# Réalité matérielle du numérique

Sylvain Contassot-Vivier

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Sylvain Contassot-Vivier. Réalité matérielle du numérique. Printemps de la Donnée 2025, INRAE; Université Haute Alsace; Université de Strasbourg; AgroParitech; Université de Lille; Sorbonne Université, Mar 2025, Rennes, France. hal-05018444

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Submitted on 3 Apr 2025

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# RÉALITÉ MATÉRIELLE DU NUMÉRIQUE

Sylvain Contassot-Vivier

Université de Lorraine, LORIA, France
Stockage et calcul
Quelques définitions utiles :

* **Internet** : réseau numérique *mondial*, qui relie entre eux des réseaux locaux (états, entreprises, foyers,...)

* **Serveur** : machine(s) exécutant au moins un programme offrant un service spécifique via internet

* De nombreux types de services : web, mail, stockage, calcul,...

* Généralement actif en continu : 24/24 toute l'année

* **Client** : application qui contacte un service via internet

* La plupart des clients sont exécutés sur des machines personnelles (ordinateurs, téléphones, tablettes,...)

* **Datacenter** : centre de données

* Regroupe les données numériques d'une entité (état, entreprise, foyer,...)

* Requiert une installation importante : énergie, climatisation, sécurité,...

* Peut être *externalisé* : confié à une entreprise spécialisée qui héberge les données de nombreux clients
Exemple de Google :

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Exemple de Google :

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## Exemple de Paris Digital Park : (Saine-Saint-Denis)

<figure><img src="image_4.png" /></figure>

4 centres de données, diamètre 250 m, 40000 m², 130 MW
Exemple du NERSC : (National Energy Research Scientific Computing Center)

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Exemple du NERSC : (National Energy Research Scientific Computing Center)

<figure><img src="image_6.png" /></figure>
Exemple du projet Natick de Microsoft :

<figure><img src="image_7.png" /></figure>
<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Super-calculateur **Summit** : 4,608 noeuds et ≈10MW de consommation max</figcaption></figure>
<figure><img src="image_9.png" /></figure>

Super-calculateur **SuperMUC**
<figure><img src="image_10.png" /></figure>

Refroidissement liquide du **SuperMUC**
<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>Câblage du super-calculateur Trinity</figcaption></figure>
## Énergie et ressources
## Difficile à évaluer précisément :

- Grande diversité de matériels

- Téléphones, PC fixes/portables, tablettes, imprimantes, copieurs, écrans, vidéos-projecteurs, routeurs, switchs,...

## Diverses études ou livres :

- GreenIt : [article](#) sur [rapport de Enertech](#) de Enertech, Ademe, EDF, UE (2008)

- Ademe :

- *Étude* sur conso. numérique dans 50 organisations (2012-2015)

- *Guide* du numérique (2019)

- Total énergies : [article](#) sur la consommation d'internet (2018)

- CNRS : [article](#) sur le manque d'optimisation du numérique (2018)

- EDF : [présentation](#) des chiffres de la consommation (2019)

- INSEE : [article](#) sur les impacts environnementaux du numérique

- Parlement britannique : [note](#) sur la conso d'énergie du numérique

- France Culture : [émission](#) sur le numérique et l'environnement

- L'enfer numérique : [livre](#) sur l'impact environnemental du numérique

- Et d'autres sources indiquées directement dans les diapos...

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Estimations globales

<figure><img src="image_13.png" /></figure>
On constate :

* Une augmentation forte de la part du numérique :

* Répartie entre terminaux, centres de calcul/stockage et réseau

* Représente **13,5%** des consommations des résidences en France

* De **10 à 14%** de la consommation mondiale d'électricité

* Nécessaire de tenir compte du cycle de vie complet :

* Fabrication, transport/dist., utilisation, fin de vie (fdv) / valorisation

* Distinction entre **utilisation** (Twh) et **fabrication/transport** (CO₂)

* Consommations 2020 :

* Data-centers : **200 à 250 Twh**, réseau : **260 à 340 Twh**

* Appareils personnels 2020 : **335 Twh** (1,2% de l'élec. mondiale)

* Conso Bitcoin 2021 : **110 Twh** > conso. pop. de l'Argentine (45 M)

* Et **≈4%** des émissions de CO₂ (2,5% pour l'aviation civile mondiale)

* Exemple d'une étude d'Apple en 2019 concernant un MacBook Pro :

(source site interstices)

* Pour 4 ans d'utilisation : **394 Kg CO₂**

* Fabrication : **75%**, transport **5%**, utilisation **19%**, fdv **1%**

→ Utilisation pendant **16 ans** pour avoir équilibre utilisation/fabrication
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Source Adémie 2023

1,43 Mds de téléphones vendus en 2021 (+6%), renouvellement tous les 2 ou 3 ans en France...
→ Quid de l'**obsolescence programmée**? Art. L213-4-1 code de conso : 2 ans prison + amende **300k€**
Apple a dépassé **3000 Mds US$** de capitalisation en 2023!!... L'amende est-elle **dissuasive** ?!
Ratio de matières mobilisées / équipement produit :

• 34 Kg / 100 g en 2019

Source : rapport INSEE (2019)

Matières premières :

Source : L'enfer numérique (2021)

<table><thead><tr><th>Élément</th><th>Part (%)</th><th>Utilisation</th></tr></thead><tbody><tr><td>terbium</td><td>88</td><td>aimants, éclairages</td></tr><tr><td>germanium</td><td>87</td><td>fibres optiques / infrarouges</td></tr><tr><td>gallium</td><td>70</td><td>circuits intégrés</td></tr><tr><td>ruthénium</td><td>66</td><td>divers éléments électroniques</td></tr><tr><td>dysprosium</td><td>63</td><td>aimants</td></tr><tr><td>indium</td><td>60</td><td>écrans, semiconducteurs, LED</td></tr><tr><td>erbium</td><td>50</td><td>éclairages</td></tr><tr><td>europium</td><td>50</td><td></td></tr><tr><td>gadolinium</td><td>50</td><td></td></tr><tr><td>iridium</td><td>43</td><td>divers éléments électroniques</td></tr><tr><td>béryllium</td><td>42</td><td></td></tr><tr><td>antimoine</td><td>41</td><td>ignifuges</td></tr><tr><td>néodyme</td><td>26</td><td>aimants</td></tr></tbody></table>

Les réserves naturelles de certains de ces éléments sont faibles

→ Risque d'épuisement des ressources à moyen terme (quelques décennies)

→ Augmentation des tensions internationales pour l'accès à ces ressources
## Habitudes de consommation :

* Streaming audio/video (80% BP), visios, navigation, pubs, mails,...

* Coût d'un mail :

* Entre 0,03 et 26 geCO₂ selon le contexte (type de mail, matériel,...)

* Coût d'une visio : 96% dû aux images

* 1h entre Paris et Grenoble sur Renater = 226 geCO₂ (RR CNRS 2022)

* Équivalent à 52h d'éclairage avec une ampoule de 40W

* Autres études : variabilité selon opérateur/contexte (ScienceDirect 2021)

<table><thead><tr><th></th><th>Carbone<br>(geCO₂/h)</th><th>Eau<br>(L/h)</th><th>Terrain<br>(cm2/h)</th></tr></thead><tbody><tr><td>Streaming HD</td><td>440,58</td><td>5,20</td><td>77,48</td></tr><tr><td>Streaming SD</td><td>62,94</td><td>0,74</td><td>11,07</td></tr><tr><td>Visio avec vidéo</td><td>157,34</td><td>1,86</td><td>27,67</td></tr><tr><td>Visio sans vidéo</td><td>6,29</td><td>0,07</td><td>1,11</td></tr></tbody></table>

* La vidéo est-elle toujours nécessaire ? Quid du téléphone ?

* Optimisation globale des matériels, mais... **effet rebond!**

→ Implique souvent de **nouveaux usages** et non des économies
597 câbles actuellement installés : (Carte en ligne)

<figure><img src="image_15.png" /></figure>

La demande de débit global a quasiment doublé entre 2020 et 2022
Globalement une très faible part des matériaux :

* DEEE : Déchets d'Équipements Électriques et Électroniques

* France : entre **17** et **23 Kg** produits par an et par habitant → ≈**1,4 Mt** / an

* Monde : **57 Mt** de DEEE produits chaque année → 5000 Tours Eiffel ®

* **1g** de RAM mobilise **16000** fois son poids (Frankenstream - Arte)

* En comparaison, une voiture mobilise 54 fois son poids...

* Matériaux difficilement récupérables :

* Seulement **1%** des métaux rares utilisés ®

* **10 Mds US$** de métaux précieux perdus par an

* Certaines estimations donnent 30 à 50 ans avant épuisement de certains matériaux
Globalement une très faible part des matériaux :

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Problème des filières non contrôlées du recyclage : ≈83% en 2019
## Étude de 2021 sur la consommation d'eau dans les data-centers :

* Demande en eau va augmenter de 55% entre 2000 et 2050

* Production de biens et d'énergie, usage domestique

* Utilisation de l'eau dans les data-centers :

* Production électrique et refroidissement

* Et une part importante (>50%) d'eau potable...

<figure><img src="image_17.png" /></figure>

* En 2018, Google a déclaré utiliser **15,8 Gl** d'eau → ≈ étang de Biguglia Microsoft à déclaré **3,6 Gl**, et Amazon ne divulgue pas grand chose... Mais ne déclarent que leur utilisation directe (exclut l'énergie) Informations détaillées considérées comme secret industriel...

* DC de taille intermédiaire (**15 MW**) ≈ 3 hôpitaux de taille moyenne

* Des efforts d'optimisation sont entrepris : (Google et Microsoft)

* 2010 → 2018 : serveurs x6, trafic réseau x10 et stockage x25

* Mais seulement 6% d'augmentation de la consommation d'énergie

* Recours aux énergies renouvelables et au cloud (40% des serveurs)
## Évolution des données numériques
Principalement *deux unités* :

• bit : unité élémentaire (0/1)

• octet : groupe de 8 bits ≈ un caractère (texte)

Dénomination des quantités :

• Préfixe de pondération : K, M, G, T, ...

• Distinction entre base 2 (ajout de i) et base 10 (par défaut)

• Distinction entre bit (b) et octet (o ou B)

Exemples :

• 8 bits = 1 octet ≈ 1 caractère

• 1 Ko = 1KB = 10³ octets

• Mo = 10³ Ko, Go = 10³ Mo, To = 10³ Go, Po = 10³ To, Eo = 10³ Po,...

• 1 Zo = 1000 Eo = 1000 000 000 000 000 000 000 octets = 1 Milliard de To
# Évolution des volumes de données

## Global Information Storage Capacity
in optimally compressed bytes

<figure><img src="image_18.png" /></figure>

Source: Hilbert, M., & López, P. (2011). The World's Technological Capacity to Store, Communicate, and Compute information. *Science*, 332(6025), 60–65. http://www.martinhilbert.net/WorldInfoCapacity.html
## Constats et prévisions :

* Production *journalière* de données : 2,5 × 10⁶ *To* en 2020

* Quelques valeurs *journalières* indicatives :

<table><thead><tr><th>Instagram<br>(Millions posts)</th><th>Facebook<br>(Milliards posts)</th><th>WhatsApp<br>(Milliards msgs)</th><th>Emails<br>(Milliards msgs)</th><th>Youtube<br>(Heures)</th></tr></thead><tbody><tr><td><strong>&gt; 500</strong></td><td><strong>1,73</strong></td><td><strong>65</strong></td><td><strong>294</strong></td><td><strong>720000</strong></td></tr></tbody></table>

* Statistiques dynamiques de Twitch

* > 2 M d'utilisateurs connectés, 56 Mh visionnées par jour

* Le problème majeur est le taux de croissance annuel élevé (≈ 20%)

* Lié au développement des appareils utilisateurs (photos, vidéos,...)

* Environ 40 Mds de caméras → 500 h de vidéo par minute
Elle est plutôt réduite :

* **eLabFTW UL** :

* **6,5 Go** pour site de production et **0,83 Go** pour bac à sable

* **DOREL (RDG)** : **119,47 Go** pour ≈46000 fichiers

* **Data Center Mutualisé Lorrain** : Février 2024 (installation partielle 22%)

* Commun à l'UL et au CHRU

* Énergie : 2×800 kW (redondance), serveurs 100 kW, infrastructure 90 kW

* **PUE** de **1,9** mais à terme **1,4** + récupération de chaleur (métropole)

* **HAL** : **10 To** au national et environ **400 Go** pour l'UL
  → ≈**4 millionièmes** de la production journalière de données...

* **ITER** : projet international sur la fusion nucléaire

* En 2020 ≈ **2,2 Po** de données au total

* Estimation à **2 Po** / jr en 2035

→ **0,08%** de la production journalière **actuelle**...

* **LHC** : Grand collisionneur de hadrons

* **30 Po** produits par an et **100 Po** stockés sur bande

→ **1,2%** de la production journalière...
* Rapport 2022 de l'UNESCO sur le numérique (datareportal)

* Version datareportal de Janvier 2025

* Population : **8,20 Mds** (58% urbains)

* Utilisateurs **télés mobiles** : **5,78 Mds** (70,5% pop)

* Total des données échangées par mois : **146,92 Eo**

* Utilisateurs **internet** : **5,56 Mds** (67,9% pop), 6h38/jr (5h23 Fr)

* Utilisateurs **réseaux sociaux** : **5,24 Mds** (63,9% pop), 2h21/jr (1h46 Fr)

* Montres connectées : **25,8%** des utilisateurs d'internet, **19,8%** en France

* Objets connectés : **1,7 Mds** ordinateurs, **22,3 Mds** IoT

* **E-commerce** : **2,54 Mds** (31% pop et 46% des Ut. internet)

* **4120 Mds US$/an**, **17,3%** du commerce mondial

* Mode, alimentation, matériel, électronique, meubles,...

* **Publicité numérique** : **790 Mds US$** → **72,7%** du marché mondial

* Sur les réseaux sociaux : **244 Mds US$** → **1/3** du total numérique

* Pages webs sur les chats : **5,44 Mds** et les chiens : **6,48 Mds**

* Bande passante internationale en 2023 : **3,9 Pbps**
* **Etude The information catastrophe – AIP Advances**

* **Capacité de stockage** en 2020 estimée à 6,7Zo

* Croissance annuelle autour de 19%

⇒ Saturations énergétique et matérielle dans 3 à 4 siècles

* Nombre d'atomes de la Terre dans moins de 400 ans → pas si loin... ⊙

* **Estimation données mondiales créées (≠ stockées)** :

* ≈60 Zo (2020), ≈80 Zo (2021), ≈120 Zo (2023), ≈149 Zo (2024), 181 Zo (2025)

* **Difficultés de gouvernance** : (UNSECB 2023, article MDPI 2023)

* Coût de l'inaction : commerce, innovation, économie, droits humains,...

* **Difficultés liées à la pérennité** du stockage : (LBL, NITRD)

* Transfert des archives du NERSC de Oakland à L. Berkeley NL

* ≈120Po sur ≈29k cartouches → 2 ans! (2017-2019)

* **Quid de l'IA ?** Exemple de GPT (PEReN, ScienceDirect, Baeldung)

* GPT-3 : 175 Mds de paramètres, GPT-4 : 280 Mds de paramètres

* Données utilisées : Common Crawl, WebText2, Books1&2, Wikipedia

* 500 Mds tokens (groupes de caractères)

* Problème de la collecte et du filtrage des données :

* Contenus toxiques, biais, propriétés, traitement manuel,...

* Problème de la capacité de calcul et de l'énergie :

* Entraînement (GWh) et fonctionnement (W/requête)
Conclusion
L'outil numérique est devenu *incontournable* dans notre société :

* Utilisation professionnelle dans quasiment tous les secteurs

* Utilisation intensive dans les loisirs et la culture

* Utilisation pour résoudre certains défis à venir :

* Bases de données, modèles et simulations, IA,...

→ Intérêt global indiscutable!

Mais comme souvent, la difficulté vient de l'utilisation de l'outil :

* Idée trop répandue que le numérique est *virtuel* (pas de coût)

* Possibilité individuelle de générer de grandes quantités de données

* Modèle économique de nombreux services numériques :

* *Illusion de la gratuité* ⇒ usage sans limite!

* Effet de masse sur les images et vidéos :

* *Diffusion et visionnage* de vidéos

→ Utilisation intensive des réseaux (filaire, wifi, 4G, 5G)
Difficultés également sur le recyclage :

• Très difficile de récupérer les matériaux dans les anciens appareils

• Nécessaire de prolonger l'utilisation des appareils

→ Plus de réutilisation : [loi REEN (2021)]()

→ Adapter les *modèles économiques* des fabricants et développeurs

L'évolution actuelle n'est **pas tenable** sur le long terme...

• Nécessité de modification individuelle des usages
Sinon...

• Risque de limitations imposées sans discernement par les acteurs privés et/ou publics

• Filtre économique → impact fort sur les faibles revenus

⇒ Nécessité de réfléchir aux usages prioritaires pour la société :

• Quoi stocker ?

• Combien de temps ?

• Quels usages des outils (audio/visio,...)?