Comprendre les défis énergétiques des technologies de l'information et de la communication

24/10/2015
Publication REE REE 2015-4 Dossier TIC et énergie
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2015-4:14183
DOI : http://dx.doi.org/10.23723/1301:2015-4/14183You do not have permission to access embedded form.
contenu protégé  Document accessible sous conditions - vous devez vous connecter ou vous enregistrer pour accéder à ou acquérir ce document.
Prix : 10,00 € TVA 20,0% comprise (8,33 € hors TVA) - Accès libre pour les ayants-droit
 

Résumé

Comprendre les défis énergétiques des technologies de l'information et de la communication

Métriques

12
6
469.81 Ko
 application/pdf
bitcache://8282ebe0ee6a7925c9f2af5293e4df477a00eb38

Licence

Creative Commons Aucune (Tous droits réservés)
<resource  xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
                xmlns="http://datacite.org/schema/kernel-4"
                xsi:schemaLocation="http://datacite.org/schema/kernel-4 http://schema.datacite.org/meta/kernel-4/metadata.xsd">
        <identifier identifierType="DOI">10.23723/1301:2015-4/14183</identifier><creators><creator><creatorName>Philippe Richard</creatorName></creator></creators><titles>
            <title>Comprendre les défis énergétiques des technologies de l'information et de la communication</title></titles>
        <publisher>SEE</publisher>
        <publicationYear>2015</publicationYear>
        <resourceType resourceTypeGeneral="Text">Text</resourceType><dates>
	    <date dateType="Created">Sat 24 Oct 2015</date>
	    <date dateType="Updated">Thu 26 Jan 2017</date>
            <date dateType="Submitted">Sat 17 Feb 2018</date>
	</dates>
        <alternateIdentifiers>
	    <alternateIdentifier alternateIdentifierType="bitstream">8282ebe0ee6a7925c9f2af5293e4df477a00eb38</alternateIdentifier>
	</alternateIdentifiers>
        <formats>
	    <format>application/pdf</format>
	</formats>
	<version>23986</version>
        <descriptions>
            <description descriptionType="Abstract"></description>
        </descriptions>
    </resource>
.

REE N°4/2015 45 TIC ET ÉNERGIE DOSSIER 1 Par Philippe Richard Directeur Bell Labs The ultra-connected society will access information in the cloud, mainly from smart phones, tablets and other mobile devices using ultra-broadband technologies. Over time, mobile traffic alone will grow by a factor of 89 between 2010 and 2020 and the entire digital universe will grow 32-fold by 2020. In this article we describe two research projects that are focused on the ICT energy consumption challenge. The first project G.W.A.T.T. is an online tool developed by the Bell Labs. It provides an end-to-end view of the ICT electricity consumption over years and allows the user to visualize the impact of the deployment of new technologies on the consumption of energy. The second project is the GreenTouchTM consortium that was founded with the ambitious mission to increase the energy efficiency of future communication networks by a factor of 1000x compared to 2010. We describe in this article some of the main results that were demonstrated by the consortium in June 2015 at the end of its mission. ABSTRACT Introduction Le trafic de données de l’Internet croît géométriquement à cause d’une part d’un usage de plus en plus éten- du des smart phones et des tablettes et d’autre part d’un nombre toujours croissant d’applications disponibles sur des terminaux de plus en plus variés et mobiles. Il est généralement admis que le trafic mobile sera multiplié par 85 en 2017 par rapport à 2010. Par ail- leurs, le nombre d’utilisateurs du Web devrait passer de 2,3 milliards en 2010 à 3,6 milliards en 2017. On prévoit aussi qu’à la même époque le réseau mon- dial de télécommunications verra transiter plus de 5 000 milliards de gigaoctets. L’utilisation généralisée des services et des applications du Cloud (stockage et services logiciels dépor- tés, etc.) va accroître considérablement le trafic de données de l’Internet. Tous ces facteurs nécessitent de plus en plus de ressources à la fois dans les réseaux (accès, cœur, transport) mais aussi dans les centres de données. Les acteurs des technologies de l’information et de la télécommunication (TIC), s’ils veulent rester économiquement et écologique- ment durables, doivent maîtriser dans les années à venir la consommation électrique de l’Internet. Pour appréhender la portée de ce défi énergétique et envisager les oppor- tunités/solutions qui permettront de le gérer, les questions suivantes doivent être posées : globale de l’Internet et des réseaux de télécommunications ? plus énergivores ? réseau et comment va-t-elle évoluer ? mobile ? Le réseau d’accès fixe ? Les centres de données ? est-elle impactée par la croissance du trafic et le déploiement de nouvelles applications et services ? l’évolution de la consommation en énergie du réseau dans les cinq pro- chaines années en liaison avec l’appa- rition et le déploiement de nouvelles technologies comme par exemple le LTE (plus communément appelé 4G) ? les gains en énergie qu’on peut en attendre ? - cherches actuellement menées dans le domaine de l’efficacité énergétique de recherche prioritaires à cet égard et quels sont les produits clés qui doivent être développés et commercialisés ? Pour aider la communauté des TIC à mieux comprendre et gérer ce challenge énergétique, les Bell Labs ont travaillé sur trois axes. Le premier est une appli- cation de partage de connaissances dis- ponible sur Internet appelée G.W.A.T.T. G.W.A.T.T. permet de visualiser de manière interactive l’évolution de la consommation énergétique des réseaux en fonction de prévisions de croissance de trafic et de déploiement de nouvelles technologies de télécommunications. Le second axe de recherche est le consor- tium GreenTouchTM qui a été lancé par les Bell Labs en 2010 et qui a démontré le 18 juin 2015, à la fin de son mandat, des résultats pouvant potentiellement améliorer l’efficacité énergétique des réseaux d’un facteur mille à horizon 2020. Le troisième axe consiste en une recherche interne distribuée dans dif- 46 REE N°4/2015 TIC ET ÉNERGIEDOSSIER 1 férents domaines et centralisée dans un programme “Network Energy”. Ce programme stratégique a pour objectif d’analyser les pistes les plus pertinentes permettant de réduire la consomma- tion des TIC au travers d’une stratégie à court, moyen et long termes. Cet article se limitera à la description des deux premiers axes qui sont publics. Il montre que si la croissance désirable de l’usage des TIC, nécessaire pour op- timiser l’efficacité des autres domaines de l’activité humaine, représente un fort challenge sur le plan énergétique, les moyens de maîtriser ce challenge et de limiter la consommation énergétique globale des réseaux et de l’Internet dans les années futures à son niveau actuel voire même à un niveau inférieur existent. Le défi énergétique de l’Internet et des réseaux : quelques données La consommation électrique des TIC (comprenant les réseaux des opé- rateurs, les terminaux, les équipements chez les clients, les centres de données, etc.) a augmenté de manière significa- tive ces dernières années ; on estime l’énergie consommée en 2012 à plus de 900 TWh [1]. La facture électrique d’un fournisseur de services peut atteindre 10 % de ses dépenses opérationnelles dans les pays matures et même 40 à 50 % dans les pays émergents [2], [3] et [4]. En Europe et en Amérique du Nord, l’Internet a représenté en 2013 plus de 10 % de la consommation électrique de ces deux régions. Ainsi, il peut arriver qu’un fournisseur de services soit le plus gros consommateur unique d’électricité de son pays d’activité ce qui se traduit par une facture d’électricité allant de plusieurs centaines de millions d’euros à plus d’un milliard. En termes de puis- sance, l’ensemble des réseaux mondiaux (incluant les réseaux de télécommunica- tions, les terminaux, les centres de don- nées, etc.) ont consommé en 2013 une puissance moyenne d’environ 122 GW ce qui représente l’équivalent de 122 tranches nucléaires standard. Si l’on regarde de plus près comment ces 122 GW sont consommés (figure 1), on constate que les terminaux ont globalement contribué pour 39 GW avec une part dominante provenant des PC (36,9 GW). Les smartphones et les télé- phones mobiles ont consommé environ 0,6 GW chacun et les tablettes comptent pour 0,2 GW. L’utilisation de plus en plus généralisée de tablettes en lieu et place de PC a un impact positif sur la consommation globale des terminaux. En effet une tablette consomme beau- coup moins qu’un PC ; le remplacement progressif des PC par des tablettes com- pense l’augmentation de consommation liée à l’arrivée de nouveaux utilisateurs. On prévoit que la consommation glo- bale des terminaux restera plate dans les années à venir. En ce qui concerne les terminaux, il faut noter que l’analyse de leur cycle de vie montre que 80 % de leur empreinte énergétique et carbone est liée à leur fa- brication et à leur recyclage. C’est à peu près l’inverse de ce qui se passe pour les éléments de réseau (stations radios, accès fixe, routeurs, etc.). Le principal défi pour les terminaux ne réside donc pas tant dans leur consommation élec- trique que dans leur cycle de vie court et leur usage de plus en plus répandu. Ceci implique d’améliorer sans cesse les processus de fabrication et de recyclage pour rester dans des limites acceptables et même diminuer leur empreinte éco- logique. point essentiel n’est pas la consomma- tion électrique mais l’autonomie en uti- lisation et la durée de vie de la batterie. sont étudiées par tous les grands ac- teurs des télécommunications comme par exemple l’utilisation de sources d’énergie renouvelables ou la captation locale d’énergie [5]. Il faut aussi noter que la croissance attendue du déploiement de commu- nications “Machine to Machine” (M2M) et de l’Internet des objets (IoT) va gran- dement augmenter le nombre de termi- naux connectés. Néanmoins, on s’attend à ce que leur impact énergétique soit plutôt lié au trafic de données ainsi en- gendré et donc à la consommation des infrastructures des réseaux plutôt qu’à celle des terminaux eux-mêmes. Ainsi trafic de 20 000 milliards de gigaoctets (20 zettaoctets) en 2025. Après avoir considéré l’impact des ter- minaux, focalisons-nous maintenant sur l’infrastructure des réseaux. La figure 2 montre que sur les 122 GW de puissance globale appelée, l’infrastructure des ré- Figure 1 : Puissance consommée par les terminaux en 2013 (GW) – Source : Alcatel-Lucent. REE N°4/2015 47 Comprendre les défis énergétiques des technologies de l’information et de la communication seaux compte pour 83 GW. Cette puis- sance se répartit comme suit : d’entreprises ce qui inclut la terminaison top boxes et routeurs d’entreprises) ; et mobile ; - tains, cœur et routeurs « d’edge » ; de données. Il faut noter que les domaines qui voient la plus grande croissance de leur consommation énergétique sont l’accès (notamment mobile) et les centres de données, c’est-à-dire les extrémités du réseau. Comme on l’a vu auparavant, à l’opposé des terminaux, l’empreinte énergétique des éléments de réseau est principalement due à la puissance consommée durant leur phase d’utili- sation (plus de 80 %). Il est donc clair que le défi principal pour ces équipe- ments est leur efficacité énergétique plus encore que l’amélioration (bien sûr nécessaire) des processus de fabri- cation et de recyclage. C’est pour cela que l’application G.W.A.T.T. se focalise uniquement sur la consommation des éléments d’infrastructure de réseaux. On voit donc que la consommation énergétique des réseaux est déjà un enjeu qui ne peut que croître dans les années à venir. Les TIC ont aussi à faire face à un autre challenge. Comme le démontre le GESI1 [7] dans ses rapports SMARTer 2020 et 2030, les TIC sont un puissant instrument avec un énorme potentiel de réduction des gaz à effet de serre (GES) émis par les autres secteurs de l’activité humaine comme le transport, l’énergie, l’agriculture, les bâtiments, les villes intelligentes, etc. Le GESI évalue à 9,1 Gt de CO2 e ce poten- tiel de réduction à horizon 2020, ce qui représente 16,5 % des émissions mon- diales de GES. Bien sûr, pour y parvenir, une utilisation accrue des TIC est néces- saire et l’amélioration de leur efficacité énergétique devient donc un impératif plus fort encore. Il s’agit donc d’un problème global qui concerne tous les acteurs des TIC, opérateurs, fournisseurs de services et de contenu, etc. avec des niveaux de priorité qui peuvent varier. - blème est l’augmentation du coût de la facture énergétique qui représente une partie de moins en moins négligeable des coûts opérationnels des réseaux. Les opérateurs de ces pays ont aussi à gérer des défis techniques qui ont un impact direct sur le déploiement de leurs réseaux et sur les coûts d’investis- sements. Citons par exemple, les coûts liés au refroidissement des salles d’ex- 1 Global e-Sustainability Initiative. ploitation et les investissements immo- biliers liés à l’accroissement de l’espace au sol nécessaire pour héberger des infrastructures de plus en plus gour- mandes en énergie et dissipant plus de chaleur. Ces contraintes thermiques deviennent des facteurs limitatifs pour la conception, le développement et le déploiement des éléments de réseaux. En sus, la migration actuelle de plus en plus importante du trafic des réseaux d’accès fixe vers les réseaux d’accès mobile, par nature plus gourmands en énergie, ne peut que rendre ce pro- blème plus prégnant. d’un accès large bande universel pour développer et soutenir leur économie, le défi n’est pas seulement lié au coût de l’énergie mais aussi à l’accès à des sources d’énergie fiables et stables. Parce que le réseau électrique est sou- vent déficient, les éléments de réseaux sont très souvent équipés de sources d‘énergie autonomes qui reposent essentiellement sur l’utilisation de gé- nérateurs diesel. Outre une empreinte carbone accrue, ces solutions ont le défaut d’être peu fiables (pannes de générateurs, approvisionnement en carburant, etc.) et coûteuses (coût du carburant et logistique nécessaire pour à base d’énergies alternatives (solaire, éolien, hybride) sont déployées mais pour être généralisées et remplacer les solutions à base de générateurs diesel, il est nécessaire d’améliorer plus encore l’efficacité énergétique des éléments de réseaux (réduire leur consommation) et la technologie des batteries tout en réduisant les coûts de déploiement. Le secteur des TIC est conscient depuis plusieurs années du défi que représente l’énorme croissance de sa consomma- l’efficacité énergétique (joule/Mbit) des équipements de réseaux s’améliore à un Figure 2 : Consommation des infrastructures de réseaux en 2013 (GW) – Source : Alcatel-Lucent. 48 REE N°4/2015 TIC ET ÉNERGIEDOSSIER 1 rythme de 10 % à 20 % par an à la sortie de chaque nouvelle version. L’apparition de nouvelles technologies plus efficaces par nature (comme par exemple le LTE performances. On peut donc considérer que les TIC font partie des secteurs technologiques qui évoluent le plus rapidement dans le domaine de l’efficacité énergétique. Cependant l’explosion des usages et du trafic de données impose d’aller plus loin et plus vite. Comme mentionné plus haut, cela est rendu d’autant plus nécessaire du fait du rôle clé que les TIC peuvent jouer dans la lutte contre le réchauffement climatique en optimi- sant les autres secteurs d’activité. Pour toutes ces raisons, de nombreux pro- grammes de recherche avancée comme GreenTouchTM [8] ont été lancés pour trouver des solutions disruptives qui vont bien au-delà des progrès générés par les approches “business as usual” où les améliorations proviennent des effets de la loi de Moore par exemple. Ainsi le consortium GreenTouchTM a présenté dans son événement final le 18 juin à New York des technologies et des nouvelles architectures de réseau qui ont le potentiel d’améliorer par un facteur 1 000 l’efficacité énergétique des réseaux en 2020 comparée à celle d’un réseau mature en 2010 (voir le paragraphe GreenTouchTM plus loin dans cet article). Citons aussi le projet EARTH [9] consacré à l’amélioration des per- formances énergétiques des réseaux d’accès mobile. G.W.A.T.T. une application pour comprendre les défis énergétiques des réseaux G.W.A.T.T.2 est une application dispo- nible sur Internet qui a été développée par les Bell Labs. Son objectif est de per- mettre aux acteurs des TIC de visualiser de manière interactive et en temps réel l’impact de l’évolution du trafic Internet et de la technologie sur la consomma- tion électrique des réseaux sur la période de multiples vues du réseau en termes de puissance consommée, de consom- mation d’énergie relative et cumulée et de points chauds. G.W.A.T.T. est un outil 2 Global ‘What if’ Analyzer of NeTwork Energy ConsumpTion. pertinent pour un éventail large d’utilisa- teurs allant des concepteurs de réseaux de télécommunication aux décideurs qui ont besoin d’une vue d’ensemble sur les impacts des choix de technologies afin de guider leur choix d’investissements et de stratégie d‘évolution en passant par quiconque est intéressé à comprendre quels sont les enjeux de demain pour l’Internet sous l’angle de l’énergie et de sa durabilité. quelques-unes des différentes fonc- tionnalités de G.W.A.T.T. Le lecteur est encouragé à utiliser l’outil qui se trouve à l’adresse suivante : http://gwatt.net/. La figure 3 illustre l’écran principal grâce auquel l’utilisateur peut choisir à son gré un ou plusieurs domaines du réseau (comme par exemple accès cuivre, optique ou cœur), choisir parmi un éventail de technologies dans ces domaines et tester la puissance consom- mée en fonction des années (2013 à 2019). L’écran de la figure 3 présente les données de référence pour 2013 (trafic, efficacité énergétique, puissance consommée, puissance épargnée le cas échéant) pour chacun des domaines du réseau (domestique et entreprise, accès Figure 3 : Capture d’écran du réseau mondial en 2013 – Source : Alcatel-Lucent. REE N°4/2015 49 Comprendre les défis énergétiques des technologies de l’information et de la communication et agrégation, métropolitain, routeurs d’edge, cœur, services et centres de données). Sur ce même écran, l’utilisa- teur peut naviguer sur plusieurs années (2013 à 2019) pour visualiser l’évolution de la consommation énergétique du ré- seau en fonction de l’évolution du trafic. Les sous-domaines technologiques sont représentés par des cercles colorés. En sélectionnant l’un de ces sous-domaines, l’utilisateur a accès à un choix de tech- nologies pertinentes pour le domaine et peut ainsi tester l’impact sur le réseau du déploiement de cette technologie. Les résultats sont présentés sous forme de courbes de Gauss en bas de l’écran. Les données affichées représentent : octets par mois ; Mbit/Joule ; nouvelle technologie a été sélection- née pour remplacer la technologie de base (par exemple remplacement de L’utilisateur peut activer des vues centrées sur le trafic, l’efficacité, la puis- sance consommée et la puissance épar- gnée. La figure 3 est centrée sur une vue efficacité énergétique. sélectionné, la vue se centre sur ce sous-domaine et ses données spéci- fiques de trafic, de consommation etc. L’utilisateur a alors accès à un panel de technologies qui peuvent d’appliquer à ce sous-domaine. L’utilisateur peut ainsi choisir par- mi plusieurs technologies comme le montre la figure 4. Prenons le cas d’un réseau HetNet (Heterogeneous Network) composé de macro-cellules radio chacune associée à plusieurs micro-cellules (small cells). Cette archi- tecture de réseau d’accès, plus souple qu’une architecture n’utilisant que des macro-cellules, autorise un usage des ressources radio en fonction de la capa- cité et de la couverture requises ce qui optimise la consommation énergétique en fonction de la charge réelle. En 2016, un réseau d’accès mobile de ce type, consomme une puissance égale à 92,64 GW ce qui représente une économie de 35,11 GW par rapport au réseau de référence 2G/3G (nous sommes dans le cadre d’un réseau mondial, G.W.A.T.T. permet aussi des vues spécialisées sur des réseaux régionaux comme Nord- Amérique, Asie-Pacifique ou Europe de l’Ouest par exemple). Il est aussi intéressant de pouvoir isoler un type de trafic de données et de comprendre quel est son poids dans la consommation du réseau. Ainsi G.W.A.T.T. offre une vue application. Par exemple dans la figure 5, la vue applica- tion vidéo a été sélectionnée. Afin d’offrir une vue plus compréhen- sive des réseaux, G.W.A.T.T offre une large sélection de paramètres. Parmi ceux-ci, l’utilisateur peut choisir la région du monde qui l’intéresse plus particuliè- rement (ici l’Amérique du Nord), il peut aussi tester plusieurs taux de croissance du trafic ou du tarif de l’électricité en fonction des années, choisir parmi plu- sieurs unités, choisir dans quelle unité il veut voir les résultats et finalement choisir parmi plusieurs hypothèses de transformation de réseaux comme le ou le “Network Function Virtualization” (NFV). Quelques scénarios marquants Nous décrivons dans cette section quelques-uns parmi les scénarios les Figure 4 : Capture d’écran avec sélection d’un réseau HetNet, vue puissance consommée en 2016 - Source : Alcatel-Lucent. 50 REE N°4/2015 TIC ET ÉNERGIEDOSSIER 1 plus significatifs que l’outil G.W.A.T.T. permet de réaliser. Evolution vers LTE Le modèle utilisé dans G.W.A.T.T. montre qu’en 2014, pour un trafic de 2,5 exaoctets par mois, le réseau d’accès ra- dio mobile mondial (2G/3G) consommait l’hypothèse théorique où l’on se conten- terait d’adapter ce réseau à la charge im- posée par le trafic 2018 (15,8 exaoctets par mois) sans changer de technologie, il aurait une consommation théorique de 98,3 GW ! En revanche, dans l’hypothèse (toujours théorique) où ce réseau serait entièrement équipé au dernier standard LTE, sa consommation serait de 15,1 GW. On voit donc que dans un cadre d’utilisa- tion optimale, le réseau mobile en 2018 pourrait consommer moins qu’en 2014. Bien sûr, il s’agit d’une borne théorique qui considère que l’ensemble du réseau est renouvelé au dernier standard 2018. Néanmoins, il est intéressant de noter que le réseau d’accès mobile, s’il est bien géré, peut rester durable sur le plan éner- gétique malgré la croissance très forte du trafic (multiplication par un facteur de l’ordre de 7 entre 2014 et 2018). Applications Comme nous l’avons dit, G.W.A.T.T. permet aussi de mesurer les poids res- pectifs des différents types de trafic. Ainsi pour un trafic global de 939 exaoctets par mois en 2014 (resp. 2000 en 2018), on peut voir que le trafic vidéo seul est de 558 en 2014 et de 1 380 en 2018 avec une puissance consommée de 58,7 GW en 2014 (resp. 149,6 GW en 2018). En revanche, le poids du trafic Web est de 187 exaoctets par mois en 2018 et le partage de fichier “business” est de 16 exaoctets pour la même période. Ceci permet aussi de mieux comprendre l’impact potentiel de la virtualisation de certaines fonctions comme le “content delivery” (voir paragraphe suivant). Transformations SDN/NFV En sus de l’application des nouvelles technologies de télécommunication, G.W.A.T.T. permet de visualiser l’impact l’angle de la consommation énergétique. Ainsi si l’on applique le scénario “Virtual 3 ” au trafic vidéo, un gain signi- ficatif de puissance est obtenu. En effet, la consommation liée au seul trafic vidéo 3 CDN : Content Delivery Network. passe de 149 GW en 2018 avec une architecture classique à 111 GW dans ce scénario (soit 38 GW d’économie). Le à remplacer l’architecture classique pro- priétaire de livraison de contenu par la virtualisation dans le cloud des nœuds de distribution de contenu. Cette virtualisation a pour effet de découpler le logiciel qui contrôle et route le trafic vidéo au sein d’un réseau, de l’infrastructure physique qui fournit les ressources mémoire et calcul. Cette transformation est utilisée pour amélio- rer l’efficacité, la souplesse et la perfor- mance de la livraison de contenu vidéo aux abonnés. Elle permet par exemple la création instantanée de nouveau cache minimise donc la dégradation de qualité de service ressentie par les utilisateurs. de mesurer l’impact d’autres transfor- mations de réseau. Ainsi la passerelle résidentielle virtuelle “virtual Home Gateway” (vHGW ou vCPE pour “vir- tual Customer Premise Equipment”) déporte dans des serveurs centraux lo- calisés dans le nœud de raccordement optique (NRO) les fonctions Home Figure 5 : Capture d’écran avec l’application vidéo, vue trafic – Source : Alcatel-Lucent. REE N°4/2015 51 Comprendre les défis énergétiques des technologies de l’information et de la communication Gateway qui sont physiquement loca- lisées dans l’ONU. Cette architecture permet d’économiser 3,5 GW en 2018 par rapport à l’architecture de réseau classique. Packet Core” (vEPC) pourrait économi- ser 36 GW en 2018. Le vEPC implé- mente dans le cloud les fonctions de cœur (EPC) du réseau mobile LTE de - tiques et réseau de manière plus effi- caces tout en améliorant la souplesse et l’extensibilité. GreenTouchTM : une initiative de recherche GreenTouchTM est un consortium fondé pour cinq ans en 2010 à l’initia- tive des Bell Labs avec l’objectif ambi- tieux d’améliorer l’efficacité énergétique des réseaux de télécommunications d’un facteur 1 000 par rapport à 2010. GreenTouchTM avait pour mission de présenter en juin 2015 (date de fin du consortium) des feuilles de route d’architectures, de spécifications et de solutions validant les technologies clés nécessaires pour atteindre cet ambi- tieux facteur d’amélioration. Les Bell Labs, comprenant qu’aucun acteur des TIC ne pouvait seul arriver à ce type de résultat, décidèrent de fonder un consortium de recherche et d’innova- tion ouvert regroupant plus de 50 parte- naires industriels, instituts de recherche, et universités. Ainsi des sociétés concur- rentes ont collaboré dans GreenTouchTM entre elles et avec des organismes de recherche publique. GreenTouchTM a annoncé ses résul- tats finaux lors d’une présentation le 15 juin 2015 à New-York. Les études regroupées dans un article intitulé “Green Meter” [10] montrent qu’il est possible, au travers de combinaisons de nouvelles technologies, d’architectures de réseau et de nouveaux composants, algorithmes et protocoles, de réduire la consommation en énergie des réseaux d’accès fixe, mobile et cœur d’environ 98 % par rapport à une référence 2010. Cette réduction en valeur absolue de la consommation malgré une augmen- tation drastique du trafic de données entre 2010 et 2020 est rendue pos- sible grâce à l’association de trois amé- liorations (par rapport à l’équivalent en 2010) dans les domaines adressés par GreenTouchTM : - cès radio mobile d’un facteur 10 000 ; fixe optique d’un facteur 254 ; cœur d’un facteur 316. Il faut noter que les nombres cités ci- dessus prennent aussi en compte l’amé- lioration “business as usual” de l’efficacité des technologies de réseaux. Cette amé- lioration provient d’une part de la loi de Moore et d’autre part d’une meilleure charge du réseau en 2020 grâce à un meilleur remplissage des ressources exis- tantes lié à l’augmentation du trafic (ce qui se traduit de facto par une meilleure effi- cacité globale mesurée en joules dépen- sés par bit transporté). Ainsi pour le réseau mobile, ces deux derniers facteurs contri- buent pour un facteur 100 en moyenne, un facteur 26 pour le réseau optique et un facteur 4 pour le réseau cœur. Ces résultats démontrent clairement qu’il est possible non seulement de gé- rer de manière durable la très forte ex- pansion de l’utilisation des TIC dans les années à venir mais aussi, si les inves- de réseau sont judicieusement faits, de réduire l’empreinte énergétique des réseaux de demain par rapport à celle d’aujourd’hui. Cela fait des TIC un des rares domaines où une croissance très forte de l’activité peut potentiellement aussi résulter en une décroissance de l’empreinte écologique ! Parmi les technologies définies par le consortium GreenTouchTM qui ont le plus d’impact, citons notamment dans le domaine de l’accès fixe optique : le “cascaded Bi-PON”. Il consiste en un réseau intégré d’accès optique pas- sif interconnecté à un réseau métro- politain d’agrégation. La technologie “Bit-interleaving (Bi)” pour les réseaux PON consiste à entrelacer des bits et non pas des paquets, au niveau du nœud de raccordement optique (NRO), afin de réduire la fréquence de traitements des données chez l’utilisa- teur. Le projet GreenTouch a démon- tré qu’il était possible d’améliorer d’un facteur 30 la consommation de la détection côté utilisateur par rapport à une technologie de type 10 GPON [11]. Cette technique a été utilisée en cascade pour proposer le réseau “cas- caded Bi-PON” ; la passerelle résidentielle virtuelle (vHGW). Comme mentionné plus haut dans un réseau traditionnel, les fonctions de passerelle résidentielle sont localisées physiquement dans des ressources dédiées dans chaque ONU (Optical Network Unit) et sont donc consommatrices d’énergie. Le vHGW virtualise ces fonctions dans des containers qui sont eux-mêmes hébergés dans des serveurs cen- traux. Cela permet de dimensionner et de partager les ressources dyna- miquement et donc de générer des économies d’énergie. GreenTouchTM a montré qu’il était possible d’héberger 1 000 vHGW dans un serveur unique consommant 110 W ce qui correspond à un facteur d’amélioration de l’effica- cité de l’ordre de 7,5 ; Le “redesigned Point-to Point Optical transceiver”.Lestransmetteursoptiques point à point opèrent généralement de manière continue à une puissance optique fixe et potentiellement élevée. GreenTouch a complètement revisité la conception du transmetteur optique et ASIC qui minimise la consommation 52 REE N°4/2015 TIC ET ÉNERGIEDOSSIER 1 pour un débit cible de 1 Gb/s grâce à un mode veille dynamique. Si on com- pare cette innovation par rapport à un transmetteur classique Gigabit Ethernet, le gain en efficacité peut aller d’un fac- teur 17 à 38. Dans le domaine des réseaux cœur, de nombreuses technologies ont été ex- plorées, citons notamment : la gestion intelligente des res- sources de protection qui ne sont activées que lorsqu’elles sont requises. En effet dans les réseaux traditionnels, ces ressources de protection four- nissent des routes de secours qui sont toujours sous tension ; l’utilisation de transpondeurs à dé- bit variable de manière à être au plus proche du débit nécessaire, permet d’optimiser la consommation en éner- gie du réseau ; l’utilisation de “clouds” distribués pour la distribution de contenu (“content distribution”). La duplication locale de données (proche de l’utilisateur) et la virtualisation des équipements de ré- seau permettent d’obtenir une améliora- tion de l’efficacité énergétique. Finalement, le domaine de l’accès radio mobile voit les résultats les plus spectaculaires : la génération verte post cellulaire “Beyond Cellular Green Generation” (BCG) va au-delà des architectures de réseaux traditionnelles par l’utili- sation de petites cellules et par une séparation complète des fonctions de signalisation et celles de transport de données dans l’interface sans fil ; la technologie “Large Scale Antenna Systems” remplace la sectorisation des cellules radios par l’utilisation d’un grand nombre de petites antennes à créer un faisceau de données spéci- fique correspondant à chaque terminal mobile connecté ; les technologies de transmission « verte » (Green Transmission tech- nologies ou GTT). Ces technologies combinent du MIMO (Multiple Input Multiple Output) dynamique avec des techniques de mise en veille d’antennes qui alternent le “beam forming” mono-utilisateur et le mul- tiplexage multiutilisateur utilisant un nombre optimal d’antennes actives. Notons que ces technologies pour le réseau d’accès mobile, combinées à d’autres et à du partage de réseau permettent des gains d’efficacité éner- gétique qui vont d’un facteur compris entre 2 600 et plus de 10 000 en fonction des topologies de réseaux (urbain dense, urbain, banlieue ou ru- ral). Pratiquement, cela démontre que même avec une multiplication par 89 du trafic mobile entre 2010 et 2020, on pourrait diviser par 100 la consomma- tion en énergie. Il faut noter que ces modèles consi- dèrent des cas théoriques de réseaux LTE avec des facteurs de charge optimaux. Le lecteur intéressé trouvera plus de détails sur GreenTouchTM dans la page d’accueil Web [8] ainsi qu’une version dédiée à GreenTouchTM de GWATT (http://gwatt.greentouch.org/). Conclusion et perspectives - montrer que la consommation en éner- gie de l’Internet et plus particulièrement des réseaux de télécommunication fait l’objet d’études attentives. Nous mon- trons à l’aide de deux axes de recherche que si les bonnes stratégies d’évolution d’architecture et des composants de réseaux sont appliquées, les réseaux de télécommunication sont durables mal- gré l’énorme augmentation de trafic et d’applications qui est prévue pour les années à venir. Labs, offre une vision macroscopique de bout en bout et permet de comprendre facilement et de manière interactive quelle est la consommation du réseau L'AUTEUR Philippe Richard est chargé de la stratégie “Green” au sein d’Alcatel- Lucent et est membre des Bell Labs. Il contribue notamment à la définition et à la mise en œuvre de la stratégie d’efficacité énergétique d’Alcatel-Lucent en coordonnant la recherche avancée des Bell Labs et les organisations de recherche et développement des lignes de produits. Philippe Richard a plus de 20 ans d’expérience en recherche et développement et en gestion de la stratégie. Philippe Richard a un doctorat d’état de l’université de Paris-Sud et était directeur de recherche à l’INRIA (Institut Natio- nal de Recherche en Informatique et Automatique) avant de rejoindre Alcatel-Lucent. REE N°4/2015 53 Comprendre les défis énergétiques des technologies de l’information et de la communication de télécommunication et son évolution au cours de prochaines années ainsi que les impacts positifs (ou négatifs) de choix d’architectures et de technologies. Bell Labs continue à faire évoluer cet outil pour inclure les dernières données de prévision d’évolution de trafic ou les nouvelles technologies disponibles. Cela représente donc un outil d’évalua- tion important pour quantifier le gain de toute nouvelle innovation et le mesurer par rapport à une référence. Le consortium international GreenTouchTM a montré que non seule- ment, les domaines accès fixe, mobile et cœur de réseaux sont potentiellement capables d’absorber l’augmentation de trafic d’ici 2020 grâce à l’amélioration des composants électroniques (loi de Moore) et à l’évolution prévue des technologies sans hausse significative de la consom- mation électrique4 mais pourraient même consommer significativement moins qu’en 2010 grâce à l’utilisation de technologies novatrices telles que celles proposées, étudiées et démontrées dans le consortium GreenTouchTM . industriel est conscient de la nécessité de réduire la consommation électrique du réseau de télécommunications et de l’Internet. Le consortium GreenTouchTM , mais aussi des études internes aux Bell Labs démontrent qu’il est possible d’amé- liorer grandement l’efficacité énergétique du réseau au travers de l’éco-concep- tion (reconsidération des matériaux, des implémentations systèmes et de concepts réseau) mais aussi au travers 4 Ces résultats sont obtenus dans des cas théoriques où le réseau est à l’état de l’art opti- mal en 2020. Bien entendu, ils sont à tempérer dans la réalité du terrain où l’ensemble du ré- seau n’est pas renouvelé intégralement avec chaque nouvelle technologie. Néanmoins, ils permettent de se donner un horizon et d’ap- préhender les enjeux à venir. de l’éco-gestion (meilleure gestion des équipements et des éléments réseaux, comme la mise en veille ou l’exploitation de débits variables). Le logiciel G.W.A.T.T. peut être aussi vu comme un catalyseur et un accélérateur d’innovation pour une évaluation rapide et théorique de la pertinence des solutions proposées. Cependant pour concrétiser ce change- ment il faut qu’il y ait une transformation effective de ces innovations en produits et que les opérateurs de réseaux en- clenchent de nouveaux investissements afin de préserver l’Internet de demain. Remerciements des Bell Labs pour sa relecture et les améliorations apportées au texte initial ainsi que le consortium GreenTouchTM . Liste des acronymes Circuit nuage des Télécommunications Line Références [1] S.Lambertetal.,“Wordwideelectricity consumption of communication net- works”, Optical Society of America, 2013. [2] Intelligent Energy, “The True Cost of Providing Energy to Telecom Towers in India, white paper,” 2012. [3] GSMA, Green Power for Mobile, “Greening Telecoms: Pakistan and Afghanistan Market Analysis,” 2013. [4] Dr. Kim, “Archive for category Mobile Telecoms,” [En ligne]. Available: http://techneconomyblog.com/ category/mobile-telecoms/, 2014. [5] F. Schmidt, “How energy harvesting can make the Internet of Things happen,” IDTechEx, 2014. [6] ZDNET, [En ligne]. Available: http:// www.zdnet.com/article/iot-to- generate-massive-data-help-grow- biz-revenue/#ftag=RSSbaffb68. [7] GeSI.org, “GeSI Smarter 2020 Report,” 2012. [En ligne]. Available: http:/gesi.org/SMARTer2020. [8] GreenTouch, “www.greentouch.org”, [En ligne]. [9] Earth Project, “Energy Aware Radio and network technologies, FP7 project,” 2012. [En ligne]. Available: https://www.ict-earth.eu/news/ events.html#July2012. [10] GreenTouch, “GreenMeter White Paper,” 2015. [En ligne]. Available: http://www.greentouch.org/index. php?page = greentouch-green- meter-research-study. [11] P. Vetter et al., “Towards energy efficient wireless networks, an update from GreenTouch,” chez OptoElectronicsandCommunications Conference, Kyoto, 2013.