透過網際網路下載每千百萬位元組的資料需要多少電量?你會相信是2kWh嗎?這是是德科技(Keysight)5G計畫經理Roger Nichols在該公司5G Tech Connect活動上提出的數字。

讓我們暫時接受2kWh/GB這個值。這相當於一個2,000W的吹風機連續工作1小時,這讓我決定計算利用網際網路串流式播放電視或電影時使用電量的等效比。Netflix網站上有一個方便的資料使用計算器,結果可能令你震驚(表1)。高畫質電影消耗的等效電力達到6,000W/每用戶!是的,你可能選用了能源之星(Energy Star)認證的電視機,該電視機在工作時耗電量僅有區區50W,但其耗電量和將電視內容傳輸到電視機所用的相比,就小巫見大巫了。

20180411NT01P1-1 表1 視訊串流消耗的資料和電力。表中資料消耗指標由Netflix提供,等效用電量依照2kWh/GB計算。

這是很高的功耗指標。當提出相關事實時,這更令人不安—網際網路主要是視訊串流。根據Sandvine《2016年全球網際網路現狀報告(Global Internet Report of 2016)》,娛樂串流(視訊和音樂)佔北美固定網路接入峰值下載量的71%,佔行動接入的40%。有一半的固定接入串流傳輸來自一家公司——Netflix,只有29%的下行流量是網際網路本身(網頁流覽、電子郵件、雲端備份、文件下載和上傳等)所用。換句話說,Netflix比其他所有網際網路所需頻寬都多。

2kWh/GB是準確數字嗎?我回過頭詢問Nichols如何計算。在此,我瞭解到,該指標專門針對蜂巢網路,包括與無線網路相關的所有功耗,但不包括將流量發送到無線網路,或從生成內容的伺服器獲取流量的功耗。Nichols表示,是德科技是將研究和與服務供應商的討論結合,進行三角測量得出的2kWh/GB這一結果。他並補充,一些服務供應商已將功耗確定為其最高營運支出(OPEX)成本。諾基亞(Nokia)預計,功耗將佔OPEX總量的15%。就電量來看,以0.10美元/kWh計算,每GB最終可能花費無線服務供應商20美分成本。

我與Nichols的對話促使我廣泛搜尋了精確的功耗指標,這些指標相差很大。差異如此巨大,以至於我開始閱讀關於這些研究本身的研究報告。2014年,Vlad Coroama和Lorenz Hilty發表了一篇名為《Assessing Internet energy: a review of methods and results(評估網際網路能耗:對方法和結果的回顧)》的研究。他們發現影響功耗估算差異有兩個主要原因——所做分析的年份,以及是否將終端設備(伺服器和個人電腦)包括在內。我將文中的清單擴展到以下內容:

˙邊緣能耗(Marginal energy consumption)還是平均能耗;

˙除網路能耗外,是否包括資料中心/最終用戶用電量;

˙是否包括電子產品的能值(Emergy)。能值是構造設備所需的內涵能源;

˙無線網路或固定接入;

˙進行研究的年份。

邊緣能耗對比平均能耗

在計算每千百萬位元組的瓦時(Watt-hours)數時,將每GB數據的功耗視為遞增很有誘惑力,但事實並非如此。一旦網路設計成用於峰值容量,大部分能耗是固定的,該數字實際上是平均功耗,而不是增量功耗。如圖1所示,等效功耗仍然是個有用指標,因為它可以用來比較許多不同的網路和播放選項,這也是一種對能耗數值視覺化的很好方式。

20180411NT01P1 圖1 EnerNOC Utility Solutions的David Costenaro和Anthony Duer在2012年進行的一項研究結果。資料中心的功耗佔大宗,最終用戶所耗相差不遠。實際資料傳輸僅佔總功耗的14%,為0.7kWh/GB。

是否包括資料中心/最終用戶

我發現這是最大的變數——當你談「網際網路」時,都包含了什麼?是否包括作為資料來源的資料中心?是否包含最終使用者設備?是否只包括這兩者之間的實際網路功耗?2012年EnerNOC Utility Systems的研究《The Megawatts behind Your Megabytes: Going from Data-Center to Desktop(數百萬位元組背後的兆瓦:從資料中心到桌面)》將總網際網路流量除以總功耗,得到5.12kWh/GB這一資料。資料中心的能耗佔48%,最終使用者設備佔38%,兩者之間的網路則佔14%(圖1)。

能值

能值是製造電子產品所需的內涵能源,亦即創造電子產品本身所消耗的全部能源,但不包括使用它們的功耗。大多數網際網路功耗研究都會關注每年的運行功耗。能值是加在運行功耗之上的,它是透過將總內涵能源除以設備的平均替代壽命計算。這很重要嗎?國際電腦服務公司(ICSI)和加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)的Barath Raghavan和Justin Ma的一項研究發現,當計入能值時,總能耗翻了一倍。

無線對比固定接入網路

事實證明,無論是DSL還是電纜,固定接入網路都比蜂巢網路節能得多。使用無線電波大範圍廣播的效率,不如將訊號透過電纜(無論是銅纜還是光纖)傳輸到目的地那樣高效。無論最終用戶使用LAN還是Wi-Fi進行最終連接,都沒什麼區別,最大的影響因素是固定接入還是蜂巢接入。

研究進行的年份

電子產品每bit的能效越來越高。遺憾的是,bit數的增長速度比能效提升的速度更快,因此總功耗在增加。總的來說,每年平均能效提高15%。雖然安裝最新、最高效的設備可能很誘人,但有兩個反對因素需要面對,其中之一是經常更換設備的成本,即使忽略成本項,網際網路的能值也會增加,因為設備的可用壽命縮短了。

總結

我決定忽略能值效應,看資料中心到傳輸網路的直接功耗。目前,不計最終用戶的功耗。從Costenaro和Duer在2012年的研究出發,我得出:4年內,年複合能效提高了15%,這將功耗降低到表2中表述值的52%。然後,假定蜂巢網路的2kWh/GB數位對於資料中心和傳輸功耗是遞增的,基於此,我創建了一個2×2矩陣,顯示了是否包括資料中心,以及固定接入或蜂巢接入的功耗。傳輸能源統計資料與諾基亞估計的80%的行動網路能源為基地台本身所用匹配得很好。

20180411NT01P1-2 表2 固定接入和蜂巢網路的更新估算。第一列顯示了每GB資料所需的功耗,僅使用傳輸網路;第二列還包含了資料中心的功耗,與忽略能值一樣,此處也忽略了最終用戶功耗。第三列使用第二列的結果來計算觀看高畫質視訊(假設為3GB/h)的等效功耗。

這是個完美分析嗎?不,但是個很好開始。有一點顯而易見——視訊是功耗大戶。隨著螢幕解析度的增加,對於4K HD及更高畫質版本,我們將繼續面對這一問題。一種緩解解決方案是將視訊伺服器移動到最終用戶附近——或許在網際網路服務供應商(ISP)的網路內。這可以降低固定接入傳輸功耗,但該功耗一共僅為0.37kWh/GB,因此該策略的回報有限。等效功耗遠高於用戶所購任何能源之星電視的耗電,雖然等效功耗實際上並非遞增,但它仍是個有效指標,因為資料中心和傳輸網路的大小由峰值資料速率決定,從而使其成為衡量其功耗比重的良好指標。

如果5G要在固定接入網際網路市場上競爭,那麼與4G蜂巢相比,它需要顯著降低功耗。當超過2kWh/GB時,目前的蜂巢網路會使服務供應商花費20美分在下載每GB資料上,或60美分在下載每小時高畫質視訊上,當使用者超過資料限制時,行動網路營運商目前會對此收取增量費用。在預期無限制下載資料的市場,這些成本可能是致命的,因此5G需要大幅降低每bit的平均功耗,才能在該市場競爭。

是的,視訊扼殺了能源之星。

(參考原文: Video killed the Energy Star: Why 5G must use less power,by Larry Desjardin)