??? 摘 要：綠色IT是整個人類社會發(fā)展的需要。在描述綠色IT的特點與判定標準的同時，側重提出并研究了作為綠色IT最重要的組成部分的綠色操作系統(tǒng)的作用、功能特點及其實現(xiàn)方法。
??? 關鍵詞：綠色IT；綠色操作系統(tǒng)；能源管理；節(jié)能；能耗測量
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??? 在中國共產黨和我國政府發(fā)布的一系列重要文件中，都強調要建設環(huán)境友好、資源節(jié)約型的信息化社會。這無疑是非常重要的，也是科學發(fā)展觀的具體體現(xiàn)。試想一個奢侈、浪費的國家會有什么光明的前途呢？美國那么富有的國家都一再為降低資源消耗而努力，像我國還處于第三世界發(fā)展中的國家，每個公民，怎能不為建設環(huán)境友好、資源節(jié)約型社會而獻計獻策呢？正因如此，在近一段時間內，對綠色IT的研究和討論才引起那么多人的興趣。
??? 在建立環(huán)境友好、資源節(jié)約型信息化的和諧社會中，計算機系統(tǒng)無疑能起了重大作用。它能將大的系統(tǒng)、復雜的生產過程優(yōu)化，使資源消耗降至最低，而收益提至較高或最高；它能幫助各行各業(yè)的工作人員工作程序優(yōu)化，宏觀計劃更合理，最終效益更好。這是首先要肯定的，也必然會日益深化。但在完成這些任務的同時，能否將信息系統(tǒng)或計算機本身的資源消耗降至最低、將危害環(huán)境的程度減少到最小，這就是綠色IT的關注點。在這方面，計算機的硬件已經進行了過細的研究，而且獲得了很多重要成果：計算機的供電分系統(tǒng)、各種外部設備、CPU等，在“節(jié)能、減排”方面都有一些行之有效的技術措施。與此相適應，在軟件方面的節(jié)能研究也陸續(xù)開始。例如，有人將同一個應用程序的源代碼放在不同的編譯器環(huán)境下執(zhí)行，獲得了不同的運行效果，使其資源消耗有所不同。這就說明，軟件在建設綠色IT工業(yè)中是有所作為的。系統(tǒng)軟件更是如此！操作系統(tǒng)是整個計算機系統(tǒng)的管理和調度中心，筆者認為它對建設綠色IT產業(yè)的作用更突出。本文的重點是研究和闡述綠色操作系統(tǒng)的有關問題。
??? 計算機對社會貢獻如此之大，可還有不足之處：把很好的能源消耗掉，進一步把它變成污染環(huán)境的因素，這豈不可惜！所以，不論是系統(tǒng)軟件的開發(fā)單位，還是IT系統(tǒng)的應用部門，或者是科技領導機關，都應該重視綠色操作系統(tǒng)研制和應用的有關問題，因為它是關系綠色IT全局的大事！
1 驚人的數(shù)字
??? 據有關部門統(tǒng)計：2007年，我國IT設備總耗電量為(3×1010～5×1010?)?kW/h；而長江三峽2007年的總發(fā)電量是7.706?6×1010??kW/h。這就是說，新建的三峽電站所發(fā)電量的絕大部分都消耗在IT設備上。隨著我國信息化社會的深入發(fā)展，在2008年，預計這個數(shù)字還將會有較大的增加。
??? 在全世界范圍內，所有數(shù)據中心每年的耗電量已達到4×1010??kW/h。電量消耗大，運行費用也高。難怪國內外一些超級計算機用戶都有一個共同的心聲：“買得起計算機，交不起電費!”
??? 2007年，我國PC服務器裝機總量約有200萬～300萬臺，以服務器平均功率350?W、每天24?h運行計算：一年365天，年耗電量超過3000?kW/h；全國總耗電量將達到(6×109～9×109?)?kW/h。這還不包含一些超級計算中心的耗電量在內。
??? 2007年，據CNNIC統(tǒng)計，我國有1.6億網民。按每臺電腦功耗100W計算，24h用電量是2?400?W；以每個網民每天上網4h計算，全國每天的能耗就是6.4×107?kW/h。每年的能耗就是2.304×1010?kW/h。我國網民的數(shù)量增加很快，僅2008年上半年統(tǒng)計，數(shù)量已達2.53億，躍居世界第一位。隨之而來的就是上述能耗也會快速增長。
??? 據2008年3月報導：我國IT產業(yè)中的通信設備每年消耗2×1011?kW/h以上的電能，各種能耗費用的綜合超過100億人民幣。耗電總量在全國各行業(yè)中排名第14位。
??? 上述問題，不僅在發(fā)展中的我國存在，在世界上最發(fā)達國家美國，這樣的問題依然嚴重存在。美國2007年環(huán)境與能源部門的統(tǒng)計數(shù)據表明，美國數(shù)據中心的耗電量已經占到美國全國總能耗的1 %～1.2 %。數(shù)據中心電力消耗及其制冷設備運營成本的高速增長，與幾年前相比已經增長了數(shù)倍。未來幾年，信息企業(yè)供電和散熱成本將超過整體成本的三分之一，會超過硬件購置成本，躍居IT成本的第二位。
??? 研究上述問題的目的在于概略了解當前的嚴峻局勢，明確當前綠色IT的研制任務，使得將來全社會都能利用綠色IT，在一定程度上能夠解決上述問題，以達到“節(jié)能、環(huán)?！钡哪康摹８唧w地說，研究綠色操作系統(tǒng)一方面支持綠色IT系統(tǒng)的運行；另一方面則是促使IT系統(tǒng)盡快盡早地達到綠色IT的要求。
2 綠色IT與綠色操作系統(tǒng)
??? 近幾年來，當人們深切地感覺到環(huán)境污染已經從各個角度危害到人類生存的時候，環(huán)境保護、防止污染的呼聲愈來愈烈，進而變成國策。在此背景下，綠色IT的研討會，僅由《計算機世界》主辦的也有幾屆。綠色IT，不但是社會的呼聲，也是專業(yè)技術人員研究開發(fā)的一個重要方向。但是直到今天為止，綠色IT也僅僅處于概念探討階段；進一步，對綠色IT之功能、性能及在全生存期各階段技術指標的精確化，還是有待研究解決的問題。
??? IDC定義綠色IT為：“以環(huán)保為核心的設計、制造、運行和處置IT產品，及其他有關方面的要求”。這樣的定義是抽象的，也是定性的。它強調在整個生存周期的各個階段都是綠色的，是以環(huán)保為中心的，這才有可能是綠色IT。更具體地說，綠色IT應具備以下條件：
??? (1)節(jié)能、降耗：主要是大大地減少IT產品運行時的耗電量。
??? (2)低污染：降低在設計、制造和運行中的二氧化碳排放量，減少其他因素對人類生存環(huán)境的危害。
??? (3)低輻射：盡量減少對人體有害的屏幕輻射和機器運行中產生的電磁波輻射。當然，這些輻射對計算機信息安全也是不利的。
??? (4)節(jié)省存儲空間：有人認為存儲在計算機系統(tǒng)中是能源消耗的“大戶”，因而節(jié)省存儲空間就能起到節(jié)能降耗的作用；但其優(yōu)點還不僅于此。SYBASE是較早提出“綠色數(shù)據庫”概念的廠商。他們認為：“1PB，即1 000 TB的數(shù)據量，加載到SYBASE綠色數(shù)據庫上，最終只有185 TB的存儲量”。如果這樣的數(shù)據壓縮技術具有一定的普遍適用性，其效果是不言而喻的。
??? (5)有利于回收、再利用和分解：在制造IT設備時，要限制使用含有很多有害物質會對環(huán)境造成污染的原材料；繼而是要多使用有利于回收、再利用和易分解的原材料。
??? (6)其他，如靜音等。
??? 僅僅依靠上述幾個方面來判定什么系統(tǒng)是綠色IT系統(tǒng)，還是很不夠的。因為上述幾個方面僅是定性的條文。還需要定量判定依據、定量指標，目前這方面可能還很不完備，而且它也是與時俱進的，不可能停止在一個水平上。就目前而言，在全世界范圍內，已有幾個標準，可供判定是否為綠色IT系統(tǒng)之用。其中有：美國的80PLUS：(80PLUS Certified Power Supplies and Manufacturers)；歐盟的ROHS：(Restriction Of? Hazardous Substance)；中國的CSC節(jié)能認證；美國的能源之星“Energy Star 4.0”升級版本。
??? 綠色操作系統(tǒng)應是綠色IT的核心，退一步講，也應當是其核心之一。綠色操作系統(tǒng)，不僅是綠色IT系統(tǒng)的運行核心，也是該系統(tǒng)的“節(jié)能、減排”的重點部位。
??? 操作系統(tǒng)是整個IT系統(tǒng)的運行指揮中心和資源總管。有人認為：綠色IT系統(tǒng)之所以能達到“節(jié)能、減排”的目標，有很大一部份是靠系統(tǒng)管理，甚至有人認為：“節(jié)能、減排”的目標，可能有85?%以上要靠系統(tǒng)管理來實現(xiàn)。這也許就是“管理出效益”的具體化吧！
??? 綠色IT的討論和研究會很多，而綠色操作系統(tǒng)的討論和研究會卻很少。Linux的發(fā)明人Linus Torvalds曾提出要將Linux操作系統(tǒng)改造成為綠色操作系統(tǒng)；并聲稱在體系結構上，Linux已完全滿足綠色Linux的要求。這就是說，作為專門研究操作系統(tǒng)的科技人員，已經注意到了這一問題，并將研制綠色的操作系統(tǒng)定為當前的主要研制任務。中國國內的操作系統(tǒng)的研究人員，在幾年前就把目光投向了這一方向，并已取得了一定的成果。
3 綠色操作系統(tǒng)的作用
??? 至少在幾年之前，計算機硬件的“節(jié)能、減排”研究工作就已經開始。到今天為止，業(yè)已取得很顯著的成績，并已用到各種產品開發(fā)上。研究人員對計算機的供電、CPU、存儲、各種外部設備及其接口部件、網卡、顯示屏之耗電情況進行了詳細的研究和測量，給出了比較精確的數(shù)值，同時對降低這些部件的功耗也研究出了各種具體技術措施。更進一步，這些研究人員的關注點不僅僅局限于分系統(tǒng)或大部件，而對不同的芯片、電路和接插件都有比較細致的研究，而且形成了產品。例如，計算機的CPU芯片，能夠允許在不同工作頻率的狀態(tài)下運行，各種部件允許在不同電壓狀況下工作等等。在北京大學嵌入式系統(tǒng)實驗室趙霞博士所發(fā)表的文章中，對此有比較詳盡的介紹，對此感興趣的技術人員，可以去參閱。本文只不過是強調一點，硬件系統(tǒng)的這些研究工作，一方面是很有成效的；另一方面就是為綠色操作系統(tǒng)的研制和運行奠定好了硬件基礎，搭建好了一個舞臺。
??? 綠色操作系統(tǒng)能夠控制全IT系統(tǒng)“節(jié)能、降耗”。整個IT系統(tǒng)的能源消耗，嚴格說應當分為三項：操作系統(tǒng)運行本身所消耗的能源；操作系統(tǒng)管理和控制下運行各種應用程序的能源消耗；在系統(tǒng)空閑時，系統(tǒng)空轉時所消耗的能源。在這三部分能源消耗中，運行應用程序時的能源消耗最重要。它之所以重要，一方面這是系統(tǒng)功耗的最重要或最重大部分；另一方面，它說明了該操作系統(tǒng)的管理和控制能力。應當說，在完成既定任務的前提下，能耗最低者其“本領”最高，最值得推薦。在數(shù)據庫管理系統(tǒng)中，SYBASE說他的數(shù)據無損壓縮能力強，同樣多的用戶數(shù)據在SYBASE中占據物理空間最少，因此自稱為綠色數(shù)據庫；多個編譯器中，對同樣的源程序，哪個編譯出來的目標程序運行時所用能耗最少，那個編譯器就最靠近綠色。這一切，就是抓住了系統(tǒng)的最主要特征。
??? 一般而言，操作系統(tǒng)自身運行所占用的資源開銷，在整個計算機系統(tǒng)中所占比例很小。例如在銀河計算機中，這個系統(tǒng)開銷只占5%左右。但是在一些網站上，對各種操作系統(tǒng)是否接近綠色而進行的評比中，其唯一判別準則就是操作系統(tǒng)運行時自身能耗的多與寡。請讀者想一想：這是不是引導錯了方向?
??? 系統(tǒng)空轉時所用的系統(tǒng)開銷和能源消耗純粹是一種浪費。綠色操作系統(tǒng)應該將這一部分能耗降到最低或消除?，F(xiàn)在手持式入網設備，用戶都在埋怨其電池容量太小，這無疑是對的；還沒有人埋怨這些設備的操作系統(tǒng)管理不善呢？其實整個系統(tǒng)要“開源節(jié)流”才對。
??? 綠色操作系統(tǒng)能夠實時測量IT系統(tǒng)工作時各大部件的能源消耗狀況，以及在什么樣的工作狀態(tài)下會出現(xiàn)高能耗，并能及時向系統(tǒng)和用戶發(fā)出高耗能警報！以便用戶和系統(tǒng)相結合及時查清原因，采取適當措施，阻止高耗能情況的發(fā)生和蔓延。
??? 綠色操作系統(tǒng)要對IT系統(tǒng)各種資源及能耗進行管理和控制。首先要對系統(tǒng)內的所用能源進行控制，使電源由目前的不可管理狀態(tài)進入可管理狀態(tài)；使電能消耗用在實實在在的應用程序運行上，減少或大幅度降低系統(tǒng)空轉時間。甚至于控制計算機本身的系統(tǒng)結構，例如使系統(tǒng)降級，以適應系統(tǒng)吃不飽的情況；或使系統(tǒng)睡眠，以伺機投入工作，使功耗降至最低。
??? 綠色操作系統(tǒng)應能合理地分配各種存儲空間并選擇適當?shù)脑L問方式，以降低能耗和污染。當前IT系統(tǒng)中，各類存儲空間都比較大：例如主存、Flash、網絡存儲和外部存儲磁盤等。這些存儲媒體，其容量、訪問速度和方式各有不同，因而能耗也各有不同。有人作過測試，認為在IT系統(tǒng)中，應用各種存儲的能耗占有很大的比例。因而操作系統(tǒng)如何分配和應用這些存儲使整個系統(tǒng)功耗降低，這是擺在操作系統(tǒng)面前的一個系統(tǒng)優(yōu)化問題。
??? 綠色操作系統(tǒng)能支持整個IT系統(tǒng)：大幅度節(jié)能降耗，進而客觀上減低了系統(tǒng)污染；控制系統(tǒng)重構和強化管理，達到系統(tǒng)工作時低輻射的目的；優(yōu)化存儲，以實現(xiàn)節(jié)省存儲空間和合理利用各種存儲設備的效果。
4 綠色操作系統(tǒng)的功能特點
??? 綠色操作系統(tǒng)的概念，到今天為止，仍然不是很明確的，正處于研究之中；業(yè)界也沒有統(tǒng)一定義，當然是有共同的要求。這些要求就體現(xiàn)在綠色操作系統(tǒng)的必備功能上。本文以下所列舉的功能，只可能是綠色操作系統(tǒng)的必要條件，是不是充分條件，目前不敢肯定。只能等待以后再做結論。
??? (1)系統(tǒng)的電源管理和控制
??? 將全系統(tǒng)供電分為可管理狀態(tài)和不可管理狀態(tài)兩種。目前的人工加電/斷電工作狀態(tài)，不可管理狀態(tài)，這不能全由操作系統(tǒng)控制?？晒芾頎顟B(tài)，就是將電源的工作狀態(tài)置于操作系統(tǒng)的控制之下。例如可將它們分為全功率工作狀態(tài)、半功率工作狀態(tài)和值班、睡眠狀態(tài)等。這些工作狀態(tài)的正向轉換，全由操作系統(tǒng)根據當時負載情況而定；而反向轉換，如系統(tǒng)喚醒，一般是由外部中斷引起；至于由半功率工作狀態(tài)如何轉換為全功率工作狀態(tài)，則根據系統(tǒng)內的任務堆積情況由操作系統(tǒng)決定采取的具體措施。電源管理工作狀態(tài)示意圖如圖1所示。
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??? (2)能耗測量與報警
??? 要想精細地控制系統(tǒng)能耗，過細地掌握IT系統(tǒng)中各大部件的能耗情況是非常必要的。只有將各大部件的能耗數(shù)據定時地送入操作系統(tǒng)中，才有可能加以分析、處理、確定優(yōu)化方案；發(fā)現(xiàn)能耗異常的工作時段，報警并查明導致異常的原因。為避免以后再出現(xiàn)此類情況，應采取相應的技術措施。
??? 在IT系統(tǒng)中，可以進行能耗監(jiān)測的大部件或分系統(tǒng)有：CPU、Cache、存儲、磁盤、終端、網卡、網絡存儲器；其他外部設備有：打印機、圖形設備等。
??? (3)系統(tǒng)結構的動態(tài)變化和升降級
??? 在當前或以后的計算機系統(tǒng)中，由操作系統(tǒng)控制改變其系統(tǒng)結構是可能的，也是可行的。如果從“節(jié)能、減排”的角度看，系統(tǒng)結構與其要處理的工作量完全適應或基本適應最好。如果能做到“看菜吃飯，量體裁衣”那就最好不過了，這樣“供”與“求”之間完全平衡，當然這是很難做到的。
??? 系統(tǒng)結構動態(tài)變化的要求和目的各不相同。例如在可靠性要求特別高的系統(tǒng)中，采用雙機或三機備份，這是系統(tǒng)容錯的技術之一；失效部件的動態(tài)切換，也是系統(tǒng)容錯的一部分。
??? 研究計算機系統(tǒng)結構的動態(tài)變化的主要目的是：為了減少系統(tǒng)空轉而達到綠色的效果。例如：在多CPU系統(tǒng)中，在適當?shù)臅r刻，將某些CPU停止運行；切除系統(tǒng)的Cache；停止某些存儲設備或外圍設備的運行，減少網絡交換速度等。如果能使系統(tǒng)中各部件用得著就上陣，用不著就休息，不耗能，就達到理想要求了。
??? 在有關人機界面的各種終端上，用戶要輸入漢字及各種信息，不管人的輸入動作有多快，在計算機看來是很慢的。在此環(huán)節(jié)上，如何控制節(jié)電，值得研究。
??? (4)文件系統(tǒng)的合理配置
??? 現(xiàn)代的信息系統(tǒng)中，存儲媒體有若干種，其特點和訪問方式各不相同；數(shù)據形式各式各樣，有結構化的和非結構化的，其中后者又各有其要求和特點；計算機內部處理和采用的文件系統(tǒng)也可能有幾種，它們亦各有其短長。這些因素在“節(jié)能、減排”的大原則下，怎么能做的更好、更合理，都是值得注意和研究的問題。尤其是在各種存儲容量大，能耗高的存儲設備上，使用優(yōu)化問題方法可能更為重要。
5 社會呼喚綠色操作系統(tǒng)
??? 當前，我國各階層人民在經歷了環(huán)境污染帶來的各種危害后，普遍的要求和呼聲就是：保護環(huán)境，建立綠色IT!我國政府對此也大力支持。
??? 在滿足我國經濟可持續(xù)發(fā)展目標的前提下，以科學發(fā)展觀為指導思想，筆者認為發(fā)展綠色IT應從兩個方面著手：一是硬件；二是軟件。
??? 硬件：首先要在自身的“節(jié)能、減少污染”方面有所進步，例如電源供電效率的提高，自身散發(fā)的熱量及電磁輻射減少等；另一方面，就是要解決自身能耗的測量問題，并將測量結果實時地送入計算機中；此外，還要解決如何進行控制或連機/脫機的具體技術問題。
??? 軟件：現(xiàn)在的IT系統(tǒng)中，各種各樣的軟件堆積如山。其中，哪個部分對整個系統(tǒng)的綠色影響最起作用呢？是操作系統(tǒng)！之所以強調這一點，不僅是因為筆者本人是操作系統(tǒng)的研制者，而是因為它在整個系統(tǒng)中所起的作用和所處的位置非同小可。由于操作系統(tǒng)的工作是控制和管理整個計算機系統(tǒng)的全局和日常工作，而這項工作常常是在幕后，僅為用戶所感覺，而不為一般用戶所深知?？梢哉f它是整個計算機系統(tǒng)的“掌權者”和無名英雄。真是“養(yǎng)在深閨人未識”??！因此，到目前為止，對操作系統(tǒng)綠色化的呼聲不是很高，有關文章也不是很多。正因如此，筆者才在這里向社會和科技界進此一言。
??? 在軟件綠色化方面，有一些軟件捷足先登，例如數(shù)據庫管理系統(tǒng)，SYBASE就是這樣。無疑這是值得歡迎的。其他軟件，也應為綠色IT做出自己的貢獻。
??? 在IT系統(tǒng)中，如果計算機硬件逐步變綠了，操作系統(tǒng)逐步變綠了，整個IT系統(tǒng)焉能不綠？