低碳计算技术2050年展望之三保罗安德森

65中国信息界2010年第8期总第150期低碳计算技术：2050年展望（之三）英国联合信息系统委员会保罗·安德森盖纳·巴克豪斯丹尼尔·柯蒂斯西蒙·雷丁大卫·沃鲁姆张进京译4.5终端用户设备我们把终端用户处理信息和进行通信的系统定义为终端用户设备。这类设备包括台式PC机、显示器、笔记本电脑、上网本、电子阅读器、PDA和移动电话。成千上万台终端用户设备在运转，它们的总能耗很大，在环境中留下的碳脚印也很大。在英国的高校系统，大约40%的用户除了使用台式机外还要使用笔记本电脑。虽然从能源经济的角度看，笔记本通常优于台式机，但笔记本电脑仅适合于短期使用，所以在机构层面，节能作用有限。尽管对笔记本电脑的技术有所讨论，但笔记本电脑本身并不能算作专门类别的终端用户设备。另外在本节中，虽然对移动设备技术及其对提高能效的潜在贡献进行了一些讨论，但并未对不同的设备进行详细的调查。一个机构的IT经理，很难控制个人设备，也不大可能按照气候变化法和碳排放减少承诺的要求采取节能措施，只能在总体感觉上减少能耗。所以，本节重点讨论的是标准终端设施——台式计算机和显示器的环境影响。4.5.1现状：终端用户设备问题2007年，英国非家用型台式电脑LCD（液晶显示屏）和CRT（阴极射线管显示器）的能耗数据见表1。应注意表中所列为平均数值。用这些平均数值，我们可以很快计算出一台PC机（PC机耗电约75瓦+显示器耗电35瓦=110瓦）在一年中永远开机留下的碳脚印。在一年中，8760小时×110W=964kWh。由于1kWh的电网电能相当于0.537公斤的二氧化碳，所以每年的二氧化碳排放总量大约相当于517公斤。这两种主流显示器之间的耗电差别很明显，LCD显示器只有CRT的一半，这就是人们不大愿意购买CRT显示器的一个原因。不过问题并不是这样简单。CRT的制造能耗远远低于LCD，所以从整个生命周期的影响看，很难计算比较。另外，虽然在睡眠、等待或断电状态需要的能量很少，证明了能源之星等计划行之有效，但设备处于低功耗状态的时间却远远少于它们可以达到的停留时间。例如使用屏幕保护程序时，无论是显示器还是台式机，都没有进入低功率状态。实际上，使用屏保程序时台式机会消耗更多的电能，因为运行屏保程序还需要稍多一点的电能。提高计算机和显示器的能效涉及三个关键问题：设备使用方式、产品制造能耗（具体能源）和沃斯定律（尼克劳斯·沃斯，Pascal语言之父，世界著名计算机科学家）。4.5.1.1设备使用方式设备使用方式包括：（1）用户有效使用设备的时间，（2）计算机和显示器在不使用时进入低功耗状态产生的效果。当一台台式机接入电网时，可能处于表2所列的六种耗能状态之一。编者按：构建社会主义和谐社会，必须走循环经济之路，必须充分利用信息与通信技术最大限度地减少人类行为留在地球上的碳脚印。英国在发展低碳经济的战略政策制定和实施方面，提出了很多出色的方案，他们的经验值得我国借鉴参考。英国联合信息系统委员会2009年发布的《低碳计算技术：2050年展望》介绍了英国碳排放减少的战略和计划，分析了信息与通信技术应用对减少温室气体排放，遏制全球变暖的潜在贡献。报告提出的观点可以带给我们很多启迪。本报告全文较长，本刊拟分4期连载，以飨读者。海外论文表22007年英国非家用台式机的能源管理状态，典型的激活时间和能耗高级能源管理类别大致激活时间典型的PC能耗S0工作状态或应用程序闲置时的处理程序运行状态无昀高（70-110W）S1软等候—硬盘驱动器断电2-3s高（65W）S2如上，给CPU断电3-4s高（60W）S3只有RAM通电昀多10s低（4W）S4休眠—保存到磁盘，断电30-60s+（有限制条款）很低（3W）S5断电—耗电昀小的等待状态昀少60s，有时几分钟很低（3W）电能需求工作通电睡眠等候（断电）台式机74.164.602.80LCD35.511.150.96CRT61.393.682.03表1终端用户台式机和显示器的功耗66中国信息界2010年第8期总第150期海外论文从表2中可以看出，一台台式计算机处于闲置状态和处于S3的等候状态（在此状态激活时间不超过5秒）之间的差别是很大的，S3状态的能耗只有闲置状态的5%。让机器处于昀小的等候状态耗能只有正常开机状态的2.5%。此外，还有些研究表明，在联网的计算机环境中，大约有25-60%的台式计算机在不使用时处于闲置状态。诺德曼和克里斯泰森在2009年指出，现在习惯于永不关机的人越来越多了，即便在周末，他们也让电脑在闲置状态运行。原因大概如下：（1）部门的IT工作者担心，如果进行能源管理，或让用户进行能源管理，会增大他们的工作量；（2）缺乏对部门IT工作人员的激励机制，致使他们很少去关注，更别说去负责设备的运行成本了；（3）缺乏配置能源管理设施的意识，即便用户有能力去提高能效。4.5.1.2生产制造能耗（具体能源）就低碳ICT来说，一个关键的问题是是否要用较新的机器取代现有的设备。虽然更换机器需要消耗相当多的生产制造能源，付出环境代价，但如果选择恰当，新的设备耗能少，效率高的优点还是不容忽视的。所有的ICT设备都有更新问题，但对于终端设备，例如PC机，更新尤为频繁，这是因为个人PC机的更新成本比其他ICT设备要低（＜1000英镑）。另外，许多公共部门还设定了用户机更新周期。还有一个原因是，制造厂商现在越来越多地使用绿色节能标记促销，现在这个方法已成为主要的市场营销手段。但是，问题的答案往往不是那么简单，环境计算机专家之间的争论现在还很多，有一个例子可以说明这种困窘。比较一下显示器：（1）老式CRT显示器每年持续使用消耗的电能是158kWh（83公斤二氧化碳当量）；（2）现代LCD显示器每年持续使用消耗的电能是84kWh（44公斤二氧化碳当量）。LCD显示器的耗能和二氧化碳排放当量只有CRT显示器的一半。但在生产制造过程中，CRT显示器只排放236公斤的二氧化碳当量，而LCD显示器要排放423公斤的二氧化碳当量。所以，两种显示器在整个生命周期中的二氧化碳排放当量就是：（1）CRT：236+83y；（2）LCD：423+44y（这里y代表使用年限）。虽然LCD的使用排放较少，但在生产制造过程中排放的温室气体较多，所以LCD要在使用5年之后，排放总量才相当于CRT的排放总量。我们面临的问题是：“如果我们有一个尚能使用的CRT显示器，现在仅仅为了减少温室气体排放就用LCD显示器把它替换下来，这样做合理吗？”答案显然是：“不，还是留着那个CRT显示器吧，直到它坏了再说。”总之，如果显示器使用不到5年，那么LCD的温室气体排放就比CRT要高。当然，这一结论依据的是平均使用方式，还有些因素是需要额外考虑的，例如特殊的使用方式和未来生产制造过程中温室气体排放量的变化（更好的循环利用带来的变化）。另外，还要记住，关于生产制造耗能究竟占多大比例还颇有争议，大多数研究表明，在设备的整个生命周期内，使用产生的二氧化碳是多于制造生产产生的。之所以存在争议，可能是因为使用的PC机类型不同。马萨内特和霍瓦茨的研究结论是显示器制造和使用的影响大约相当于一个假想的，具有5000台PC机，每3-4年更新一次的办公室产生的环境影响。另一方面，莫申雅加引用的2002年的数据表明，制造一台PC机消耗的能量比这台PC机使用3年消耗的能量还多两倍。2007年，他更新了这一数字。他指出，在这5年中，生产一台PC机所需要的能量增加了7%，这是因为新技术的能耗增加了，例如，一片CPU中现在含有更多的晶体管，但PC机的使用能耗没有变化。他得出的结论是：“现代PC机的总能耗主要取决于生产制造能耗，所以减少计算机的使用寿命，会导致巨大的能源浪费。”他认为，昀有效的节能办法是PC机回用和元件升级，直到慢慢累积的使用能耗与生产一台新的PC机的能耗相抵，再更换PC机。另外，就升级来说，昀重要的是扩大存储量，仔细选择扩容时间至少可以把PC机的使用寿命延长1-2年。的确，何时把一台32位操作系统的PC机内存扩大到4GB，是一种策略。4.5.1.3沃斯定律与生产能耗的演进台式PC机的销售，在一定程度上是被台式机固有的软硬件过时现象驱动的。这就是所谓的“沃斯定律”，它描述了“微软-英特尔”共生现象，即视窗（Windows）操作系统版本的升级需要有更强的处理能力，这样才能保证功能。为了跟上发展趋势，台式机往往要提前更新。CPU集成电路是计算机处理的核心，也是计算机的主要耗能元件。硅晶片上的晶体管越多，工作速度就越快，耗能就越多。但是，CPU的功耗越大，能效就越低。集成电路工程师称之为“功耗墙”，也就是说，CPU性能的提高受限于集成电路获取的电能和散热。关于集成电路和CPU，有5个密切相关的要素需要考虑：时钟速度（频率）、电压、晶体管数量、制造材料和占据的空间。每一个要素都存在有“电能泄漏”问题，也就是说，电路中的电流被浪费掉了，未被利用。这种浪费产生热量，必须散掉，这是供给集成电路电能的无效使用。电能泄露的两个主要原因是闸极氧化层漏电流（由制造电路的材料造成）和亚阀值漏电流（这是集成电路晶体管的物理特性，由不良开启造成）。把更多、更小的晶体管挤进CPU中，意味着每出现一代新的计算机，就会有更多的电能泄漏，设备就要增加新的冷却手段（例如整合风扇），或限制计算能力。为控制产生的热量，芯片设计者逐渐降低晶体管的电压，以解决泄漏问题，但是降低电压是有极限的，处理器、电能泄漏67中国信息界2010年第8期总第150期海外论文很大，需要散热。英特尔公司的安迪·格鲁夫说：“将来的一个头疼的问题是电能泄漏。晶体管越小，电能泄漏越多，占CPU总能耗的百分比越大，情况越糟。”4.5.2终端用户设备问题的短期解决办法有一些技术和方法，教育部门可以根据自己的情况直接采用。2009年，詹姆斯和霍普金斯提出了一种战略手段，即通过审计考虑用户需求，制定能效适宜的设备采购计划。这是管理方法，我们在此不予讨论，我们重点关注的是技术问题。4.5.2.1去掉屏幕保护程序开发屏幕保护程序昀初的目的是防止老式的阴极射线显示器（CRT）出现黄化斑点。新的CRT不会产生这种情况，LCD就更不会了，所以原来的屏保程序现在不需要了。我们已经说过，屏保程序通常会妨碍PC机和显示器进入低功耗状态，所以我们应鼓励用户去除屏保程序。《计算机周刊》昀近报道说，巴克利银行已禁止使用屏保程序，估计每年可节省电费1百万英镑。4.5.2.2实施供电管理在工作日，特别是在晚上和周末的非用电高峰期，用户常常在不工作的时候，也让计算机开着。为解决这一问题，厂商设置了许多功能，让计算机在必要时进入各种“睡眠”和“闲置”状况以降低能耗。1996年推出的先进电源配置接口（ACPI）是硬件制造商和软件生产商共同遵循的跨平台标准，执行该标准可以使计算机和显示器在不使用时进入低功耗模式。这个概念很清楚，而“视窗”机器的供电也是通过供电管理接口设置的。但在实施时，情况并不那样简单，特别是台式机（笔记本电脑移动时需要保存电池电量，所以能更有效地执行ACPI标准，至少在依靠电池供电时是这样）。表3所列为台式电脑和LCD显示器在一年内采用不同运行模式的能耗。表3不同能量管理模式下台式机和显示器的能耗比较4.5.2.3供电管理PC机的内部供电效率大体在50-80%之间，而外部供电效率却可能低至20%。由气候保护计算技术组织推出的80%以上计划（80PLUS）制订了纠正这种状况的路线图，目标是把供电效率提高到80-85%。实际上，PC机的能效一直在提高，例如思科现在就销售能效达90%的供电设备。还有能效更高的供电设备可以选择，我们建议用户购买能效昀高的设备。4.5.2.4提高“胖客户端”的能效购买能效更高的台式PC机，成本会稍有增加，但是直到现在也没有什么措施去鼓励教育机构购买高能效PC机，在高校的IT采购预算中，通常不列入用电成本。不过在气候变化法颁布之后，这一状况可能会有所改变。提高胖客户端的能效可能是减少能耗的更有效手段。更高能效的胖客户采用低能耗元件（有些是笔记本电脑的元件），使计算机的能耗只有能源之星4