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1、1绿色计算的重定义与若干探讨 摘 要：计算机系统的环境可分为人文环境和自然环境两个部分。随着全球计算机系统大量而广泛的使用，对环境日益产生了一些负面影响。绿色计算（Green Computing）是一种以环境为中心的计算模式，通过努力消除计算机系统的环境不友好方面，使得计算机系统、人、社会与自然环境更加和谐，实现节能、环保和节约的目标。通过与绿色化学的比较研究，我们采取了一种更加统一和抽象的方式定义绿色计算的概念，并探讨了其主要研究内容，从而明确了绿色计算的界限和范围，理顺了相关领域的研究任务和关系。然后，提出了绿色计算的一些基本思路和一般性方法，为下一步研究各种条件下，绿色计算的具体模型、方
2、法与工具打下了必要的基础。关键词：绿色计算；感功计算；可持续计算；环境相关计算中图法分类号：TP393The redefinition and some discussion of Green ComputingAbstract: The environment of computer systems can be divided into two parts, humanities environment and natural environment. Along with a large number of computer systems have been widely used a
3、round the world, they gradually produce some negative effects to environment. As a kind of computing mode centered on the environment, by eliminating the environment-unfriendly aspects of computer systems, Green Computing can enable computer systems, people, society and natural environment in better
4、 harmony, and reach the goals of energy-saving, environment-protection and cost-saving. Compared with the research of Green Chemistry, we use a more universal and abstract way to redefine Green Computing, and discuss its main research contents, so that the limitation and scope of Green Computing can
5、 be ascertained, and the research tasks and relation between the related research fields can be clarified. Then, some basic ideas and general methods of Green Computing are proposed, which are an important fundament to explore some specific models, methods and tools of Green Computing under the vari
6、ous kinds of conditions in the next step.Keywords: Green computing; Power-aware computing; Sustainable computing; Environment-aware computing1 引 言截止 2008 年底，全世界各种计算机系统（包括通用的台式机系统、专用的嵌入式计算机系统和大型的服务器系统）的保有量超过了 30 亿台，且数量继续呈快速增长的势头。如果按 1 度（千瓦时）电收费 0.5 元人民币计算的话，全球计算机用户一年要交纳的电费约为 5000 亿元人民币。目前计算机系统的广泛使用除消
7、耗大量的电力能源外（占到全部电力消耗的 12%） ，由于计算机系统不但同 Internet 网络相连，而且同电力网络紧密相连，其运行产生了严重2的环境影响（如图 1 所示） ，包括大气质量恶化；建筑资源消耗；维护成本巨大；人力资源浪费；回收再利用成本高等。图 1 计算机系统广泛使用产生的一些负面环境影响可见，计算机系统从 1946 年开始，经过 60 多年的快速发展和全球广泛应用，对人类社会进步产生了巨大的推动作用，其对环境的一些负面影响也日益显现出来。 “节能减排、科学发展、人人参与” ，不单是钢铁、化工、制造等高能耗重型行业必须完成的任务，也是IT 和计算机领域必须面对的紧迫问题。因此，协
8、调 IT 技术与产品和环境的关系，实施“绿色计算”是这些问题的最有效解决方案。绿色计算强调，利用各种软/硬件先进技术，将目前大量计算机系统的工作负载降低，提高其运算效率（如 flop/watt 指标） ，使计算机系统的数量减少，进一步降低系统配套电源能耗，同时，改善计算机系统的设计，提高其资源利用率和回收率，降低二氧化碳/温室气体排放，从而达到节能、环保和节约的目的。2 绿色计算的发展与现状绿色计算是在追求计算机系统性能快速发展的前提下，不断改善环境、持续提高生活质量的背景下产生的。其大的背景可追溯到 1987 年联合国的报告我们共同的未来 ，在该报告中提出了“可持续发展”的基本概念，其基本思
9、想立即得到广大环境保护者、经济学者和社会活动家的承认。2.1 工业界的发展与现状在 IT 领域，第一个表现绿色计算的“能源之星（Energy Star）”计划起源于 1992 年。能源之星服务作为一种自愿性标签，批给电脑产品，在尽量减少使用能源的同时，最大限度地提升能源的使用效率。能源之星的应用产品，包括电脑显示器、电视机和温度控制设备（如冰箱、冷气机）等 1。绿色计算的第一批成果之一是电脑显示器的睡眠模式功能，在预先设定的时间内，用户的活动未被检出时，显示器设备将处于待机模式。计算机系统节能，当然要从 CPU（Central Processing Unit 中央处理器）开始。传统台式机 CP
10、U 因为在同一个芯片中制作了大量的晶体管，由十亿个晶体管构成的芯片通常会额外泄漏 6070 瓦电力，并且运行在极高的频率上，其结果是 CPU 芯片消耗的电力和产生的热量日益增多，不仅增加了系统的能耗，而且往往因为散热问题给系统设计带来麻烦。因此，许多 CPU 厂商在版图级、电路级、门级、RTL 级、微结构级等多个级别采取功耗优化设计措施，纷纷推出了低功耗的 CPU 产品，如基于 ARM 核的系列嵌入式 CPU、威盛公司的 Eden-N 处理器和 AMD 公司的 Opteron 处理器，这些产品的目标均是在追求高性能的同时力争减少能耗。目前，多核（MultiCore） 、众核（ManyCore）
11、技术是进一步提高处理器计算能力的主要手段，如 IBM 公司的 POWER 6 处理器、Intel 公司的 Xeon 处理器和中科院计算所的Godson-T 处理器，普遍采用了多线程、片上互联与通信、高性能 Cache 与总线接口、低功电力网络3耗设计等新的结构与技术，由于功耗问题更为突出，追求高能效比（Power efficiency）是这些处理器设计的一个重要指标。同时，许多计算机系统外设和通信厂商也积极将绿色计算理念用于产品设计中，如Avocent 公司、APC 公司、Seagate 公司等外设厂家和华为、中兴、诺基亚 等通信设备厂商提出的绿色通信解决方案。此外，一些业内知名的 IT 企业
12、也积极联合起来，成立了关于绿色计算的企业联盟，主要包括：1） Green Grid（绿色网格）组织。由AMD、 APC、Dell 、HP 、IBM 、Intel、Microsoft 、Rackable Systems 、SprayCool、Sun Microsystems 和 VMware 等公司成立的全球性企业联盟，致力于发展和改善数据中心和信息设备的能源使用效率 2。2） Climate Savers Computing Initiative（CSCI：电脑产业拯救气候行动计划） 。由Intel、Google、AMD、eBay、 Lenovo 等公司成立，目标是超越“能源之星”计划的相关要
13、求，达到更具进取性的节能标准，到 2010 年减少计算机系统 50%的能耗，力争实现将电脑操作而导致的全球二氧化碳排放量减少 5,400 万吨年，相当于 1,100 万辆汽车或 1020 座火电厂的年排放量 3。国际上，EPEAT（Electronic Product Environmental Assessment Tool 电子产品环境评价工具）是开发绿色计算相关标准的机构之一。EPEAT 采用铜、银、金三个等级对计算机以及其他电子设备的环保表现进行综合评价，一个产品必须满足所有的必备指标才可通过EPEAT 认证，制造商通过可选指标来提升产品的 EPEAT 认证等级 4。当前，一些计算机制
14、造商发布了一些有关产品功耗的数字。这些数字由于工作量、系统配置、测试环境等差异而很难具有可比性。为解决功耗测试基准问题，以下两个测试基准应运而生：1） EECoMark 工具。Windows 基准测试组织 BAPCo 与标准化组织 ECMA (European Computer Manufacturer Association 欧洲计算机制造商协会) 联合宣布了二者共同开发的新款基准测试工具 EECoMark，以节能效率为前提衡量个人电脑的性能水平，Intel 公司也参与了 EECoMark 的制定工作 5。2） SPECpower_ssj2008 测试标准。著名的 SPEC (Standar
15、d Performance Evaluation Corporation 标准性能评价公司) 于 2007 年 12 月发布了 SPECpower_ssj2008 测试标准，提供了一种测量功耗（交流输入）的方式。该标准既可以作为一个测试基准，用于比较不同服务器的功耗和性能，也可以作为一个工具集，用于改善服务器的能效，有助于 IT 管理员了解功耗特性，提高数据中心机房的效率 6。随着绿色计算构想的不断发展，绿色计算技术不仅关注计算机系统功耗问题，而且开始涵盖瘦客户机（NC：Networked Computer）解决方案、能源成本核算、虚拟化方法、eWaste 等内容。 绿色计算促使 IT 企业在
16、进行生产经营时，不但要考虑自身的运营成本，更要考虑到其技术产品在应用中所产生的社会成本、环境成本；不但要考虑到市场和利润，更要考虑到社会价值和环境影响。随着越来越多厂商的关注，使绿色计算普及并不断创新，严重影响着业界 IT 趋势的发展。对 IT 用户来说，日常的工作和生活也会处于一个绿色环境之中。2.2 学术界的发展与现状自从 1946 年第一台电子计算机诞生以来，旨在降低计算机系统功耗的研究就没有停止过。在计算机系统中，可移动的嵌入式系统的功耗优化更为急迫。以无线传感器网络为例，由于无线传感器网络在军事、医疗健康、灾难拯救、智能家居、精细农业、环境监测、空4间探测和可穿戴计算等领域的广泛应用前景，正受到世界许多国家学术界、工业界和军事部门的普遍重视，在有关无线传感器网络的诸多研究中，功耗问题都是一个重要的研究内容 7。为推动和加速计算机系统功耗技术的研究与发展，DARPA（美国国防部高级研究计划署）于 1999 年启动 PAC/C（ Power-Aware Computing and Communicati
