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视频扼杀了能源之星:为什么5G必须更节能

2018-04-04 Larry Desjardin 阅读:
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。

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。5d7ednc

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。5d7ednc

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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。5d7ednc

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。5d7ednc

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。5d7ednc

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:5d7ednc

•    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。5d7ednc

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)。5d7ednc

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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。5d7ednc

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。5d7ednc

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。5d7ednc

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。5d7ednc

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。5d7ednc

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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。5d7ednc

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。5d7ednc

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。5d7ednc

是的,视频扼杀了能源之星。5d7ednc

《EDN电子技术设计》2018年4月刊版权所有,谢绝转载。5d7ednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Larry Desjardin
Larry Desjardin是Modular Methods LLC公司总裁,这是一家专注于快速增长的模块化仪器行业的咨询公司。Larry 曾任职于惠普(现为Agilent Technologies),担任多个研发和执行管理职位。作为研发经理,Larry 获得了John Fluke Sr. Memorial Award,以表彰他对VXI总线的创建所做的贡献。在2011年退休前,他担任了安捷伦模块化产品运营的总经理。Larry 拥有加州理工学院的工程学士学位和斯坦福大学的电气工程硕士学位。Larry 还为“测试与测量世界(Test and Measurement World)”写了一列“他山之石”专栏。
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