La pandémie corona a augmenté notre utilisation d'Internet. Nous avons surfé sur Internet, passé des appels vidéo, diffusé des films en streaming et joué à des jeux en ligne. Le samedi 21 mars, premier week-end du premier confinement, Telenet a constaté que nous téléchargions 2,6 téraoctets par seconde sur le réseau Internet fixe. Cela a établi un nouveau record, et il était immédiatement supérieur de 30% au précédent.
Tous ces services fonctionnent via des centres de données :de grands entrepôts remplis de serveurs sur lesquels s'exécutent toutes sortes d'applications en ligne. Cette couche physique d'Internet consomme une énorme quantité d'énergie. Le montant exact n'est pas tout à fait clair - les estimations varient considérablement. Une étude récente publiée dans la revue Science déclare que les centres de données absorbent 1% de la demande mondiale d'électricité. Un chercheur travaillant pour la société de télécommunications Huawei, quant à lui, a découvert que l'informatique avait la même empreinte que l'industrie aéronautique et qu'elle absorberait jusqu'à 20 % de notre consommation d'électricité d'ici 2030.
Les entreprises qui exploitent ces centres de données font une course contre la montre pour rendre leurs sites éconergétiques. Microsoft a récemment testé un centre de données sous-marin au large des îles Orcades écossaises, et des expériences sont également en cours en Belgique.
Le centre de données de loin le plus grand de Belgique se trouve en Wallonie. A Saint-Ghislain, dans le Hainaut, Google possède un complexe qui s'étend sur 100 hectares. "Nous exécutons presque toutes nos applications à partir d'ici", explique Frédéric Descamps, responsable des opérations du site, "de Google Streetview et Maps à YouTube et bien sûr le moteur de recherche lui-même."
Une grande partie de l'énergie consommée par le datacenter de Google à Saint-Ghislain sert au refroidissement des serveurs. Ils chauffent et leur température doit être maîtrisée. "Mais nous avons la chance d'avoir un climat doux ici", dit Descamps. « Nous pouvons refroidir les serveurs avec l'évaporation de l'eau. Nous le faisons en laissant couler l'eau devant les serveurs. L'eau absorbe la chaleur et va dans une tour de refroidissement, où elle est pulvérisée dans l'air. L'eau refroidie s'écoule dans la tour pour pouvoir repasser par les serveurs. »
Cette méthode s'avère plus efficace que le refroidissement par air que les centres de données utilisent habituellement, comparable à un système de climatisation. L'efficacité est mesurée avec le soi-disant ratio PUE, abréviation de Power Usage Effectiveness. C'est le rapport entre la consommation énergétique totale d'un centre de données et l'énergie nécessaire pour alimenter les serveurs. "Ce ratio doit être maintenu aussi bas que possible", déclare Descamps. "Vous voulez utiliser le moins d'énergie possible en plus de ce qui est spécifiquement nécessaire pour les serveurs."
A Saint-Ghislain, selon Descamps, Google réalise un PUE moyen annuel de 1,08. Par exemple, si le centre de données devait utiliser 100 mégawattheures pour alimenter les serveurs, il utiliserait 8 mégawattheures supplémentaires pour des choses comme le refroidissement. Ce chiffre indique une assez bonne efficacité :la société d'études de marché Uptime Institute a constaté que le PUE moyen dans le monde cette année était de 1,58. Beaucoup de ces centres de données sont plus petits et investissent moins dans des centres économes en énergie.
A Saint-Ghislain, ils expérimentent d'autres moyens de rendre leurs serveurs plus respectueux de l'environnement. La consommation d'eau douce est réduite en prélevant l'eau d'un canal. Le site est équipé de panneaux solaires. De nouveaux serveurs capables de supporter des températures plus élevées et nécessitant donc moins de refroidissement sont en cours de construction.
Le data center surdimensionné de Saint-Ghislain appartient aux data centers dits hyperscale. "Cela implique généralement des complexes de serveurs qui utilisent plus de 50 mégawatts de puissance", explique Marc Decorte du constructeur de centres de données Kevlinx. "En comparaison, la plupart des centres de données disponibles dans le commerce en Belgique offrent moins de 10 mégawatts de capacité."
À Bruxelles, Kevlinx travaille au développement d'un nouveau site hyperscale pour le compte de la société de télécommunications britannique COLT. « Le nouveau centre de données que nous y installons aura une capacité estimée à 68 mégawatts », précise Decorte. C'est une bonne quantité d'énergie. Aux États-Unis, avec 1 mégawatt de puissance, vous pouvez répondre aux besoins énergétiques de quatre à neuf cents foyers. Convertis, 68 mégawatts équivaut à la capacité d'au moins 27 000 foyers.
Le futur centre de données à Bruxelles consommera jusqu'à 68 mégawatts. Cela correspond à la consommation de dizaines de milliers de foyers
Pourtant, de tels centres hyperscales sont souvent de bonnes évolutions. Les grands centres de données remplacent les variantes plus petites ou les salles de serveurs dans les entreprises elles-mêmes. Ces emplacements plus grands sont souvent plus efficaces et investissent davantage dans le refroidissement et les serveurs plus récents. La consommation absolue à un emplacement augmente, mais la consommation relativement plus importante dans les petits emplacements moins efficaces disparaît.
Kevlinx vise désormais un PUE inférieur à 1,2 pour le site de Bruxelles. C'est moins efficace que ce que Google prétend obtenir, mais c'est toujours mieux que la moyenne de l'industrie. C'est en partie parce que l'entreprise utilise l'air extérieur pour son refroidissement de l'air et parce qu'elle surveille tout de manière beaucoup plus détaillée que d'habitude.
De plus, Kevlinx étudie comment utiliser la chaleur résiduelle pour chauffer les bureaux environnants. «Nous cherchons également à fournir de l'air chaud pour les unités industrielles légères. Par exemple, ils n'ont plus besoin d'utiliser des combustibles fossiles », explique Decorte.
L'efficacité énergétique ne concerne pas seulement le refroidissement, il s'agit également de l'efficacité des serveurs eux-mêmes et des applications qui s'y exécutent. Depuis quelques années, nombre de ces applications reposent sur l'intelligence artificielle. YouTube utilise des modèles d'intelligence artificielle pour analyser notre historique de visionnage et nous recommander de nouvelles vidéos en fonction de cela. Et dans Google Translate ou DeepL, c'est l'IA qui rend les traductions plus précises.
Ces modèles nécessitent beaucoup de calculs de la part des ordinateurs. Cela met une charge sur les serveurs, qui à leur tour consomment de l'énergie. Des chercheurs de l'Université du Massachusetts à Amherst ont calculé en 2019 que la formation d'un modèle d'IA spécifique émettait plus de dioxyde de carbone que cinq voitures sur l'ensemble de leur cycle de vie, y compris la construction.
En règle générale, un système d'IA est formé en lui présentant de grandes quantités de données. Il découvre ensuite de manière autonome des modèles et apprend à prendre des mesures en fonction de ceux-ci. "Par exemple, un système d'IA dans une voiture autonome est présenté avec de nombreuses images vidéo dans lesquelles les piétons sont déjà indiqués", explique l'expert en IA Mieke De Ketelaere (imec). "Le système leur apprend à les reconnaître sur de nouvelles images et à les éviter une fois que la voiture touche la piste."
"Nous nous inspirons de la nature pour une nouvelle méthode d'entraînement", déclare De Ketelaere. « Notre cerveau meurt progressivement des neurones que nous n'utilisons pas.
On fait la même chose avec l'IA :si certains calculs ne sont pas importants pour le résultat final lors du processus d'apprentissage, on les supprime. Un processus de élagage du réseau chaud."
La quantité exacte d'énergie que cela permet d'économiser dépend du modèle d'IA et du matériel utilisé pendant le processus de formation. Un chercheur a découvert dans un test que le modèle d'IA testé par network pruning occupait quatre fois moins d'espace mémoire et que les calculs étaient trois fois plus rapides.
Si les investissements continuent de suivre, la consommation pourrait rester stable jusqu'en 2022
Il existe d'autres domaines dans lesquels les centres de données peuvent économiser de l'énergie. Le Dutch Effect Photonics rend un autre lien plus efficace :la connexion entre le centre de données et Internet. Les données sont envoyées dans les deux sens sur des câbles à fibres optiques ; ils « voyagent » à travers ces câbles sous la forme de signaux optiques. Mais un centre de données lui-même ne fonctionne que via des signaux électriques.
« Nous concevons les pièces qui convertissent les données électriques en impulsions optiques », explique Boudewijn Docter, président d'Effet Photonics. L'entreprise travaille de manière plus économe en énergie qu'auparavant. "Avec les systèmes précédents, vous aviez de nombreuses pièces séparées, nous plaçons tout sur une seule puce. De cette façon, la transition sera plus performante."
Cela signifie que vous pouvez envoyer plus de bits par seconde via le câble à fibre optique. Et cela garantit une moindre consommation d'énergie. Docter :« Il y a moins de pertes. Par exemple, là où vous pouviez auparavant envoyer 10 gigabits par seconde via un câble à fibre optique, vous pouvez désormais envoyer 100 gigabits par seconde. Si vous n'utilisez pas plus d'énergie, votre consommation totale diminuera d'un facteur 10 par bit."
Parallèlement, de nouvelles tendances émergent également. L'intelligence artificielle, par exemple, aide à ajuster très précisément le refroidissement aux températures d'un centre de données. « Nous l'utilisons déjà sur nos systèmes », explique Descamps. "Nous pouvons le faire manuellement, mais l'équipe ne peut pas être partout à la fois. C'est pourquoi nous le traitons maintenant dans un système d'IA. »
Cette méthode est utilisée depuis un certain temps aux États-Unis. En 2016, Google a annoncé que ses systèmes d'IA pourraient réduire les coûts de refroidissement de 40 %. Deux ans plus tard, l'entreprise a tenu parole. Depuis lors, un certain nombre de centres de données Google ont déjà pleinement utilisé les systèmes d'IA.
Un centre de données doit être en mesure de garantir aux clients qu'il restera toujours en ligne, même pendant une panne de courant locale. Par mesure de sécurité, les générateurs diesel (nocifs pour l'environnement) sont donc en veille. Les entreprises remplacent maintenant ces générateurs par des piles à hydrogène. Microsoft a déjà effectué des tests avec cela cette année. À l'avenir, nous pourrions submerger des composants informatiques ou même des serveurs entiers dans des liquides. « Les liquides peuvent mieux conduire la chaleur », déclare Marc Decorte. « Cela garantit que moins de chaleur est perdue par rapport au refroidissement par air ou par eau. La technologie arrive dans un futur proche."
Les innovations technologiques peuvent ralentir l'augmentation continue de la consommation d'énergie. Nous avons déjà vu cela se produire au cours des dernières décennies :notre consommation de données a augmenté de façon exponentielle, tandis que la consommation d'énergie associée a évolué avec elle dans une bien moindre mesure. Si les investissements intelligents continuent de suivre, selon l'Agence internationale de l'énergie, la consommation d'énergie des centres de données pourrait rester stable jusqu'en 2022, malgré une forte augmentation de l'utilisation d'Internet ces derniers mois.
'Bientôt Google consommera plus d'énergie à Saint-Ghislain que BASF à Anvers'
Néanmoins, il va falloir apprendre à vivre avec le fait qu'internet consomme beaucoup d'énergie. « Les centres de données sont de plus en plus grands », déclare Ronnie Belmans (EnergyVille, KU Leuven). « Peut-être que Google à Saint-Ghislain consommera plus d'énergie dans un futur proche que tout le site anversois de l'entreprise chimique BASF. Le fait qu'un centre de données consomme plus que la plus grande entreprise chimique de notre pays est une étape importante."
Selon Belmans, les interventions techniques peuvent adoucir les choses. Mais l'évolution continuera quand même. Et nous aurons toujours grandement besoin de ces centres de données, Belmans le sait également. « Notre réseau électrique se décentralise. « Quand j'ai obtenu mon diplôme, nous avions trente centrales électriques en Belgique. Des centaines de milliers de petites installations énergétiques seront bientôt connectées au réseau. Les panneaux solaires sur votre toit fourniront de l'énergie à vos voisins. Nous ne pouvons coordonner tout cela qu'avec une infrastructure informatique bien développée. Dans tous les cas, nous avons besoin de centres de données pour cela. »
