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搜索一次网页的能耗，能烧开几十壶水？

时间：2025-05-05 09:37:50来源：

　　我們早已習慣了信息時代的搜索水便利，但電子設備的次网能耗也逐漸變得不可忽視。不過，耗能烧詳細統計這種數字化行為所帶來的开壶能耗頗為困難，因為根據不同的搜索水評估原則，同一行為的次网能耗可能會出現幾個數量級的差距。這對製定合理的耗能烧策略提出了挑戰。因此，开壶科學家不僅需要找到降低能耗的搜索水方式，還需要更準確地評估能耗現狀。次网

　　撰文|安妮-塞西爾·奧格裏（Anne-CécileOrgerie）勞倫特·萊弗爾（LaurentLefèvre）

　　翻譯|郭眾

　　由於新冠疫情，耗能烧許多公司選擇了居家辦公的开壶工作方式。居家辦公不僅明顯減少了通勤，搜索水還省下了辦公室的次网暖氣和電力費用。但是耗能烧，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，麵對複雜網絡化係統，深入的研究和評估會變得極為複雜。

　　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、即時通訊工具、搜索引擎、社交網絡、雲存儲、流媒體服務等。然而，一個許多用戶忽視的事實是：與互聯網相關的數字技術也消耗了大量的能源和資源。

　　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。

　　有關數字技術的發展對氣候的影響，目前幾乎還沒有任何研究可供參考。隻有少數研究表明，無論是在能源、原材料的消耗還是在碳足跡方麵，相關的現狀都令人擔憂。然而，我們很難用一個確定、具體的數字來描述數字技術的能耗，因為不同研究得出的結果存在較大的差異。

　　在2014年發表的一篇論文中，葡萄牙裏斯本技術大學的弗拉德·科羅阿默（VladCoroamă）和瑞士蘇黎世大學的洛倫茨·希爾蒂（LorenzHilty）開展了一項綜合研究，分析了過去10年間所有關於互聯網能耗的文章。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：測量的準確性、模型中使用的近似值以及研究的範圍。這就是為什麽我們很難確定居家辦公對氣候的影響，換個方式來說：我們很難確定使用一次搜索引擎的能耗，到底相當於電熱水壺工作10分鍾還是3小時的能耗？

　　近年來，科學家開始頻繁地討論這個複雜的話題。為此，我們分別分析了構成互聯網的聯網係統和相關技術設備。我們的目標是詳細分析出每個獨立模塊的能耗，並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麵取得了一些進展。

　　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%。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。

　　互聯網是由什麽組成的？

　　對於這樣的評估，我們首先要了解網絡涉及哪些硬件和軟件係統，它們的使用方式以及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）、用於傳輸數據的多個網絡以及處理搜索請求的位於數據中心的服務器。

　　使用一次搜索引擎需要消耗大量能源。

　　相比於搜索，如果我們研究在線視頻背後的運行機製，事情就會變得更加複雜。根據一家致力於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，數據流量僅取決於信號中包含了多少個頻道。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會成比例增加。

　　而且，網飛等平台需要讓服務器盡可能在地理上接近消費者。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，英國倫敦瑪麗皇後大學的蒂姆·博特格（TimmBöttger）和同事研究推測，為了投遞視頻內容，網飛至少在600多個數據中心使用了8500台服務器。這些數據中心並不屬於網飛，而是屬於相應的網絡運營商。

　　在線視頻流媒體平台不使用客戶端-服務器架構（左，中央服務器為多個用戶提供數據），相反，它們使用的架構是將信息內容分發到世界各地的服務器上，以此使服務器更接近用戶（右）。

　　已有研究清楚地表明，網絡數據的傳輸會途經許多設備。互聯網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。

　　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，有基於銅線、光纖或無線的傳輸方式分類。此外，網絡依賴於路由器、交換機和天線等設備，這些設備的使用壽命有限且會對環境產生壓力。

　　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，運營商並不會停止舊技術的服務。對於消費者來說，為了能夠使用最新技術，通常必須購買新的設備，不得不替換掉原本還可以使用的手機。新的網絡技術還會增加每個用戶的可用帶寬，這實際上增加了數據流量。

　　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，同時需要配套冷卻係統和其他的冗餘係統，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製，希望減少電力的消耗。

　　數字基礎設施的主要問題在於它們的使用狀態一直處於變化中。2015年，正常運行時間協會（UptimeInstitute）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，但功耗並不會趨向於零，而是趨向於最大功率的一半。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（IssamRaïs）共同研究的結果表明，如果服務器已經有3分鍾未使用，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。其他建議包括集中服務器、控製處理器的頻率和電壓，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90億台終端設備，其中包括20億部智能手機和10億部電腦，其餘的是近年來越來越流行的其他智能設備。

　　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：產品所宣傳的功能隻是噱頭還是真的能讓我們的生活更輕鬆？對此，我們很難找到一個客觀標準來評估，但可以確定它們對環境的影響。

　　2019年，蘋果公司評估了配備16英寸屏幕、512GB存儲空間和2.6GHz處理器的MacBookPro在4年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。其中僅生產製造階段就占了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製造階段的碳足跡。

　　使用壽命為5年的24英寸顯示器的碳足跡平均為655千克二氧化碳。

　　其他產品也有類似問題。據製造商稱，自動調節房屋供暖的GoogleNest恒溫器的碳足跡為30千克二氧化碳（假設使用壽命為10年）。其中生產階段的碳足跡占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。

　　雲與終端設備：哪個消耗更多的資源？

　　2019年，我們與博士生洛伊克·蓋根（LoïcGuegan）開發了一個模型，計算網絡係統的能耗。我們研究了穀歌的一款產品。從我們的研究結果看，如果雲端隻管理幾個恒溫器，那麽雲端的能耗大於設備節省的能耗，一旦恒溫器數量超過20，恒溫器節省的能耗就會超過雲端能耗。

　　雲端技術是其餘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傳輸到雲端進行圖像識別，網絡攝像頭本身的功率是雲端的一半。如果是通過靠近用戶的幾個小型數據中心處理信息，那麽攝像頭所消耗的能量甚至隻有雲端的三分之一。

　　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，合理控製能源供應，從而減少消耗。但是計算調整方式的成本是多少？我們可以繼續優化麽？

　　到目前為止，關於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並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，通過給用電高峰加以緩衝措施限製電網的超負載運行。

　　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製定能夠反映實際環境影響的有效指標。

　　2015年製定的《巴黎協定》呼籲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。不過，我們每個人都可以通過合理地使用當前的信息技術，為減少信息化帶來的碳足跡做出貢獻，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。

　　本文轉自《環球科學》

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