视频扼杀了能源之星：为什么5G必须更节能

shuszhao · 发表于 2018-4-3 12:51:28

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。
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。

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）。

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。

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。