通过互联网下载每GB的数据需要多少电量?你会相信是2kWh吗?这是是德科技5G计划经理Roger Nichols日前在该公司5G Tech Connect活动上提出的数字。

让我们暂时接受2kWh/GB这个值。这相当于一个2000W的吹风机连续工作一小时。《EDN电子技术设计》决定计算通过互联网流式播放电视或电影时使用电量的等效比。Netflix网站上有一个方便的数据使用计算器,结果可能令你震惊(表1)。高清电影消耗的等效电力达到了6000W/用户!是的,你可能选用了能源之星认证的电视机,该电视机在工作时耗电量仅有区区50W,但其耗电量与将电视内容传输到电视机所用的相比,就小巫见大巫了。

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表1:视频流消耗的数据和电力。数据消耗指标由Netflix提供,等效用电量按2KWh/GB计算。

这是很高的功耗指标。当提出相关事实时,这更令人不安——互联网主要是视频流。根据Sandvine的《2016年全球互联网现状报告》(Global Internet Report of 2016),娱乐流(视频和音乐)占北美固定网络接入峰值下载量的71%,占移动接入的40%。一半的固定接入流传输来自一家公司——Netflix。只有29%的下行流量是互联网本身(网页浏览、电子邮件、云备份、文件下载和上传等)所用。换句话说,Netflix比其他所有互联网所需带宽都多。

2kWh/GB是准确数字吗?《EDN电子技术设计》回过头询问Roger Nichols,他是如何计算的。在此,我了解到,该指标专门针对蜂窝网络,包括与无线网络相关的所有功耗,但不包括将流量发送到无线网络,或从生成内容的服务器获取流量的功耗。Roger表示,是德科技是将研究和与服务提供商的讨论结合起来,进行三角测量得出的2kWh/GB这一结果。他补充说,一些服务提供商已将功耗确定为其最高运营支出(OPEX)成本。诺基亚预计,功耗将占OPEX总量的15%。就电量来看,按0.10美元/kWh计算,每GB最终可能花费无线服务提供商20美分成本。

我与Roger的对话促使我广泛搜寻了精确的功耗指标,这些指标相差很大。差异如此巨大,以至于我开始阅读关于这些研究本身的研究。2014年,Vlad Coroama和Lorenz Hilty发表了一篇名为《Assessing Internet energy: a review of methods and results》(评估互联网能耗:对方法和结果的回顾)的研究。他们发现影响功耗估算差异有两个主要原因——所做分析的年份,以及是否将终端设备(服务器和个人电脑)包括在内。《EDN电子技术设计》将文中的列表扩展到以下内容:

•	边际能耗还是平均能耗。

•	除网络能耗外,是否包括数据中心/最终用户用电量。

•	是否包括电子产品的能值(Emergy)。能值是构造设备所需的内涵能源。

•	无线网络或固定接入。

•	进行研究的年份。

边际能耗对平均能耗

在计算每GB的瓦时数时,将每GB数据的功耗视为递增很有诱惑力。但事实并非如此。一旦网络设计成用于峰值容量,大部分能耗是固定的。该数字实际上是平均功耗,而不是增量功耗。如图1所示,等效功耗仍然是个有用指标,因为它可以用来比较许多不同的网络和播放选项。这也是一种对能耗数值可视化的很好方式。

是否包括数据中心/最终用户

《EDN电子技术设计》发现这是最大的变量——当你谈“互联网”时,都包含了什么?你是否包括作为数据源的数据中心?你是否包含最终用户设备?你是否只包括这两者之间的实际网络功耗?2012年EnerNOC Utility Systems公司的研究《The Megawatts behind Your Megabytes: Going from Data-Center to Desktop》(你数兆字节背后的兆瓦:从数据中心去到桌面)将总互联网流量除以总功耗,得到5.12kWh/GB这一数据。但数据中心的能耗占48%,最终用户设备占38%,两者之间的网络则占14%(图1)。

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图1:EnerNOC Utility Solutions的David Costenaro和Anthony Duer在2012年进行的一项研究结果。数据中心的功耗占大头,最终用户所耗相差不远。实际数据传输仅占总功耗的14%,为0.7kWh/GB。

能值

能值是制造电子产品所需的内涵能源,也即创造电子产品本身所消耗能源的全部,但不包括使用它们的功耗。大多数互联网功耗研究都会关注每年的运行功耗。能值是加在运行功耗之上的,它是通过将总的内涵能源除以设备的平均替代寿命计算的。这很重要吗?国际计算机服务公司(ICSI)和加州大学伯克利分校的Barath Raghavan和Justin Ma的一项研究发现,当计入能值时,总能耗翻了一番。

无线对固定接入网络

事实证明,无论是DSL还是电缆,固定接入网络都比蜂窝网络节能得多。使用无线电波大范围广播的效率,不如将信号通过电缆(无论是铜缆还是光纤)传输到目的地那样高效。无论最终用户使用LAN还是Wi-Fi进行最终连接,都没什么区别。最大的影响因素是固定接入还是蜂窝接入。

研究进行的年份

电子产品每比特的能效越来越高。遗憾的是,比特数的增长速度比能效提升的速度更快,因此总功耗在增加。总的来说,每年平均能效提高15%。虽然安装最新、最高效的设备可能很诱人,但有两个反对因素需要面对。其中之一是经常更换设备的成本。即使忽略成本项,互联网的能值也会增加,因为设备的可用寿命缩短了。

总结

《EDN电子技术设计》决定忽略能值效应,看数据中心到传输网络的直接功耗。目前,我不计最终用户的功耗。从Costenaro和Duer在2012年的研究出发,我得出:四年内,年复合能效提高了15%。这将功耗降低到表2中表述值的52%。然后,我假定蜂窝网络的2kWh/GB数字对于数据中心和传输功耗是递增的。基于此,《EDN电子技术设计》创建了一个2×2矩阵,显示了是否包括数据中心以及固定接入或蜂窝接入的功耗。该表如下所示。传输能源统计数据与诺基亚估计的80%的移动网络能源为基站本身所用匹配得很好。

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表2:固定接入和蜂窝网络的更新估算。第一列显示了每GB数据所需的功耗,仅使用传输网络。第二列还包含了数据中心的功耗。与忽略能值一样,此处也忽略了最终用户功耗。第三列使用第二列的结果来计算观看高清视频(假设为3GB/h)的等效功耗。

这是个完美分析吗?不,但是个很好开始。有一点显而易见——视频是功耗大户。随着屏幕分辨率的增加,对于4K HD及更高清版本,我们将继续面对这一问题。一种缓解解决方案是将视频服务器移动到最终用户附近——或许在互联网服务提供商(ISP)的网络内。这可以降低固定接入传输功耗,但该功耗一共才仅为0.37kWh/GB,因此该策略的回报有限。等效功耗远高于用户所购任何能源之星电视的耗电。虽然等效功耗实际上并非递增,但它仍是个有效指标,因为数据中心和传输网络的大小由峰值数据速率决定,从而使其成为衡量其功耗份额的良好指标。

如果5G要在固定接入互联网市场上竞争,那么与4G蜂窝相比,它需要显著降耗。当超过2kWh/GB时,目前的蜂窝网络会使服务提供商花费20美分在下载每GB数据上,或60美分在下载每小时高清视频上。当用户超过数据限制时,移动运营商目前会对此收取增量费用。在预期无限制下载数据的市场,这些成本可能是致命的。5G需要大幅降低每比特的平均功耗,才能在该市场竞争。

是的,视频扼杀了能源之星。

《EDN电子技术设计》2018年4月刊版权所有,谢绝转载。