??? 摘 要：綠色IT是整個人類社會發展的需要。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的作用、功能特點及其實現方法。
??? 關鍵詞：綠色IT；綠色操作系統；能源管理；節能；能耗測量
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??? 在中國共產黨和我國政府發布的一系列重要文件中，都強調要建設環境友好、資源節約型的信息化社會。這無疑是非常重要的，也是科學發展觀的具體體現。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展中的國家，每個公民，怎能不為建設環境友好、資源節約型社會而獻計獻策呢？正因如此，在近一段時間內，對綠色IT的研究和討論才引起那么多人的興趣。
??? 在建立環境友好、資源節約型信息化的和諧社會中，計算機系統無疑能起了重大作用。它能將大的系統、復雜的生產過程優化，使資源消耗降至最低，而收益提至較高或最高；它能幫助各行各業的工作人員工作程序優化，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，能否將信息系統或計算機本身的資源消耗降至最低、將危害環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、各種外部設備、CPU等，在“節能、減排”方面都有一些行之有效的技術措施。與此相適應，在軟件方面的節能研究也陸續開始。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境下執行，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工業中是有所作為的。系統軟件更是如此！操作系統是整個計算機系統的管理和調度中心，筆者認為它對建設綠色IT產業的作用更突出。本文的重點是研究和闡述綠色操作系統的有關問題。
??? 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境的因素，這豈不可惜！所以，不論是系統軟件的開發單位，還是IT系統的應用部門，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 驚人的數字
??? 據有關部門統計：2007年，我國IT設備總耗電量為(3×1010～5×1010?)?kW/h；而長江三峽2007年的總發電量是7.706?6×1010??kW/h。這就是說，新建的三峽電站所發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展，在2008年，預計這個數字還將會有較大的增加。
??? 在全世界范圍內，所有數據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。
??? 2007年，據CNNIC統計，我國有1.6億網民。按每臺電腦功耗100W計算，24h用電量是2?400?W；以每個網民每天上網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。我國網民的數量增加很快，僅2008年上半年統計，數量已達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2008年3月報導：我國IT產業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中排名第14位。
??? 上述問題，不僅在發展中的我國存在，在世界上最發達國家美國，這樣的問題依然嚴重存在。美國2007年環境與能源部門的統計數據表明，美國數據中心的耗電量已經占到美國全國總能耗的1 %～1.2 %。數據中心電力消耗及其制冷設備運營成本的高速增長，與幾年前相比已經增長了數倍。未來幾年，信息企業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“節能、環保”的目的。更具體地說，研究綠色操作系統一方面支持綠色IT系統的運行；另一方面則是促使IT系統盡快盡早地達到綠色IT的要求。
2 綠色IT與綠色操作系統
??? 近幾年來，當人們深切地感覺到環境污染已經從各個角度危害到人類生存的時候，環境保護、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，也是專業技術人員研究開發的一個重要方向。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：“以環保為核心的設計、制造、運行和處置IT產品，及其他有關方面的要求”。這樣的定義是抽象的，也是定性的。它強調在整個生存周期的各個階段都是綠色的，是以環保為中心的，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)節能、降耗：主要是大大地減少IT產品運行時的耗電量。
??? (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)節省存儲空間：有人認為存儲在計算機系統中是能源消耗的“大戶”，因而節省存儲空間就能起到節能降耗的作用；但其優點還不僅于此。SYBASE是較早提出“綠色數據庫”概念的廠商。他們認為：“1PB，即1 000 TB的數據量，加載到SYBASE綠色數據庫上，最終只有185 TB的存儲量”。如果這樣的數據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會對環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是綠色IT系統，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、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，已有幾個標準，可供判定是否為綠色IT系統之用。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節能認證；美國的能源之星“Energy Star 4.0”升級版本。
??? 綠色操作系統應是綠色IT的核心，退一步講，也應當是其核心之一。綠色操作系統，不僅是綠色IT系統的運行核心，也是該系統的“節能、減排”的重點部位。
??? 操作系統是整個IT系統的運行指揮中心和資源總管。有人認為：綠色IT系統之所以能達到“節能、減排”的目標，有很大一部份是靠系統管理，甚至有人認為：“節能、減排”的目標，可能有85?%以上要靠系統管理來實現。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，而綠色操作系統的討論和研究會卻很少。Linux的發明人Linus Torvalds曾提出要將Linux操作系統改造成為綠色操作系統；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的科技人員，已經注意到了這一問題，并將研制綠色的操作系統定為當前的主要研制任務。中國國內的操作系統的研究人員，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 綠色操作系統的作用
??? 至少在幾年之前，計算機硬件的“節能、減排”研究工作就已經開始。到今天為止，業已取得很顯著的成績，并已用到各種產品開發上。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，而且形成了產品。例如，計算機的CPU芯片，能夠允許在不同工作頻率的狀態下運行，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實驗室趙霞博士所發表的文章中，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。本文只不過是強調一點，硬件系統的這些研究工作，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。
??? 綠色操作系統能夠控制全IT系統“節能、降耗”。整個IT系統的能源消耗，嚴格說應當分為三項：操作系統運行本身所消耗的能源；操作系統管理和控制下運行各種應用程序的能源消耗；在系統空閑時，系統空轉時所消耗的能源。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。在數據庫管理系統中，SYBASE說他的數據無損壓縮能力強，同樣多的用戶數據在SYBASE中占據物理空間最少，因此自稱為綠色數據庫；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，就是抓住了系統的最主要特征。
??? 一般而言，操作系統自身運行所占用的資源開銷，在整個計算機系統中所占比例很小。例如在銀河計算機中，這個系統開銷只占5%左右。但是在一些網站上，對各種操作系統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?
??? 系統空轉時所用的系統開銷和能源消耗純粹是一種浪費。綠色操作系統應該將這一部分能耗降到最低或消除。現在手持式入網設備，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管理不善呢？其實整個系統要“開源節流”才對。
??? 綠色操作系統能夠實時測量IT系統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下會出現高能耗，并能及時向系統和用戶發出高耗能警報！以便用戶和系統相結合及時查清原因，采取適當措施，阻止高耗能情況的發生和蔓延。
??? 綠色操作系統要對IT系統各種資源及能耗進行管理和控制。首先要對系統內的所用能源進行控制，使電源由目前的不可管理狀態進入可管理狀態；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空轉時間。甚至于控制計算機本身的系統結構，例如使系統降級，以適應系統吃不飽的情況；或使系統睡眠，以伺機投入工作，使功耗降至最低。
??? 綠色操作系統應能合理地分配各種存儲空間并選擇適當的訪問方式，以降低能耗和污染。當前IT系統中，各類存儲空間都比較大：例如主存、Flash、網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系統中，應用各種存儲的能耗占有很大的比例。因而操作系統如何分配和應用這些存儲使整個系統功耗降低，這是擺在操作系統面前的一個系統優化問題。
??? 綠色操作系統能支持整個IT系統：大幅度節能降耗，進而客觀上減低了系統污染；控制系統重構和強化管理，達到系統工作時低輻射的目的；優化存儲，以實現節省存儲空間和合理利用各種存儲設備的效果。
4 綠色操作系統的功能特點
??? 綠色操作系統的概念，到今天為止，仍然不是很明確的，正處于研究之中；業界也沒有統一定義，當然是有共同的要求。這些要求就體現在綠色操作系統的必備功能上。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)系統的電源管理和控制
??? 將全系統供電分為可管理狀態和不可管理狀態兩種。目前的人工加電/斷電工作狀態，不可管理狀態，這不能全由操作系統控制。可管理狀態，就是將電源的工作狀態置于操作系統的控制之下。例如可將它們分為全功率工作狀態、半功率工作狀態和值班、睡眠狀態等。這些工作狀態的正向轉換，全由操作系統根據當時負載情況而定；而反向轉換，如系統喚醒，一般是由外部中斷引起；至于由半功率工作狀態如何轉換為全功率工作狀態，則根據系統內的任務堆積情況由操作系統決定采取的具體措施。電源管理工作狀態示意圖如圖1所示。
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??? (2)能耗測量與報警
??? 要想精細地控制系統能耗，過細地掌握IT系統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據定時地送入操作系統中，才有可能加以分析、處理、確定優化方案；發現能耗異常的工作時段，報警并查明導致異常的原因。為避免以后再出現此類情況，應采取相應的技術措施。
??? 在IT系統中，可以進行能耗監測的大部件或分系統有：CPU、Cache、存儲、磁盤、終端、網卡、網絡存儲器；其他外部設備有：打印機、圖形設備等。
??? (3)系統結構的動態變化和升降級
??? 在當前或以后的計算機系統中，由操作系統控制改變其系統結構是可能的，也是可行的。如果從“節能、減排”的角度看，系統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。
??? 系統結構動態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中，采用雙機或三機備份，這是系統容錯的技術之一；失效部件的動態切換，也是系統容錯的一部分。
??? 研究計算機系統結構的動態變化的主要目的是：為了減少系統空轉而達到綠色的效果。例如：在多CPU系統中，在適當的時刻，將某些CPU停止運行；切除系統的Cache；停止某些存儲設備或外圍設備的運行，減少網絡交換速度等。如果能使系統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。在此環節上，如何控制節電，值得研究。
??? (4)文件系統的合理配置
??? 現代的信息系統中，存儲媒體有若干種，其特點和訪問方式各不相同；數據形式各式各樣，有結構化的和非結構化的，其中后者又各有其要求和特點；計算機內部處理和采用的文件系統也可能有幾種，它們亦各有其短長。這些因素在“節能、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，使用優化問題方法可能更為重要。
5 社會呼喚綠色操作系統
??? 當前，我國各階層人民在經歷了環境污染帶來的各種危害后，普遍的要求和呼聲就是：保護環境，建立綠色IT!我國政府對此也大力支持。
??? 在滿足我國經濟可持續發展目標的前提下，以科學發展觀為指導思想，筆者認為發展綠色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：現在的IT系統中，各種各樣的軟件堆積如山。其中，哪個部分對整個系統的綠色影響最起作用呢？是操作系統！之所以強調這一點，不僅是因為筆者本人是操作系統的研制者，而是因為它在整個系統中所起的作用和所處的位置非同小可。由于操作系統的工作是控制和管理整個計算機系統的全局和日常工作，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。可以說它是整個計算機系統的“掌權者”和無名英雄。真是“養在深閨人未識”啊！因此，到目前為止，對操作系統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，例如數據庫管理系統，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系統中，如果計算機硬件逐步變綠了，操作系統逐步變綠了，整個IT系統焉能不綠？