Méthodologie appliquée aux IA génératives

Résumé

Cette note méthodologique propose un cadre de calcul pour évaluer l’empreinte environnementale des modèles d’IA générative, en intégrant l’entraînement, le fine-tuning et l’inférence. La démarche repose sur l’estimation de la charge de calcul (FLOPs) requise par chaque usage, sa conversion en temps d’utilisation des GPU, puis en consommation énergétique et en émissions de gaz à effet de serre (GES). Elle inclut également la part d’impact liée à la fabrication et au cycle de vie des équipements. Cette approche vise à fournir une méthode reproductible, transparente et adaptée à différents modèles et contextes d’usage, en cohérence avec les recommandations de la recherche sur la Green AI¹.

Principe

La méthodologie repose sur une philosophie simple : relier directement les usages réels d’un modèle d’IA (entraînement, fine-tuning, inférence) à l’empreinte matérielle nécessaire pour les réaliser.

Plutôt que de partir de mesures globales de consommation électrique au niveau des centres de données, souvent inaccessibles ou propriétaires (Google, 2025²³), elle évalue en premier lieu la quantité de calcul exigée par le modèle selon :

• ses caractéristiques propres (taille, nombre de paramètres, proportion de paramètres activés, architecture),
• le volume de jetons consommés ou générés (texte, images, etc.).

Cette charge de calcul est exprimée en FLOPs, puis convertie en temps d’utilisation effectif du matériel (GPUh) en tenant compte de l’efficacité réelle (Model FLOP Utilization, MFU).

L’étape suivante traduit ce temps d’utilisation en consommation énergétique et en émissions de GES, à partir des caractéristiques physiques des GPU/serveurs et des conditions d’exploitation (PUE, facteur d’émission électrique).

Enfin, une part de l’impact lié à la fabrication et au cycle de vie des équipements est ajoutée proportionnellement au temps d’usage, suivant une logique inspirée de l’Analyse de Cycle de Vie (ACV) (ISO 14040 et 14044).

Pourquoi utiliser les FLOPs comme métrique ?

D'après l'étude Green AI¹, les FLOPs sont une métrique pertinente pour mesurer l’impact des IA génératives, car ils expriment la charge de calcul réellement effectuée, directement corrélée à la consommation d’énergie et fournissent une base indépendante du matériel pour comparer équitablement différents modèles.

Evaluation des impacts

Estimation de la charge de calcul

Cas d'usage	Formule de calcul	Variables	Explication
Entraînement	$FLOP \approx 6 \times P_\text{total} \times T_\text{training}$	$P_{total}$ : nombre total de paramètres du modèle $T_{training}$: nombre de tokens traités pendant l'entraînement (tokens × batch × steps)	Pour chaque jeton et paramètre il faut 6 FLOPs : 2 FLOPs pour la passe forward et 4 pour le calcul de gradient et la propagation (Source : Scaling Law4, Transformers FLOPs56, Transformers Inference Arithmetic7)
Fine tuning	$FLOP \approx (2 \times P_\text{total} + 4 \times P_\text{tunable}) \times T_\text{training}$	$P_{total}$ : nombre total de paramètres du modèle $P_{tunable}$ : nombre de paramètres entrainables (dépend de l'optimisation : LoRA, ...) $T_{training}$: nombre de tokens traités pendant l'entraînement (tokens × batch × steps)	Idem que pour l'entrainement complet, néanmoins le nombre de paramètres mis à jour est moindre (Source : Scaling Law4, Transformers FLOPs56, Transformers Inference Arithmetic7)
Traitement du prompt	$FLOP \approx 1 \times P_{active} \times T_{input}$	$P_{active}$ : nombre de paramètres actifs $T_{input}$: nombre de tokens du prompt	Avec le KV cache activé, le prompt est encodé une fois : le coût est réduit à ≈ 1 FLOP par paramètre/token. (Source : Scaling Law4, Transformers FLOPs56, Transformers Inference Arithmetic7)
Génération de texte	$FLOP \approx 2 \times P_\text{active} \times T_\text{output}$	$P_{active}$ : nombre de paramètres actifs $T_{output}$: nombre de tokens générés	Pour chaque jeton et paramètre il faut 2 FLOPs pour la passe forward. Le nombre de paramètres actifs lors de l'inférence dépend de l'architecture du modèle (en particulier pour les MoE). (Source : Scaling Law4, Transformers FLOPs56, Transformers Inference Arithmetic7)
Génération d'image	$FLOP \approx 2 \times P_\text{active} \times N_\text{activation}$	$N_{activations}$: nombre d'activations = largeur x hauteur x nombre de canaux	Pour chaque activation et paramètre il faut 2 FLOPs pour la passe forward (Source : Clockwork Diffusion8, Transformers Inference Arithmetic)

Conversion en usage GPU

Si l'on connait la capacité de traitement en FLOP d'un GPU, il est alors trivial de calculer la durée théorique de son usage afin de satisfaire un des cas d'usage précédent :

$D_{gpu} = \frac{FLOP}{(C_{gpu}\times MFU)}$

Avec $D_{gpu}$ la durée d'utilisation en heures du GPU, $C_{gpu}$ la capacité de calcul théorique en FLOP/h du GPU.

La capacité de calcul réellement utilisable par un GPU, en tenant compte de la typologie de modèle, du type de GPU/TPU, du fort parallélisme, des échanges réseaux, etc... représenterait seulement 25 à 50% de la capacité théorique (cf. Benchmarks NVidia⁹).

Ce taux d'utilisation est appelé $MFU$ (Model Flop Utilization).

Conversion en consommation d'énergie

Si l'on considère que pendant la durée d'utilisation du GPU sa consommation énergétique est maximale, le calcul de sa consommation d'énergie est simple :

$E_{gpu} = D_{gpu} \times P_{gpu}$

Avec $P_{gpu}$ la puissance en Watts du GPU

Dans un contexte de centre de données, il est pertinent de multiplier ce chiffre par son $PUE$ (Power Usage Efficiency) afin de tenir compte de son efficacité énergétique.

Impact environnemental de la consommation d'énergie

Afin d'obtenir l'impact environnemental (par exemple, émissions GES) de l'énergie, il suffit d'appliquer des facteurs d'émissions électriques comme ceux disponibles dans le référentiel Open Data D4B :

$I_{operational} = E_{gpu} \times F_{energy}$

Impact environnemental de la fabrication du GPU

L'impact lié à la fabrication du GPU est calculé proportionnellement à la durée d'usage rapportée à la durée de vie estimée du GPU :

$I_{embodied} = I_{manufacturing} \times \frac{D_{usage}}{D_{lifespan}}$

Prise en compte des impacts serveur

L’impact des autres composants (CPU, RAM, stockage, châssis) est également pris en compte. Les durées étant exprimées en GPUh, l’impact de ces composants est réparti au prorata du nombre de GPU par serveur. Par exemple, dans un serveur de 8 GPU, un huitième des impacts opérationnels et intrinsèques des composants non-GPU est imputé à chaque GPUh calculée.

$I_{total} = I_{gpu} + \frac{I_{server}}{N_{gpu/server}}$

Hypothèses & limites

Hypothèses

• Lors de l'inférence, un cache (KV) est toujours présent (Transformer Inference Arithmetic).
• Les facteurs d'émissions électriques proviennent du référentiel Open Data D4B.

Limitations

• Incertitudes sur les données d'entrée : données d’entraînement réelles, caractéristiques des modèles souvent confidentiels, MFU, ...
• Pas de prise en compte du fait que les modèles tiennent ou non en mémoire sur le matériel sélectionné
• Pas de prise en charge des spécificités éventuelles des TPU, FPGA, Asics, ...
• Pas d'ACV fiable sur les équipements.

Perspectives

• Prendre en compte des métriques publiques comme tokens/s en plus des FLOPs.
• Prendre en compte la précision (FP32, FP16, ...)
• Intégrer un overhead pour prendre en compte l'impact du parallélisme (réseau, réplication, queuing, ...).
• Intégrer la mémoire GPU comme goulet d'étranglement.
• Intégrer à la méthodologie l'amortissement de l’entraînement sur l’inférence.
• Adapter le MFU en fonction des caractéristiques du serveur (nombre de GPU par serveur, ...).
• Adapter la méthodologie aux modèles multimodaux (texte, image, vidéo).
• Intégrer des facteurs d’impact multi-critères (énergie primaire, eau, métaux rares).
• Intégrer l'entrainement des versions de développement imputables à la version actuelle d'un modèle

Application

Cette section a pour but d'évaluer le modèle en utilisant les données publiques du modèle LLM Open source Llama 3.1 (405B paramètres).

Hypothèses matérielles

Le NVIDIA DGX H100 est une configuration "classique" sur laquelle sont exécutés les traitements.

Caractéristiques	Composant	Puissance	Impact cycle de vie (approximatif)
CPU	2 x Intel Xeon Platinum 8480C processors (112 cores total)	2 x 350 = 700 W	2 x 25 = 50 kgCO2e
RAM	2TB	2 x 1024 x 0.392 = 803 W	2 x 1024 x 533 / 384 = 2843 kgCO2e
Storage	30 TB SSD	30 x 1024 x 0.0012 = 37 W	30 x 1024 x 0.16 = 4915 kgCO2e
GPU	8 x H100 80 GB(989 TFLOP/s par GPU)	8 x 700 W	8 x 250 kgCO2e
Chassis		-	250 kgCO2e
Total (hors GPU)		1540 W	10058 kgCO2e
Total (hors GPU) / h		1540 W	10058 / (5 x 24 x 365, 25) = 0,230 kgCO2e / h

Impact de l'entrainement

Llama 3.1 (405B paramètres) a été entrainé avec environ 15 trillions (15e12) jetons. D'après Huggingface, il a été entrainé avec 24576 GPU H100 : Training Time (GPU hours) Power Consumption (W) Emissions (tons CO2eq) Llama 3.1 8B 1.46M 700 420 Llama 3.1 70B 7.0M 700 2 040 Llama 3.1 405B 30.84M 700 8 930

D'après les formules du modèle et en prenant pour hypothèse un MFU de 40% (à affiner d'après les benchmarks NVIDIA⁹ il pourrait être plus proche de 35%) pour l'entrainement, un PUE de 1,2 et un facteur d'émission GES de 0,420 kgCO2e / kWh :

$$\begin{aligned} &FLOP_{training} = 6 \times P_{total} \times T_{training} = 6 \times 405e9 \times 15e12 = 3,65e25 FLOP \\ &D_{training} = \frac{FLOP_{training}}{FLOP_{gpu} \times MFU} = \frac{FLOP_{training}}{989e12 * 3600 \times 0,40} = 25,6e6 GPU.h \\ &E_{training} = 0,700 \times D_{training} \times PUE = 21,5e6 kWh \\ &I^{gpu}_{training_{ope}} = 0,420 \times E_{training} = 9 030 tCO2e \\ \end{aligned}$$

remarque

L'écart entre les données fournies sur Huggingface et le calcul est < 2% ce qui reste très raisonnable.

Pour l'impact intrinsèque, on prend pour hypothèse une durée de vie des équipements de 5 ans :

$I^{gpu}_{training_{emb}} = \frac{D_{training}}{D_{lifespan}} \times I_{total_{emb}} = \frac{25,6e6}{(5 \times 24 \times 365,25)} \times 250 = 146 tCO2e$

remarque

On constate que l'impact intrinsèque est considérablement plus faible que l'impact opérationnel.

A l'impact du GPU il convient d'ajouter l'impact opérationnel et intrinsèque du serveur. Il y a 8 GPUs par serveur, donc on ajoute 1 / 8 des composants autres que GPU.

$$\begin{aligned} &I_{training_{ope}} = I^{gpu}_{training_{ope}} + \frac{I^{server}_{training_{ope}}}{8} = 9030 + \frac{25,6e6 \times 1,540 \times 0,420 \times 1,2 }{8} = 11513 tCO2e \\ &I_{training_{emb}} = I^{gpu}_{training_{emb}} + \frac{I^{server}_{training_{emb}}}{8} = 146 + \frac{25,6e6 \times 0,000230}{8} = 899tCO2e \end{aligned}$$

Impact de la génération d'1 million de jetons

Dans le cloud, lorsqu'on utilise un LLM en mode "complétion", grâce au KV caching les jetons d'entrée n'entraînent qu'un coût linéaire par jeton de sortie, car l'attention n'est recalculée que sur les nouveaux jetons générés.

$$\begin{aligned} &I^{gpu}_{output_{ope}} = \frac{2 \times 405e9 \times 1e6}{989e12 \times 3600 \times 0,40} \times (0,700 + \frac{1,540}{8}) \times 1,2 \times 0,420 = 256gCO2e \\ &I^{gpu}_{output_{emb}} = \frac{2 \times 405e9 \times 1e6}{989e12 \times 3600 \times 0,40} \times \frac{250 + \frac{10058}{8}}{5\times24\times365,25} = 20gCO2e \end{aligned}$$

Si l'on considère une taille de "prompt moyen" d'environ 400 jetons, alors l'impact d'une requête est d'environ 0,1 gCO2e.

Simulateur

Paramètres

Cas d'usage

Modèle

Matériel

Région

Corpus (milliard de jetons)

Résultats

Charge de calcul : --

Latence : --

Durée de traitement : --

Débit : --

Énergie : --

GPU

CPU

RAM

Stockage

Chassis

Émissions GES : --

GPU

CPU

RAM

Stockage

Chassis

Operational

Embodied

Comparaison

Cette section propose une comparaison de méthodologies disponibles pour l’évaluation des impacts environnementaux des modèles d’IA générative. Elle met en évidence leurs périmètres, leurs forces et leurs limites, afin de situer la méthodologie D4B par rapport aux approches existantes.

Caractéristique	Full ACV (Google, 2025)23	Ecologits10	Méthodologie D4B
Type d’approche	Mesure full-stack : CPU/DRAM, machines idle, datacenter overhead, eau, ACV partielle du hardware	Evaluation bottom-up appliqué à l’inférence uniquement (usage + fabrication)	Modélisation FLOPs → GPUh → Impacts
Périmètre	Fabrication (partielle), usage (tous composants serveur), infrastructure datacenter, eau, émissions Scope 2/3	Usage infra + fabrication, inférence seulement	Usage entraînement, fine tuning, inférence + fabrication GPU et serveur
Granularité & mesure	Très fine : mesures réelles sur production Gemini, énergie, eau, émissions	Moyenne haute, open data multi-critères (GWP, PE, ADPe) agrégés par appel API	Moyenne modérée : dépend des données disponibles (FLOPs, TDP, ...)
Accessibilité	Faible : données internes Google peu explicitées	Elevée : code open-source, API ouverte	Elevée : méthodes et hypothèses documentées publiquement
Reproductibilité	Faible : instrumentation propriétaire et données internes	Forte : outil public, calculs transparents et reproductibles	Moyenne à élevée : si les données d’entrée sont estimables
Transparence	Moyenne : publication méthode mais accès aux données limité	Forte : codes, hypothèses et modèle open source	Forte : toutes les formules et sources sont explicitées
Précision (sur inférence)	Très élevée : vrai déploiement mesuré, inclut spectre complet d’énergie	Moyenne : repose sur modèles simplifiés et hypothèses généralisées	Moyenne à élevée selon la précision des paramètres choisis
Applicabilité	Limitée : spécifique à l’infrastructure Google et inférence	Moyenne : inférence sur divers fournisseurs, mais pas entraînement	Très large : entraînement, fine tuning, inférence sur base publique
Usages visés	Analyse interne, reporting fin, communication	Évaluation publique, sensibilisation, comparateur multi-fournisseurs	Recherche, évaluation interne, FinOps, Green AI
Résultats chiffrés (Prompt moyen, environ 400 jetons)	~0,03 gCO2e ~0,24 Wh Gemini	~40 gCO2e ~95 Wh LLama 3.1 405b	~0,12 gCO2e ~0,27 Wh LLama 3.1 405b (cf. Application)
Limites clés	Données propriétaires, ne couvre pas l’entraînement, se concentre sur l'inférence, biais sur le “prompt median”	Périmètre limité (inférence seule), possible surestimation du fait de l'extrapolation	Dépend fortement des hypothèses (MFU, durée de vie)

Ces résultats montrent que chaque approche a un positionnement spécifique : Google privilégie la précision mais reste fermé et non reproductible, Ecologits mise sur la transparence et la simplicité mais au prix d’une surestimation possible, tandis que la méthodologie D4B propose un compromis reproductible et adaptable aux différents contextes d’usage mais dépend de la précision des données d'entrée.

Footnotes

1. Schwartz et al., 2020, Henderson et al., 2020. Green AI ↩ ↩²

2. Google, 2025. Measuring the environmental impact of delivering AI at Google Scale ↩ ↩²

3. Google, 2025. Life-Cycle Emissions of AI Hardware: A Cradle-To-Grave Approach and Generational Trends ↩ ↩²

4. J. Kaplan, S. McCandlish, ..., 2020. Scaling Laws for Neural Language Models ↩ ↩² ↩³ ↩⁴

5. A. Casson, 2023. Transformer FLOPs ↩ ↩² ↩³ ↩⁴

6. D. Bahdanau, 2022. The FLOPs Calculus of Language Model Training ↩ ↩² ↩³ ↩⁴

7. C. Chen, 2023. Transformer Inference Arithmetic ↩ ↩² ↩³ ↩⁴

8. A. Habibian, A. Ghodrati, ... 2024. Clockwork Diffusion: Efficient Generation With Model-Step Distillation ↩

9. NVidia, 2025. Llama 3.1 70B 24.11.1 (DGXC Benchmarking) ↩ ↩²

10. GenAI Impact. EcoLogits ↩