Technologies numériques et réchauffement climatique

Les défis modernes du progrès technologique

Depuis ses origines, l’humanité a trouvé dans la technologie un allié pour dépasser les limites imposées par les conditions environnementales à son évolution. Le progrès technologique a marqué l’essor et l’avènement des différentes époques et façonne aujourd’hui l’ère numérique, où les algorithmes et les dispositifs électroniques constituent le cœur de l’innovation. Les produits numériques soutiennent les différents secteurs industriels, réduisent le time-to-market et rationalisent les opérations répétitives et fastidieuses qui pesaient autrefois sur les opérateurs.

L’ère numérique représente une nouvelle opportunité pour l’humanité d’atteindre ce qui était inimaginable il y a encore 50 ans : lignes de production automatisées grâce à l’IoT, traitement du big data pour des produits personnalisés, amélioration de l’expérience client grâce à l’IA. L’IoT et les systèmes cyber-physiques figurent parmi les principales technologies introduites par l’Industrie 4.0 dans le but d’optimiser les processus de production, de réduire les pièces de rechange et les risques pour les opérateurs humains. Alors que l’Industrie 4.0 accélère les processus industriels, la prochaine étape, l’Industrie 5.0, permettra de réduire le temps perdu dans les transferts de données et d’améliorer les cadres collaboratifs de la chaîne d’approvisionnement.

Cependant, chaque nouvelle ère apporte son lot de défis. Alors que nous entrons dans l’ère numérique, de nouvelles problématiques contemporaines émergent progressivement. Le changement climatique devient une priorité absolue pour les gouvernements et les institutions, car ses effets atteignent le point de non-retour plus rapidement qu’on ne l’imagine. D’ici cinq ans, le changement climatique sera irréversible et affectera la vie de chacun. L’Organisation mondiale de la santé estime que le nombre de décès supplémentaires dus au changement climatique entre 2030 et 2050 atteindra 250 000 par an (soit 5 millions au total), alors que 3,6 milliards de personnes vivent déjà dans des zones fortement exposées aux conséquences du réchauffement climatique.

Le changement climatique est un problème terrible et doit être résolu. Il mérite d’être une priorité majeure.
— Bill Gates, fondateur de Microsoft

Une pollution bien réelle issue d’un monde virtuel

La recherche scientifique et industrielle se concentre actuellement sur la réduction des émissions de CO₂. La diffusion mondiale récente des technologies numériques a le potentiel d’accélérer la transition écologique. En revanche, ces mêmes technologies sont devenues ces dernières années l’une des principales sources de pollution environnementale.

Selon Frans Berkhout et Julia Hertin dans « De-materialising and re-materialising: digital technologies and the environment », les effets des TIC sur l’environnement peuvent être divisés en impacts directs, indirects et structurels/comportementaux. Les impacts directs sont liés à la production et à la maintenance du matériel (serveurs, câbles, cartes mères, etc.) ; ces effets ne diffèrent pas fondamentalement de ceux associés à d’autres produits industriels et ont des conséquences négatives sur le climat. Les impacts indirects sont principalement liés à la « dématérialisation » de certains produits et services, ce qui a un effet globalement positif sur le changement climatique. Enfin, les impacts structurels et comportementaux concernent des dynamiques plus profondes, telles que les transformations de la société, de l’économie et des cadres juridiques.

Il est difficile de prédire l’impact global du processus de numérisation sur le changement climatique. L’ADEME (Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie) a montré que la production de CO₂ liée à un seul e-mail de seulement 1 mégaoctet est d’environ 19 grammes. Si l’on considère le nombre d’e-mails envoyés chaque jour dans les entreprises du monde entier, on atteint des quantités énormes d’émissions de CO₂. En d’autres termes, 15 e-mails moyens polluent davantage que parcourir 1 km en voiture.

De plus, l’ESG Karma Metrix Observatory a montré que d’autres technologies numériques ont une empreinte environnementale étonnamment élevée. Combien de fois utilisons-nous des moteurs de recherche comme Google ? Ou regardons-nous des films et des séries sur Netflix ? Des plateformes comme celles-ci sont extrêmement polluantes. Il a également été estimé que, si Internet était un pays, il serait le quatrième plus polluant au monde.

Ces exemples montrent que les technologies numériques sont une arme à double tranchant : nous devons prendre soin de notre planète en utilisant avec discernement les prouesses de la technologie. Comme vous le savez, Airizon travaille activement à la réduction des émissions de CO₂ en diminuant le délai de mise sur le marché des aéronefs hybrides, entièrement électriques et à hydrogène. Notre suite numérique HEAD (Hydrogen and Electric Aircraft Designer) intègre les méthodes de conception les plus récentes pour ces types d’aéronefs, aidant les concepteurs à accélérer le processus.

Dans cette optique, et en tant que membres de l’humanité soucieux de la préservation de la planète, nous encourageons notre réseau, nos clients et nos collaborateurs à adopter quelques gestes simples pour réduire leur empreinte environnementale :

• Si ce n’est pas nécessaire, ne répondez pas à un e-mail en conservant toute la chaîne de messages.
• Si vous recevez un e-mail contenant une information triviale (par exemple : « Merci pour le document. »), supprimez-le.
• Dans une chaîne d’e-mails, conservez uniquement le dernier message envoyé et supprimez les précédents.
• Supprimez régulièrement les conversations inactives sur les réseaux sociaux.
• Supprimez les groupes sur les réseaux sociaux qui n’ont plus de raison d’exister.
• N’ouvrez pas simultanément de nombreuses pages Internet si cela n’est pas nécessaire.
• Rendez-vous au travail à pied chaque fois que cela est possible.

Comme première étape pour réduire notre empreinte environnementale, chez Airizon, nous avons créé notre propre système d’échange d’émissions d’e-mails via un outil interne conçu pour enregistrer les émissions associées à chaque e-mail envoyé par chaque membre de l’équipe (figures 1 et 2). Une fois les e-mails enregistrés, les employés ayant dépassé la limite peuvent demander des e-mails supplémentaires aux collaborateurs les plus vertueux. Si les émissions mensuelles globales dépassent la valeur maximale définie, les e-mails sont analysés afin de mettre en place des actions correctives pour le mois suivant.

Figure 1: Système d’échange d’émissions développé par Airizon. L’interface montre combien de grammes de CO₂ chaque membre de l’équipe produit en fonction du nombre d’e-mails envoyés au cours du mois.

Figure 2: Interface du système d’échange d’e-mails développé par Airizon, affichée par personne.

Stratégies de durabilité : le Green Computing

Comme mentionné précédemment, il existe une distinction claire entre impacts directs, indirects et structurels ou comportementaux. Cette distinction est essentielle pour une branche de l’ingénierie qui étudie spécifiquement la durabilité des technologies de l’information : le Green Computing. Le Green Computing est un sous-domaine de l’informatique durable qui se concentre sur la recherche et le développement de pratiques et de procédures permettant d’utiliser les ressources informatiques de manière respectueuse de l’environnement, sans compromettre les performances.

L’objectif est de trouver des solutions qui améliorent l’efficacité des ressources en favorisant leur réduction, leur réutilisation et leur recyclage.

La recherche sur les bénéfices du Green Computing se concentre principalement sur deux aspects majeurs :

• L’aspect social, car il a conduit à une prise de conscience environnementale accrue chez les consommateurs, qui sont désormais plus enclins à choisir des produits, des entreprises et des organismes du secteur informatique prenant en compte leur impact environnemental.
• L’aspect économique, car les entreprises, grâce aux processus de Green Computing, peuvent réduire considérablement leur consommation d’électricité, ce qui se traduit par des économies de coûts significatives.

Cependant, aussi optimisés que puissent être les systèmes physiques et même s’ils sont alimentés par des énergies renouvelables, si les logiciels exécutés sur ces systèmes consomment plus de ressources matérielles que nécessaire, les économies d’énergie seront vaines.

Si les infrastructures informatiques deviennent plus durables, les logiciels qui y fonctionnent doivent l’être également. C’est ainsi qu’est né le Green Software Development, une branche de l’ingénierie informatique qui vise à concrétiser les principes du Green Computing en se concentrant sur l’optimisation des logiciels. Tandis que le Green Computing agit sur les aspects physiques, structurels et sociaux de l’informatique, le Green Software Development agit sur les dimensions immatérielles et numériques.

L’équipe d’Asternox est spécialisée dans la recherche en Green Computing et en Green Software Development. Malgré cela, nous faisons encore face à certaines problématiques critiques liées à la définition précise et à la mesure des émissions associées au développement logiciel.

Cette complexité est due à plusieurs facteurs, notamment :

• la définition de normes et d’outils pour le suivi des systèmes logiciels et des machines sur lesquelles ils s’exécutent ;
• l’intangibilité intrinsèque du logiciel, caractérisée par de multiples dynamiques ;
• la diversité des machines et des infrastructures sur lesquelles les logiciels fonctionnent, ainsi que d’autres éléments connexes.

Cependant, en tant qu’experts du domaine, nous reconnaissons qu’il est de notre devoir de développer et de mettre en œuvre des méthodes de mesure fondées sur des preuves. Notre objectif est d’obtenir des estimations aussi précises et représentatives que possible des émissions réelles des logiciels, contribuant ainsi à une plus grande durabilité dans l’industrie technologique.

De nombreuses équipes de recherche et de développement progressent dans la création de logiciels dédiés au suivi efficace des consommations. Un exemple parmi d’autres est Scaphandre, dont l’objectif est de permettre à toute entreprise ou professionnel de mesurer la consommation énergétique de ses services technologiques et de transmettre ces données via n’importe quelle chaîne d’outils de monitoring ou d’analyse de données. De nombreuses autres équipes sont engagées dans la recherche et le développement d’outils de mesure, témoignant d’une volonté forte de la communauté des développeurs de créer des logiciels aussi optimisés et « neutres en énergie » que possible.

En tant qu’équipe de développement, chez Asternox, nous nous sommes donné pour objectif d’analyser l’univers du web afin de proposer et de développer une solution capable de refléter les concepts de Green Computing et de Green Software Development. C’est ainsi que nous soutenons Airizon dans son objectif de produire des « solutions intelligentes pour un ciel plus propre ».

Réduire la consommation numérique grâce au développement de sites web optimisés

Comme l’ont justement souligné nos collègues d’Airizon, de nombreuses technologies numériques génèrent une empreinte carbone très élevée. Les émissions liées à l’envoi d’un seul e-mail sont négligeables, mais leur impact devient significatif lorsque l’on considère qu’environ 227 milliards d’e-mails sont envoyés chaque jour. Il en va de même pour une activité aussi simple et fréquente que la navigation sur le web.

Suivant l’exemple de nos collègues d’Airizon, qui ont développé un système de compensation des émissions liées aux e-mails, chez Asternox, nous nous engageons à étudier les émissions générées par la navigation web et à explorer des moyens efficaces de les compenser.

La question que nous nous sommes posée est la suivante : quel est l’impact environnemental des sites web et des applications web sur Internet ? Et surtout, pourquoi ont-ils une empreinte carbone si élevée ? La réponse est simple : elle ne peut pas être déterminée précisément, du moins sans effectuer des calculs approfondis.

Par nature, les éléments matériels et logiciels ne sont pas facilement quantifiables ou mesurables. Il serait plus simple de compter le nombre de grains de riz dans le monde que de quantifier chaque système informatique connecté à un réseau ou hébergé sur une plateforme numérique.

La consommation physique de ces éléments sera toujours différente, même si l’on mesure un logiciel sur différentes machines, en raison des architectures sous-jacentes variées.

Malgré cela, il est possible de recréer des conditions similaires ou favorables afin de mesurer approximativement l’efficacité et la performance de certaines solutions sur ses propres machines et/ou services cloud. L’objectif de l’une des expériences les plus récentes d’Asternox est d’instrumenter ces mesures et d’établir une pile de développement web durable basée sur les métriques les plus pertinentes.

Prenons l’exemple du site web d’Airizon, développé et conçu par Asternox à l’aide de notre stack de développement : le site consomme actuellement 458 mégaoctets de RAM et 0,01 vCPU, tant en utilisation maximale qu’au repos.

L’« utilisation maximale » désigne la condition opérationnelle dans laquelle la charge de travail est la plus élevée, tandis que l’« état de repos » correspond à une situation où le site est actif mais ne traite pas de requêtes significatives.

Les services consommant le plus de ressources sont le client, avec 250 Mo de RAM, et le serveur, avec 131 Mo de RAM. Les réseaux de diffusion de contenu (CDN) et la passerelle e-mail consomment quant à eux 77 Mo de RAM.

À titre de comparaison, nous utilisons WordPress, le système de gestion de contenu le plus populaire. Un site similaire créé avec WordPress, sans plugins supplémentaires, avec une seule page en plus de la page d’accueil et un thème basique, consomme en moyenne 613 Mo de RAM et 0,3 vCPU en charge maximale. Avec des plugins actifs et un thème plus complexe, la consommation atteint 1,32 Go de RAM et 0,3 vCPU en charge maximale.

Il est évident qu’un site plus complexe nécessite davantage de ressources, entraînant une augmentation des émissions. Ainsi, même un site apparemment « simple » ne devrait pas avoir un impact aussi élevé en termes de consommation de ressources.

Notre infrastructure technologique est conçue autour d’une série de microservices, chacun ayant une tâche spécifique et bien définie. Contrairement à WordPress, qui centralise la plupart de ses fonctionnalités dans un seul environnement d’exécution et les étend via des plugins, notre architecture répartit les fonctionnalités entre différents microservices. Cette approche permet de réduire considérablement la consommation globale de ressources.

Chaque microservice est conçu pour accomplir une fonction précise, rendant l’application plus modulaire et plus facile à gérer. Les composants peuvent être mis à jour, maintenus et mis à l’échelle indépendamment. Cette division fonctionnelle réduit la consommation globale par rapport à une architecture monolithique comme WordPress.

Cependant, cette architecture présente à la fois des avantages et des inconvénients. D’un côté, l’intégration des microservices peut être complexe et nécessite une attention particulière. De l’autre, leur modularité offre de nombreux bénéfices : choix du langage le plus adapté à chaque service, meilleure sécurité, maintenance facilitée et optimisation de la consommation des ressources.

Avantages environnementaux des langages compilés comme Rust par rapport aux langages à ramasse-miettes

Dans le contexte de la durabilité environnementale, l’efficacité des langages de programmation joue un rôle déterminant. Les langages compilés comme Rust offrent plusieurs avantages par rapport aux langages à ramasse-miettes tels que JavaScript et Python, notamment en matière de consommation énergétique et d’utilisation des ressources.

Efficacité et performance

Les langages compilés traduisent le code directement en langage machine avant l’exécution. Ce processus produit des binaires hautement optimisés capables d’exécuter des tâches plus rapidement et avec moins de surcharge computationnelle. Rust est conçu avec la performance comme priorité, offrant un contrôle bas niveau des ressources sans compromettre la sécurité.

À l’inverse, les langages à ramasse-miettes interprètent ou compilent le code à l’exécution, ce qui entraîne une surcharge supplémentaire. Les ramasse-miettes analysent périodiquement la mémoire pour récupérer les objets inutilisés, consommant ainsi des cycles CPU et de l’énergie.

Gestion de la mémoire

Le système de gestion de la mémoire de Rust repose sur les concepts de propriété, d’emprunt et de durées de vie, garantissant une gestion de la mémoire à la compilation et éliminant le besoin de ramasse-miettes. Cela permet une utilisation plus prévisible de la mémoire et une réduction de la consommation énergétique.

Les langages à ramasse-miettes, en revanche, surveillent en permanence les allocations mémoire, ce qui peut entraîner des inefficacités, telles que la fragmentation de la mémoire et des pauses périodiques, augmentant l’empreinte énergétique globale.

Consommation énergétique réduite

De nombreuses études montrent que les langages compilés sont généralement plus économes en énergie que les langages interprétés ou à ramasse-miettes. Une étude publiée dans le Journal of Green Software Engineering indique que des langages compilés comme Rust et C consomment significativement moins d’énergie pour des tâches équivalentes que Python ou JavaScript.

Cette efficacité s’explique par deux facteurs : une exécution plus rapide et une surcharge d’exécution plus faible, permettant au processeur d’entrer plus souvent dans des états de faible consommation d’énergie.

Utilisation des ressources

La gestion efficace des ressources par Rust permet une meilleure exploitation du matériel. Moins de serveurs sont nécessaires pour traiter une charge équivalente, ce qui réduit la production de matériel, les déchets électroniques et la consommation globale d’énergie.

À l’inverse, les langages à ramasse-miettes nécessitent souvent du matériel plus puissant pour atteindre des performances similaires, augmentant ainsi l’empreinte environnementale.

Les langages compilés comme Rust offrent donc des avantages environnementaux significatifs. Leur performance, leur gestion prévisible de la mémoire, leur faible consommation énergétique et leur efficacité en font des choix plus durables pour le développement logiciel.

Conclusion

Les avancées technologiques ont été le moteur du progrès sociétal moderne. Bien qu’elles apportent de nombreux bénéfices, elles posent également des défis environnementaux majeurs. La consommation énergétique de l’intelligence artificielle, du big data, de l’Internet des objets, des blockchains et d’autres technologies croît de manière exponentielle, contribuant fortement aux émissions de carbone, en particulier lorsque l’énergie provient de sources non renouvelables.

Cependant, l’avenir des technologies de l’information durables est prometteur. En adoptant une approche multifactorielle intégrant l’efficacité énergétique, la conception durable des produits, le développement de logiciels écologiques, les cadres réglementaires et la sensibilisation du public, il est possible de faire en sorte que la croissance technologique contribue à un avenir durable.

L’investissement le plus important que les entreprises puissent réaliser à court terme est de promouvoir la viabilité à long terme de leurs logiciels et de leur architecture informatique. Le développement durable ne se limite pas à l’efficacité ; il englobe également la responsabilité sociale et éthique.

Agir dès maintenant est plus crucial que jamais. Tous les professionnels doivent jouer leur rôle dans la construction d’un avenir durable.