求配套冷却体系和其他的冗余体系，以此确保运转的牢靠性。与此一起，一些运营商正在测验各种热收回机制，期望削减电力的耗费。
许多专家运用PUE（电源运用功率）来衡量数据中心的功率，这个目标量化了除服务器之外的动力本钱（首要是由于冷却）。运营商企图将PUE的值面向最理想的状况。在这种状况下，与信息技能设备的能耗比较，制冷能耗可以疏忽不计。可是仅仅重视这个数字是没有意义的，由于它并不能评价信息技能设备的运用功率。
一些大型数据中心运用它们自己出产或购买的可再生动力。可是，这往往达不到自给自足的程度。依照苹果公司的官方声明，他们发生的再生动力与公司所耗费的相同多。可是，发电设备在白日和气候好的时分才干够运转发电，而耗电设备却是接连运转的。所以苹果公司会卖掉（白日好气候时）生成的剩余电力，并在夜间回购设备运转所需的部分电力。
数字基础设备的首要问题在于它们的运用状况一向处于改变中。2015年，正常运转时刻协会（Uptime Institute）估量：在美国，有30%的服务器在没有任何作业负载的状况下坚持开机状况。尽管设备几乎没有作业任务，但功耗并不会趋向于零，而是趋向于最大功率的一半。尽管服务器的作业强度很低，它仍然会耗费许多能量，路由器等其他设备功率乃至更低。
因而，咱们研讨了怎么尽可能经济地运营数据中心。2018年，我与搭档伊萨姆·拉伊斯一起研讨的成果标明，假如服务器现已有3分钟未运用，就应将其封闭。为了抵达这个意图，还需求牢靠的模型来猜测服务器的运用顶峰，以便提早重启设备。现在现已有算法可以核算这样的敞开和封闭周期了。此外，咱们还可以在不影响用户运用体会的状况下，将服务会集在一些服务器中。其他主张则包括操控处理器的频率和电压，这样可以在设备负荷不满的状况下下降功耗。一切这些办法都可以削减信息技能基础设备对环境的影响。
除了数据中心和通讯网络，用户的终端设备也会对环境发生影响。2018年，全球约有90亿台终端设备，其间包括20亿部智能手机和10亿部电脑，其他的则由近年来越来越盛行的智能设备构成。
这些智能终端的生态脚印促进咱们不得不审视自己的消费习气：产品所宣扬的功用仅仅噱头仍是真的能让咱们的日子更轻松？从智能压力锅到糖尿病患者的血糖传感器——很难找到一个客观规范来评价。尽管如此，它们对环境的影响是可以确认的。
苹果公司在2019年进行了一项研讨，评价装备16英寸屏幕、512GB存储空间和2.6GHz处理器的MacBook Pro在4年的运用寿数内的均匀温室气体排放量。成果显现，这种笔记本电脑的碳脚印约为394千克二氧化碳。其间仅出产制作阶段就占了75%，运送阶段占比5%，运用阶段占比19%，处理阶段不到1%。依照这组数据，设备的运用年限有必要要抵达本来的4倍（大约16年）才干让运用阶段的碳脚印挨近制作阶段的碳脚印。总的来说，加强产品的可持续性一定是可取的。
其他产品也有类似问题。据制作商称，主动调理房子供暖的Google Nest恒温器的碳脚印为30千克二氧化碳（运用寿数依照10年来核算）。其间出产阶段碳脚印占82%，运用阶段占15%。这些设备有必要运转大约55年才干平衡两个阶段的排放份额，但电池寿数往往达不到50年之长。
2019年，咱们与博士生洛伊克·盖根开发了一个模型，核算网络体系的能耗。咱们研讨了谷歌的一款产品。从咱们的研讨成果看，假如云端只办理几个恒温器，那么云端的能耗大于设备节约的能耗，但恒温器数量一超越20，恒温器节约的能耗就会超越云端能耗。人们有必要衡量两者的收益。
云端技能是其他联网技能中能耗最高的一项。网络摄像头将拍摄到的内容经过WiFi传输到云端进行图像识别，网络摄像头自身的功率是云端的一半。假如是经过接近用户的几个小型数据中心处理信息，那么摄像头所耗费的能量乃至只要云端的三分之一。这种状况越来越频频，尤其是在与5G网络相关的状况下。
经过咱们的模型，咱们还剖析了智能电网等技能。它可以依据用户的行为来调理供电，合理操控动力供给，然后削减耗费。可是核算调整办法的本钱是多少？咱们可以持续优化吗？
到现在为止，关于智能电网碳脚印的研讨很少。咱们可以对已有交通流量进行建模并核算它对电网的影响，在电动轿车展开的布景下，咱们经过模仿开发了一种优化基础设备软硬件的办法，经过对用电顶峰加以缓冲办法约束电网的超负载运转。
许多科学家和公司现在正在研讨使数字化展开愈加环保的计划。一些计划防止不必要的动力耗费，开发愈加环保的软硬件，进步动力的运用功率。也有计划旨在延伸设备的运用寿数和拟定可以反映实践环境影响的有用目标。
2015年拟定的《巴黎协议》呼吁世人削减自己的碳脚印，人们一般将数字化视为解决计划的一部分，而疏忽了数字化自身带来的问题。剖析评价数字化的影响、操控和削减它带来的碳脚印非常重要。合理运用当时的信息技能，比方封闭不必要的浏览器标签页、运用下载音乐而不是在线流媒体听歌等，咱们每个人都可认为削减信息化带来的碳脚印作出贡献。
运用一次查找引擎需求耗费许多动力。触及的硬件包括智能手机、路由器和数据中心的设备，它们都会耗费电力。当查找成果回来时，一切设备会被再次调用。此外，一次查找还会调用所触及的每个网络中的运用程序和软件协议。在数据中心中，多台服务器会一起处理查找查找成果以加速处理速度。关于某些查找引擎，例如当您运用数据中心键盘输入时，它们会供给关键字，这时许多设备就现已处于活动状况。此外，许多网站还会运用个性化广告、用户身份验证或实时信息显现等服务。（见图一、图二）
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查找信息。这一网络中立原则是确保在不区别发送者接纳者或内容的状况下平等地对待互联网上的一切数据流。信息在各种网络之间来回活动，直到抵达意图地。
互联网的底层网络包括一个中心区域，即人们所说的主干网，它由高速光缆组成。在德国，主干网共有74个节点，其间10个节点具有极快的传输速率（见图三）。
节点连接到主干网络的不同部分，然后经过电视电话线将数据传递给用户。德国最大的交换点坐落莱茵河畔的法兰克福。
