Fenntartható Fejlődés és Erőforrások Kutatócsoport

Évente 10 százalékkal nő az internetezés által elfogyasztott villamosenergia mennyisége. Tudjuk, hogy az információs technológiák és már szinte minden programvezérelt elektronikus eszköz valamilyen szinten kapcsolódhat az internethez. A Google, a YouTube, a Facebook, a MySpace, az iwiw és más népszerű portálok energiaköltségei is folyamatosan nőnek. Az informatikai és távközlési technológiák 2007-ben összesen körülbelül 55 milliárd kilowattóra áramot fogyasztottak. Ez Németország éves áramfelhasználásának 10,5 százaléka. Amennyiben semmi sem változik, úgy 2020-ra ez a szám elérheti a 20 százalékot, ami éves szinten 67 milliárd kWh-nak felelne meg. Ennek oka elsősorban a növekvő adatforgalomban, az eladott készülékek számában és az ezzel párhuzamosan emelkedő teljesítményben keresendő. Valamint hiába készülnek energiatakarékos eszközök manapság, ha mennyiségük iszonyatos iramban nő és a bajt tetézi az elektronikákra jellemző évente csökkenő várható életciklus és egyéb minőségbeli problémák. A legtöbb áramot - az összmennyiség 60 százalékát - informatikai és távközlési célokra a háztartások fogyasztják. A mostani 27 milliárd kWh-s érték 2020-ra 40 milliárd kWh-ra nőhet. A legnagyobb áramfogyasztóknak a televíziók és a számítógépek számítanak. A szoftvereknél is egyre nagyobb teret nyer az energiatakarékos -azaz hardveres erőforrásokkal jól gazdálkodó- programtervezés. A szoftverek növekvő „étvágya” a személyi számítógépekben már a Pentium processzoroktól kezdve megkövetelte az aktív, ventillátoros hűtést. A teljesítmények növekedésével a hűtés mára külön szakterületté nőtte ki magát.  2006-ban csak az Egyesült Államokban működő számítógépközpontok üzemeltetése 61 milliárd kWh-t emésztett fel és ez az energiamennyiség két hónapra elegendő lenne egész Nagy-Britannia számára, viszont csak az USA éves áramfogyasztásának 1,5 százalékát teszi ki. 2010-ben a számítógépközpontok fogyasztása már elérheti a 80 milliárd KWh-t.

Példa: a személyi számítógép energiafogyasztása a szoftveres terhelés függvényében
Fontos tudni, hogy  az alábbi felsorolt fogyasztási adatok csak a műveletvégzés alatt érvényesek, tehát időtartamuk lényeges. Például egy Windows betöltés maximum pár perc lehet és egy DVD is megírható párszor 10 perc alatt. Ugyanakkor vegyük figyelembe, hogy az üresjárat teszi ki a PC működési idejének legnagyobb részét (tehát amikor nem csinálunk semmit). A processzor terhelése (nem számszerűen, viszont analóg módon változik a teljesítményfelvétellel) a következő módon követhető: Tálca (jobb egérgomb) ->Feladatkezelő->Teljesítmény. Egy átlagos mai számítógép (Pentium 4 3 GHz és monitor nélkül) fogyasztása a műveletek függvényében:
Stand-by állapotban 5…6 W és Windows betöltődött alap illesztő- és tárrezidens programokkal pedig  83…86 W. Figyeljük az eltéréseket az „üresjárathoz” képest:
Windows XP normál módú  betöltése: 134...143 W (+57 W)
Windows betöltve és MSN bejelentkezve: 86 W ( adatforgalom nélkül nincs mérhető többlet)
program, adat betöltése merevlemezről: 130 W ( +44 W)
weblap betöltése Internetről : 128 W ( +40 W)
Youtube-ról lejátszás (nem HQ): 98...111 W ( +25 W)
mp3 lejátszás Media Player 10-el vizualizáció nélkül: 85...90 W ( +4 W)
Media Player 10, mp3 lejátszás vizualizáció ablakban: 100...110 W ( +24 W)
Media Player 10, mp3 lejátszás vizualizáció teljes képernyőn: 109...121 W ( + 35 W)
VLC player, xvid formátumú video lejátszása ablakban: 88...97 W ( +11 W)
VLC player, xvid formátumú video lejátszása teljes képernyőn: 88...96 W ( +13 W)
fájl kicsomagolása WinRAR-ral: 127...136 W ( +50 W)
fájl kicsomagolása WinACE-el: 133...135 W ( + 49 W)
Google Earth keresés: 130...140 W ( +54 W)
Letöltés ~210 kbps: 90...113 W ( +27 W)
Microsoft Word: 85...87 W ( +1 W)
DVD lemez felpörgetése: 98 W ( +13 W)
DVD írása: 135...144 W ( +58 W)
másolás DVD-ről merevlemezre: 139...142 W ( +56 W)
fájlok másolása ugyanazon merevlemezen belül: 129...135 W ( +49 W)

Stand-by üzemmód. Érdekes adatok: P4 noname PC bekapcsolt állapotában a teljesítménytényező cos (phi)= 0.84, Stand-by állapotban pedig cos (phi)=0.45. Így már világos a Stand-by fogyasztás túl magas -közel 6 W-os- értéke. A látszólagos teljesítményből (S=UI) a hatásos teljesítmény P=UI cos phi. Tehát a teljesítménytényező egy szorzószám, ami megmutatja a látszólagos teljesítmény mekkora része végez effektív munkát. Ez az érték elsősorban az elektronikai kivitel minőségétől függ. A Stand-by üzemű készülékek miatt egy átlagos család villanyszámlája 25 ezer forinttal nő. Vegyük példának most az asztali DVD-lejátszót. A távirányító bekapcsoló jele (is) infravörös tartományba eső fényimpulzusokat sugároz a DVD aktív optikai szenzora felé. Ugyanezen funkció -bár más okokból kifolyólag is- az asztali számítógépek ATX tápegységeivel terjedt el. Ez a funkció teszi lehetővé, hogy PC-nket a világ bármely pontjáról akár műholdas kapcsolaton keresztül is felébreszthessük és azzal akár adatforgalmat is lebonyolíthassunk. Azonban ahhoz, hogy például a DVD készülékünkben a -már nevében is látszik: aktív- szenzor érzékelje a bekapcsolást elindító implulzussorozatot, azt a szenzort egy kicsiny feszültséggel táplálni kell. Bekapcsolás után a teljesítménytényező beáll az üzemi elfogadható értékre. Azonban addig ilyen kicsiny teljesítményre dolgozáskor az eszköz tápegysége nagyon rossz hatásfokkal alakítja át a hálózati feszültséget. Innen a rossz Stand-by teljesítménytényezők és az évi plusz 25 ezer forintos villanyszámla!

Személyi számítógépekben a két legnagyobb energiafogyasztó az alaplapi és a grafikus processzor. A PC annyiban különbözik a többi elektronikától, hogy funkciói a szoftverek segítségével a felhasználó számára tetszőlegesen variálhatóak. Itt a probléma: tetszőlegesen variálható. A hardver olyan áramkörökből áll, melyek nem specifikus feladatokra lettek tervezve. Mire van szüksége egy hétköznapi otthoni felhasználónak? Talán a legfontosabb: kapcsolattartásra. Ezután ugye filmek, zeneszámok letöltésére –persze csak legális forrásból-, majd végül,de nem utolsó sorban dolgozunk rajta, valamint a játékok. Tehát sokmindenre igényt tartunk, mielőtt megvásárolunk egy konfigurációt. A játékszoftvereknek különleges jelentősége lesz a továbbiakban. Egy ma gyorsnak számító Intel Pentium 4 Prescott processzormag egy 125 millió tranzisztort tartalmazó áramkör, ami 112 mm2 méretű szilícium félvezető lapka felületére van integrálva. E processzor fogyasztása emiatt terheléstől (főleg játéktól) függően 115 W-ot is elérheti. Az integrált áramkörök, példának okául a processzorok nem „intelligensek”, csupán az adott programot iszonyatos sebességgel hajtják végre. A végrehajtási sebességet elsősorban az órajel frekvenciája, másodsorban a belső logika -lényegében a feldolgozás módszere- határozza meg. Az órajel az ütemadó jel, a processzor minden ütem hatására egy vagy több elemi utasítást hajt végre. Ha egynél többet, akkor szuperskalár architektúrának nevezzük. Érdekességképpen ezen új struktúra miatt nevezték el a 80486 processzor utódját Pentiumnak, nem pedig 80586-os processzornak. A művelet végrehajtásának gyorsasága az utasításkészlet hatékonyságától függ. Ez a hatékonyság gyakorlatilag azt jelenti, hány lépésből jutunk több különböző processzorral (AMD, Intel stb) ugyanahhoz az eredményhez. A fent felsorolt adatok láthatóan széles tartományban változnak az üresjárati értékekhez képest, ez a feldolgozott információ mennyiségének és az általános célú processzorok nem alkalmazásspecifikus voltának tudható be. Itt ne vegyük figyelembe a merevlemezes és DVD meghajtókat, nem tartozik szorosan a témához, csupán jelzésértékű! Az elektronika mint műszaki terület, nem tévesztendő össze az elektrotechnikával, ami a villamos jelenségeket energetikai oldalról kezeli. Az elektronikában a villamos áramot illetve feszültséget információhordozóként kezeljük. Például amikor leütünk egy billentyűt a számítógép előtt, ezernyi elemi művelet hajtódik végre a számítógépes alaplapban mire a képernyőn megjelenik a kívánt karakter. Furcsa lenne, ha például K billentyűt ütünk le és ehelyett a 7-es szám jelenne meg a monitoron. Egy lámpa bekapcsolásához egy áramköri elem kell -nevén nevezve egy fali kapcsoló- és minimum három szál vezeték. Egy karakter megjelenítéséhez a monitoron mikro- és nanométer nagyságú tranzisztorok tízezrei és rengeteg huzalozás. Ennek ellenére a számítógép ritkán hibázik.

Hol emésztődik fel a villamos energia?
A hardvert a program vezérli, ami gyakorlatilag benne „él” az áramkörben, "betöltjük" az áramkörbe. Ott találjuk a RAM cellamátrixban villamos töltések formájában és a memóriafrissítéssel tartjuk életben. Ez a kicsiny töltés a szivárgóáramok miatt és a kiolvasás alatt kisül, ezért a kiolvasást újraírásnak kell követnie, ami újabb energiabefektetést igényel. Ez a memóriafrissítés, enélkül a tárolt töltések elvesznek. A programok is felfoghatók tehát áramköri elemként. Minden egyes elemi művelet az adott elemi hardver alkatrészek töltését, mágnesességét, feszültségét, áramát változtatja meg. Például -mint említettük- egy számítógépben a műveleti memória (RAM) mátrix struktúrába rendezett kapacitásokból áll. A számítógép átmenetileg itt tárolja a merevlemezes meghajtóról betöltött operációs rendszert, valamint az adott felhasználói program futása közben szükséges számítási adatokat és programkódokat. A központi feldolgozó egységet röviden processzornak nevezzük. Feladata összehangolni és vezérelni az összetett elektronikus áramköri részegységeket. Működését a szoftverek diktálják. A konnektorból felvett energiát az elemi alkatrészek milliárdjai emésztik fel.
Például ha a műveleti memória egy bitjét kiolvassuk, akkor annak az aktuális C kapacitásban tárolt töltését juttatjuk a kiolvasó vezetékre, ami egy jelkondícionálás után az adatbuszon keresztül jut be a processzorba. Adatbusz az alaplap azon része, amelyben az feldolgozandó és a feldolgozott adatok bitjeinek megfelelő impulzussorozatok közlekednek az alaplapi frekvenciától függő gyorsasággal. A RAM memóriákban az információ egy bitje a vezérlőelektróda és a félvezető alapréteg közötti néhány század pF-os kapacitásban tárolódik.E mátrix egyes kapacitásai a bináris logikai állapotnak megfelelően töltöttek vagy nem.
Elmondhatjuk, hogy a személyi számítógépek sokmindenre alkalmasak, de egy adott műveletet sokkal több végrehajtási fázisban hajtanak végre. Ugyanazért a számítási eredményért az legnagyobb mennyiségben eladott processzoroknak sokkal többet kell „dolgoznia”, ezért valahol ezt egy energiapazarló folyamatnak tekinthetjük. Jó példa erre a játékprogram. Egy grafikus számításokra kifejlesztett hardvert -legyen az Xbox vagy Playstation- olyan processzor vezérel, ami ugyanolyan teljesítményfelvétel mellett többszörös grafikus teljesítményt képes produkálni a hagyományos PC-hez képest. Utasításkészletük speciálisan 3D-számításokra van leszűkítve, kifejlesztve és optimalizálva. Ha már mindenképpen PC-n akarunk egy új játékot futtatni, akkor az megköveteli a processzor és videovezérlő cseréjét és a memória bővítést és az Xbox grafikai kapacitását akkor sem érhetjük el. Ezzel az áramszámlánk is jelentősen nőni fog, ugyanis egy kiterhelt videokártya akár 150 W-ot is elfogyaszt. Ezeknek a kártyáknak a hűtése is lassan külön iparággá növi ki magát. Tehát gyakorlatilag teljesen feleslegesen, csupán a játékigényért növelni kell az erőforrásokat. Félreértés ne essék, a CAD tervezőprogramok is nagy grafikus számítási teljesítményt követelnek. A játék céljára eladott alkatrészek mennyisége jelenti a problémát.

Az óriási energiaigény oka: az online információtömeg
Amikor az első telefonközpontok elterjedtek, a sávszélességet a rézvezeték korlátozta, ugyanis van egy maximális információtartalom amit átvinni képes -például ezért lehet lassú a hagyományos telefonkapcsolaton létesített Internet kapcsolat. Az emberi beszéd frekvenciája 125 és 8000 Hz közé esik, ehhez elég egy keskeny sávszélesség is. A vonal 300 és 3400 Hz közötti frekvenciájú hangokat visz át, ami elég információt tartalmaz a beszélő nemének, korának, hangszínének meghatározására.
A „takarékos” hagyományos telefonvonal ellenpéldájaként megemlíthetjük tehát a világ legnagyobb számítógépes hálózatát, az Internetet. Az informatikában a számítástechnikai eszközöket összetett rendszerként, egy óriási globális hálózatként kezeljük. Minden  információ, legyen az bármennyire kicsiny hírértékű, energiát fogyaszt. Hiszen a RAM memóriákat példaként felhozva  láttuk, hogy ott az információt elektromos töltés formájában tárolt energiamennyiség reprezentálja. A merevlemezes meghajtónk mágneses jelekkel, a PenDrive-unk pedig nanométeres kapcsolókkal tárolja ugyanezt a logikai értéket. Gondoljunk bele, ha egy weblapot nézegetünk mennyi felesleges reklám, zenei aláfestés, mennyi olyan „információ” áramlik a hálózaton amire nemhogy nincsen szükségünk, hanem egyenesen zavaró. Az Interneten túl sok a felesleges online információ. Túl sok a reklám, túl sok a multimédiás anyag. Mi pedig bosszankodhatunk azon, amikor egy reklámokal zsúfolt honlap betöltése túl sokáig tart.

e-fogyasztás (?) Jelenleg körülbelül 1,5 milliárd ember internetezik rendszeresen. Ahogy emelkedik a felhasználók száma, úgy nő az elhasznált energia mennyisége is. A jobb szemléltethetőség érdekében gondoljunk bele a következő ténybe: ha az Internetre kapcsolódó számítástechnikai hardvereszközök mennyiségét fix mennyiségűnek vesszük, akkor az Internet fogyasztása egyértelműen az adatforgalom mennyiségének függvénye. A felesleges információtovábbítás ékes példája a spam üzenet. A Microsoft 2008-as elemzése szerint az e-mailek 97 %-a spam, a becsült teljesítményigényük - erre a 62 trillió kéretlen levélre: 33 TWh / év. A spamszűrők által megtakarított mennyiség: 135 TWh / év.