??? 摘 要：綠色I(xiàn)T是整個(gè)人類社會(huì)發(fā)展的需要。在描述綠色I(xiàn)T的特點(diǎn)與判定標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，側(cè)重提出并研究了作為綠色I(xiàn)T最重要的組成部分的綠色操作系統(tǒng)的作用、功能特點(diǎn)及其實(shí)現(xiàn)方法。
??? 關(guān)鍵詞：綠色I(xiàn)T；綠色操作系統(tǒng)；能源管理；節(jié)能；能耗測(cè)量

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??? 在中國(guó)共產(chǎn)黨和我國(guó)政府發(fā)布的一系列重要文件中，都強(qiáng)調(diào)要建設(shè)環(huán)境友好、資源節(jié)約型的信息化社會(huì)。這無(wú)疑是非常重要的，也是科學(xué)發(fā)展觀的具體體現(xiàn)。試想一個(gè)奢侈、浪費(fèi)的國(guó)家會(huì)有什么光明的前途呢？美國(guó)那么富有的國(guó)家都一再為降低資源消耗而努力，像我國(guó)還處于第三世界發(fā)展中的國(guó)家，每個(gè)公民，怎能不為建設(shè)環(huán)境友好、資源節(jié)約型社會(huì)而獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策呢？正因如此，在近一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)綠色I(xiàn)T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(huì)中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)無(wú)疑能起了重大作用。它能將大的系統(tǒng)、復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)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(jì)劃更合理，最終效益更好。這是首先要肯定的，也必然會(huì)日益深化。但在完成這些任務(wù)的同時(shí)，能否將信息系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)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I(xiàn)T的關(guān)注點(diǎn)。在這方面，計(jì)算機(jī)的硬件已經(jīng)進(jìn)行了過(guò)細(xì)的研究，而且獲得了很多重要成果：計(jì)算機(jī)的供電分系統(tǒng)、各種外部設(shè)備、CPU等，在“節(jié)能、減排”方面都有一些行之有效的技術(shù)措施。與此相適應(yīng)，在軟件方面的節(jié)能研究也陸續(xù)開(kāi)始。例如，有人將同一個(gè)應(yīng)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(yùn)行效果，使其資源消耗有所不同。這就說(shuō)明，軟件在建設(shè)綠色I(xiàn)T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(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的管理和調(diào)度中心，筆者認(rèn)為它對(duì)建設(shè)綠色I(xiàn)T產(chǎn)業(yè)的作用更突出。本文的重點(diǎn)是研究和闡述綠色操作系統(tǒng)的有關(guān)問(wèn)題。
??? 計(jì)算機(jī)對(duì)社會(huì)貢獻(xiàn)如此之大，可還有不足之處：把很好的能源消耗掉，進(jìn)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(kāi)發(fā)單位，還是IT系統(tǒng)的應(yīng)用部門，或者是科技領(lǐng)導(dǎo)機(jī)關(guān)，都應(yīng)該重視綠色操作系統(tǒng)研制和應(yīng)用的有關(guān)問(wèn)題，因?yàn)樗顷P(guān)系綠色I(xiàn)T全局的大事！
1 驚人的數(shù)字
??? 據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)：2007年，我國(guó)IT設(shè)備總耗電量為(3×10¹⁰～5×10¹⁰?)?kW/h；而長(zhǎng)江三峽2007年的總發(fā)電量是7.706?6×10¹⁰??kW/h。這就是說(shuō)，新建的三峽電站所發(fā)電量的絕大部分都消耗在IT設(shè)備上。隨著我國(guó)信息化社會(huì)的深入發(fā)展，在2008年，預(yù)計(jì)這個(gè)數(shù)字還將會(huì)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(dá)到4×10¹⁰??kW/h。電量消耗大，運(yùn)行費(fèi)用也高。難怪國(guó)內(nèi)外一些超級(jí)計(jì)算機(jī)用戶都有一個(gè)共同的心聲：“買得起計(jì)算機(jī)，交不起電費(fèi)!”
??? 2007年，我國(guó)PC服務(wù)器裝機(jī)總量約有200萬(wàn)～300萬(wàn)臺(tái)，以服務(wù)器平均功率350?W、每天24?h運(yùn)行計(jì)算：一年365天，年耗電量超過(guò)3000?kW/h；全國(guó)總耗電量將達(dá)到(6×10⁹～9×10⁹?)?kW/h。這還不包含一些超級(jí)計(jì)算中心的耗電量在內(nèi)。
??? 2007年，據(jù)CNNIC統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有1.6億網(wǎng)民。按每臺(tái)電腦功耗100W計(jì)算，24h用電量是2?400?W；以每個(gè)網(wǎng)民每天上網(wǎng)4h計(jì)算，全國(guó)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(guó)網(wǎng)民的數(shù)量增加很快，僅2008年上半年統(tǒng)計(jì)，數(shù)量已達(dá)2.53億，躍居世界第一位。隨之而來(lái)的就是上述能耗也會(huì)快速增長(zhǎng)。
??? 據(jù)2008年3月報(bào)導(dǎo)：我國(guó)IT產(chǎn)業(yè)中的通信設(shè)備每年消耗2×10¹¹?kW/h以上的電能，各種能耗費(fèi)用的綜合超過(guò)100億人民幣。耗電總量在全國(guó)各行業(yè)中排名第14位。
??? 上述問(wèn)題，不僅在發(fā)展中的我國(guó)存在，在世界上最發(fā)達(dá)國(guó)家美國(guó)，這樣的問(wèn)題依然嚴(yán)重存在。美國(guó)2007年環(huán)境與能源部門的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，美國(guó)數(shù)據(jù)中心的耗電量已經(jīng)占到美國(guó)全國(guó)總能耗的1 %～1.2 %。數(shù)據(jù)中心電力消耗及其制冷設(shè)備運(yùn)營(yíng)成本的高速增長(zhǎng)，與幾年前相比已經(jīng)增長(zhǎng)了數(shù)倍。未來(lái)幾年，信息企業(yè)供電和散熱成本將超過(guò)整體成本的三分之一，會(huì)超過(guò)硬件購(gòu)置成本，躍居IT成本的第二位。
??? 研究上述問(wèn)題的目的在于概略了解當(dāng)前的嚴(yán)峻局勢(shì)，明確當(dāng)前綠色I(xiàn)T的研制任務(wù)，使得將來(lái)全社會(huì)都能利用綠色I(xiàn)T，在一定程度上能夠解決上述問(wèn)題，以達(dá)到“節(jié)能、環(huán)?！钡哪康?。更具體地說(shuō)，研究綠色操作系統(tǒng)一方面支持綠色I(xiàn)T系統(tǒng)的運(yùn)行；另一方面則是促使IT系統(tǒng)盡快盡早地達(dá)到綠色I(xiàn)T的要求。
2 綠色I(xiàn)T與綠色操作系統(tǒng)
??? 近幾年來(lái)，當(dāng)人們深切地感覺(jué)到環(huán)境污染已經(jīng)從各個(gè)角度危害到人類生存的時(shí)候，環(huán)境保護(hù)、防止污染的呼聲愈來(lái)愈烈，進(jìn)而變成國(guó)策。在此背景下，綠色I(xiàn)T的研討會(huì)，僅由《計(jì)算機(jī)世界》主辦的也有幾屆。綠色I(xiàn)T，不但是社會(huì)的呼聲，也是專業(yè)技術(shù)人員研究開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要方向。但是直到今天為止，綠色I(xiàn)T也僅僅處于概念探討階段；進(jìn)一步，對(duì)綠色I(xiàn)T之功能、性能及在全生存期各階段技術(shù)指標(biāo)的精確化，還是有待研究解決的問(wèn)題。
??? IDC定義綠色I(xiàn)T為：“以環(huán)保為核心的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行和處置IT產(chǎn)品，及其他有關(guān)方面的要求”。這樣的定義是抽象的，也是定性的。它強(qiáng)調(diào)在整個(gè)生存周期的各個(gè)階段都是綠色的，是以環(huán)保為中心的，這才有可能是綠色I(xiàn)T。更具體地說(shuō)，綠色I(xiàn)T應(yīng)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(yùn)行時(shí)的耗電量。
??? (2)低污染：降低在設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行中的二氧化碳排放量，減少其他因素對(duì)人類生存環(huán)境的危害。
??? (3)低輻射：盡量減少對(duì)人體有害的屏幕輻射和機(jī)器運(yùn)行中產(chǎn)生的電磁波輻射。當(dāng)然，這些輻射對(duì)計(jì)算機(jī)信息安全也是不利的。
??? (4)節(jié)省存儲(chǔ)空間：有人認(rèn)為存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中是能源消耗的“大戶”，因而節(jié)省存儲(chǔ)空間就能起到節(jié)能降耗的作用；但其優(yōu)點(diǎn)還不僅于此。SYBASE是較早提出“綠色數(shù)據(jù)庫(kù)”概念的廠商。他們認(rèn)為：“1PB，即1 000 TB的數(shù)據(jù)量，加載到SYBASE綠色數(shù)據(jù)庫(kù)上，最終只有185 TB的存儲(chǔ)量”。如果這樣的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)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(shè)備時(shí)，要限制使用含有很多有害物質(zhì)會(huì)對(duì)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(gè)方面來(lái)判定什么系統(tǒng)是綠色I(xiàn)T系統(tǒng)，還是很不夠的。因?yàn)樯鲜鰩讉€(gè)方面僅是定性的條文。還需要定量判定依據(jù)、定量指標(biāo)，目前這方面可能還很不完備，而且它也是與時(shí)俱進(jìn)的，不可能停止在一個(gè)水平上。就目前而言，在全世界范圍內(nèi)，已有幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，可供判定是否為綠色I(xiàn)T系統(tǒng)之用。其中有：美國(guó)的80PLUS：(80PLUS Certified Power Supplies and Manufacturers)；歐盟的ROHS：(Restriction Of? Hazardous Substance)；中國(guó)的CSC節(jié)能認(rèn)證；美國(guó)的能源之星“Energy Star 4.0”升級(jí)版本。
??? 綠色操作系統(tǒng)應(yīng)是綠色I(xiàn)T的核心，退一步講，也應(yīng)當(dāng)是其核心之一。綠色操作系統(tǒng)，不僅是綠色I(xiàn)T系統(tǒng)的運(yùn)行核心，也是該系統(tǒng)的“節(jié)能、減排”的重點(diǎn)部位。
??? 操作系統(tǒng)是整個(gè)IT系統(tǒng)的運(yùn)行指揮中心和資源總管。有人認(rèn)為：綠色I(xiàn)T系統(tǒng)之所以能達(dá)到“節(jié)能、減排”的目標(biāo)，有很大一部份是靠系統(tǒng)管理，甚至有人認(rèn)為：“節(jié)能、減排”的目標(biāo)，可能有85?%以上要靠系統(tǒng)管理來(lái)實(shí)現(xiàn)。這也許就是“管理出效益”的具體化吧！
??? 綠色I(xiàn)T的討論和研究會(huì)很多，而綠色操作系統(tǒng)的討論和研究會(huì)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(jié)構(gòu)上，Linux已完全滿足綠色Linux的要求。這就是說(shuō)，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(wèn)題，并將研制綠色的操作系統(tǒng)定為當(dāng)前的主要研制任務(wù)。中國(guó)國(guó)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(jì)算機(jī)硬件的“節(jié)能、減排”研究工作就已經(jīng)開(kāi)始。到今天為止，業(yè)已取得很顯著的成績(jī)，并已用到各種產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上。研究人員對(duì)計(jì)算機(jī)的供電、CPU、存儲(chǔ)、各種外部設(shè)備及其接口部件、網(wǎng)卡、顯示屏之耗電情況進(jìn)行了詳細(xì)的研究和測(cè)量，給出了比較精確的數(shù)值，同時(shí)對(duì)降低這些部件的功耗也研究出了各種具體技術(shù)措施。更進(jìn)一步，這些研究人員的關(guān)注點(diǎn)不僅僅局限于分系統(tǒng)或大部件，而對(duì)不同的芯片、電路和接插件都有比較細(xì)致的研究，而且形成了產(chǎn)品。例如，計(jì)算機(jī)的CPU芯片，能夠允許在不同工作頻率的狀態(tài)下運(yùn)行，各種部件允許在不同電壓狀況下工作等等。在北京大學(xué)嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室趙霞博士所發(fā)表的文章中，對(duì)此有比較詳盡的介紹，對(duì)此感興趣的技術(shù)人員，可以去參閱。本文只不過(guò)是強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，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(yùn)行奠定好了硬件基礎(chǔ)，搭建好了一個(gè)舞臺(tái)。
??? 綠色操作系統(tǒng)能夠控制全I(xiàn)T系統(tǒng)“節(jié)能、降耗”。整個(gè)IT系統(tǒng)的能源消耗，嚴(yán)格說(shuō)應(yīng)當(dāng)分為三項(xiàng)：操作系統(tǒng)運(yùn)行本身所消耗的能源；操作系統(tǒng)管理和控制下運(yùn)行各種應(yīng)用程序的能源消耗；在系統(tǒng)空閑時(shí)，系統(tǒng)空轉(zhuǎn)時(shí)所消耗的能源。在這三部分能源消耗中，運(yùn)行應(yīng)用程序時(shí)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(shuō)明了該操作系統(tǒng)的管理和控制能力。應(yīng)當(dāng)說(shuō)，在完成既定任務(wù)的前提下，能耗最低者其“本領(lǐng)”最高，最值得推薦。在數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中，SYBASE說(shuō)他的數(shù)據(jù)無(wú)損壓縮能力強(qiáng)，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(kù)；多個(gè)編譯器中，對(duì)同樣的源程序，哪個(gè)編譯出來(lái)的目標(biāo)程序運(yùn)行時(shí)所用能耗最少，那個(gè)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(yùn)行所占用的資源開(kāi)銷，在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所占比例很小。例如在銀河計(jì)算機(jī)中，這個(gè)系統(tǒng)開(kāi)銷只占5%左右。但是在一些網(wǎng)站上，對(duì)各種操作系統(tǒng)是否接近綠色而進(jìn)行的評(píng)比中，其唯一判別準(zhǔn)則就是操作系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)自身能耗的多與寡。請(qǐng)讀者想一想：這是不是引導(dǎo)錯(cuò)了方向?
??? 系統(tǒng)空轉(zhuǎn)時(shí)所用的系統(tǒng)開(kāi)銷和能源消耗純粹是一種浪費(fèi)。綠色操作系統(tǒng)應(yīng)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(shè)備，用戶都在埋怨其電池容量太小，這無(wú)疑是對(duì)的；還沒(méi)有人埋怨這些設(shè)備的操作系統(tǒng)管理不善呢？其實(shí)整個(gè)系統(tǒng)要“開(kāi)源節(jié)流”才對(duì)。
??? 綠色操作系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量IT系統(tǒng)工作時(shí)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(huì)出現(xiàn)高能耗，并能及時(shí)向系統(tǒng)和用戶發(fā)出高耗能警報(bào)！以便用戶和系統(tǒng)相結(jié)合及時(shí)查清原因，采取適當(dāng)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(duì)IT系統(tǒng)各種資源及能耗進(jìn)行管理和控制。首先要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的所用能源進(jìn)行控制，使電源由目前的不可管理狀態(tài)進(jìn)入可管理狀態(tài)；使電能消耗用在實(shí)實(shí)在在的應(yīng)用程序運(yùn)行上，減少或大幅度降低系統(tǒng)空轉(zhuǎn)時(shí)間。甚至于控制計(jì)算機(jī)本身的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，例如使系統(tǒng)降級(jí)，以適應(yīng)系統(tǒng)吃不飽的情況；或使系統(tǒng)睡眠，以伺機(jī)投入工作，使功耗降至最低。
??? 綠色操作系統(tǒng)應(yīng)能合理地分配各種存儲(chǔ)空間并選擇適當(dāng)?shù)脑L問(wèn)方式，以降低能耗和污染。當(dāng)前IT系統(tǒng)中，各類存儲(chǔ)空間都比較大：例如主存、Flash、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)和外部存儲(chǔ)磁盤等。這些存儲(chǔ)媒體，其容量、訪問(wèn)速度和方式各有不同，因而能耗也各有不同。有人作過(guò)測(cè)試，認(rèn)為在IT系統(tǒng)中，應(yīng)用各種存儲(chǔ)的能耗占有很大的比例。因而操作系統(tǒng)如何分配和應(yīng)用這些存儲(chǔ)使整個(gè)系統(tǒng)功耗降低，這是擺在操作系統(tǒng)面前的一個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題。
??? 綠色操作系統(tǒng)能支持整個(gè)IT系統(tǒng)：大幅度節(jié)能降耗，進(jìn)而客觀上減低了系統(tǒng)污染；控制系統(tǒng)重構(gòu)和強(qiáng)化管理，達(dá)到系統(tǒng)工作時(shí)低輻射的目的；優(yōu)化存儲(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)省存儲(chǔ)空間和合理利用各種存儲(chǔ)設(shè)備的效果。
4 綠色操作系統(tǒng)的功能特點(diǎn)
??? 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(méi)有統(tǒng)一定義，當(dāng)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(jié)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。可管理狀態(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(dāng)時(shí)負(fù)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(wù)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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