??? 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(chǎn)黨和我國政府發(fā)布的一系列重要文件中，都強調(diào)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(nèi),，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(chǎn)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(jīng)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(diào)度中心,，筆者認為它對建設綠色IT產(chǎn)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(jù)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(nèi),，所有數(shù)據(jù)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(nèi)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(nèi)。
??? 2007年,，據(jù)CNNIC統(tǒng)計,，我國有1.6億網(wǎng)民。按每臺電腦功耗100W計算,，24h用電量是2?400?W,；以每個網(wǎng)民每天上網(wǎng)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(wǎng)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(jù)2008年3月報導：我國IT產(chǎn)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(jù)表明，美國數(shù)據(jù)中心的耗電量已經(jīng)占到美國全國總能耗的1 %～1.2 %,。數(shù)據(jù)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(jīng)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)保”的目的,。更具體地說,，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(jīng)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(chǎn)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(diào)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(chǎn)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(chǎn)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(jù)庫”概念的廠商,。他們認為：“1PB,，即1 000 TB的數(shù)據(jù)量，加載到SYBASE綠色數(shù)據(jù)庫上,，最終只有185 TB的存儲量”,。如果這樣的數(shù)據(jù)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(zhì)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(jù)、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(nèi)，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(jīng)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(nèi)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(jīng)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(chǎn)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(wǎng)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(chǎn)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(diào)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(zhuǎn)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(jù)庫管理系統(tǒng)中,，SYBASE說他的數(shù)據(jù)無損壓縮能力強,，同樣多的用戶數(shù)據(jù)在SYBASE中占據(jù)物理空間最少，因此自稱為綠色數(shù)據(jù)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(wǎng)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(zhuǎn)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(wǎng)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?qū)崟r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(nèi)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(zhuǎn)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(wǎng)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(zhuǎn)換，全由操作系統(tǒng)根據(jù)當時負載情況而定,；而反向轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為全功率工作狀態(tài),，則根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)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(jù)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(wǎng)卡、網(wǎng)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(zhuǎn)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(wǎng)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(jù)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(nèi)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(jīng)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(jīng)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(diào)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”啊,！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(jù)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？