浅谈信息技术和低碳经济

1浅谈信息技术和低碳经济王煦法中国科学技术大学计算机科学技术学院[e-mail]一、前言全球气候变暖正在对人类生存和发展提出了严峻挑战。去年年底举行的哥本哈根联合国气候大会，尽管其间充满着争执和摩擦，透露的信号却毋庸置疑——低碳经济时代来临已成事实。2一、前言3低碳经济是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式。低碳经济实质是能源高效利用、清洁能源开发、追求绿色GDP的问题，核心是能源技术和减排技术创新。一、前言信息通讯技术与低碳经济的关系如何？信息通讯技术将促进还是抑制低碳经济的发展?4就自身的碳排放量来看，信息和通信技术（ICT）所产生的温室气体排放占全球的大约2%，包括产品生产和使用。同时，作为一个产业，IT产业在力求减少自己的碳足迹，而更大的机会在于利用IT技术解决另外98%碳排放的问题ICT的碳足迹贯穿在ICT设备和系统的生产、使用和报废的整个生命周期。ICT自身的碳排放量令人吃惊，不可忽视！5二、ICT的碳足迹及对策电子垃圾联合国最新发布的一份报告称，在未来10年，随着家用数码产品的激增，世界将面临被电子垃圾淹没的危险。据估计，全世界排放的电子垃圾将达到每年4000万吨。美国是世界上最大的电子垃圾生产国，大约每年生产330万吨的电子垃圾。之后是中国，每年的废弃量约为260万吨。6二、ICT的碳足迹及对策对策7二、ICT的碳足迹及对策通信行业是耗能大户近年来，通信行业能源消耗呈不断上升趋势，其主要原因在于产业规模不断扩大，不断增加的服务器和基站载频消耗了大量水电气能源。通信在电子信息行业总能耗中所占比例不断上升，已近1/4；而固话和移动电话所占比例也仅次于电脑显示器和服务器耗能，分别占15%和9%的份额。我国通信行业年耗电已经超过200亿度，正逐渐向高耗能行业靠近。其中通信设备和机房设备成为了“耗能大户”，仅基站空调用电一项，每年消耗用电就已超过70亿8二、ICT的碳足迹及对策电脑的碳排放1/4来自于生产制造过程，剩下的3/4则来自使用过程。制造一台电脑需要大约１．８吨化学物质、化石燃料和水(与生产一辆汽车不相上下)，电脑投入使用后，每年会产生０．１吨二氧化碳。大多数电脑平均使用３年后会作为垃圾填埋。填埋处的土壤可能遭到镉和汞的污染。最新研究显示，世界上所有电脑每年会产生约３５００万吨废气，相当于进出英国的１００万架普通航班排放的废气。从事信息技术调查的美国加特纳公司估计，全球信息技术设备排放的二氧化碳占到二氧化碳总排放量的２％左右(约10亿吨的碳排放量)，与航班产生的二氧化碳量基本相同。这一结果出乎许多人的意料。9二、ICT的碳足迹及对策当前，福布斯全球2000强企业中约有半数在能源上的开支将超过在电脑硬件(如个人电脑和服务器)上的开支2009年年初，英国气象局耗资3300万英镑(约3.7亿人民币)购买了一台超级计算机，用于计算气候的变化对英国将产生何种影响，以及提升天气预报，尤其是短期预报的准确度——使4天的预报准确度达到30年前1天预报准确度的水准。但令气象局尴尬的是，这台计算机留下巨大的“碳足迹”——其一年的二氧化碳排放量竟然高达14400吨，相当于2400个家庭的年二氧化碳排放量。10二、ICT的碳足迹及对策11上海超级计算中心的10万亿次曙光4000A平均每天的电费就超过了1万多元。一年要消耗400万人民币的电费，这相当于一个小县城的耗电规模了，远远大于超级计算机自身的价值。中石油东方地球物理公司数据中心的电耗成本更是惊人。现在拥有1万多颗CPU规模的数据中心的电费总支出每天要4.8万元，因此每年光电费成本就高达1700多万元。二、ICT的碳足迹及对策12在美国，全美发电的2%都用于数据中心，是一个非常可观的数字，而且还在快速增长。高额的用电量和用电成本甚至让一些拥有大规模数据中心的企业如Google、腾讯开始或筹划自建发电站。二、ICT的碳足迹及对策Dalles是美国俄勒冈州北部哥伦比亚河（Columbiariver）岸上的一个城市，Google在Dalles的边上拥有的30英亩土地，他们在这里建立了几乎是世界上最大，性能最好的数据中心。四个装备有巨大空调设施的仓库内，放置着数万台Internet服务器，这些服务器每天处理着数十亿条Google网站传递给世界各个角落的用户的数据。13这个数据中心占用了附近一个1.8GW水力发电站（这个数字和科罗拉多州的胡佛坝类似，比SizewellB之类的英国核电站要多上50%！）的大部分电力输出二、ICT的碳足迹及对策14对策制定相关节能标准如何有效解决超大数据中心的高密度机架的绿色供电、散热、高功耗问题，利用风道设计、智能冷却、能量智控等技术，建设新一代数据处理中心，已经成为全球主要高性能计算机制造商的关注焦点之一。提高高性能计算机每瓦特性能，需要从芯片级、系统级和基础架构级等多个层面来研究开发节能技术。目前，基于多核、低功耗技术的刀片式服务器产品就是一例。研发相关节能芯片尤其是可逆逻辑芯片也正在探索中。二、ICT的碳足迹及对策15可逆逻辑芯片热力学第二定律声称，封闭系统(能量不会传送出去或进来的系统)中的熵值即它的混乱程度不会减少。所以如果一个寄存器的内容被清除，它的熵将减少，那么多余的熵跑到哪儿去了呢？答案是以一种热的形式散发到计算部件的周围环境中。热力学第二定律表明：如果人们还继续采用传统的非可逆的、清除比特的信息处理技术，如此高度密集的电路不但会因为热量而熔化，甚至会发生爆炸。二、ICT的碳足迹及对策16量子计算机量子计算机是一类遵循量子力学规律的新型计算机量子计算机不仅运算速度快、存储量大，而且功耗低（可逆计算）。量子计算机的研究将导致计算机科学技术的一场革命！为此，发达国家高度重视量子计算和量子通信的研究，中国在此领域处于领先水平。二、ICT的碳足迹及对策17DNA计算是利用DNA双螺旋结构和碱基互补配对规律进行信息编码，将要运算的对象映射成DNA分子链，通过生物酶的作用，生成各种数据池，再按照一定的规则将原始问题的数据运算高度并行地映射成DNA分子链的可控的生化反应过程。最后，利用分子生物技术（如聚合链反应PCR、超声波降解、亲和层析、克隆、诱变、分子纯化、电泳、磁珠分离等），检测所需要的运算结果。二、ICT的碳足迹及对策DNA计算机18美国Columbia大学研制的DNA计算机二、ICT的碳足迹及对策19优点：强大的并行计算能力：DNA计算每秒可并行操作10的22次方DNA串。据测算，DNA计算机的运算速度可达每秒100万亿次浮点运算，而当前最快的巨型机，即NEC的“地球模拟器”仅为每秒36万亿次浮点运算。极低的能耗：能量消耗只有一台普通计算机的十亿分之一。极高的信息存储容量：DNA分子具备极有效的数据结构，能在很小的空间存储海量信息。DNA分子存储数据的密度可达到18Mbits/perinch。相当于今天高性能计算机10万倍。二、ICT的碳足迹及对策20CBM处理将近一亿个人工神经元；它的计算能力相当于10000台个人电脑，价值50万美元。神经网络计算机二、ICT的碳足迹及对策神经计算机21演化计算机遗传算法（GeneticAlgorithm,GA）是模拟遗传选择，优胜劣汰，适者生存的生物进化过程的计算模型。它是由美国Michigan大学的J.Holland教授于1975年首先提出的。•GA是一种新的全局优化搜索算法,简单通用、鲁棒性强，适合并行分布处理，应用范围广，尤其适用于解决传统方法难以解决的复杂和非线性问题。二、ICT的碳足迹及对策搜索引擎的使用会消耗大量能源，造成巨大的碳排放量。运行用户计算机需要电力，运行遍布世界各地的服务器和控制庞大的数据中心的温度更要消耗大量的电力。哈佛大学的一项研究成果表明，通过谷歌进行一次搜索会产生7克的二氧化碳，搜索两次等于煮一壶水产生的二氧化碳。不过谷歌对此纠正说，进行一次搜索会产生近0.2克碳排放，1000次谷歌搜索产生的温室气体仅相当于美国一辆汽车平均行驶一公里所产生的排放量。22二、ICT的碳足迹及对策对策:提高数据中心速度,降低能耗.提高搜索模型和算法实行的速度,服务器在等量工作中消耗的能源就会减少。英国格拉斯哥大学8月底发布消息称，他们的科学家通过使用使用双赛灵思现场可编程逻辑门阵列（XilinxFPGAs），执行信息检索和数据库文档过滤算法。结果发现，FPGA系统的搜索速度比英特尔安腾-2双核处理器要快20倍。不仅如此，FPGA芯片所耗电能也很小，每个芯片只需要消耗1.25瓦特的电能，而安腾处理器则需消耗130瓦特，从而大幅降低碳排放量。FPGAs能够降低能耗，提升运行速度，极具潜力，如果将几个FPGAs连接到一个处理器上，将会极大提升运算速度，而只留下很少的碳足迹。将其最终应用到网络服务器上，以加快网络搜索速度，从而降低搜索引擎工作所需的能源和碳成本。23二、ICT的碳足迹及对策“云计算”制定目标就是为了满足IT支撑系统高性能、低成本、可扩展、高可靠性的IT计算和存储的需要。采用“云计算”这种密集型的数据存储架构，对于IDC机房设备与能源的消耗可以起到关键作用。24二、ICT的碳足迹及对策25CloudComputing云计算(CloudComputing)是分布式处理(DistributedComputing)、并行处理(ParallelComputing)和网格计算(GridComputing)的发展，或者说是这些计算机科学概念的商业实现。云计算的基本原理是，通过使计算分布在大量的分布式计算机上，而非本地计算机或远程服务器中，企业数据中心的运行将更与互联网相似。这使得企业能够将资源切换到需要的应用上，根据需求访问计算机和存储系统。，“云”会替我们做存储和计算的工作。“云”就是计算机群，每一群包括了几十万台、甚至上百万台计算机。云计算将以互联网为中心，提供安全、快速、便捷的数据存储和网络计算服务，使得互联网这片“云”成为每一个网民的数据中心和计算中心二、ICT的碳足迹及对策26二、ICT的碳足迹及对策云计算技术将对IT产业和网民生活产生重要影响。对IT硬件厂商、软件厂商和服务商都将产生重要影响。管理软件的开发、部署和应用以至于商业模式都将步入云计算时代。目前，亚马逊、谷歌、IBM、微软、雅虎等均提出了不同的云计算解决方案，并建立了各自的云计算平台。阿里巴巴、中国移动研究院、中国电信等是云计算的领跑者。瑞星、趋势、卡巴斯基、MCAFEE、赛门铁克、江民科技、PANDA、金山、360安全卫士、卡卡上网安全助手等都推出了云安全解决方案。信息通讯技术可望大力推动节能减排，提高世界经济的能源和碳效率。到2020年，信息和通信技术可削减78亿吨温室气体排放，相当于目前全球碳排放的15%，并同时节省超过9000亿美元。信息通信技术对于节能减排的重要意义主要体现在两个方面。一方面，信息通信产业自身的发展有助于减少社会经济活动对部分物资的消耗，从而减少生产这些物资的能源消耗。另一方面，将信息通信技术应用于其他产业可以带来更大的节能效果，尤其是在以下几个领域:27三、ICT促进低碳经济实现工业用电机和工业自动化设备的节能化。如果从现在开始充分借助信息通信技术进行技术改造，提高工业设备的能源使用效率，那么全球到２０２０年有望减少９．７亿吨二氧化碳排放，所节约能源的价值达１０７２亿美元。28三、ICT促进低碳经济借助信息通信技术提高货物运输和存储过程中的能源使用效率，实现物流业的节能化。此举到２０２０年有望减少１５．２亿吨二氧化碳排放，所节约能源的价值达３２６６亿美元。包括复杂卡车物流管理技术在内的智能运输系统，能将全球每年的碳排放削减15.2亿吨。在欧洲，60%的车队属于卡车数量不超过6辆的公司。如果使用智能运输技术来管理欧洲的卡车流量，卡车司机就能合作优化装载量。这在德国的一些高速路上已经得到验证29三、ICT促进低碳经济30三、ICT促进低碳经济建筑业是全球仅次于工业的第二大能源消耗产业，实现建筑技术的节能化有望到２０２０年减少