Principe : Efficacité énergétique

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Électricité et carbone

La plupart des gens pensent que l’électricité est propre. Quand nous branchons quelque chose à une prise murale, nos mains ne deviennent pas sales et nos ordinateurs portables n’ont pas besoin de pots d’échappement. La vérité est cependant que la plus grande partie de l’électricité est produite par la combustion de carburants fossiles (généralement du charbon) et que la production d’énergie est la cause individuelle la plus importante d’émission de carbone.

Comme il est possible de tracer une ligne directe entre l’électricité et les émissions de carbone, nous pouvons considérer l’électricité comme une des variables d’ajustement pour le carbone.

Des applications qui s’exécutent sur votre smartphone à l’apprentissage des modèles de Machine Learning s’exécutant dans des centres de données, tous les logiciels consomment de l’électricité quand ils s’exécutent. Une des meilleures façons de réduire la consommation d’électricité et les émissions résultantes de pollution carbone de nos logiciels est de rendre nos applications plus économes en énergie.

Cette connaissance est la raison pour laquelle un principe essentiel de l’ingénierie logicielle durable est de créer des applications qui sont économes en énergie.

En tant qu’ingénieurs durables, nous devons comprendre l’électricité. Notre parcours ne commence pas avec l’ordinateur, mais avec la façon dont l’électricité qui alimente nos ordinateurs est produite.

Énergie et puissance

L’énergie mesure la quantité d’électricité utilisée ; l’unité standard pour l’énergie est le joule ou J. Cependant, le kilowatt/heure, ou kWh, est un autre moyen courant de faire référence à la consommation d’énergie.

L’électricité est souvent désignée comme étant de la puissance ou de l’énergie, qui sont deux concepts différents :

Énergie = puissance ✕ temps

L’énergie est la quantité totale d’électricité utilisée ; l’unité standard pour l’énergie est le joule ou J.
La puissance est la quantité d’électricité consommée par unité de temps. L’unité de puissance standard est le watt (W). 1 watt équivaut à 1 joule par seconde.

Un moyen courant d’indiquer la consommation d’énergie est la puissance pour une unité de temps, comme le watt-seconde ou le kilowatt-heure. Par exemple :

20 Watt-secondes ou 20 Ws est la quantité d’énergie que vous obtiendriez si 20 W ont été exécutés pendant une seconde. Comme 1 watt équivaut à 1 joule par seconde, cette valeur représente 20 joules.
20 Kw-heures ou 20 kWh est l’énergie que vous obtiendriez si 20 000 Watts couraient pendant une heure.

Energy = 60 X 60 X 20,000 = 72,000,000 Joules = 72 Megajoules (72 MJ)

Proportionnalité de l’énergie

L’utilisation mesure la quantité de ressources de l’ordinateur utilisées, et elle est généralement représentée sous forme de pourcentage. Un ordinateur inactif a un pourcentage d’utilisation faible et il n’est pas utilisé, tandis qu’un ordinateur fonctionnant à sa capacité maximale a un pourcentage élevé et est entièrement utilisé.

La proportionnalité de l’énergie est une mesure de la relation entre l’énergie consommée dans un système informatique et la rapidité à laquelle un travail utile est effectué (son utilisation). Si la consommation d’énergie globale est proportionnelle à l’utilisation de l’ordinateur, elle est proportionnelle à l’énergie.

Dans un système à énergie proportionnelle, l’efficacité énergétique est constante : quelle que soit l’utilisation, l’efficacité énergétique reste la même. Cependant, l’efficacité énergétique du matériel n’est pas constante. Elle varie selon le contexte. En raison des interactions complexes de nombreux composants différents d’un appareil matériel, elle peut être non linéaire, ce qui signifie que la relation entre la puissance et l’utilisation n’est pas proportionnelle.

Diagram showing power versus utilization.

À 0 % d’utilisation, l’ordinateur consomme quand même 100 W; à 50 % d’utilisation, il consomme 180 W et à 100 % d’utilisation, il consomme 200 W. La relation entre la consommation énergétique et l’utilisation n’est pas linéaire, et elle ne vaut jamais zéro.

En raison de cette relation, plus vous utilisez un ordinateur, plus il devient efficace pour convertir l’électricité en opérations informatiques utiles. L’exécution de votre travail sur le moins de serveurs possible avec le taux d’utilisation le plus élevé possible optimise leur efficacité énergétique.

Consommation électrique statique

Plusieurs raisons expliquent cette non-proportionnalité de l’énergie : l’une d’elles est la consommation statique d’électricité.

Un ordinateur inactif, même à 0 % d’utilisation, consomme quand même de l’électricité. Cette consommation statique d’électricité varie en fonction de la configuration et des composants du matériel, mais tous les composants ont une consommation statique d’électricité. Cette consommation d’électricité potentielle est une des raisons pour lesquelles les PC, les ordinateurs portables et les appareils mobiles disposent de modes d’économie d’énergie. Si l’appareil est inactif, il finit par déclencher un mode de mise en veille prolongée qui met en veille le disque et l’écran, ou même change la fréquence du processeur. Ces modes d’économie d’énergie économisent de l’électricité, mais ils impliquent des compromis, comme un redémarrage plus lent quand l’appareil sort de veille.

Les serveurs ne sont généralement pas configurés pour une économie d’énergie agressive ou même minimale. De nombreux cas d’utilisation des serveurs demandent une capacité totale disponible aussi vite que possible en réponse aux demandes qui changent rapidement. Ce scénario peut laisser de nombreux serveurs dans des modes inactifs pendant les périodes où la demande est faible. Un serveur inactif a un coût dû à la fois à son empreinte carbone et à son utilisation inefficace.

Vitesse d’horloge

La vitesse d’horloge est la vitesse de fonctionnement d’un ordinateur ou de son microprocesseur, exprimée en cycles par seconde (mégahertz). Les appareils consommateurs ajustent souvent dynamiquement la vitesse d’horloge des appareils informatiques pour obtenir une proportionnelle plus énergétique.

La vitesse d’horloge indique la vitesse à laquelle un ordinateur peut exécuter des instructions.

L’efficacité énergétique des microprocesseurs change avec la vitesse d’horloge : les vitesses d’horloge élevées sont souvent moins économes en énergie que les basses. Par exemple, dans le système i7-3770K, vous pouvez fonctionner à 3.5 GHz pour 50 W, ou à environ 5 GHz pour 175 W. Une augmentation approximative de 40 % de la vitesse d’horloge nécessite une augmentation de puissance d’un facteur >3✕.