低碳计算技术2050年展望之四保罗安德森

73低碳计算技术：2050年展望保罗·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。挑战已经来到。科学研究表明，我们的大气环境已经濒临崩溃，应对气候变化将是我们此生的一个主要的奋斗目标。那么，教育系统和其他公共部门中的ICT应用从长期看能对气候变化带来些什么呢？我们教育领域中的阿波罗计划的目标是什么呢？在第4节中，我们对各个技术领域进行了分析，对2020年之前的高教系统节能技术开发应用做了中短期的预测。但从长期看，我们需要超越部门的局限，进行跨行业的战略思考。正如社会学家安东尼吉登斯所说，应对气候变化需要有全社会的规划。请大家记住，本报告在这一节中描绘的是大画面的技术展望，包括数据中心的未来和云计算，如何共享ICT资源，如何为ICT制造能源。当然首先我们要认识到，2020年之前ICT将承受的各种压力。如果采用欧盟生态规划（上述第2.1.1节）所提出的措施，那么，到2020年，台式电脑所需的平均电能估计将比2005年降低40%，笔记本电脑降低25%，显示器降低38%。但是，由于实际数量的增长，台式机的总能耗到2020年只能减少13%，而笔记本电脑的总能耗到2020年反而会增加两倍，显示器总能耗增加一倍。这说明，由于ICT设备数量的增长，即便我们采用欧盟生态规划中提出的各种措施，英国的公共部门也无法达到2020年减低能耗30%的目标。这就意味着，公共部门的ICT应用需要有比欧盟生态规划速度更快的创新。用非物理方法，或者说用虚拟与智能相结合的方法来估算各行业中ICT的应用对减少温室气体排放的贡献，就更加复杂。例如，替代技术中心在昀近的一份关于走向零碳英国的报告中指出，ICT在减少能耗方面，将通过所谓的智能网格，智能建筑和改变人们的工作和出行方式，发挥重大的作用。碳排放减少承诺和其他一些措施使每个机构都承受着利用ICT技术减少碳排放的巨大压力，高等教育部门要承担责任，发挥ICT的潜力，使之在更多的领域得到应用。另外，由于ICT应用需要更多的人接受高等教育，高教行业必然会扩张。在采用某些可能有帮助的技术之前，要考虑企业架构（EA）的重要作用。EA是一种高层次的战略技术设计，功能是帮助高级管理人员进行企业和组织改革。它能调整组织结构，制定企业运营战略，提供ICT支持技术。昀近几个月，英国联合信息系统委员会（JISC）和大学与学院信息系统协会（UCISA）等组织一直在探讨发挥这种技术潜力，推进行业改革的途径，更主要的目的是奠定工作和共享服务方法的基础。企业架构现在已开始考虑环境因素。开放集团是一家领先的企业架构应用公司，这家公司开始探讨可持续性与机构信息架构之间的联系。高校是数据特别丰富的组织机构。将来的图书馆可能是电子数据存储库，将来的实验数据会生成的越来越多，存储的越来越多，我们必须接受的事实是，数据是机构存在的理由。所以，在机构ICT基础设施的长期建设过程中，考虑数据中心的未来设计是至关重要的。落基山研究所是节能领域中的一家著名的研究机构，它建议将来把数据中心的能耗降低95%。落基山研究所认为，现在输送到数据中心的每100W电能，只有2.5W用在了计算上。该研究所制定了一些未来数据中心设计74的战略（基于今天的技术）。本报告第4节对此已讨论过。毫无疑问，每个机构都会用能效更高的方法来升级和重新配置他们现在的数据中心。不过，部门和机构的基本设计思想将来会遇到新的挑战，这一点是需要在长期规划中考虑的。计算机产业中的许多人认为，我们的计算，正在从台式机向因特网中的“云”转移。宽带的发展使我们可以从网上可靠地获取第三方软件，通过浏览器获取数据存储服务，我们需要具备的条件是：服务云、云计算或者叫做软件即服务（SaaS）。对这些技术和服务的详细讨论，超出了本报告的范围，有兴趣的读者可以查阅教育学论坛（CETIS）在这方面的昀近的著作。在本报告中，我们把这些技术统称为云计算。严格说起来，云计算不是一种未来的技术，因为现在已经有了云计算应用。但是，向云计算转移并不是没有问题的，有些问题如数据安全、司法管辖范围等，本报告在其他章节已有所介绍。制定低碳ICT规划，无论从商务方面考虑还是从部门共享服务方面考虑，都不可避免地要评估向云计算转移的效益。有些大学已经开始发掘数据中心共享的潜力。例如，在英国高等教育基金委员会的支持赞助下，德比大学萨尔福德和谢菲尔德哈拉姆昀近进行了一项研究，分析了数据中心共享的潜力。在同一系列的可行性研究项目中，约克郡和哈姆博塞得城域网（YHMAN）也调查分析了虚拟数据中心共享的潜力。英国联合信息系统委员会昀近将推出一系列的报告，详细讨论云计算在学术方面应用可能出现的问题。但现在我们已经可以肯定，云计算的环境效益取决于两个要素：一是与客户相关的温室气体排放。配备专用的低功耗设备会产生大量的温室气体，理想状况是客户采用云计算时消耗极少的能量，同时可以允许客户使用台式PC机。二是与云计算相关的温室气体排放。第二点现在看起来越来越重要了。伯尔等人指出：“从原则上讲，云计算本身就是一种节能技术。到目前为止，对ICT的节能潜力主要是从硬件方面考虑的，现在则可以从整体运行和网络方面来考虑了”。伯尔等人认为，要开发高能效的计算，必须采用综合的办法，在系统的各个层面节能，包括服务器硬件、冷却系统、网络、通信协议以及服务和应用。他们认为，在硬件端（服务器）的节能方面，已经做了大量的工作，现在需要进一步研究的是在高效能的云计算环境下（也就是说在不只一台服务器的条件下），是否采用一种新技术，把工作量和能耗及服务质量结合在一起来考虑。哈里佐波洛斯等人认为，要花大力气来研究如何以节能的方式管理数据。刘等人也认为，昀重要的是开发他们所说的与虚拟化相关的“绿色云计算”技术，要分析虚拟机与物理服务器相结合会节省多少能量。与云计算相关的网络也会带来温室气体排放。在第4节中我们已看到，网络设备及相关的协议并不是节能的。云计算的用户要访问远方的数据，要使用软件服务，所以网络流量会激增，导致网络能效极低。我们已经知道，有一些技术只是短期解决方法，例如根据需求调整带宽和在必要时让调制解调器和网卡处于睡眠状态。但这都是些局部措施，适用于少量设备，我们需要在网络层面研究新的节能技术。这些技术可以叫做“流量工程”或“流量调整”，现在对这些技术的效益前景尚有争议。瓦西科和科斯蒂克提出了整体网络能量感知工程方法；巴斯拉等人提出了光纤网络流量调整方法。另外，网络设计者和研究人员已经开始在系统设计中考虑能效因素，波拉等人认为，应该把能耗作为评估网络性能的一个指标，不能像传统的评估方法那样，只考虑流量和延迟。昀近颁布的数字英国报告公布了政府部门云计算应用的内部计划，并第一次收入了公众的讨论意见。CIO委员会和有识之士丰富、充实了这些计划。政务云计算的未来就是云政务。通过云政务，可以使政府和各部门的数据中心合理化。政府首席信息官约翰萨福尔克在一个博客贴子里把这些计划描述为由10个部分组成的信息战略，内容包括数据中心合理化，减少中央政务，设计大规模的、安全的、绿色的和经济的数据中心生态系统。他还提出要建立政务应用存储库。云计算是一种主要的低碳计算手段，它可以大大减少温室气体排放。人们对智能网格的概念很感兴趣，这是因为电网与因特网的融合使人们可以更科学、合理地传输和使用能量。云计算和共享数据中心很可能在这方面发挥作用。剑桥大学的安迪霍帕和他的同事们提出了一种新形式的数据中心，他们称之为可适应的数据中心。现在的数据中心要昀大限度地提供服务，要保存相当大的后备存储能力。一个典型的四层数据中心（昀高一层是容错层）需要有额外的容错耗能支持服务器的正常运行。按照设计，这些中心要向客户提供持续的服务。可适应的数据中心可以利用服务层和容错层之间的异质性，根据不同的应用，减少基础设施的总耗能。这项工作能做到何种程度，降低多少能耗呢？麻省理工学院（MIT）的研究人员一直在从事数据中心优化控制的研究，他们建议把数据传送到世界上电价特别低的地方去处理。虽然从能源需求和使用的角度看这种想法十分聪明，但推动这种技术发展的恐怕是经济因素而不是环境因素。所谓“碳泄漏”带来的问题是如何使全球范围的云计算都切实可行，都能减少碳排放。有些国家由于开发了低碳能源系统，或出于其他一些原因致使本国的电价较低，那么是不是就应该把数据处理工作转移到这些国家去做呢？在这种情况下，司法管辖区的问题该如何解决呢？这些都是未来几年考验世界经济学家和政治家的大课题。我们的昀终目标是减少全球碳排放，我们不可能采用偷懒的简单办法把问题推到别的地方去，这样做昀后会带来更大75的麻烦。云计算不是让我们把自己的责任推卸给第三方甚至推卸给其他国家。虽然计算机产业界的大多数人关注的是云计算概念和中心数据处理，但仍有些人在考虑走不同的途径。Telefornica和汤姆逊研究所的研究人员提出了一个他们认为的“未来因特网中数据存储和传递的解决方案”。他们建议用数据中心和对等网络化相结合的办法，把数据放在网络的边缘。他们的计划叫做ECHOS，办法是用“盒子”在因特网的边缘提供接入，这些盒子可以是电缆调制解调器、ADSL接线盒，也可以是机顶盒。就是这些盒子，构成他们所谓的“纳米数据中心”。通过大规模的对等处理，利用这些器件的存储能力，他们可以把大量的因特网数据负荷，特别是视频信号，留在纳米数据中心处理，让主要的中央数据中心处理数据峰值。虽然没有给出可能减少的能耗数字，但作者指出，中央数据中心在超容量状况下运行会消耗大量不必要的能量，何况用户家里的机顶盒和电缆调制解调器已经消耗了不少能量。作者认为，从设想到实际应用还需要进行大量的研究。而另一些人则开始进一步探讨这一设想的可行性，布莱克本和克里斯坦森甚至建议网络运营商把文档共享设备作为宽带服务的一部分安装在居民住处的旁边。这些盒子将采用一种叫做绿色比特流（BitTorrent）的对等技术。这样就可以让网络节点在“睡眠”模式中进行BitTorrent运算了。正如大家所知道的，虚拟化可以合并设备，是数据中心中的一种重要的节能技术，也是云计算的一种关键技术。低碳计算技术的评论者认为虚拟化技术越来越重要了。一位虚拟机设备高级职员在第33届计算机架构国际研讨会的演示中详细介绍了若干未来发展方向的思路。他指出，计算机硬件制造商现在倾向于把各种技术融合在一起，支持虚拟化，使操作系统能在虚拟机上运行。IBM昀近做了一个试验，用一台后台主机虚拟了大量的数据中心服务器，据说可以节能80%，这实际上是回归到上世纪60年代。IBM还有一个叫做“充满绿色（BigGreen）”的项目，用接近30个系统的Z主机模拟了大约4000台服务器。这个问题相当复杂，本报告不拟深入讨论，但建议高校的信息服务工作人员继续跟踪虚拟化的进展。大范围的虚拟化尤为重要，因为它与企业架构相关。例如，弗朗西斯和理查森昀近向信息与企业架构师介绍了一个虚拟化绿色成熟度模型。他们指出，优秀的设计师在设计应用与信息系统时要考虑很多因素，其中环境因素日显重要。他们认为，在“绿色”信息架构设计中，虚拟化是一种关键技术。他们还提出了一个通过购买新的虚拟化服务器，回收生产能耗成本的计算公式。今后几年，我们会更多地关注企业架构、虚拟化、云计算及其与低碳ICT之间的关系。在做中长期规划的时候（2020年—2050年或更远），大学不仅要考虑降低电耗，而且要考虑自己供电。这是一种防范举措，因为数据密集型的高校供电完全依靠国家电网并不安全。另外，自己供电还能使大学摆脱传统的束缚，走创新之路。例如美国加州大学圣迭戈分校正在为它