Numérique et prise de conscience écologique - Paternité Librecours
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Numérique et prise de
conscience écologique
Paternité : http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/fr/
Table des matières
Introduction 3
I - Fiches concept 4
1. C'est quoi le numérique ? ..........................................................................................4
2. La simulation numérique, un outil devenu central pour l'environnement.............7
3. Quelles sont les infrastructures d'Internet ? ...........................................................10
4. Qu'est-ce qu'un datacentre ? ...................................................................................16
4.1. D'où viennent les besoins ? .............................................................................................................16
4.2. Caractéristiques d'un datacentre ...................................................................................................17
4.3. Impacts environnementaux des datacentres ................................................................................17
4.4. Évolutions des datacentres .............................................................................................................19
Contenus annexes 20
Glossaire 23
Bibliographie 24
Webographie 25
Crédits des ressources 26
2 ImpactNum000 par Inria & Class'Code [copie par UTC] [adaptations Stéphane Crozat000]
Introduction Comment les sciences du numérique nous ont-elles permis de prendre conscience du problème environnemental ? Et la transition numérique, ne serait-elle pas la solution ? Pas si simple, car dans un monde devenu tout numérique, le numérique a lui-même un impact sur l'environnement ! [cf. Un monde tout numérique] ImpactNum000 par Inria & Class'Code [copie par UTC] [adaptations Stéphane Crozat000] 3
Fiches concept I
La fiche C'est quoi le numérique ? (cf. p.4) vous présente un état des lieux des termes communément
associés au numérique, et de son histoire.
La fiche La simulation numérique, un outil devenu central pour l'environnement (cf. p.7) explique en quoi la
modélisation est une vision mathématique du mode réel et tente de préciser ce qu'est la simulation
numérique au-delà de l'idée plus ou moins vague que l'on peut tous en avoir, et comment elle s'est
développée dans le domaine environnemental pour de nombreuses applications.
La fiche Quelles sont les infrastructures d'Internet ? (cf. p.10) décrit les principales infrastructures
permettant le fonctionnement d'Internet, et leur impacts environnementaux.
La fiche Qu'est-ce qu'un datacentre ? (cf. p.16) décrit les datacentres, de quoi ils sont constitués, quelles
sont leurs caractéristiques et leurs impacts environnementaux.
1. C'est quoi le numérique ?
Concrètement, le numérique est-il virtuel ?
Dans notre vie quotidienne, nous utilisons nombre
d'objets issus du monde du numérique. Nous recevons
des courriers électroniques, que nous classons dans un
dossier virtuel, qui lui-même peut être posé sur un
bureau virtuel. Tous ces objets nous semblent
immatériels. Pourtant ils ont tous bien une réalité
physique dans nos machines, les cables et autres
équipements qui leur permettent de communiquer
ensemble. Cette confusion entre matériel et immatériel
se retrouve dans la terminologie que nous employons ;
les frontières entre numérique, informatique et
électronique sont floues.
Nous commençons par une clarification de ces notions en mettant en exergue celles qui relèvent du
matériel ou de l'immatériel. Cette dichotomie sera également illustrée à travers un bref historique du
développement des sciences et technologies du numérique.
Quelques éléments de terminologie
Faisons rapidement un petit tour des expressions utilisées fréquemment de façon interchangeable
dans notre vie quotidienne.
L'informatique, mot né de la contraction de information et automatique est le traitement automatisé
de l'information. Cette information peut être de différents types. Par exemple, il peut s'agir de la
position d'un objet dans l'espace.
Souvent cette information concerne des nombres et leurs propriétés. Ce type d'information correspond
au terme numérique. Plus précisément, les nombres sont généralement la représentation
immatérielle d'une information issue du monde réel.
4 ImpactNum000 par Inria & Class'Code [copie par UTC] [adaptations Stéphane Crozat000]
Fiches concept
Dans le domaine de l'informatique, une procédure de manipulation d'une information en vue d'un
résultat est appelée algorithme1. L'algorithmique est alors l'étude de l'efficacité, par exemple la
fiabilité ou la rapidité, d'une telle procédure. Une suite d'instruction qui permet une construction
géométrique, comme le tracé d'une médiatrice à partir d'une droite et de deux points, est un exemple
d'algorithme. Un algorithme (numérique) classique est celui de la classification d'une série de nombres
dans un tableau.
Un ordinateur est une machine dotée de capacités d'acquisition, de stockage et de communication
d'information ainsi que d'implémentation d'algorithmes sur ces informations.
Le principe théorique de fonctionnement de ces
implémentations a été développé et étudié par le
mathématicien Alan Turing. Autrement dit, l'ordinateur
est un support matériel de l'informatique.
Notons que le mot anglais de computer est en fait un
glissement de sens : il désignait autrefois les humains
qui faisaient des calculs, tenaient des livres de comptes,
etc. D'ailleurs la langue anglaise fait la distinction entre
"calculation", le calcul arithmétique et "computation"
qui est la suite logique d'une série de règles de calcul, et
Alan Turing qui se rapproche plus de la notion d'informatique et
d'algorithmique.
L'évolution de l'informatique au cours des siècles
Les premiers systèmes informatiques ont bien évidemment été... les cerveaux humains. Ainsi les
"procédures" (on dira plus tard algorithmes) de calculs, de résolutions de problèmes ou même de
construction géométrique étaient édictés par des humains pour être utilisés par d'autres.
Avec les progrès technologiques, des machines sont venues supplanter les humains pour effectuer ces
tâches automatiques et des machines informatiques sont apparues.
On peut citer l'une des plus rudimentaires, la pascaline,
qui est un ancêtre de calculatrice, datant de 1642.
L'information manipulée est donc le nombre. Près d'un
siècle plus tard, Basile Bouchon inventa un métier à
tisser programmable par cartes perforées en 1725. Ici
l'information est la position du ou des trous dans la
carte, ce qui va déterminer le mouvement des crochets
et donc du fil. Cette invention inspirera Charles Babbage
en 1834 qui pose les prémices des machines numériques
actuelles. Il ne put construire cette machine faute de
La Pascaline soutien financier. La manipulation des nombres est donc
bien entrée dans le monde physique.
Mais la véritable révolution informatique (Berry , 2018)∗ apparaîtra près d'un siècle plus tard grâce à
un autre développement technologique : l'électronique. Elle va permettre la réalisation de machines
plus perfectionnées et plus fiables que les machines mécaniques précédentes.
Lors de la seconde guerre mondiale, le besoin de transmettre des informations de façon sécurisée a
rendu cruciales les recherches (secrètes) en informatique. La recherche en informatique obtient donc
d'importants financements.
1
https://fr.wikipedia.org/wiki/Algorithme
ImpactNum000 par Inria & Class'Code [copie par UTC] [adaptations Stéphane Crozat000] 5
Fiches concept
Les avancées, tant sur les fondamentaux théoriques que
technologiques sont fulgurantes. Ainsi, le premier ordinateur
(c'est-à-dire la première implémentation de la machine de Turing)
est testé en 1948 à l'université de Manchester.
Dès lors, les progrès des ordinateurs vont devenir intimement liés à
ceux des systèmes électroniques, et notamment du
développement de la micro-électronique. Cette dernière va
permettre des systèmes plus fiables, plus petits, plus rapides et
avec des capacités de stockage de mémoire plus grands. Ainsi, la
"loi de Moore", qui énonce que le nombre de transistors sur une
puce de microprocesseur (les cerveaux des ordinateurs) double
tous les 18 mois semble toujours valide de nos jours, plus de 50
après sa promulgation.
Le Guépard - HBN Computeur,
1985
Et aujourd'hui ?
La marche en avant se poursuit notamment dans les années 70 avec la démocratisation de l'ordinateur
qui devient "personnel" (Personal Computer - PC). Ainsi, en parallèle des super-calculateurs pour les
entreprises, des ordinateurs de plus faible capacité sont développés pour les particuliers.
De plus, avec la poursuite des progrès de miniaturisation et d'intégration des circuits électroniques, de
plus en plus d'objets et de systèmes vont être dotés de capacités de traitement automatisé
d'informations. Ainsi, les systèmes de téléphonie, de transports ferroviaires, de contrôles aériens et
jusqu'au réseau électrique sont pilotés par des systèmes informatiques.
Il en va de même des objets du quotidien : les téléphones,
les voitures, l'électroménager. On parle alors
d'informatique ambiante, d'informatique des objets ou
d'objets intelligents.
Cette omniprésence du numérique et sa matérialité,
notamment électronique, nous conduit à nous poser la
question : quel est son impact environnemental ?
Quelques références pour aller plus loin : Complément
Sur la définition du mot « NUMÉRIQUE » [en ligne]. Disponible sur le site de Pixees.fr1, 2019
[29/01/2022]
Rechenmann, 2008∗
Prost, 2006∗
Abiteboul et Viéville, 2018∗
Berthoud et al., 2015∗
1
https://pixees.fr/sur-la-definition-du-mot-numerique/
6 ImpactNum000 par Inria & Class'Code [copie par UTC] [adaptations Stéphane Crozat000]
Fiches concept
2. La simulation numérique, un outil devenu central pour
l'environnement
Introduction
Quand on évoque la simulation numérique pour l'environnement, on pense souvent en tout premier
lieu aux projections climatiques dont le GIEC présente régulièrement la synthèse, comme cela a déjà
été évoqué dans ce MOOC. Mais ce sont en fait de multiples questions environnementales pour
lesquelles les modèles numériques fournissent une aide cruciale à la compréhension et à la décision.
Cette fiche concept va tenter de préciser ce qu'est la simulation numérique au-delà de l'idée plus ou
moins vague que l'on peut tous en avoir, et comment elle s'est développée dans le domaine
environnemental pour de nombreuses applications.
Modéliser : une vision mathématique du monde réel
Modéliser un système, qu'il s'agisse de la structure d'un pont, du flux de clients aux caisses d'un
supermarché, ou du climat terrestre, c'est avant tout formaliser les grands principes qui en régissent le
comportement, et les traduire par des équations mathématiques. Dans les domaines liés aux sciences
dites « dures », ces principes sont plutôt bien connus : conservation de la masse et/ou de l'énergie,
transformations chimiques, relations entre espèces... En mécanique des fluides, en première ligne pour
de nombreuses questions environnementales (atmosphère, océan, rivières...), les travaux de grands
scientifiques comme Euler, Fourier, Navier, Stokes, Coriolis ou Boussinesq ont posé les bases de telles
équations depuis deux siècles. Pour d'autres types de systèmes complexes comme la végétation ou
l'économie, cette description mathématique est moins avancée, même si la connaissance progresse
constamment.
Cependant, la complexité de ces modèles mathématiques est souvent telle qu'il est impossible de
résoudre de façon exacte leurs équations∗. On peut par contre en chercher des solutions approchées
(mais pas approximatives !) grâce aux techniques de simulation numérique. L'idée de base consiste à
découper l'objet auquel on s'intéresse (pont, pièce mécanique, atmosphère terrestre) en « briques
élémentaires » (le maillage de l'objet) et à rechercher une valeur des quantités physiques d'intérêt
dans chaque maille, en remplaçant les équations par une version simplifiée (les équations discrétisées)
ne faisant plus intervenir que les valeurs dans les mailles voisines, reliées par des opérations
arithmétiques∗. On substitue ainsi à chaque équation initiale complexe un système d'équations (une
par maille) très simples, dont les inconnues sont les valeurs des variables physiques (température,
concentrations chimiques...) dans chaque maille. Il ne reste alors qu'à résoudre cet ensemble
d'équations simples, ce qui peut tout de même nécessiter un ordinateur puissant si l'on doit faire usage
d'un grand nombre de mailles∗.
Cette méthodologie est toujours à peu près la même, que l'on s'intéresse à simuler le climat terrestre
ou un écoulement de pâte à biscuits dans une usine alimentaire.
Maillage tridimensionnel de la composante atmosphérique d'un modèle de climat. Les couleurs
représentent la température et les flèches le vent.
ImpactNum000 par Inria & Class'Code [copie par UTC] [adaptations Stéphane Crozat000] 7
Fiches concept
Le modèle numérique : jeu vidéo ou outil scientifique ?
On dispose à ce stade d'un outil numérique visant à fournir un avatar d'un système réel. Rien ne
garantit toutefois sa qualité : cliquer sur le bouton « start » lui fera toujours créer des résultats, qui
pourront être mis en valeur par de superbes animations 3D. Mais la qualité d'un rendu visuel ne fait pas
la qualité scientifique (même si le rendu peut bien sûr être important pour aider le scientifique à
comprendre et exploiter les résultats de la simulation, ainsi qu'à des fins de médiation vers le grand
public). Plusieurs étapes sont donc encore nécessaires pour que le modèle numérique devienne un réel
outil scientifique.
Un premier enjeu fort est de garantir que la solution numérique obtenue soit une bonne approximation
de la solution des équations complexes de départ. Cette assurance est obtenue par différentes
techniques mathématiques utilisées tout au long du processus de modélisation et de calcul.
Pour que le modèle numérique soit réaliste, il faut aussi « régler ses boutons », c'est-à-dire les
paramètres physiques et numériques intervenant dans le modèle dont les valeurs ne sont pas
forcément bien connues. Ce réglage est réalisé en comparant les résultats du modèle à des
observations de la réalité et/ou à différents critères physiques. Des techniques mathématiques très
sophistiquées (méthodes inverses ou assimilation de données) peuvent être mises en œuvre pour
déterminer de tels réglages optimaux. C'est ce que font par exemple quotidiennement tous les centres
de prévision météorologique en « assimilant » des millions de mesures atmosphériques réalisées lors
des dernières 24 ou 48 heures, afin de déterminer de façon précise l'état courant de l'atmosphère, qui
sera le point de départ pour la prévision sur les jours suivants.
Enfin une information particulièrement utile à l'utilisateur d'un modèle numérique est le niveau de
confiance qu'il peut avoir dans ses résultats. Un bon modèle cherche donc à fournir également une
estimation de l'incertitude sur ses résultats, qui peut aller d'un simple indicateur qualitatif (un indice de
confiance) à une description probabiliste de l'étendue des possibles.
Simulation numérique pour le climat
Du fait de son intérêt pratique évident, la prévision météorologique a été un domaine précurseur de la
simulation numérique. Depuis la première prévision numérique du temps par Charney et Von Neumann
à la fin des années 40∗, qui s'inspirait des travaux visionnaires de Richardson (1922)∗, les modèles
furent sans cesse améliorés, et ce savoir-faire se diffusa parmi les géophysiciens et accéléra
grandement le développement de modèles numériques dans des disciplines connexes : premiers
modèles de la circulation océanique et du climat dans les années 70, puis hydrologie, glaciologie, etc.
Décrire le climat, c'est expliciter le fonctionnement de ses principales composantes : atmosphère et
océan, mais aussi cryosphère, rivières, sols, biosphère... Autant de « compartiments » dont il faut de
plus expliciter les interactions (échanges d'énergie, d'eau, de carbone...). Insistons sur un point
fondamental : même s'il est intrinsèquement impossible de prévoir la météo au-delà d'une échéance de
l'ordre de 15 jours∗, son comportement statistique (c'est-à-dire le climat) est par contre tout à fait
prévisible plusieurs dizaines d'années à l'avance. Ceci est du même ordre que prévoir précisément
l'évolution de la température moyenne dans une casserole d'eau sur une cuisinière à gaz selon le
réglage de la flamme, alors qu'on est incapable d'anticiper le comportement exact de chaque
molécule.
8 ImpactNum000 par Inria & Class'Code [copie par UTC] [adaptations Stéphane Crozat000]
Fiches concept
Les principales composantes du système climatique et leurs interactions
La mise en œuvre informatique des modèles de climat est un véritable défi. Le comportement du
système climatique, même à grande échelle, est en effet largement influencé par les phénomènes de
plus petite échelle. Il est donc théoriquement nécessaire d'utiliser une résolution spatiale
suffisamment fine, idéalement de l'ordre de quelques kilomètres pour l'atmosphère, et encore plus
fine pour l'océan. Mais le nombre d'équations discrétisées à résoudre dépasseraient alors très
largement les capacités des plus puissants supercalculateurs. La résolution des modèles climatiques
est donc fixée pour l'instant, et le sera encore longtemps, en fonction de la puissance de calcul
disponible. Elle est actuellement relativement faible : de l'ordre de 50 à 100 km sur l'horizontale pour
l'atmosphère et l'océan, et quelques dizaines à centaines de mètres sur la verticale. Les plus fines
échelles spatiales ne sont pas présentes dans ces modèles, et leur effet sur le climat à plus grande
échelle ne peut qu'être simulé de façon imparfaite, au moyen de termes ad hoc ajoutés aux équations.
Mais même avec cette résolution insuffisante, les modèles calculent l'évolution de plusieurs dizaines à
centaines de millions de variables, sur des durées de dizaines d'années, à intervalle de quelques
minutes ou dizaines de minutes, ce qui représente un volume de calcul gigantesque.
Les modèles numériques de climat sont réglés et validés en comparant leurs résultats aux observations
disponibles, notamment celles, nombreuses, des décennies récentes. Une fois mis au point, ils peuvent
alors fournir des projections sur les évolutions possibles du climat dans les décennies, voire les siècles,
à venir. Ces études sont coordonnées au niveau international par le GIEC, créé en 1988 par l'ONU. Ce
Groupe d'experts Intergouvernemental sur lʼÉvolution du Climat fournit des rapports de synthèse sur
les connaissances scientifiques concernant le changement climatique. Plusieurs « futurs possibles »
des sociétés humaines (développement économique et démographique, choix énergétiques, évolution
des comportements individuels) sont traduits en termes de scénarios d'émissions de gaz à effet de
serre. Les centres de recherche de par le monde simulent alors avec leurs différents modèles les
évolutions climatiques qui en résulteraient. Une synthèse globale est ensuite réalisée afin de dégager
des tendances fiables, et de quantifier les incertitudes autour de ces tendances.
Simulation numérique et environnement
Les applications des modèles numériques dans les domaines liés à l'environnement sont aujourd'hui
innombrables, qu'il s'agisse de prévision à courte échéance (météorologie, qualité de l'air, risque
inondation...), à moyen ou long terme (prévision saisonnière de la mousson ou d'El Niño, projections
climatiques...), ou d'étude d'impact (comment évoluera l'ensablement si l'on construit une digue ?
Quelles zones à risque en cas de rupture d'un barrage ?).
ImpactNum000 par Inria & Class'Code [copie par UTC] [adaptations Stéphane Crozat000] 9
Fiches concept
Au-delà de l'eau et de l'air, les modèles numériques sont également omniprésents dans le domaine du
vivant : modèles écologiques étudiant l'évolution des populations de différentes espèces,
biogéochimie marine, végétation, agriculture (optimisation des intrants, prévision des récoltes...). Ils
sont aussi d'importants outils d'aide à la compréhension et à la décision pour les politiques publiques
concernant par exemple l'organisation des sols et des transports.
Même s'il demeure des verrous scientifiques de modélisation et simulation, le numérique occupe donc
une place centrale pour analyser de nombreuses questions environnementales (au premier rang
desquelles l'évolution du climat), et participer à sensibiliser le public et à élaborer des actions
politiques.
3. Quelles sont les infrastructures d'Internet ?
Introduction
Visionner un film en streaming, réserver un billet de train à n'importe quelle heure, régler à distance la
température de son logement ou vérifier le trafic routier sur son itinéraire... autant d'actions rendues
petit à petit possibles depuis les années 80 (Gandon)∗ grâce à Internet. Ce réseau informatique
mondial accessible au public permet le transfert de l'information sous différentes formes d'un bout à
l'autre de la planète, presque instantanément. Internet permet également la navigation sur le web,
entre autres nombreux usages. Mais comment ces informations sont-elles acheminées ?
Nous allons aborder dans cette fiche la succession d'équipements nécessaires au fonctionnement
d'Internet, à travers ses différents usages. Les protocoles ou les couches logicielles mis en œuvre, font
déjà l'objet de ressources pédagogiques disponibles sur Class'Code (Connectez le réseau1, Principe de
transmission de l'information2, Structuration en réseau3) et ne seront pas abordés ici.
Le réseau local
L'un des usages les plus courant d'Internet est la navigation web. Naviguer revient le plus souvent à la
manipulation d'un terminal par un humain, depuis un bâtiment. Ces terminaux peuvent être un
ordinateur (fixe ou portable), un smartphone, une tablette, une télévision, une console de jeux vidéo,
etc. D'autres objets du quotidien proposent également des interfaces web, comme les imprimantes ou
les thermostats connectés.
Ces équipements sont capables de communiquer entre eux directement via le réseau local, par
exemple celui de votre domicile, qui est la plupart du temps orchestré par votre box Internet. La
communication peut également être gérée par un équipement réseau permettant le câblage des
différentes pièces de votre maison, appelé switch ou commutateur. Votre terminal est connecté à ce
réseau par un câble (usuellement appelé RJ454 en référence au nom de ses connecteurs) ou via le Wi-
Fi5. Il est également possible que votre logement contienne des boîtiers CPL6 permettant le transfert de
l'information via votre réseau électrique, ainsi que de répéteurs Wi-Fi selon la taille de votre maison.
3
https://pixees.fr/classcode/formations/module4/
3
https://pixees.fr/principe-de-transmission-de-linformation/
3
https://pixees.fr/structuration-en-reseau/
4
https://fr.wikipedia.org/wiki/RJ45
5
https://fr.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi
6
https://fr.wikipedia.org/wiki/Courants_porteurs_en_ligne
10 ImpactNum000 par Inria & Class'Code [copie par UTC] [adaptations Stéphane Crozat000]Fiches concept
Le réseau local
Ainsi, avant même d'avoir quitté votre logement, il se peut que les données issues de votre ordinateur
aient déjà transité par de multiples équipements réseaux avant de finalement atteindre la box mise à
disposition par votre Fournisseur d'Accès à Internet (par la suite appelé FAI). C'est par là qu'elles
quitteront ensuite votre réseau local pour commencer leur cheminement sur Internet.
L'interconnexion vers Internet
L'information va ensuite transiter sur les différents équipements réseau de votre fournisseur d'accès à
Internet (FAI), à commencer par votre box. Ces équipements réseaux sont reliés entre eux, la plupart du
temps par des câbles optiques ou cuivrés, comme les traditionnels réseaux téléphoniques véhiculant
l'ADSL1. Ces équipements sont de natures très différentes : on va retrouver par exemple, à quelques
kilomètres des habitations, les multiplexeurs (communément appelés DSLAM) auxquels les boxes
Internet sont directement raccordées. Plus loin, les centres de traitement de données des FAI vont
contenir des équipements permettant l'interconnexion des réseaux des différents FAI, nationaux et
internationaux. Certains équipements servent à répéter les signaux, permettant ainsi à l'information de
parcourir de plus grandes distances sans être altérée ; d'autres à orienter l'information vers la bonne
destination, d'autres encore à filtrer les signaux. Ces filtres peuvent être de nature physique, pour
séparer par exemple les appels téléphoniques des données Internet sur une ligne ADSL, ou logiciel
(comme les pare-feux) pour par exemple mettre en œuvre des politiques de censure2.
1
https://fr.wikipedia.org/wiki/ADSL
2
https://fr.wikipedia.org/wiki/Censure_d%27Internet
ImpactNum000 par Inria & Class'Code [copie par UTC] [adaptations Stéphane Crozat000] 11Fiches concept
L'interconnexion d'Internet
Selon la nature de ces équipements, par exemple une box fibre ou ADSL, l'information circulera sur des
infrastructures différentes et à des vitesses différentes. Cette vitesse est communément caractérisée
par le débit réseau, qui représente une quantité de données transmises par unité de temps. Ce débit
est dépendant de la nature des matériaux et des technologies exploitées, ainsi que de la saturation des
infrastructures que l'information va emprunter de bout en bout. Les fournisseurs d'accès mettent en
avant le débit entre votre box et leur centre de données, mais le débit réel que vous constatez en
naviguant sur le web va généralement être bien moindre : il va dépendre du débit le moins élevé
rencontré sur l'ensemble des infrastructures que les données vont emprunter.
Tous ces équipements relient non seulement les particuliers entre eux, mais également les entreprises
et l'ensemble des centres de données hébergeant les services numériques en ligne.
Cette toile physique constituée de la succession des équipements réseaux, des centres de données, des
câbles et autres moyens de transfert de l'information et de l'ensemble des appareils connectés forme
Internet.
Une grande hétérogénéité des accès
La box reliée au réseau par un câble en cuivre ou de la fibre optique n'est pas la seule manière de se
connecter à Internet. En dehors du Wi-Fi, les smartphones utilisent d'autres réseaux sans fil (3G, 4G, 5G,
...) qui dépendent d'infrastructures d'un autre type : les antennes hertziennes, qui permettent de faire
circuler l'information par la voie des ondes. Il est également possible de connecter un logement à l'aide
de cette même technologie, via une box 4G. Certains sites techniques situés dans des régions isolées
communiquent exclusivement par faisceau hertzien. Il est également possible de raccorder son
logement à Internet par satellite, c'est l'objet par exemple du programme Starlink1 de SpaceX (France
info, 2020)∗ qui envoie régulièrement des quantités importantes de nouveaux satellites en orbite.
1
https://fr.wikipedia.org/wiki/Starlink
12 ImpactNum000 par Inria & Class'Code [copie par UTC] [adaptations Stéphane Crozat000]Fiches concept
Hétérogénéité des accès à internet
De plus, tous les utilisateurs d'Internet ne sont pas des humains : il existe aujourd'hui une grande
variété d'équipements qui communiquent par ce réseau en permanence. Dans nos logements, le plus
commun est l'imprimante, désormais généralement intégrée au réseau local aux côtés de nos
ordinateurs. Il est également possible de connecter sa montre, le thermostat de son chauffage pour le
régler à distance, de la domotique pour allumer ou éteindre ses lumières et ouvrir ses volets depuis son
smartphone, des équipements de surveillance comme une alarme, des capteurs de mouvement, etc.
A tous ces équipements du logement, il faut ajouter tout un ensemble croissant d'objets connectés.
C'est l'Internet des objets1 (IOT en anglais pour Internet of Things). Les véhicules connectés, les capteurs
des Smart Cities (lampadaires intelligents, panneaux de signalisation dynamiques, caméras de
surveillance, etc.), les capteurs environnementaux, les appareils de santé connectés... autant de
révolutions des pratiques qui augmentent de manière considérable les communications entre
machines, appelées M2M (Machine to Machine)2. Ces évolutions des pratiques ont un fort impact sur les
infrastructures d'Internet, et sur leurs chantiers d'évolution comme celui du déploiement de la 5G.
L'Internet, ça fait combien ?
Combien d'équipements composent Internet ? Combien de femmes et hommes travaillent au
quotidien pour lui permettre d'exister ? Quel est réellement son impact environnemental ? Aucune de
ces questions, qui peuvent pourtant paraître simples, n'a de réponse précise. Plusieurs facteurs
rendent très compliqué le dénombrement des équipements, et globalement la mesure de l'activité,
permettant Internet :
La variété des types d'équipement et des constructeurs : on ne sait pas combien d'équipements et
de quels types sont fabriqués. L'hétérogénéité des matériels mis en œuvre ainsi que la multitude des
constructeurs et de leurs nationalités rendent très incertains les essais d'agrégation des informations
issues des centres de production. De plus, la catégorisation des équipements est rendue d'autant plus
difficile que certains d'entre eux réalisent plusieurs fonctions en même temps et possèdent plusieurs
interfaces réseaux.
L'absence de traçabilité d'activité : on ne sait pas quels équipements sont effectivement branchés
sur Internet, sont utilisés pour d'autres usages ou dorment dans des placards. Tous les
équipements pouvant être raccordés à Internet peuvent avoir d'autres usages, par exemple à l'intérieur
1
https://fr.wikipedia.org/wiki/Internet_des_objets
2
https://fr.wikipedia.org/wiki/Machine_to_machine
ImpactNum000 par Inria & Class'Code [copie par UTC] [adaptations Stéphane Crozat000] 13Fiches concept
de réseaux privés ou professionnels. En effet, tous les réseaux ne sont pas connectés à internet, mais
les équipements utilisés sont identiques. De plus certains de ces équipements sont en attente d'être
raccordés, ou stockés en cas de besoin.
L'absence de traçabilité de la fin de vie : on ne sait pas quels équipements sont encore en
circulation. Aucune politique mondialisée de traitement de la fin de vie des équipements (la gestion
des DEEE1) n'existe. Il n'est à ce jour pas possible de savoir si un équipement qui a été fabriqué est
toujours utilisé ou a été jeté à la poubelle.
La mondialisation d'Internet : les politiques sont hétérogènes concernant la transparence et
l'accès à l'information, et donc aux équipements connectés. Tous les pays ne permettent pas
d'accéder à tout le contenu d'Internet : certains pratiquent la censure pour des raisons politiques,
d'autres pour des raisons économiques. Internet n'est pas un réseau aussi transparent et accessible
qu'on le croit : certaines parties d'Internet, et donc certains équipements réseaux et centres de
données, ne sont accessibles que depuis certaines zones géographiques. A noter que même en France
vous ne pouvez par exemple pas accéder à tous les contenus culturels disponibles sur le web pour des
raisons de divergences juridiques entre pays, notamment de droit d'auteurs ou de diffusion.
Le secret industriel : le nombre d'humains mettant Internet en œuvre est inconnu. La force de
travail nécessaire pour la mise en place des infrastructures et les opérations de maintenance est la
plupart du temps couvert par le secret industriel. Beaucoup d'entreprises se disputent ces différents
marchés, la plupart du temps avec une chaîne de sous-traitance assez complexe et opaque. Les
gestions des bâtiments et des autres infrastructures privées hébergeant les équipements, ou des
satellites, sont tout autant de mystères ne permettant pas de chiffrer avec précisions les impacts
environnementaux d'Internet.
Il y a néanmoins plusieurs études qui tentent de fournir une partie des réponses à ces questions. Si les
chiffres sont nécessairement des estimations basées sur un certain nombre d'hypothèses, leur ordre de
grandeur reste néanmoins un indicateur utile pour appréhender la matérialité d'Internet. Selon Cisco
(2020)∗, l'un des principaux constructeurs d'équipement réseaux, en 2018 il y avait :
3,9 milliards d'humains connectés à Internet, soit 51% de la population mondiale
19.4 milliards d'appareils connectés à Internet, 33% d'entre eux étant de l'IOT
Avec une croissance annuelle constatée du nombre d'équipements de 10%, les projections de Cisco sur
l'avenir annoncent presque 30 milliards d'objets connectés d'ici 2023. La connexion progressive des
49% de la population mondiale qui n'avait pas Internet en 2018, tout comme le déploiement de la 5G
qui sera accompagnée d'une arrivée massive de nouveaux objets connectés, vont probablement
accélérer cette croissance et augmenter ce nombre.
Croissance du nombre d'équipements connectés
De plus, ces chiffres ne tiennent pas compte des centres de données ou des équipements réseaux
composant le coeur d'internet, mais uniquement de ses extrémités.
1
https://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9chets_d%27%C3%A9quipements_%C3%A9lectriques_et_%C3%A9lectroniq
ues
14 ImpactNum000 par Inria & Class'Code [copie par UTC] [adaptations Stéphane Crozat000]Fiches concept
Le site web participatif Infrapedia1 propose une cartographie du recensement des principales
connexions et centres de données permettant le fonctionnement d'Internet. Ce recensement est basé
sur la bonne volonté des professionnels à déclarer et à partager leurs données, il ne peut hélas pas être
considéré comme exhaustif. Ceci dit c'est un effort de construction participative de connaissances qui
mérite d'être salué.
Infrapedia
En 2015, GreenIt.fr publiait un article (Bordage, 2015)∗ tentant l'exercice difficile de fournir une
estimation chiffrée de l'empreinte annuelle énergétique mondiale du web, approximée à 1 037 TWh
d'énergie soit l'équivalent de 40 centrales nucléaires. Bien que la démarche soit intéressante, les
sources de données et les modèles utilisés dans ce calcul n'ont hélas pas été partagées, rendant ce
résultat invérifiable.
En 2020, l'ARCEP publiait son rapport Pour un numérique soutenable2 dans lequel est mis en avant la
part importante, estimée entre 70% et 80%, du dernier segment de raccordement réseau dans la
consommation d'énergie, à savoir entre le FAI et le terminal utilisateur.
Au-delà de l'impact énergétique, il faudrait également pouvoir prendre en considération toutes les
autres formes de pollution générées par l'ensemble du cycle de vie de ces équipements : l'épuisement
des ressources naturelles, la consommation d'eau, la pollution des sols, l'acidification des milieux
aquatiques, etc.
Internet contribue également à une autre forme de pollution, à travers des programmes comme
Starlink : celle au-dessus de nos têtes, liée à l'augmentation massive du nombre de satellites et de
lancements. L'agence spatiale européenne (ESA : Point de situation sur les débris spatiaux 3; Space
debris4) étudie sérieusement ce phénomène qui pourrait, à termes, saturer les orbites.
Pour aller plus loin sur les chiffres, la fiche concept Le numérique et l'environnement en quelques
chiffres (cf. p.20) leur est dédiée.
Et Internet, demain ?
Rendre plus transparent le fonctionnement d'Internet, l'ensemble des matériels nécessaires,
systématiser les mesures et modéliser ses impacts environnementaux sont tout autant de défis à
relever. Les croissances fortement attendues, tant du nombre d'humains connectés que des usages et
des équipements, doivent être anticipés et accompagnés de mesures permettant sa soutenabilité.
Cette construction de connaissances et leur partage est capitale pour éclairer les choix de société,
comme le lancement des grands chantiers d'évolution, le renouvellement des infrastructures ou
l'évolution des réglementations en matière d'information et de régulation. La loi visant à informer les
consommateurs sur l'impact environnemental de leurs consommations de données et le déploiement
de la 5G en sont de parfaits exemples.
1
https://www.infrapedia.com/
2
https://www.arcep.fr/uploads/tx_gspublication/rapport-pour-un-numerique-soutenable_dec2020.pdf
3
https://www.esa.int/Space_in_Member_States/France/Point_de_situation_sur_les_debris_spatiaux
4
https://www.esa.int/Safety_Security/Space_Debris
ImpactNum000 par Inria & Class'Code [copie par UTC] [adaptations Stéphane Crozat000] 15Fiches concept
4. Qu'est-ce qu'un datacentre ?
4.1. D'où viennent les besoins ?
En informatique, plusieurs types de matériels (équipements) sont mobilisés :
des équipements destinés à consulter des ressources, composer du texte, préparer des
présentations, écrire des messages électroniques, par exemple sur des réseaux sociaux. Ces
équipements sont dans nos poches ou sur nos bureaux. Ils sont en général peu encombrants et
connectés au réseau. Ils sont occasionnellement allumés. Ces équipements sont appelés des
terminaux.
à l'autre bout du réseau, des équipements qui manipulent des grands volumes de données --
images, sons, vidéos, informations bancaires --, encombrants et bruyants, allumés en
permanence. Ces équipements sont appelés des serveurs.
Du fait de l'interconnexion massive des ordinateurs sur la planète et de nos besoins, l'échange de
données s'intensifie dans le monde.
Bien que l'architecture du réseau Internet permette des échanges directs entre les ordinateurs, une très
grande partie des applications que nous utilisons utilisent des serveurs intermédiaires pour
fonctionner. On parle d'architecture client (les terminaux)/serveur.
Depuis de nombreuses années également, l'évolution de ces architectures a pris le nom
d'informatique en nuage, ou cloud, qui revient à utiliser des serveurs situés à l'extérieur de son
domicile, de son entreprise, pour stocker ses données et effectuer les traitements. De grands acteurs
mondiaux, comme Google, Amazon, Facebook, Apple, proposent des services numériques de Cloud.
De fait, le nombre de serveurs dans le monde augmente considérablement. Entre 2016 et 2021, le
nombre de ressources utilisées dans le cloud a triplé, ce qui se traduit par une hausse du matériel
nécessaire (les serveurs « physiques »). Il est ainsi envisagé qu'entre 2020 et 2025, le nombre de
serveurs physiques passe de 11.3 à 13 Millions, rien que dans les Datacentres européens. Enfin, d'après
l'Ademe, il y a 45 Millions de serveurs dans le monde.
Compte tenu des caractéristiques des serveurs (consommation électrique, besoin de fonctionner dans
un environnement plutôt froid ou tiède, bruit), il est nécessaire d'installer ces serveurs dans des locaux
spécialisés, les datacentres (ou datacenter en anglais). Pour illustrer, 10 serveurs standard (500 watts
chacun) consomment autant qu'un appartement de 40m2, dans 40 fois moins d'espace...
Exemples de datacentres
16 ImpactNum000 par Inria & Class'Code [copie par UTC] [adaptations Stéphane Crozat000]Fiches concept
4.2. Caractéristiques d'un datacentre
Un datacentre est un bâtiment comprenant des espaces techniques et des espaces informatiques. Dans
les espaces techniques on trouvera :
des unités de climatisation, sous diverses formes, permettant de traiter la chaleur produite par
les équipements informatiques
des tableaux de distribution électrique de forte puissance
des batteries associées à des onduleurs pour fournir le courant en cas de panne de courant du
distributeur d'énergie (panne secteur)
des groupes électrogènes appelés aussi générateurs, qui sont de gros moteurs permettant de
produire du courant électrique
des centrales de détection et d'extinction incendie
des mécanismes de régulation automatiques pour piloter l'ensemble
Pour assurer un taux de disponibilité élevé du datacentre, ces équipements sont souvent déployés en
surnombre afin d'assurer une redondance en cas de panne. Par exemple, supposons qu'il faille associer
la puissance de 4 unités de climatisation pour refroidir le datacentre, il est fort probable que 5 unités
soient déployées pour fonctionner malgré la panne éventuelle d'une des 4 premières unités.
Il en va de même avec un grand nombre de composants.
Dans les zones informatiques, on trouvera :
des armoires informatiques, des meubles spécialisés permettant d'installer des équipements
informatiques
un grand nombre -jusqu'à plusieurs milliers- de serveurs informatiques, de serveurs de stockage
et d'équipements réseau
éventuellement des unités de distribution du froid produit dans les espaces techniques
Hormis les armoires, ces équipements sont généralement également redondés.
Les grands datacentres commerciaux mobilisent des surfaces de plusieurs milliers de m², par exemple
en région parisienne, terre d'accueil de nombre d'entre eux (Site france-datacenter.fr1). Les puissances
électriques estimées de ces sites peuvent atteindre 120 MW, soit l'équivalent de 20000 logements.
Aussi, l'implantation d'un datacentre doit s'étudier au regard de la capacité des réseaux de transport
d'énergie et des besoins d'infrastructure associée (desserte routière).
Outre la consommation électrique, ces datacentres constituent une source de bruit pour les riverains.
Le bruit est lié aux installations techniques et informatiques.
4.3. Impacts environnementaux des datacentres
Origine des impacts
Les impacts environnementaux du datacentre sont liés à la consommation électrique des équipements
techniques et informatiques qui y sont installés.
En 2015, le numérique représentait 4% des émissions mondiales de gaz à effet de serre, là où l'aviation
en représentait 2.5% (Réseau action climat, 2015)∗. Parmi ces 4%, 25% sont liés au datacentre (ADEME,
2019)∗.
1
https://www.france-datacenter.fr/
ImpactNum000 par Inria & Class'Code [copie par UTC] [adaptations Stéphane Crozat000] 17Fiches concept
La consommation électrique des datacentres représente environ 3% de la consommation mondiale.
Pour diminuer cette consommation, on essaye de limiter la surconsommation liée en particulier au
refroidissement nécessaire aux serveurs. En effet, la consommation électrique totale (Pt) d'un
datacentre provient :
d'une partie utile, correspondant à la consommation des équipements informatiques (serveurs,
stockage et réseau) (P_IT),
d'une partie liée au refroidissement, au fonctionnement des onduleurs, des générateurs. On
cherche à réduire cette composante, appelée P_Facilities dans la suite.
Pour mesurer l'efficacité d'un datacentre, on utilise très souvent un indicateur appelé Power Usage
Effectiveness (PUE), défini par :
PUE = (P_IT + P_Facilities) / P_IT
Le PUE est ainsi toujours supérieur à 1. Le meilleur PUE possible est 1, ce qui siginifie que toute la
puissance électrique consommée par l'ensemble du datacentre est utilisée par les serveurs. Un PUE de
2 signifie qu'il y a autant de puissance électrique consommée par la climatisation que par les serveurs.
De nos jours, un bon PUE est inférieur à 1.5, voire proche de 1.2.
Le PUE a par contre ses limites, en effet, la puissance consommée par les serveurs varie au cours du
temps. Aussi, dans un datacentre, augmenter la puissance informatique peut permettre d'abaisser le
PUE, sans que des efforts aient été entrepris pour limiter la consommation des installations techniques
(Pfacilities).
Réduire les impacts environnementaux des datacentres
Un bon moyen de réduire les impacts environnementaux est de réduire la consommation énergétique
du datacentre, aussi bien la composante informatique que la composante liée aux installations
techniques. Pour cela, il existe un grand nombre de bonnes pratiques. Ces bonnes pratiques sont
référencées dans un document édité et maintenu par la commission européenne, le Code de Conduite
Européen sur l'efficacité énergétique pour les datacentres1. Ce document mentionne environ 200
bonnes pratiques, qui vont de l'utilisation des serveurs à l'aménagement des salles informatiques. Ce
document est mis à jour par un collège d'experts associant des représentants du monde public et
d'industriels privés.
Participer au code de conduite revient à faire expertiser un audit interne par la commission
européenne, et procéder à une mise à jour annuelle des données de consommation. L'audit interne est
très rigoureux. Ainsi, la reconnaissance de participant au code de conduite, pour un opérateur de
datacentre, est un gage de qualité et de prise en compte des aspects environnementaux.
Un des aspects principaux de la réduction des impacts environnementaux des datacentres est la ré-
utilisation de la chaleur.
Que de chaleur !
Inévitablement, l'activité des serveurs informatiques génère de la chaleur. Il existe des méthodes
d'organisation de datacentre (confinement d'allées, séparation des flux d'air, etc...) pour augmenter
l'efficacité de la dissipation de la chaleur des serveurs. Néanmoins, il reste une partie de cette chaleur
qui doit être expulsée du datacentre, dans l'air ou l'eau ambiante. Cette chaleur contribue au
réchauffement de l'environnement du datacentre. L'idéal est de la ré-utiliser pour des bâtiments ou des
services à proximité du datacentre, par l'interconnexion de réseaux de chaleur, vers des habitations ou
des piscines. L'efficacité énergétique de cette opération est d'autant plus élevée que les
consommateurs sont situés à proximité du datacentre.
1
https://ec.europa.eu/jrc/en/energy-efficiency/code-conduct/datacentres
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