浅谈信息技术和低碳经济

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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

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上海超级级计算中中心的10万亿次曙曙光4000A平均每天天的电费费就超过过了1万多元。。一年要要消耗400万人民币币的电费费，这相相当于一一个小县县城的耗耗电规模模了，远远远大于于超级计计算机自自身的价价值。中石油东东方地球球物理公公司数据据中心的的电耗成成本更是是惊人。。现在拥拥有1万多颗CPU规模的数数据中心心的电费费总支出出每天要要4.8万元，因因此每年年光电费费成本就就高达1700多万元。。二、ICT的碳足迹迹及对策策12在美国，，全美发发电的2%都用于数数据中心心，是一一个非常常可观的的数字，，而且还还在快速速增长。。高额的的用电量量和用电电成本甚甚至让一一些拥有有大规模模数据中中心的企企业如Google、腾讯开开始或筹筹划自建建发电站站。二、ICT的碳碳足迹及及对策Dalles是美国俄俄勒冈州州北部哥哥伦比亚亚河（Columbiariver）岸上的的一个城城市，Google在Dalles的边上拥拥有的30英亩土地地，他们们在这里里建立了了几乎是是世界上上最大，，性能最最好的数数据中心心。四个个装备有有巨大空调设施的仓仓库内，，放置着着数万台台Internet服务器，这些服服务器每每天处理理着数十十亿条Google网站传递递给世界界各个角角落的用用户的数数据。13这个数据据中心占占用了附附近一个个1.8GW水力发电电站（这这个数字字和科罗罗拉多州州的胡佛佛坝类似似，比SizewellB之类的英英国核电电站要多多上50%！）的大大部分电电力输出出二、ICT的碳碳足迹及及对策14对策制定相关关节能标标准如何有效效解决超超大数据据中心的的高密度度机架的的绿色供供电、散散热、高高功耗问问题，利利用风道道设计、、智能冷冷却、能能量智控控等技术术，建设设新一代数据处处理中心，已经成为全全球主要高性性能计算机制制造商的关注注焦点之一。。提高高性能计计算机每瓦特特性能，需要要从芯片级、、系统级和基基础架构级等等多个层面来来研究开发节节能技术。目目前，基于多多核、低功耗耗技术的刀片片式服务器产产品就是一例例。研发相关关节能芯片尤尤其是可逆逻逻辑芯片也正正在探索中。。二、ICT的碳足迹迹及对策15可逆逻辑芯芯片热力学第二二定律声称，封闭闭系统(能量不会传传送出去或或进来的系系统)中的熵值即即它的混乱乱程度不会会减少。所所以如果一一个寄存器器的内容被被清除，它它的熵将减减少，那么么多余的熵熵跑到哪儿儿去了呢？？答案是以以一种热的的形式散发发到计算部部件的周围围环境中。。热力学第二二定律表明明：如果人人们还继续续采用传统统的非可逆逆的、清除除比特的信信息处理技技术，如此此高度密集集的电路不不但会因为为热量而熔熔化，甚至至会发生爆爆炸。二、ICT的碳足迹迹及对策16量子计算机机量子计算机机是一类遵遵循量子力力学规律的的新型计算算机量子计算机机不仅运算算速度快、、存储量大大，而且功功耗低（可可逆计算））。量子计算机机的研究将将导致计算算机科学技技术的一场场革命！为为此，发达达国家高度度重视量子子计算和量量子通信的的研究，中中国在此领领域处于领领先水平。。二、ICT的碳足迹迹及对策17DNA计算是利用用DNA双螺旋结构构和碱基互互补配对规规律进行信信息编码，，将要运算算的对象映映射成DNA分子链，通通过生物酶酶的作用，，生成各种种数据池，，再按照一一定的规则则将原始问问题的数据据运算高度度并行地映映射成DNA分子链的可可控的生化化反应过程程。最后，，利用分子子生物技术术（如聚合合链反应PCR、超声波降降解、亲和和层析、克克隆、诱变变、分子纯纯化、电泳泳、磁珠分分离等），，检测所需需要的运算算结果。二、ICT的碳足迹迹及对策DNA计算机18美国Columbia大学研制的的DNA计算机二、ICT的碳足迹迹及对策19优点：强大的并行行计算能力力：DNA计算每秒可可并行操作作10的22次方DNA串。据测算算，DNA计算机的运运算速度可可达每秒100万亿次浮点点运算，而而当前最快快的巨型机机，即NEC的“地球模拟器器”仅为每秒36万亿次浮点点运算。极低的能耗耗：能量消耗只只有一台普普通计算机机的十亿分分之一。极高的信息息存储容量量：DNA分子具备极极有效的数数据结构，，能在很小小的空间存存储海量信信息。DNA分子存储数数据的密度度可达到18Mbits/perinch。相当于今今天高性能能计算机10万倍。二、ICT的碳足迹迹及对策20CBM处理将近一一亿个人工工神经元；；它的计算算能力相当当于10000台个人电脑脑，价值50万美元。神经网络计计算机二、ICT的碳足迹迹及对策神经计算机机21演化计算机机遗传算法（GeneticAlgorithm,GA）是模拟遗传传选择，优优胜劣汰，，适者生存存的生物进进化过程的的计算模型型。它是由由美国Michigan大学的J.Holland教授于1975年首先提出出的。GA是一种新的的全局优化化搜索算法法,简单通用、、鲁棒性强强，适合并并行分布处处理，应用用范围广，，尤其适用用于解决传传统方法难难以解决的的复杂和非非线性问题题。二、ICT的碳足迹及及对策搜索引擎的的使用会消消耗大量能能源，造成成巨大的碳碳排放量。。运行用户户计算机需需要电力，，运行遍布布世界各地地的服务器器和控制庞庞大的数据据中心的温温度更要消消耗大量的的电力。哈哈佛大学的的一项研究究成果表明明，通过谷谷歌进行一一次搜索会会产生7克的二氧氧化碳，搜搜索两次等等于煮一壶壶水产生的的二氧化碳碳。不过谷谷歌对此纠纠正说，进进行一次搜搜索会产生生近0.2克碳排放放，1000次谷歌歌搜索产生生的温室气气体仅相当当于美国一一辆汽车平平均行驶一一公里所产产生的排放放量。22二、ICT的碳足迹迹及对策对策:提高数据中中心速度,降低能耗.提高搜索模模型和算法法实行的速速度,服务器在等等量工作中中消耗的能能源就会减减少。英国格拉斯斯哥大学8月底发布布消息称，，他们的科科学家通过过使用使用用双赛灵思思现场可编编程逻辑门门阵列（XilinxFPGAs）），执行信信息检索和和数据库文文档过滤算算法。结果果发现，FPGA系系统的搜索索速度比英英特尔安腾腾-2双核核处理器要要快20倍倍。不仅如如此，FPGA芯片片所耗电能能也很小，，每个芯片片只需要消消耗1.25瓦特的的电能，而而安腾处理理器则需消消耗130瓦特，从而大幅幅降低碳排排放量。FPGAs能够降低低能耗，提提升运行速速度，极具具潜力，如如果将几个个FPGAs连接到到一个处理理器上，将将会极大提提升运算速速度，而只只留下很少少的碳足迹迹。将其最最终应用到到网络服务务器上，以以加快网络络搜索速度度，从而降降低搜索引引擎工作所所需的能源源和碳成本本。23二、ICT的碳足迹迹及对策“云计算””制定目标标就是为了了满足IT支撑系系统高性能能、低成本本、可扩展展、高可靠靠性的IT计算和存存储的需要要。采用““云计算””这种密集集型的数据据存储架构构，对于IDC机房房设备与能能源的消耗耗可以起到到关键作用用。24二、ICT的碳足迹迹及对策25CloudComputing云计算(CloudComputing)是分布式处处理(DistributedComputing)、并行处理理(ParallelComputing)和网格计算算(GridComputing)的发展，或或者说是这这些计算机机科学概念念的商业实实现。云云计算的基基本原理是是，通过使使计算分布布在大量的的分布式计计算机上，，而非本地地计算机或或远程服务务器中，企企业数据中中心的运行行将更与互互联网相似似。这使得得企业能够够将资源切切换到需要要的应用上上，根据需需求访问计计算机和存存储系统。。，“云”会替我们做做存储和计计算的工作作。“云”就是计算机机群，每一一群包括了了几十万台台、甚至上上百万台计计算机。云云计算将以以互联网为为中心，提提供安全、、快速、便便捷的数据据存储和网网络计算服服务，使得得互联网这这片“云””成为每一一个网民的的数据中心心和计算中中心二、ICT的碳足迹迹及对策26二、ICT的碳足迹迹及对策云计算技术术将对IT产业和网民民生活产生生重要影响响。对IT硬件厂商、、软件厂商商和服务商商都将产生生重要影响响。管理软软件的开发发、部署和和应用以至至于商业模模式都将步步入云计算算时代。目前，亚马马逊、谷歌歌、IBM、微软、雅雅虎等均提提出了不同同的云计算算解决方案案，并建立立了各自的的云计算平平台。阿里里巴巴、中中国移动研研究院、中中国电信等等是云计算算的领跑者者。瑞星、、趋势、卡卡巴斯基、、MCAFEE、赛门铁克克、江民科科技、PANDA、金山、360安全卫士、、卡卡上网网安全助手手等都推出出了云安全全解决方案案。信息通讯技技术可望大大力推动节节能减排，，提高世界界经济的能能源和碳效效率。到2020年年，信息和和通信技术术可削减78亿吨温温室气体排排放，相当当于目前全全球碳排放放的15%，并同时节节省超过9000亿亿美元。信息通信技技术对于节节能减排的的重要意义义主要体现现在两个方方面。一方面，信信息通信产产业自身的的发展有助助于减少社社会经济活活动对部分分物资的消消耗，从而而减少生产产这些物资资的能源消消耗。另一一方面，将将信息通信信技术应用用于其他产产业可以带带来更大的的节能效果果，尤其是在以以下几个领领域:27三、ICT促进低碳经经济实现工业用用电机和工业业自动化设设备的节能能化。如果果从现在开开始充分借借助信息通通信技术进进行技术改改造，提高高工业设备备的能源使使用效率，，那么全球球到２０２２０年有望望减少９．．７亿吨二二氧化碳排排放，所节节约能源的的价值达１１０７２亿亿美元。28三、ICT促进低碳经经济借助信息通通信技术提提高货物运运输和存储储过程中的的能源使用用效率，实实现物流业业的节能化化。此举到到２０２００年有望减减少１５．．２亿吨二二氧化碳排排放，所节节约能源的的价值达３３２６６亿亿美元。包括复杂卡卡车物流管管理技术在在内的智能能运输系统统，能将全全球每年的的碳排放削削减15.2亿亿吨吨。。在在欧欧洲洲，，60%的的车车队队属属于于卡卡车车数数量量不不超超过过6辆辆的的公公司司。。如如果果使使用用智智能能运运输输技技术术来来管管理理欧欧洲洲的的卡卡车车流流量量，，卡卡车车司司机机就就能能合合作作优优化化装装载载量量。。这这在在德德国国的的一一些些高高速速路路上上已已经经得得到到验验证证29三、、ICT促进进低低碳碳经经济济30三、、ICT促进进低低碳碳经经济济建筑筑业业是是全全球球仅仅次次于于工工业业的的第第二二大大能能源源消消耗耗产产业业，，实实现现建建筑筑技技术术的的节节能能化化有有望望到到２２００２２００年年减减少少１１６６．．８８亿亿吨吨二二氧氧化化碳碳排排放放，，所所节节约约能能源源的的价价值值达达３３４４００８８亿亿美美元元。。例例如如，，如如果果将将信信息息通通信信技技术术用用于于改改善善北北美美洲洲的的建建筑筑设设计计、、建建造造和和管管理理，，有有可可能能减减少少１１５５％％的的温温室室气气体体排排放放。。在建建筑筑物物中中，，可可以以采采用用更更为为精精密密的的技技术术来来监监控控照照明明、、供供暖暖和和通通风风系系统统。。仅仅就就美美国国而而言言，，这这可可以以将将商商用用建建筑筑行行业业每每年年的的能能源源费费用用降降低低近近30%。。而而在在全全球球，，智智能能化化建建筑筑每每年年可可减减少少16.8亿亿吨吨碳碳排排放放。。31三、、ICT促进进低低碳碳经经济济32三、、ICT促进进低低碳碳经经济济实现现电电网网的的节节能能化化。。此此举举到到２２００２２００年年有有望望减减少少２２００．．３３亿亿吨吨二二氧氧化化碳碳排排放放，，所所节节约约能能源源的的价价值值达达１１２２４４６６亿亿美美元元。。目目前前约约有有３３００％％的的电电能能在在传传输输过过程程中中损损耗耗。。如如果果采采用用信信息息通通信信技技术术加加强强对对电电网网的的监监控控管管理理，，可可望望使使传传输输中中损损耗耗的的电电能能减减少少３３００％％。。33三、、ICT促进进低低碳碳经经济济智能能电电网网项项目目正正在在成成为为全全球球低低碳碳经经济济的的一一个个表表率率。。2009年年2月月，，新新一一届届美美国国府府将将智智