Informatique et écologie : les bons gestes !

1. Introduction

Contrôler la consommation d´une machine se présente bien souvent comme une volontée d´alléger sa facture énergétique. C´est aussi un geste écologique, qui peut apporter confort d´utilisation, en réduisant les nuisances sonores ou en augmentant l´autonomie d´une machine nomade, et donc participer à une meilleure expérience de l´outil informatique.

Un ordinateur, de quoi c´est fait ?

En tant que machine numérique, les ordinateurs sont constitués de pièces variées comprenant :

• de l´époxy à base de fibre de verre (FR4 par exemple) pour les cartes
• des métaux pour les pistes (cuivre, étain, or...), éventuellement encapsulés dans l´époxy des cartes.
• des polymères dans certains composants comme les capacités
• des puces dont le recyclage est très difficile de par la quantité des matériaux qu´elles contiennent (métaux, silicium, silice, Bore, dopants...)
• de plastiques divers et variés (ventilateurs, boitier pour certaines pièces)
• de pièces métalliques (visserie, boitier, dissipateurs...)
• de caoutchouc (patins, courrois...)
• de composés de téflon (patins de souris)
• ...

Ces différents constituants vont polluer à différents moments de leur vie : lors de leur fabrication, de leur utilisation, et de leur destruction.
Bien sûr, dans un esprit de protection de la nature, on pourrait aussi évoquer le conditionnement de ces prodruits...
Pour finir, la durée de vie moyenne d´un ordinateur est relativement courte, comme énormément de produits Hi-Tech (téléphones, baladeurs multimedia...), ce qui se traduit par un renouvellement nettement plus fréquent : il est donc nécessaire de prendre aussi en compte la fabrication et le recyclage dans le bilan écologique.

Pollution directes : de la fabrication au recyclage

La fabrication des produits numériques fait parti des secteurs les plus polluants, principalement à cause de la réalisation des puces/processeurs dont les procédés sont extrêmement exigeants en eau, en énergie (on travaille avec des niveaux de pureté extrêmes), et en matières premières.
L´impact des déchets est évidement un problème à part entière, si bien que la directive RoHS (Restriction of the use of certain Hazardous Substances) ne constitue qu´une petite avancée pour limiter les pollutions. Avec la démocratisation de l´informatique dans les foyers européens (un foyer sur deux est équipé en France), les volumes à traiter sont de plus en plus conséquents, et comme on peut le voir plus haut, la liste des composés est déjà longue et pourtant écourtée !

A moyen terme, les pays émergents une fois équipés, renouvelleront à coup sûr leurs équipements, et viendront amplifier le phénomène.

Pollutions indirectes : la consommation électrique !

Si la touche "écolo" est en vogue actuellement, il est un domaine dont le coût énergétique (avec la pollution qui en découle) est conséquent et passe souvent inaperçu : la consommation de nos PCs pour fonctionner.
Cette pollution, ce n´est pas l´utilisateur qui la subit directement chez lui, mais de façon évidente, il faut alimenter la machine en électricité, et donc produire cette dernière. Que ce soit nucléaire, hydrolique ou autre, il est nécessaire de faire appel à des sources d´énergies, à des infrastructures... et donc consommer davantage, c´est aussi :

• nécessiter davantage de structures, avec l´impact écologique que cela peut avoir, ne serait-ce que pour les mettre en oeuvre (usine de production, transport de l´énergie)
• produire des déchets supplémentaires (gaz, déchets radioactifs, hausse de température des fleuves à travers les centrales nucléaires...)

Sur sa durée de vie, on peut estimer qu´un PC peut coûter aussi cher en électricité que son prix d´achat, voire plus ! Le tableau ci-dessous (source : Puissance-PC.net) indique la puissance consommée par différents types de machines (sans compter l´écran) :

Fonctionnement	Machine légère / bureautique	Machine polyvalente (jeu modéré)	Machine de jeu (sans SLI ni Crossfire)
PC éteint (alimentation branchée)	2 W	3 W	3 W
PC en veille	55 W	95 W	130 W
PC au repos	75 W	120 W	160 W
Utilisation légère	75 - 110 W	125 - 165 W	170 - 205 W
Utilisation intense	140 W	240 W	315 W

Consommation pour des configurations typiques sans prendre en compte le moniteur (source : Puissance-PC.net)

On remarque dès à présent qu´une machine de joueur en veille consomme presque autant qu´une machine de bureautique en pleine utilisation... et encore, on ne parle pas des machines extrêmes ! Une grosse configuration va donc rapidement coûter cher en utilisation, même si comme tout PC, la plupart du temps les composants sont sous exploités : aucune machine ne calcule en permanence (aux cluster de calcul près, mais c´est un cas non traité ici).
Le graphe ci-dessous permet d´obtenir rapidement des ordres de grandeur du coût annuel pour différentes puissances en fonction du nombre d´heures quotidiennes.

Coût annuel pour différentes configurations en fonction de leur consommation moyenne (estimation)

De ce graphe, pour un poste en entreprise dédié à la bureautique, nécessitant 150W en moyenne (écran compris), et fonctionnant 8h par jours, qu´on laisse en veille le reste du temps (75W), on en déduit :

• qu´il coûte environ 140 € en électricité par an
• qu´arrêter complètement la machine au lieu de la laisser en veille permettrait d´économiser 50 % de la facture !

De même, pour une machine servant à jouer 2h quotidiennement, avec une utilisation modérée pendant 2h, et 4h au repos, avec un écran plat consommant 40W, on obtient une consommation de 700 kW.h !

Puissance consommée : les paramètres clefs

On peut démontrer que la puissance dissipée par une puce numérique fonctionnant à la fréquence f et alimentée sous une tension V est de la forme :

P_(W)=k.f_(Hz).V²_(V) avec k une constante propre à la puce concernée

Evidement, cette formule est celle que tous les overclockers utilisent pour estimer la consommation de leur processeur central ou graphique sous une fréquence et une tension plus élevée. Elle a le bon goût de montrer que la tension d´alimentation intervient fortement dans la consommation, et que la fréquence de fonctionnement contribue elle aussi à la consommation. Ainsi, pour réduire la consommation, il convient de diminuer la fréquence de fonctionnement ou la tension d´alimentation.

	Avantages	Inconvénients
Diminution de la fréquence	le processeur reste stable1	les performances régressent
Diminution de la tension	La consommation diminue plus fortement	Il faut s´assurer que la machine reste stable

Avantages et inconvénients des différentes solutions pour diminuer la consommation d´une puce

¹Il ne faut cependant pas trop ralentir la mémoire. En effet, de part sa constitution, la mémoire RAM est volatile et perd donc ses données au delà d´un certain temps. C´est la raison pour laquelle un rafraîchissement est nécessaire. Cependant, ce rafraichissement se fait à nombre régulier de périodes, et donc diminuer la fréquence de fonctionnement revient à rafraichir moins souvent la mémoire. En pratique, on ne pourra pas diminuer au delà d´un rapport de 2 environ la fréquence de la mémoire centrale ou de la carte video.

Enfin, il convient de remarquer qu´un composant qui chauffe moins, c´est un composant plus facile à refroidir : on peut alors diminuer les nuisances sonores.

Influence de la température : importance du refroidissement

On peut montrer avec des modèles relativement simples, que dès qu´on fait intervenir un courant entre une zone dopée P et une autre dopée N, les courants sont de la forme :

I = a.T².exp(b.T) avec b>0 (jonction PN en direct)

On remarque donc que le courant traversant la jonction croît très vite avec la température, à cause de l´exponentielle, amplifée par le facteur en T². Pour une variation d´une dizaine de degrès, on peut augmenter la consommation de 20 à 40% ! C´est particulièrement vrai pour les transistors NPN ou PNP qui sont en fait 2 jonctions juxtaposées.

Pour les transistors MOS utilisés pour les circuits numériques, la dépendance de la température est plus compliquée à exprimer, bien que les effets soient les mêmes : une hausse de la température s´accompagne d´une forte hausse de la consommation. Un refroidissement sera donc considéré comme efficace si globalement la consommation est plus faible, même si le dispositif de refroidissement ponctionne un peu d´énergie pour fonctionner.

Réduire la consommation des composants numériques, c´est aussi moins solliciter des étages de puissance, comme les circuits qui génèrent les VCore à partir du +12 V. Ces étages chauffant moins, leur durée de vie est elle aussi augmentée, et on améliore encore une fois la consommation globale via le rendement de ces éléments. Pour finir, c´est l´alimentation qui fournit l´énergie à tout le monde : moins la solliciter (à la variation près de son rendement selon la charge), c´est à nouveau réduire la consommation.
Pour la suite, nous allons donc nous intéresser aux différents éléments susceptibles d´intervenir dans la consommation électrique.
On pourra s´aider de ce tutoriel pour refroidir efficacement et sans bruit.

NB

Pour moins consommer, il faut soigner le refroidissement, ce qui augmentera aussi la stabilité de la machine et sa durée de vie.